本發(fā)明屬于數(shù)控機床測量技術研究領域，更具體地，涉及一種提高長軸數(shù)控車床加工精度的誤差測量與辨識方法。

背景技術：

目前針對機床直線度和平行度的測量和補償?shù)姆椒?，在測量方面，多采用傳感器和激光測量的方法。2004年，Choi，J.P.采用接觸式探針在線測量三軸加工中心的定位誤差并預測，并用光階規(guī)對預測結果進行驗證，實現(xiàn)定位誤差的補償。2005年，Lee，J.H.等采用電容傳感器測量辨識出了小型三軸機床的18項幾何誤差，但在精度和使用范圍方面存在局限性。2013年，Han，Z.Y.等綜述介紹了機床定位誤差、直線度誤差、角度誤差等幾何誤差的測量方法，精度較高的測量常采用激光，但對使用條件要求較高。2015年，Cui，C等分析了用激光干涉儀測量機床直線度誤差的系統(tǒng)誤差，并用實驗驗證了補償這些系統(tǒng)誤差的效果，提高了直線度誤差的測量精度。

在幾何誤差補償與提高方面，多采用齊次坐標變換和實時補償?shù)姆椒ā?007年，Hsu，Y.Y.andS.S.Wang采用齊次坐標變換建立機床幾何誤差模型，并用CAM后處理模塊調整刀具軌跡補償了零件的加工誤差。2012年，王維、楊建國等提出了一種數(shù)控機床幾何誤差與熱誤差復合建模方法，并用研發(fā)的誤差實時補償系統(tǒng)進行了在線實時補償，提高了機床的加工精度。2016年，F(xiàn)u，G.等采用零件重新建模的方式補償幾何誤差，采用加工試件進行驗證，取得了較好效果。

傳統(tǒng)測量導軌主要是測量幾何誤差，并未考慮中心架以及尾座對誤差的影響。在對導軌直線度和工件軸的軸徑誤差測量中，往往也只是通過位移傳感器等進行單獨測量，并未進行誤差的辨識。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明旨在提出一種提高長軸數(shù)控車床加工精度的方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了基于幾何誤差補償和測距調整提高車床加工精度的方法，包括如下步驟：

(1)激光干涉儀測量幾何誤差項：

將激光干涉儀的分光鏡固定在車床的工作臺上，并隨著工作臺移動；將激光干涉儀的反射鏡固定在車床的尾座上；將激光干涉儀的激光頭安裝在車床床頭，激光頭發(fā)射的激光通過分光鏡的干涉及反射鏡的反射將誤差放大為光程差，以此來測量工作臺移動過程中車床的幾何誤差，包括導軌在X軸的定位誤差、導軌在Z軸的水平直線度誤差；

(2)激光位移傳感器測量距離量：

先將工件軸裝夾在車床上，然后將激光位移傳感器固定在刀具處，與刀架固連，通過刀架的移動帶動激光位移傳感器的移動，激光位移傳感器的光束照射在工件軸上，得到刀具移動過程中與工件軸的距離數(shù)據(jù)；

(3)計算辨識出刀具相對于工件軸的平行度誤差：

記錄位移傳感器示數(shù)、位移傳感器對應點的軸徑，以及各測試點的坐標，并依據(jù)步驟(1)得到的Z軸水平直線度誤差數(shù)據(jù)，分別消除綜合誤差中的軸徑誤差和直線度誤差，得到刀具相對于工件的平行度誤差；

(4)補償和調整車床誤差：

通過數(shù)控車床的補償模塊對步驟(1)測得的幾何誤差進行補償，并利用步驟(3)獲取的平行度誤差，對車床的中心架和尾座的誤差進行調整。

進一步地，步驟(1)中，激光干涉儀還包括分光鏡和反射鏡，分光鏡采用線性干涉鏡，反射鏡與分光鏡安裝在同一光路上；其中，激光光路按照如下方法設置：通過激光頭發(fā)射單一頻率光束射入分光鏡，然后分成兩道透射光束，其中一道透射光束作為參考光束，另一道透射光束作為測量光束，兩道透射光束通過反射鏡反射之后回到分光鏡，重新匯聚之后返回激光頭。

