利用測量場自動校準機床空間精度的方法及系統技術方案

本發明專利技術提供了一種利用測量場自動校準機床空間精度的方法及系統，包括以下步驟：運動數據采集步驟：采用所組建測量場的多臺激光干涉儀同步觸發實時采集機床刀尖點運動數據；誤差計算校準步驟：通過快速冗余迭代算法計算機床刀尖點空間誤差，根據誤差對機床各運動軸幾何精度進行校準。本發明專利技術公開的利用測量場自動校準機床空間精度的方法能夠實現對機床末端空間位置的高精度測量，無需進行轉站等中斷操作。作。作。

【技術實現步驟摘要】
利用測量場自動校準機床空間精度的方法及系統


[0001]本專利技術涉及數控機床校準的
，具體地，涉及一種利用測量場自動校準機床空間精度的方法和系統。

技術介紹

[0002]機床的直線軸移動部件共有6項誤差元素，其中包括3項移動誤差即一項定位誤差和兩項直線度誤差，3項轉動誤差即傾斜誤差、偏擺誤差和俯仰誤差。定位誤差是指機床移動部件在軸線方向的實際位置與其理想位置的偏差。直線度誤差是指機床移動部件沿坐標軸移動時偏離該軸軸線的程度。直線度誤差包括X向直線度誤差、Y向直線度誤差和Z向直線度誤差。轉動誤差是指機床運動部件沿某一坐標軸移動時繞其自身坐標軸或其他坐標軸旋轉而產生的誤差。繞其自身坐標軸旋轉產生的誤差稱為傾斜誤差；在運動平面內旋轉產生的誤差稱為偏擺誤差；在垂直于運動平面方向旋轉產生的誤差稱為俯仰誤差。
[0003]機床沿直線軸軸移動時產生的定位誤差、水平和垂直直線度誤差、傾斜誤差、俯仰誤差和偏擺誤差，共計6項誤差。同時，由于機床三個坐標軸XYZ相互垂直，故還存在三個垂直度誤差。綜上可知，三個直線軸共存在21項幾何誤差(包括3個定位誤差、6個直線度誤差、9個轉角誤差和3個垂直度誤差)。
[0004]機床運動軸移動誤差會造成機床末端刀具的空間位置產生偏差，從而引起加工誤差，影響零件的加工精度，現有的閉環控制方法基本只能針對機床的單個運動軸進行控制，機床的末端誤差受到各個運動軸及電主軸、液壓、氣動等機電系統的綜合影響，開環的控制方式難以保證機床末端的實際運動精度。因此，快速、可靠的測量并計算出末端刀尖點的位置，完成五軸機床末端誤差的補償，是提升機床實際加工精度的重要方式。

