本發(fā)明涉及機(jī)床誤差測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

數(shù)控機(jī)床已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航天、航空、航海、汽車、國防等各種領(lǐng)域，數(shù)控機(jī)床高精度制造是衡量一個(gè)國家先進(jìn)制造水平的重要標(biāo)志。國務(wù)院發(fā)布的《中國制造2025》中指出“開發(fā)一批精密、高速、高效、柔性數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備與集成制造系統(tǒng)”，同時(shí)“加快高檔數(shù)控機(jī)床前沿技術(shù)和裝備的研發(fā)，以提升可靠性、精度保持性為重點(diǎn)?！备呔瘸蔀榘ㄎ遢S數(shù)控機(jī)床在內(nèi)的高檔數(shù)控機(jī)床發(fā)展的必然趨勢(shì)。

在影響機(jī)床加工精度的眾多因素中，幾何誤差和熱誤差是高檔數(shù)控機(jī)床的最大誤差源，占總制造誤差的60％左右，機(jī)床幾何誤差精確測(cè)量成為提高機(jī)床加工精度的基礎(chǔ)。平動(dòng)軸幾何誤差是機(jī)床幾何誤差的重要組成部分，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)平動(dòng)軸幾何誤差提出了很多測(cè)量方法。

現(xiàn)在普遍采用的9線法是采用激光干涉儀測(cè)量數(shù)控機(jī)床三個(gè)平動(dòng)軸工作空間9條線上各個(gè)方向的綜合誤差，通過求解線性方程得到21項(xiàng)幾何誤差元素(參見田文杰，牛文鐵，常文芬，張大衛(wèi)(2014)數(shù)控機(jī)床幾何精度溯源方法研究，機(jī)械工程學(xué)報(bào)(07):128-135)。但是9線法完成每個(gè)平動(dòng)軸誤差元素辨識(shí)所需的3條線的誤差測(cè)量至少需要4次激光干涉儀的安裝，大大增加了測(cè)量時(shí)間。另外，12線法、13線法、14線法、22線法等也是測(cè)量工作空間中多條線的綜合誤差并結(jié)合機(jī)床綜合誤差模型求解幾何誤差元素，需要設(shè)備的多次安裝，同時(shí)需要結(jié)合誤差模型計(jì)算幾何誤差，計(jì)算精度與誤差模型相關(guān)。基于多普勒效應(yīng)的激光干涉儀可實(shí)現(xiàn)分步體對(duì)角線測(cè)量方法，結(jié)合矢量運(yùn)算，將體對(duì)角線運(yùn)動(dòng)分解為三個(gè)平動(dòng)軸的單獨(dú)運(yùn)動(dòng)組合(參見wangc(2000).laservectormeasurementtechniqueforthedeterminationandcompensationofvolumetricpositioningerrors.parti:basictheory.reviewofscientificinstruments,71(10):3933-3937.)。但是該方法中激光和反射鏡之間存在校準(zhǔn)誤差，而且激光頭和反射鏡的安裝比較困難。公開號(hào)為cn103447884b(申請(qǐng)?zhí)?01310335401.8)的中國專利申請(qǐng)公開了一種數(shù)控機(jī)床平動(dòng)軸幾何誤差的測(cè)量裝置及測(cè)量與辨識(shí)方法，通過激光跟蹤儀在四個(gè)不同位置對(duì)機(jī)床單個(gè)平動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)時(shí)空間三個(gè)點(diǎn)連續(xù)運(yùn)動(dòng)的軌跡進(jìn)行測(cè)量，然后辨識(shí)得到平動(dòng)軸各項(xiàng)誤差。但是該方法需要將激光跟蹤儀在不同位置進(jìn)行測(cè)量，且需要對(duì)不同測(cè)量位置以及空間測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，測(cè)量比較耗時(shí)，測(cè)量的過程也較為復(fù)雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種機(jī)床平動(dòng)軸幾何誤差的快速測(cè)量裝置，它能有效地解決機(jī)床平動(dòng)軸幾何誤差快速測(cè)量問題。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種機(jī)床平動(dòng)軸幾何誤差的快速測(cè)量方法，它能有效地解決機(jī)床平動(dòng)軸幾何誤差的快速測(cè)量方法問題。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：一種機(jī)床平動(dòng)軸幾何誤差的快速測(cè)量裝置，包括激光頭組及其支架和激光反射鏡組及其支架，激光頭組包括激光頭一、激光頭二、激光頭三和激光頭四，激光反射鏡組包括激光反射鏡一、激光反射鏡二、反射鏡三和激光反射鏡四；激光頭支架包括四邊形復(fù)式框架和磁座二，反射鏡支架包括工字形支架和磁座一，位于同一個(gè)平面內(nèi)，且成矩形分布的激光反射鏡組的工字形支架通過磁座一與機(jī)床主軸固定，與其所對(duì)應(yīng)的激光頭組，通過四邊形復(fù)式框架與機(jī)床工作臺(tái)的另一端固定，沿該四邊形復(fù)式框架的上、下橫梁的兩端側(cè)面均設(shè)有凹槽，激光頭一、激光頭二、激光頭三和激光頭四分別與嵌入該凹槽并固定；激光反射鏡一、激光反射鏡二、反射鏡三和激光反射鏡四位于同一個(gè)平面內(nèi)，且成矩形分布。

