三坐标系校准检定仪制造技术

一种三坐标系校准检定仪，是采用四角可转动的菱形几何体，置于受检三坐标系空间通过三坐标测量机测控系统，提供有限的空间长度基准和测量坐标点位真值，然后使这一简单的空间机构所产生的有限要素再一次性复杂化，产生数量按指数增长坐标真值与误差矢量要素，完成与各类不同三坐标结构都能通用的空间检定和补偿。本发明专利技术具有简单通用、准确、一致、可靠、经济适用等优点，适合于各类正在服役的和新制造的数控三坐标加工和检测设备的空间误差补偿后精度等级的提升和检定。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于按正交的三坐标系制成的数控加工设备和三坐标测量机的空间坐标完善检定及空间误差补偿的仪器。
技术介绍
以正交的三坐标系结构的镗铣类数控加工中心和三坐标测量机正在成为普及和发展的目标，目前，三坐标机的保有量在5万台以上，镗铣类数控加工中心至少是三坐标测量机的100倍，这是由于在正交的三坐标系中，通过对坐标点的静态和动态定位，可组成坐标空间的直线、线段、角度、曲线和任意曲线和曲面的实体轮廓和虚拟轮廓，完成任意几何形体所要求的目标，具有极强的通用性。但由于构成三坐标系的误差结构非常复杂，制造误差、力变形、热应变形、环境温度与振动、实物基准及探测误差都使空间坐标理论正确点位的定位发生偏离，这些误差归结为坐标三轴的运行直线度和垂直度，即单一坐标轴三转动和三平动6自由度加一个垂直度，共7项，三轴的空间共21项误差加探测误差与实物基准检定误差组成。由于误差的复杂性即使用同一设备，空间不同区域有不同的精度。这使检定坐标系统的不确定度都变得十分困难，因此，空间长度的测量很难达到一维测量的水平，介于此，国内和国际所制定的三坐标检定标准都对空间精度评定采用降低精度的方法。如一维测量中，可强制执行检测误差按工件误差十分之一的选取原则，精度评定采用±3σ，误差呈单向分布；而三坐标系中可采用1/3原则，精度性能评定±2σ，误差呈双向分布并允许空间有限的不完善检定，进行精度性能评定。目前，三坐标设备的发展目标和价值取向均要求精度和速度，为了提高精度，用单纯提高制造精度的方法是有效的，但存在时代的局限及极限。已接近极限的精度，每微小一步提高均付出极高的经济代价。另一途径就是采用误差补偿校准，现在对一维的单轴的补偿校准可达到亚纳米级水平，已趋成熟。但空间补偿难度大，必须同时满足精确性、一致性、完整性、简易性、误差朔源性，这五个条件又都同通用行、经济性、可靠性、方便性、及生产现场的适用性是一致的。这些条件有的是相互矛盾，故目前空间坐标检定都存在这样或那样的缺陷，坐标空间的检验不完整，可信度差，某些成型的检验方法仅限于不确定度的评定，更不能完成误差补偿，截止目前，尚缺可向用户提供满足上述条件的空间误差检定或补偿。
技术实现思路
本专利技术的目的是同时满足上述条件给正在使用中或新制造的各类三坐标系构成的镗铣类加工中心及三坐标测量机，提供空间误差补偿完成原精度等级提升及空间检定的三坐标系校准检定仪。本专利技术的技术方案是如图1～图6所示，使用四角可转动的菱形几何形体，置于受检三坐标系空间，配备现行的三坐标测量机测控软件，作步距坐标测量，利用菱形几何特征，对角顶点相对运动定位的示值，可不受导向误差影响，提供了具有一维测量精度的系列正交平面坐标系在受检空间分布的稳定长度基准，获取n个坐标空间点位和一中心球面n点位分布的真值和误差矢量，按规定以(n/4)2(n/4+1)个扩展的空间网格点位矩形立方分布，并通过增补的测控运算程序，对空间21项误差溯源，插补及相关的空间实时补偿，最终完成各类结构的三坐标系的按分辨率等级的完整补偿与检定。本专利技术中，菱形几何形体的四角安有精密铰链2的回转轴的60度基准中心孔锥面上各固定有一个精密球体1，菱形边3与精密铰链2连接，精密球体1中心确定的四根菱形边3等长，四个精密球体1处于同一平面，各回转轴线平行，四角的精密球体1中A、C的精密铰链2与导轨4连接，光栅标尺5安装在导轨4上，导轨4固定在安装座6上。本专利技术如图2所示，两个菱形结构并各自任选一回转轴线重合，组成串接的菱形组合。为保证适合各类三坐标系规格的不同矩形空间的四对角线安装，可选择姿态刚性准确定位，以满足运算程序所需的测点分布，应有三维转动及微动调整达安装精度。