技術實現思路

[0005]針對現有技術中的缺陷，本專利技術的目的是提供一種利用測量場自動校準機床空間精度的方法和系統。
[0006]根據本專利技術提供的一種利用測量場自動校準機床空間精度的方法，包括以下步驟：
[0007]運動數據采集步驟：采用多臺激光干涉儀同步觸發實時采集機床刀尖點運動數據；
[0008]誤差計算校準步驟：通過快速冗余迭代算法計算機床刀尖點空間誤差，根據誤差對機床刀尖點運動進行校準。
[0009]空間誤差補償步驟：通過所建立的刀具工件坐標系與機床運動軸幾何誤差變換關系模型，分離機床各項幾何誤差，并生成數控系統對應補償文件。
[0010]優選地，所述誤差計算校準步驟包括：
[0011]步驟S1：建立工件坐標系與機床坐標系間各個運動部件的運動學鏈；
[0012]步驟S2：建立工件坐標系中機床刀尖點位置和刀軸方向在機床坐標系下各運動軸
的關系模型；
[0013]步驟S3：分析機床運動軸擾動誤差對機床刀尖點位置的影響關系，建立誤差影響下工件坐標系中刀尖點位置與機床坐標系中各運動軸參數與誤差的變換模型。
[0014]優選地，所述步驟S1包括：
[0015]根據機床機械結構，確認機床工件坐標系至機床刀具坐標系間各個運動部件的運動學鏈：
[0016]W
T
T
＝
W
T
FF
T
XX
T
YY
T
ZZ
T
T
[0017]建立剛體繞X軸、Y軸和Z軸分別旋轉角度α、β和γ，以及沿著X軸、Y軸和Z軸分別平移位移d
x
、d
y
和d
z
的其次坐標變換矩陣：
[0018]根據剛體在空間中位姿可表示為平移、旋轉變化的復合運動，即：
[0019]D＝T(Z,d
x
)T(Y,d
y
)T(X,d
z
)R(Z,γ)R(Y,β)R(X,α)
[0020]化簡上式得到：
[0021][0022]優選地，所述步驟S2包括：
[0023]建立工件坐標系中刀尖點位置和刀軸方向用機床坐標系下各運動軸位置關系矩陣：
[0024]W
P＝F
TW
(X,Y,Z)
T
P
[0025]其中，
W
P代表工件坐標系下刀尖點的坐標，
T
P表示機床坐標系下刀尖點的坐標，將關系矩陣變換為代數式形式，得到：
[0026][0027]即Ψ＝f
Ψ
(X,Y,Z)，其中Ψ代表x,y,z，表示刀尖點坐標；
[0028]將上式取微分：
[0029][0030]將微分式變換為矩陣形式：
[0031][0032]其中，J(X,Y,Z)為雅克比矩陣，是從機床運動軸構成的向量到刀尖點位置坐標的線性轉換矩陣，具體表達式為：
[0033][0034]上式反映了機床各運動軸擾動對刀尖點空間位置的影響。這種擾動性因素，可以是瞬間的作用，引起制造系統的狀態的變化，即產生加工誤差；也可以是持續的作用，即形成五軸前置處理。即雅克比矩陣表示不同坐標下的轉換尺度。
[0035]根據本專利技術提供的一種利用測量場自動校準機床空間精度的系統，包括以下模塊：
[0036]運動數據采集模塊：采用多臺激光干涉儀同步觸發實時采集機床刀尖點運動數據；
[0037]誤差計算校準模塊：通過快速冗余迭代算法計算機床刀尖點空間誤差，根據誤差對機床刀尖點運動進行校準。
[0038]空間誤差補償模塊：通過所建立的刀具工件坐標系與機床運動軸幾何誤差變換關系模型，分離機床各項幾何誤差，并生成數控系統對應補償文件。
[0039]優選地，所述誤差計算校準模塊包括：
[0040]模塊M1：建立工件坐標系與機床坐標系間各個運動部件的運動學鏈；
[0041]模塊M2：建立工件坐標系中機床刀尖點位置和刀軸方向用機床坐標系下各運動軸的關系模型；
[0042]模塊M3：分析機床運動軸擾動誤差對機床刀尖位姿的影響關系，建立誤差影響下工件坐標系中刀尖位姿與機床坐標系中各運動軸位置之間的變換模型。
[0043]優選地，所述模塊M1包括：
[0044]根據機床機械結構，確認機床工件坐標系至機床刀具坐標系間各個運動部件的運動學鏈：
[0045]W
T
T
＝
W
T
FF
T
XX
T
YY
T
ZZ
T
T
[0046]建立剛體繞X軸、Y軸和Z軸分別旋轉角度α、β和γ，以及沿著X軸、Y軸和Z軸分別平移位移d
x
、d
y
和d
z
的其次坐標變換矩陣：
[0047]根據剛體在空間中位姿可表示為平移、旋轉變化的復合運動，即：
[0048]D＝T(Z,d
x
)T(Y,d
y
)T(X,d
z
)R(Z,γ)R(Y,β)R(X,α)
[0049]化簡上式得到：
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【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種利用測量場自動校準機床空間精度的方法，其特征在于，包括以下步驟：運動數據采集步驟：采用多臺激光干涉儀同步觸發實時采集機床刀尖點運動數據；誤差計算校準步驟：建立刀具工件坐標系與機床運動軸幾何誤差變換關系模型，通過快速冗余迭代算法計算機床刀尖點空間誤差，根據誤差對機床刀尖點運動進行校準。空間誤差補償模塊：通過所建立的刀具工件坐標系與機床運動軸幾何誤差變換關系模型，分離機床各項幾何誤差，并生成數控系統對應補償文件。2.根據權利要求1所述的利用測量場自動校準機床空間精度的方法，其特征在于：所述誤差計算校準步驟包括：步驟S1：建立工件坐標系與機床坐標系間各個運動部件的運動學鏈；步驟S2：建立工件坐標系中機床刀尖點與機床坐標系中各運動軸的關系模型；步驟S3：分析機床運動軸擾動誤差對機床刀尖點位置的影響關系，建立誤差影響下工件坐標系中刀尖點與機床坐標系中各運動軸參數與誤差之間的變換模型。3.根據權利要求2所述的利用測量場自動校準機床空間精度的方法，其特征在于：所述步驟S1包括：建立剛體繞X軸、Y軸和Z軸分別旋轉角度α、β和γ，以及沿著X軸、Y軸和Z軸分別平移位移d
x
、d
y
和d
z
的其次坐標變換矩陣：根據剛體在空間中位姿可表示為平移、旋轉變化的復合運動，即：D＝T(Z,d
x
)T(Y,d
y
)T(X,d
z
)R(Z,γ)R(Y,β)R(X,α)化簡上式得到：4.根據權利要求2所述的利用測量場自動校準機床空間精度的方法，其特征在于：所述步驟S2包括：建立工件坐標系中刀尖點位置與機床坐標系下各運動軸位置關系矩陣：
W
P＝F
TW
(X,Y,Z)
T
P其中，
W
P代表工件坐標系下刀尖點的坐標，
T
P表示機床坐標系下刀尖點的坐標，將關系矩陣變換為代數式形式，得到：即Ψ＝f
Ψ
(X,Y,Z)，其中Ψ代表x,y,z，表示刀尖點坐標；將上式取微分：將微分式變換為矩陣形式：
其中，J(X,Y,Z)為雅克比矩陣，是從機床運動軸構成的向量到刀尖點位置坐標的線性轉換矩陣，具體表達式為：5.根據權利要求2所述的利用測量場自動校準機床空間精度的方法，其特征在于,所述步驟S3包括：建立考慮機床幾何誤差時刀具坐標系與工件坐標系之間的變換關系：得到刀尖點在工件坐標系下坐標位置(x,y,z)由NC指令(X,Y,Z)的表示如下：6.一種利用測量場自動校準機床空間精度的系統，其特征在于，包括以下模塊：運動數據采集模塊：采用多臺激光干涉儀同步觸發實時采集機床刀尖點運動數據；誤差計算校準模塊：建立刀具工件坐標系與機床運動軸幾何誤差變換關系模型，通過快速冗余迭代算...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王宇晗，鐘磊，
申請(專利權)人：上海拓璞數控科技股份有限公司，
類型：發明
國別省市：