所述的激光頭組發(fā)射激光垂直于激光反射鏡組反射鏡的鏡面。

所述的激光頭組所在的平面垂直于待測(cè)平動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)方向，激光頭組發(fā)射的激光平行于待測(cè)平動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)方向。

所述激光頭組和反射鏡組鏡面均設(shè)有微調(diào)裝置。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：一種機(jī)床平動(dòng)軸幾何誤差的快速測(cè)量方法，包括以下步驟：

a、將四邊形復(fù)式框架用磁座二與機(jī)床工作臺(tái)的一端固定，將工字形支架用磁座一與機(jī)床主軸固定；

b、調(diào)整四邊形復(fù)式框架和工字形支架的高度、以及激光頭組和激光反射鏡組的微調(diào)裝置，保證激光頭一、激光頭二、激光頭三和激光頭四發(fā)射的激光分別通過激光反射鏡一、激光反射鏡二、激光反射鏡三和激光反射鏡四反射回來，并被各自的激光頭接受；

c、設(shè)置待測(cè)平動(dòng)軸行程中等間距分布的n個(gè)測(cè)量點(diǎn)，其中n>1；

d、通過待測(cè)平動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)來控制激光頭組與激光反射鏡組之間的距離，待測(cè)平動(dòng)軸依次運(yùn)動(dòng)到每個(gè)測(cè)量點(diǎn)處，測(cè)量激光頭一和激光反射鏡一之間的距離，計(jì)作a距離，同時(shí)測(cè)量激光頭二和激光反射鏡二之間的距離，計(jì)作b距離，激光頭三和激光反射鏡三之間的距離記作c距離和激光頭四和激光反射鏡四之間的距離，為d距離；

e、根據(jù)四個(gè)激光頭的相對(duì)位置，結(jié)合各個(gè)測(cè)量點(diǎn)處測(cè)量的a、b、c和d距離，計(jì)算平動(dòng)軸各個(gè)測(cè)量點(diǎn)處六項(xiàng)幾何誤差項(xiàng)數(shù)值，得到平動(dòng)軸整個(gè)行程中的六項(xiàng)幾何誤差。

步驟a和步驟b中的安裝和調(diào)整時(shí)須保證激光頭發(fā)射的激光平行于待測(cè)平動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)方向。

步驟a和步驟b中的激光頭一和激光頭二所在的連線方向垂直于待測(cè)平動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)方向，且平行于機(jī)床坐標(biāo)系中的一條坐標(biāo)軸。

步驟a和步驟b中激光頭一和激光頭三所在的連線方向垂直于待測(cè)平動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)方向，且垂直于激光頭一和激光頭二所在的連線。

步驟e得到的平動(dòng)軸六項(xiàng)幾何誤差數(shù)值隨著平動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)距離變化而變化。

作為優(yōu)選，所述的四邊形復(fù)式框架中激光頭采用螺栓固定。

作為優(yōu)選，所述的四邊形復(fù)式框架中激光頭一、二、三和激光頭四安裝位置固定不可調(diào)，保證激光頭相對(duì)位置固定。

為了能夠更準(zhǔn)確地得到激光頭與激光反射鏡的距離，作為優(yōu)選，所述激光頭組中激光頭有激光微調(diào)裝置，所述激光反射鏡組中激光反射鏡有鏡面微調(diào)裝置，通過調(diào)整激光微調(diào)裝置和鏡面微調(diào)裝置，保證所述的激光頭組發(fā)射激光垂直于所述激光反射鏡組反射鏡的鏡面。