進一步地，步驟(1)中，激光干涉儀包括探測器，用于監(jiān)控兩道透射光束之間的干涉；在激光干涉儀隨工作臺移動過程中，若光程差沒有變化，探測器會在相長性和相消性干涉的兩極之間得到穩(wěn)定的信號；若光程差有變化，探測器會在每一次光程變化時，在相長性和相消性干涉的兩極之間得到變化信號，變化信號用于測量變化前后的兩個光程之間的差異。

進一步地，刀具加工工件軸的軸徑誤差E_tp表達為：

E_tp＝E_ztx+E_xtx+E_cx+E_wx (3)

其中，E_ztx表示刀架在Z軸運動的X向直線度誤差引起的軸徑誤差；

E_xtx表示刀架在X軸運動的定位誤差引起的軸徑誤差；

E_cx表示中心架在沿X向的偏移誤差引起的軸徑誤差；

E_wx表示尾座沿X向偏移誤差引起的軸徑誤差。

5、根據(jù)權利要求1-3任意一項所述的基于幾何誤差補償和測距調整提高長軸數(shù)控車床加工精度的方法，其特征在于，刀具相對于工件的綜合誤差E_lsz表達為：

E_lsz＝E_pz+E_lztx+E_lcx+E_lwx (4)

其中，E_lsz為激光位移傳感器測量的綜合誤差，

E_lsz＝d_lsz-d_ls0，d_lsz為激光位移傳感器在任一測量點的讀數(shù)，d_ls0為激光位移傳感器在工件軸上測量起始點的讀數(shù)；

E_pz為加工前工件軸的軸徑徑誤差引起的傳感器測量誤差；

E_lztx為Z軸的直線度誤差引起的激光位移傳感器測量誤差，由激光干涉儀測得；

E_lcx、E_lwx分別為中心架和尾座偏移誤差引起的激光位移傳感器測量誤差；

需要辨識出的刀具相對于工件的平行度誤差E_pa為：

E_pa＝E_lsz-E_pz-E_lztx

將上式代入表達式(4)，即得到

E_pa＝E_lcx+E_lwx (5)。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

本發(fā)明將激光位移傳感器和激光干涉儀測得的各項誤差結合，來計算刀具相對工件軸的平行度誤差，并據(jù)此進行誤差補償和調整，從而提高精度，具有精度高，加工效率高等優(yōu)點，可用于提高長軸數(shù)控機床加工精度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于幾何誤差補償和測距調整提高機床加工精度的方法的具體實施流程圖；

圖2是激光位移傳感器測量的綜合誤差示意圖；

圖3是消除Z軸直線度誤差與工件軸徑誤差的激光位移傳感器結果變化曲線圖

圖4是補償前后激光位移傳感器測量綜合誤差效果驗證曲線圖；

圖5是平行度誤差與軸徑加工誤差對比曲線圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

下面所描述的即為本發(fā)明基于幾何誤差補償和測距調整提高機床加工精度的方法的一種具體實施方式，該方法具體包括：

(1)激光干涉儀測量幾何誤差項：

將激光干涉儀的分光鏡固定在車床的工作臺上，并隨著工作臺移動。將激光干涉儀的反射鏡固定在車床的尾座上。將激光干涉儀的激光頭安裝在車床床頭，激光頭發(fā)射的激光通過分光鏡的干涉及反射鏡的反射將誤差放大為光程差，以此來測量工作臺移動過程中車床的幾何誤差，包括導軌在X軸的定位誤差、導軌在Z軸的水平直線度誤差。

(2)激光位移傳感器測量距離量：

先將工件軸裝夾在車床上，然后將激光位移傳感器固定在刀具處，與刀架固連，通過刀架的移動帶動激光位移傳感器的移動，激光位移傳感器的光束照射在工件軸上，得到刀具移動過程中與工件軸的距離數(shù)據(jù)。