串接后的结构应使7个球心处于同一平面，固定对角回转支点A下面运动的滑块可手动或伺服驱动，整个结构保持高刚度作步距位移的定位锁定测量，支持中心转轴点C固定在安装座上，另一回转轴下的支持点G施加在一反向弹性力与结构重力平衡，浮动相对固定，避免结构误差造成的力干扰。对于小结构的串接菱形体G点不设支撑，以保证菱形体测量最低点位与工作台面尽可能小的安装距离。这样的结构在受检坐标系S的坐标空间呈四对角线安装，每次分别作球心等步距坐标定位测量，步距定位驱动可手动、伺服运行。如图4所示，按步距数相同定位的位置每次取得8个对角线测点和8个以邻边长度为半径的球面8个测量点分布，随步距定位序号增加到n/8。每次的8个点向中心收缩，共取得含有对角n个测点和球面n个测点。测量时选择串接菱形结构平面坐标系U与S系符合如图1所示的规定，所得n点的结果，利用现有三坐标机测量软件的相关运算功能程序，包括点位坐标探测，点—点、点—线、点—面的距离、交点、交线、线位移的角度值，矢量坐标变换，坐标平移、旋转变换，直线、平面、球面多测点的最小二乘求解，曲线与曲面的拟合，点位的直线、平面、球面的方程表达等与新增的运算程序配套运算在下文中不再区分，直接叙述。本专利技术具有简单通用，准确、一致、可靠、经济适用，适合于各类正在服役的和新制造的数控三坐标加工和检测设备的空间误差补偿后精度等级的提升和检定。附图说明图1、菱形几何形体原理2、串接菱形体机构示意3、串接菱形体空间安装示意4、空间对角线测量测量点示意5、空间网格6、网格补点示意图其中1、精密球体；2、精密铰链； 3、菱形边；4、导轨；5、光栅标尺； 6、安装座。具体实施例方式本专利技术精密球体可以是钢球、玻璃球、硬质合金及宝石球等。这里优先选淬硬钢球，其优点是精度高，可用永久磁铁片固定，简单可靠。回转轴系的选择应保证各轴线平行可以是滑动、滚动、气浮。但优先选用径向和端面都形成过盈结合的滚动轴系形成精密回转铰链，因过盈无间隙而具有高刚度稳定性，菱形边3可使用轻质的高刚性材料，如炭化纤维，陶瓷等。但优质铸件仍是选择，因它具有与通常的三坐标加工设备的铸件结构相同的线胀系数。而安装标尺的基体应与构成菱形四边的材料一致，标尺经激光干涉仪校准示值后，以保持光栅示值和菱形四边的线膨胀一致，便于现场作业。目前，与精度密切相关的基础构件，如球体、光栅标尺、滚动轴系基础构件可达0.5μm的精度，甚至更高。组合后的基准长度精度依赖于一维的检定精度，已在前面提及不成问题，组合后球心的位置长度和平面度在采取工艺校准和调节的方法，在高的平面精度的平板上进行，且菱形处于正方形的位置校准。在执行球心坐标探测模式时，使用包括球面顶部的一点在内的正交五点探测。这不但使测量简化，同时消除三维探测的方向误差及基准球的球度误差，从而为整个检测提供可靠的基准元素置于受检三坐标s系中，菱形对角线组成正交平面坐标系，构成一种不受导向直线度误差影响，具有一维检定精度的可供数量任意选定的长度基准，所给出的球心点位的真值坐标和误差矢量，通过三坐标测量机运算程序配套，完成受检三坐标系的空间误差补偿校准与检定。本专利技术完成空间检定与补偿的运算的求解过程如下1、求解n个测量点位在三坐标系中的误差矢量和真值坐标示值，以图1为例，在S系中菱形y示值由基准光栅示值给出，球中心四菱边R长度基准检定已知，A、B、C、D四点球心的坐标值在受检坐标S系中测量示值求解距离AB、BC、CD、AD、BD共7个已知数，将S系的测量坐标系按每一步距均符合图1所示选择，使本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用三坐标测量机测控系统的三坐标系校准检定仪，其特征是：使用四角可转动的菱形几何形体，置于受检三坐标系空间，作步距坐标测量，利用菱形几何特征，对角顶点相对运动定位的示值，提供了具有一维测量精度的系列正交平面坐标系在受检空间分布的稳定长度基准，获取ｎ个坐标空间点位和一中心球面ｎ点位分布的真值和误差矢量，按规定以（ｎ／４）２（ｎ／４＋１）个扩展的空间网格点位矩形立方分布，对空间２１项误差溯源，插补及相关的空间实时补偿，最终完成各类结构的三坐标系的按分辨率等级的完整补偿与检定。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘兴荣，刘延子，王春华，武岷虹，
申请(专利权)人：成都司塔瑞测控工程有限公司，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]