所述的四邊形復(fù)式框架高度可調(diào)，所述的安裝反射鏡的工字形支架高度可調(diào)，保證激光頭與激光反射鏡處于同一高度。

所述的激光頭可采用現(xiàn)有技術(shù)，包括用于發(fā)射激光的激光發(fā)射部件、用于接收激光反射鏡反射回的激光接受部件、對(duì)發(fā)射和接收激光進(jìn)行控制的激光控制器，以及向計(jì)算機(jī)傳輸測(cè)量信號(hào)的信號(hào)傳輸部件。

激光反射鏡也可采用現(xiàn)有技術(shù)。

本發(fā)明還提供了一種機(jī)床平動(dòng)軸幾何誤差的測(cè)量方法，采用機(jī)床平動(dòng)軸幾何誤差的快速測(cè)量裝置，完成一個(gè)平動(dòng)軸所有幾何誤差測(cè)量只需安裝一次儀器，測(cè)量簡便、快速，操作簡單。

進(jìn)一步地，步驟a和步驟b中安裝和調(diào)整時(shí)保證激光頭發(fā)射的激光平行于待測(cè)平動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)方向。

進(jìn)一步地，步驟a和步驟b中激光頭一和激光頭二所在直線垂直于待測(cè)平動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)方向，平行于機(jī)床坐標(biāo)系中一條坐標(biāo)軸。

進(jìn)一步地，步驟a和步驟b中激光頭一和激光頭三所在直線垂直度于待測(cè)平動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)方向，垂直于激光頭一和激光頭二所在直線。

進(jìn)一步地，步驟e得到的平動(dòng)軸六項(xiàng)幾何誤差數(shù)值隨著平動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)距離變化而變化。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明機(jī)床平動(dòng)軸幾何誤差的快速測(cè)量裝置中通過固定四個(gè)激光頭相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)四路平行激光同步測(cè)量，測(cè)量過程中無需改變激光頭位置，避免引入激光不同的初始定位誤差，保證測(cè)量準(zhǔn)確性。

本發(fā)明機(jī)床平動(dòng)軸幾何誤差的快速測(cè)量裝置安裝方便，操作簡單，安裝一次測(cè)量裝置就可以完成平動(dòng)軸六項(xiàng)幾何誤差的測(cè)量，避免裝置的多次安裝，提高測(cè)量效率，同時(shí)適合不同類型的平動(dòng)軸，有利于推廣使用，具有較好的應(yīng)用前景。

本發(fā)明的測(cè)量方法，測(cè)量過程簡單，同步采集四個(gè)激光頭測(cè)量數(shù)據(jù)，結(jié)合激光頭相對(duì)位置，依據(jù)平動(dòng)軸幾何誤差定義，得到平動(dòng)軸六項(xiàng)幾何誤差，克服了平動(dòng)軸幾何誤差測(cè)量需要多次安裝測(cè)量設(shè)備的問題，且所得幾何誤差隨著平動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)距離變化而變化，符合幾何誤差性質(zhì)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明安裝在機(jī)床上的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1正視圖；

圖3為本發(fā)明的四邊形復(fù)式框架結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明的工字形支架結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明測(cè)量方法的流程圖；

圖6為本發(fā)明測(cè)量方法中轉(zhuǎn)角誤差計(jì)算原理示意圖；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

附圖1所示為本發(fā)明機(jī)床平動(dòng)軸幾何誤差的快速測(cè)量裝置安裝在機(jī)床上的結(jié)構(gòu)示意圖，附圖2為正視圖。本發(fā)明機(jī)床平動(dòng)軸幾何誤差的快速測(cè)量裝置包括：由激光頭一5、激光頭二4、激光頭三6和激光頭四2組成的激光頭組，安裝激光頭的四邊形復(fù)式框架3，由激光反射鏡一9、激光反射鏡二8、激光反射鏡三11和激光反射鏡四12組成的激光反射鏡組，安裝激光反射鏡的工字形支架7。四邊形復(fù)式框架3與機(jī)床固定的兩個(gè)磁座二13如附圖3所示。激光頭組安裝在四邊形復(fù)式框架3上，四邊形復(fù)式框架3通過磁座二13固定在機(jī)床工作臺(tái)1上。如附圖4所示，工字形支架7通過磁座一14固定在機(jī)床主軸10上。