激光發(fā)射器通過鏡頭將可見紅色激光射向被測物體表面，經(jīng)物體反射的激光通過接收器鏡頭，被內部的CCD線性相機接收，根據(jù)不同的距離，CCD線性相機可以在不同的角度下“看見”這個光點。根據(jù)這個角度及已知的激光和相機之間的距離，數(shù)字信號處理器就能計算出傳感器和被測物體之間的距離。

(3)計算辨識出刀具相對于工件軸的平行度誤差：

記錄位移傳感器示數(shù)、位移傳感器對應點的軸徑，以及各測試點的坐標，并依據(jù)步驟(1)得到的Z軸水平直線度誤差數(shù)據(jù)，分別消除綜合誤差中的軸徑誤差和直線度誤差，得到刀具相對于工件的平行度誤差。

(4)補償和調整車床誤差：

通過數(shù)控車床的補償模塊對步驟(1)測得的幾何誤差進行補償，并利用步驟(3)獲取的平行度誤差，對車床的中心架和尾座的誤差進行調整。

總得來說，該方法主要包括以下兩方面的內容：

(1)幾何精度測量：

首先，通過激光干涉儀多次測量導軌的定位誤差和直線度誤差，來得到機床導軌的定位誤差和直線度誤差，并以此作為導軌的幾何誤差補償基準；然后，采用激光位移傳感器測量工件加工過程中的綜合誤差，將激光位移傳感器用制作的夾具安裝在刀架上，激光點與工件軸處于同一水平面上，隨著Z軸刀架移動，讀取激光位移傳感器在不同位置的示數(shù)值。此示數(shù)值的誤差包含導軌的直線度誤差，刀具的定位誤差，工件軸徑的誤差，工件裝夾時中心架和尾座偏移誤差，然后將各個誤差分離出來，并通過補償和調整來減小加工過程產(chǎn)生的誤差，以此達到提高加工精度的目的。

(2)誤差模型的建立：

首先建立刀具加工工件軸時，軸徑誤差影響因素的誤差傳遞模型，分析出影響加工誤差的主要因素；其次根據(jù)影響加工誤差的主要因素，辨識出其中兩項誤差。由激光位移傳感器測量到的示數(shù)誤差為車床的綜合誤差，激光位移傳感器測量的綜合誤差模型示意圖如圖2所示，此綜合誤差主要包含工件軸徑誤差、Z軸導軌直線度誤差、中心架偏移誤差和尾座偏移誤差，這些誤差僅考慮水平X方向的誤差，其它方向的誤差可忽略。首先，消除軸徑誤差，即消除因工件軸徑不同引起的測量誤差，然后消除直線度誤差。得到誤差曲線，并依據(jù)此誤差曲線結果計算出中心架和尾座引起的誤差，通過補償程序補償主要的兩項幾何誤差及對中心架和尾座調整另兩項主要誤差，以提高車床的加工精度。

(I)刀具加工工件軸的軸徑誤差

采用誤差疊加原理，各誤差作用可以線性疊加，控制單個因素作為變量分析。則刀具加工工件軸的軸徑(均指半徑)誤差可表達為：

E_tp＝E_ztx+E_xtx+E_cx+E_wx+E_ry (1)

其中，E_ztx表示刀架在Z軸運動的X向直線度誤差引起的軸徑誤差，

E_xtx表示刀架在X軸運動的定位誤差引起的軸徑誤差，

E_cx表示中心架在沿X向的偏移誤差引起的軸徑誤差，

E_wx表示尾座沿X向偏移誤差引起的軸徑誤差，

E_ry表示刀具相對工件軸沿Y向的綜合偏移誤差引起的軸徑誤差。

針對加工的長軸工件而言，根據(jù)幾何關系有

其中，R₀為加工的長軸工件的期望軸徑大小

Δy_t為刀具相對工件軸沿Y向的綜合偏移誤差，sinθ＝Δy_t/R₀。

根據(jù)此長軸車床長期加工數(shù)據(jù)，可估計Δy_t≤2mm，R₀≈500mm，則計算得到E_ry最大值約為0.004mm(4μm)，相比實際加工誤差0.2mm/m而言，可忽略。公式(1)可進一步簡化為

