一种基于距离误差的双旋转轴位置无关几何误差辨识方法技术

本发明专利技术公开了一种基于距离误差的双旋转轴位置无关几何误差辨识方法，该方法包括以下步骤：基于对偶四元数实现机床旋转和平移运动的统一表示，构建机床刀具相对于工件坐标系模型；通过两旋转轴协调运动测量靶球间距离误差，测量时B轴进行0

【技术实现步骤摘要】
一种基于距离误差的双旋转轴位置无关几何误差辨识方法


[0001]本专利技术涉及机床误差测量
，特别涉及一种基于距离误差的双旋转轴位置无关几何误差辨识方法。
技术背景
[0002]由于五轴机床具有更大的灵活性和加工效率，随着现代制造业的发展，五轴机床在汽车、医疗设备和模具制造行业中的地位越来越重要。由于其结构和操作条件的复杂性，五轴机床加工过程会受到各种误差的影响，而几何误差是最大的误差源之一。如果缺乏几何误差的辨识，将会对加工精度产生较大影响。
[0003]众多的测量仪器被用来识别几何误差。激光跟踪仪具有测量速度快、范围大的优点，能够在工作空间中进行三维测量。与其他仪器相比，激光跟踪仪不受固定距离的限制，可以更全面地测量几何误差，但现有方法难以实现双旋转轴全行程的误差辨识。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提出一种基于距离误差的双旋转轴位置无关几何误差辨识方法，该方法可基于测量得到的距离误差辨识双旋转轴与位置无关的几何误差。该专利技术有利于实现双旋转轴全行程的误差辨识。
[0005]所提出基于距离误差的双旋转轴位置无关几何误差辨识方法，包括如下步骤：
[0006]步骤1、基于对偶四元数实现机床旋转和平移运动的统一表示，构建机床刀具相对于工件坐标系模型：
[0007][0008]其中与分别表示理想情况下刀具及工件相对于机床坐标系的位置。表示第i轴的对偶四元数形式，表示的共轭：
[0009][0010]为刀具相对于B轴坐标系的对偶四元数，为工件相对于C轴坐标系的对偶四元数：
[0011][0012]步骤2、通过两旋转轴协调运动测量靶球间距离误差，测量过程需要两个靶球，在测量过程中X、Y、Z轴保持不动；同一台激光跟踪仪被用于测量刀具端靶球坐标及工件端靶球坐标，根据测量结果计算两靶球间距离值，包括步骤：
[0013]步骤2.1、通过两旋转轴协调运动测量靶球间距离误差，在测量过程中X、Y、Z轴保持不动，机床坐标系的原点建立在两旋转轴轴线的交点。测量过程需要两个靶球，刀具端靶
球长度L
t
通过对刀仪及机床设计参数确定，工件端靶球通过百分云台与机床探针调整至已知位置，该位置相对于C轴坐标系位置为t
w
。
[0014]步骤2.2、测量时B轴进行0
‑
90
°
的旋转运动，C轴进行0
‑
360
°
的旋转运动，完全覆盖机床旋转轴运动行程。同一台激光跟踪仪被用于测量刀具端靶球坐标(x
bi
，y
bi
，z
bi
)及工件端靶球坐标(x
ci
，y
ci
，z
ci
)。为了测量过程不断光，避免断光续接，测量过程中重复运行两遍相同机床代码，每次运行跟踪仪实时跟踪测量一个靶球，根据测量结果计算两靶球距离值L
BC
：
[0015][0016]旋转轴的几何误差模型在机床坐标系下定义，但无论是机床坐标系还是激光跟踪仪的测量坐标系，距离值都不会改变，因此基于距离值L
BC
辨识机床几何误差。距离值L
BC
与理想情况下距离值的差值即为距离误差。
[0017]步骤3、考虑与位置无关几何误差定义，基于对偶四元数表征几何误差，建立双旋转轴几何误差模型，其中上标e表示误差影响：
[0018][0019]其中与分别表示几何误差影响下刀具及工件相对于机床坐标系的位置，分别表示几何误差影响下刀具及工件相对于机床坐标系的位置，与表示ISO定义C轴4项几何误差的对偶四元数形式，与表示ISO定义B轴4项几何误差的对偶四元数形式。
[0020]基于误差模型，得到几何误差影响下刀具相对于工件坐标系的位置关系：
[0021][0022]其中对偶四元数表示几何误差影响下刀具相对于工件坐标系的位置，即为刀具相对于工件坐标系的坐标值，基于此建立L
BC
与的误差辨识函数：
[0023][0024]基于Levenberg
‑
Marquardt算法求解该优化函数，实现机床误差解耦，得到双旋转轴八项与位置无关几何误差，其中f(x)的值为误差模型计算值与测量值的残差。至此误差模型中所有参数均已知。