激光頭一5、激光頭二4、激光頭三6和激光頭四2嵌入在四邊形復(fù)式框架3的上、下橫梁兩端側(cè)面的凹槽，采用螺栓固定，并位于同一個(gè)平面內(nèi)，且成矩形分布，向激光反射鏡組發(fā)射激光，并接受由激光反射鏡組反射回的激光。激光頭一5、激光頭二4、激光頭三6和激光頭四2發(fā)射的激光平行于待測(cè)平動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)方向，激光頭組所在平面垂直于待測(cè)平動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)方向。四邊形復(fù)式框架3中激光頭一5、激光頭二4、激光頭三6和激光頭四2相對(duì)位置固定。四邊形復(fù)式框架3高度可調(diào)，工字形支架7高度可調(diào)，保證四個(gè)激光頭與相應(yīng)的激光反射鏡處于同一高度。通過待測(cè)平動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)來控制激光頭組與激光反射鏡組之間的距離，平動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)到測(cè)量點(diǎn)處同步采集激光頭一5、激光頭二4、激光頭三6和激光頭四2讀數(shù)，測(cè)量激光頭與激光反射鏡的距離。

為了能夠更準(zhǔn)確地得到激光頭與激光反射鏡的距離，激光頭組中均設(shè)有激光微調(diào)裝置，激光反射鏡組均設(shè)有鏡面微調(diào)裝置，通過調(diào)整激光微調(diào)裝置和鏡面微調(diào)裝置，保證激光頭組發(fā)射激光垂直于所述激光反射鏡組激光反射鏡的鏡面。激光頭可采用現(xiàn)有技術(shù)，包括用于發(fā)射激光的激光發(fā)射部件、用于接收激光反射鏡反射回激光的激光接受部件、對(duì)發(fā)射和接收激光進(jìn)行控制的激光控制器，以及向計(jì)算機(jī)傳輸測(cè)量信號(hào)的信號(hào)傳輸部件，采用網(wǎng)線與計(jì)算機(jī)連接。激光反射鏡也可采用現(xiàn)有技術(shù)。

一種機(jī)床平動(dòng)軸幾何誤差的測(cè)量方法，采用機(jī)床平動(dòng)軸幾何誤差的快速測(cè)量裝置，一次測(cè)量得到平動(dòng)軸的六項(xiàng)幾何誤差，附圖5所示為本發(fā)明機(jī)床平動(dòng)軸幾何誤差的測(cè)量方法的流程圖。以附圖1所示的測(cè)量機(jī)床y軸為例闡述本發(fā)明機(jī)床平動(dòng)軸幾何誤差的測(cè)量方法，包括步驟：

一種機(jī)床平動(dòng)軸幾何誤差的快速測(cè)量方法，包括以下步驟：

a、將四邊形復(fù)式框架用磁座二與機(jī)床工作臺(tái)的一端固定，將工字形支架用磁座一與機(jī)床主軸固定；

b、調(diào)整四邊形復(fù)式框架和工字形支架的高度、以及激光頭組和激光反射鏡組的微調(diào)裝置，保證激光頭一、激光頭二、激光頭三和激光頭四發(fā)射的激光分別通過激光反射鏡一、激光反射鏡二、激光反射鏡三和激光反射鏡四反射回來，并被各自的激光頭接受；

c、設(shè)置待測(cè)平動(dòng)軸行程中等間距分布的n個(gè)測(cè)量點(diǎn)，其中n>1；

d、通過待測(cè)平動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)來控制激光頭組與激光反射鏡組之間的距離，待測(cè)平動(dòng)軸依次運(yùn)動(dòng)到每個(gè)測(cè)量點(diǎn)處，測(cè)量激光頭一和激光反射鏡一之間的距離，計(jì)作a距離，同時(shí)測(cè)量激光頭二和激光反射鏡二之間的距離，計(jì)作b距離，激光頭三和激光反射鏡三之間的距離記作c距離和激光頭四和激光反射鏡四之間的距離，為d距離；

e、根據(jù)四個(gè)激光頭的相對(duì)位置，結(jié)合各個(gè)測(cè)量點(diǎn)處測(cè)量的a、b、c和d距離，計(jì)算平動(dòng)軸各個(gè)測(cè)量點(diǎn)處六項(xiàng)幾何誤差項(xiàng)數(shù)值，得到平動(dòng)軸整個(gè)行程中的六項(xiàng)幾何誤差。

步驟a和步驟b中的安裝和調(diào)整時(shí)須保證激光頭發(fā)射的激光平行于待測(cè)平動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)方向。

步驟a和步驟b中的激光頭一和激光頭二所在的連線方向垂直于待測(cè)平動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)方向，且平行于機(jī)床坐標(biāo)系中的一條坐標(biāo)軸。

步驟a和步驟b中激光頭一和激光頭三所在的連線方向垂直于待測(cè)平動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)方向，且垂直于激光頭一和激光頭二所在的連線。