E_tp＝E_ztx+E_xtx+E_cx+E_wx (3)。

公式(3)中前兩項誤差可通過激光位移傳感器測量與補償來減小，后兩項誤差需要進一步測量與辨識。

以上公式僅考慮主要的幾何誤差影響，忽略了切削力誤差、機床振動和熱變形誤差等因素的影響，忽略的這幾種誤差可以按照本領域的常規(guī)方法進行控制。

(II)中心架和尾座偏移誤差

根據(jù)幾何誤差傳遞關系，加工前采用激光位移傳感器測量的距離量表達了刀具相對于工件的綜合誤差，誤差模型示意圖可如圖2。加工光軸時不需要進刀則定位誤差引起的綜合誤差為0，則此綜合誤差可表達為，

E_lsz＝E_pz+E_lztx+E_lcx+E_lwx (4)

其中，E_lsz為激光位移傳感器測量的綜合誤差，E_lsz＝d_lsz-d_ls0，d_lsz為激光位移傳感器在任一測量點的讀數(shù)，d_ls0為激光位移傳感器在工件軸上測量起始點的讀數(shù)。

E_pz為加工前工件軸徑誤差引起的傳感器測量誤差

E_pz＝-(φ_z-φ₀)/2，

φ₀為工件軸起始測量點處的直徑；

φ_z為工件軸在Z坐標測量點處的直徑

φ_z、φ₀可由徑向千分尺測得；

E_lztx為Z軸的直線度誤差引起的傳感器測量誤差，E_lztx＝-δ_ztx，由激光干涉儀測得

E_lcx、E_lwx分別為中心架和尾座偏移誤差引起的傳感器測量誤差；

需要辨識出的刀具相對于工件的平行度誤差E_pa，即消除Z軸直線度誤差和工件軸徑誤差影響的激光位移傳感器示數(shù)變化，其計算公式為：

E_pa＝E_lsz-E_pz-E_lztx

代入表達式(4)，即得到E_pa＝E_lcx+E_lwx (5)。

作為一個實例，辨識出來的平行度誤差曲線如圖3所示，根據(jù)式(5)可知此曲線的表達的平行度誤差僅與中心架和尾座偏移誤差有關，可進一步辨識出中心架和尾座誤差大小。

圖3曲線設為f_z，得到曲線f_z的斜率：

z₀，z_l為初始點和最后一點的橫坐標，

f_z(z₀)，f_z(z_l)為z₀和z_l的縱坐標。

f_z(z₀)-f_z(z_l)為尾座的偏移誤差，斜率k即為尾座偏移誤差的錐度，可視k的大小對尾座進行調整，

F＝f_z(z)-kz為消除尾座誤差影響后的誤差，此曲線F縱坐標絕對值最大值Max(F)即為中心架的偏移誤差。針對中心架引起的誤差Max(F)對中心架進行調整，從而進一步提高工件加工精度。

補償公式(3)中前兩項幾何誤差后，測量得到的激光位移傳感器的綜合誤差變化曲線如圖4所示，說明補償這兩項幾何誤差后車床的精度有了初步的改善。

根據(jù)公式(5)可知，刀具相對于工件的平行度誤差僅與另外兩項誤差即中心架和尾座偏移誤差有關，調整這兩項誤差后，即調整了此時刀具相對于工件的平行度誤差。針對此平行度誤差，在14米長軸一段進行一段試切加工，得到的平行度與零件加工誤差結果曲線對比如圖5，忽略局部加工振蕩影響，結果表明加工誤差基本復現(xiàn)了平行度趨勢，平行度誤差與零件加工誤差直接相關，由此間接證明了通過提高平行度來提高加工精度的可行性。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。