[0025]本专利技术为一种基于距离误差的双旋转轴位置无关几何误差辨识方法，具体的有益效果是：
[0026]本专利技术所提出的方法可以完全覆盖两个旋转轴运动行程，有利于实现几何误差的全面测量；辨识过程无需要对坐标系进行变换，因此避免了测量点坐标系变换导致的精度损失。
附图说明
[0027]图1为某五轴机床结构图。
[0028]图2为双旋转轴测量示意图。
[0029]图3为本专利技术方法实施例中两靶球间距离示意图。
[0030]图4为本专利技术方法实施例中距离与残差数据图。
[0031]图5为旋转轴误差示意图。
具体实施方式
[0032]下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明。
[0033]附图1所示为某五轴机床结构示意图，以该机床为例，对本专利技术方法进行阐述。
[0034]步骤1、基于对偶四元数实现机床旋转和平移运动的统一表示，构建机床刀具相对于工件坐标系模型：
[0035][0036]其中与分别表示理想情况下刀具及工件相对于机床坐标系的位置。表示第i轴的对偶四元数形式，表示的共轭：
[0037][0038]为刀具相对于B轴坐标系的对偶四元数，为工件相对于C轴坐标系的对偶四元数：
[0039][0040]步骤2、通过两旋转轴协调运动测量靶球间距离误差，测量过程需要两个靶球，在测量过程中X、Y、Z轴保持不动；同一台激光跟踪仪被用于测量刀具端靶球坐标及工件端靶球坐标，根据测量结果计算两靶球间距离值，包括步骤：
[0041]步骤2.1、通过两旋转轴协调运动测量距离误差，测量过程如图2所示，X、Y、Z轴保持不动，机床坐标系的原点建立在两旋转轴轴线的交点。测量过程需要两个靶球，刀具端靶球长度L
t
通过对刀仪及机床设计参数确定，工件端靶球通过百分云台与机床探针调整至已知位置，该位置相对于C轴坐标系位置为t
w
。本实施例中L
t
为400mm，t
w
为(400，0，0)。
[0042]步骤2.2、测量时B轴进行0
‑
90
°
的旋转运动，C轴进行0
‑
360
°
的旋转运动，完全覆盖机床旋转轴运动行程，理想情况下两靶球间距离如图3所示。同一台激光跟踪仪被用于测量刀具端靶球坐标(x
bi
，y
bi
，z
bi
)及工件端靶球坐标(x
ci
，y
ci
，z
ci
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于距离误差的双旋转轴位置无关几何误差辨识方法，其特征在于：基于对偶四元数实现机床旋转和平移运动的统一表示，构建机床刀具相对于工件坐标系模型；通过两旋转轴协调运动测量靶球间距离误差，测量过程需要两个靶球，根据测量结果计算两靶球距离值；基于对偶四元数建立双旋转轴几何误差模型，基于Levenberg
‑
Marquardt算法进行误差解耦，包括如下步骤：步骤1、基于对偶四元数实现机床旋转和平移运动的统一表示，构建机床刀具相对于工件坐标系模型：其中与分别表示理想情况下刀具及工件相对于机床坐标系的位置；表示第i轴的对偶四元数形式，表示的共轭：的共轭：为刀具相对于B轴坐标系的对偶四元数，为工件相对于C轴坐标系的对偶四元数：步骤2、通过两旋转轴协调运动测量靶球间距离误差，测量过程需要两个靶球，在测量过程中X、Y、Z轴保持不动；同一台激光跟踪仪被用于测量刀具端靶球坐标及工件端靶球坐标，根据测量结果计算两靶球间距离值；步骤3、考虑与位置无关几何误差定义，基于对偶四元数表征几何误差，建立双旋转轴几何误差模型：其中与分别表示几何误差影响下刀具及工件相对于机床坐标系的位置，分别表示几何误差影响下刀具及工件相对于机床坐标系的位置，与为C轴E
X0C
、E
Y0C
、E
A0C
与E
B0C
4项几何误差的对偶四元数形式，与为B轴E
X0B
、E
Z0B
、E
A0B
与E
C0B
4项几何误差的对偶四元数形式；基于误差模型，得到几何误差影响下刀具相对于工件坐标系的位置关系：其中对偶四元数表示几何误差影响下刀具相对于工件坐标系的位置，与即为刀具相对于工件坐标系在X、Y、Z方向上的坐标值，基于此建立L
BC
与的误差辨识函数：基于Levenberg
‑
M...

【专利技术属性】
技术研发人员：张大卫，姚思涵，高卫国，田文杰，聂应新，邢俊岩，戴玉红，王锐，
申请(专利权)人：北京工研精机股份有限公司，
类型：发明
国别省市：