步驟e得到的平動(dòng)軸六項(xiàng)幾何誤差數(shù)值隨著平動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)距離變化而變化。

作為優(yōu)選，所述的四邊形復(fù)式框架中激光頭采用螺栓固定。

作為優(yōu)選，所述的四邊形復(fù)式框架中激光頭一、二、三和激光頭四安裝位置固定不可調(diào)，保證激光頭相對(duì)位置固定。

為了能夠更準(zhǔn)確地得到激光頭與激光反射鏡的距離，作為優(yōu)選，所述激光頭組中激光頭有激光微調(diào)裝置，所述激光反射鏡組中激光反射鏡有鏡面微調(diào)裝置，通過調(diào)整激光微調(diào)裝置和鏡面微調(diào)裝置，保證所述的激光頭組發(fā)射激光垂直于所述激光反射鏡組反射鏡的鏡面。

所述的四邊形復(fù)式框架高度可調(diào)，所述的安裝反射鏡的工字形支架高度可調(diào)，保證激光頭與激光反射鏡處于同一高度。

所述的激光頭可采用現(xiàn)有技術(shù)，包括用于發(fā)射激光的激光發(fā)射部件、用于接收激光反射鏡反射回的激光接受部件、對(duì)發(fā)射和接收激光進(jìn)行控制的激光控制器，以及向計(jì)算機(jī)傳輸測(cè)量信號(hào)的信號(hào)傳輸部件。

調(diào)整激光頭與激光反射鏡位置時(shí)，要保證在y軸整個(gè)行程中激光頭發(fā)射激光都能夠被激光反射鏡反射回且被接受。

根據(jù)y軸行程合理設(shè)置測(cè)量點(diǎn)數(shù)目，開始測(cè)量時(shí)y軸位于零點(diǎn)處，測(cè)量開始時(shí)，驅(qū)動(dòng)y軸運(yùn)動(dòng)到各個(gè)測(cè)量點(diǎn)處，期間保持其他運(yùn)動(dòng)軸靜止，測(cè)量時(shí)同時(shí)采集四個(gè)激光頭的讀數(shù)，第i個(gè)測(cè)量點(diǎn)處各個(gè)激光頭讀數(shù)計(jì)作激光頭一a(yi)、激光頭二b(yi)、激光頭三c(yi)和激光頭四d(yi)。

在計(jì)算平動(dòng)軸六項(xiàng)幾何誤差項(xiàng)數(shù)值時(shí)，需要先測(cè)量四個(gè)激光頭之間的距離，激光頭一和激光頭三的距離為p，激光頭一和激光頭二距離為q。各個(gè)激光頭讀數(shù)平均值為y軸y方向線性誤差，即定位誤差δyy：

根據(jù)兩激光頭讀數(shù)與運(yùn)動(dòng)軸垂直于激光頭所在平面的角度誤差之間關(guān)系，結(jié)合激光頭一和激光頭二的測(cè)量距離a(yi)和b(yi)，計(jì)算y軸在z方向的角度誤差，如附圖6所示。結(jié)合激光干涉儀中直線度誤差計(jì)算原理由y軸在z方向的角度誤差計(jì)算y軸x方向線性誤差。

同理，先根據(jù)激光頭一和激光頭三的測(cè)量距離a(yi)、c(yi)，計(jì)算y軸在x方向的角度誤差，再結(jié)合激光干涉儀中直線度誤差計(jì)算原理由y軸在x方向的角度誤差計(jì)算y軸z方向線性誤差。

最后，計(jì)算運(yùn)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)方向的角度誤差。根據(jù)激光頭三和激光四的測(cè)量距離c(yi)、d(yi)，計(jì)算激光頭三和激光四所在平面內(nèi)y軸x方向線性誤差。結(jié)合激光頭一和激光頭二所在平面內(nèi)y軸x方向線性誤差，根據(jù)y軸y方向的角度誤差對(duì)激光頭一和激光頭二所在平面和激光頭三和激光頭四所在平面內(nèi)x方向線性誤差的影響，依據(jù)激光頭一和激光頭二所在平面和激光頭三和激光頭四所在平面之間的距離，計(jì)算y軸y方向的角度誤差。

最終計(jì)算得到y(tǒng)軸六項(xiàng)幾何誤差，包括x、y和z方向的線性誤差以及x、y和z方向的角度誤差，所得誤差數(shù)據(jù)隨著y軸距離yi變化而變化。這種方法同樣適應(yīng)于x軸和z軸，只需保證激光頭發(fā)射激光平行于平動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)方向。