發(fā)明屬于數(shù)控機床幾何誤差研究領域，更具體地，涉及一種導軌基面直線度誤差的解耦辨識方法。

背景技術：

目前測量機床幾何誤差的儀器和工具主要有激光干涉儀、量尺、水平儀、準直儀和千分表等，激光干涉儀主要用來測量數(shù)控機床移動副的定位誤差、直線度、角度誤差、垂直度等，但較少應用于裝配的導軌測量中，因為其測量耗時且成本較高，且使用傳統(tǒng)的測量工具即可滿足使用要求。水平儀和千分表可用于導軌裝配中直線度和角度的測量，并以測量的結果為標準，對裝配進行調整或對導軌基面進行刮研。準直儀適用于工廠中快速測量裝配后導軌的直線度誤差，效率較高且使用方便。

2001年日本學者Eiji Shamoto等采用干涉儀測量搭建了液壓導軌副的測量實驗平臺，用有限元分析方法研究了液壓導軌中油膜厚度及作用力對導軌直線度的影響大小。2007年加拿大的學者T.O.Ekinci等研究了導軌滑塊上的角度誤差與直線度誤差的關系，采用了量尺和激光干涉儀搭建了實驗平臺，研究此關系與兩滑塊之間的距離與導軌基面輪廓波長比值的定量關系。2016年西安交大的Jun Zha等進一步考慮了靜力學模型分析了液壓導軌直線度精度，采用激光干涉儀進行測量數(shù)據(jù)進行驗證。前人的研究中多是考慮導軌滑塊的運動直線度誤差中的關系，并進行了大量研究，而導軌基面本身直線度誤差的測量并未具體論述。

針對導軌基面的直線度測量，目前機床廠絕大多數(shù)采用的是千分表和水平儀，精度不高且會引入其它不必要的誤差。針對目前存在的問題，為了研究高精度測量導軌基面的直線度的方法，需要在目前條件下，提出合理的測試手段，并給出導軌基面直線度誤差測量的解耦辨識方法。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種精確辨識機床導軌基面直線度誤差的方法，其目的在于計算出導軌基面直線度誤差的精確值，由此解決機床領域導軌基面直線度誤差難以精確測量與獲取的技術問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種導軌基面直線度誤差的解耦辨識方法，包括如下步驟：

(1)搭建測量平臺：

將激光干涉儀的激光頭安裝在待測量的導軌一側，激光干涉儀反射鏡安裝于標準量塊頂部且朝向激光頭設置，激光位移傳感器安裝在標準量塊上且位于標準量塊后側；將標準量塊平放在待測量的導軌基面上；

(2)測量獲取初始參數(shù)：

使標準量塊緊靠導軌待測量面，移動標準量塊，每移動到一個位置，記錄此位置的激光干涉儀測量結果和激光位移傳感器測量結果y_lx；激光干涉儀測量結果包括標準量塊運動時的角度偏差中的俯仰角偏差ε_zx、滾動角偏差ε_xx，以及綜合直線度誤差δ_ysx；激光位移傳感器起始點示數(shù)y_lx0；

(3)誤差數(shù)據(jù)處理：

以反射鏡上的測量點P的起始位置p₀作為全局坐標系零點，標準量塊前進方向為X軸，豎直向上為Y軸，通過右手法則確定Z軸；

根據(jù)激光干涉儀測得的反射鏡的綜合直線度誤差δ_ysx，推導得到標準量塊上某一點的直線度偏差δ_yx；根據(jù)推導得到的δ_yx和步驟(2)測量得到的ε_zx、ε_xx建立激光位移傳感器的運動模型，進而得到激光位移傳感器的直線度偏差δ_ylx；

根據(jù)激光位移傳感器測量結果y_lx、激光位移傳感器起始點示數(shù)y_lx0和激光位移傳感器的直線度偏差δ_ylx，計算得到導軌基面的直線度誤差δ_ygx。

進一步地，步驟(3)具體數(shù)據(jù)處理過程如下：

激光干涉儀反射鏡上的測量點為P，其初始位置為p₀，p₀在x方向上移動時的實際位置p_xa表達式如下：

其中，初始位置p₀表達式如下：

p₀＝[x_p0,y_p0,z_p0,1]^T (2)

x_p0,y_p0,z_p0是p₀在X、Y、Z三個方向上的坐標值；

為旋量表達的沿X方向平移的變換矩陣；

為旋量表達的沿直線度誤差Y方向平移的變換矩陣；

為旋量表達的沿X方向轉動的變換矩陣；

為旋量表達的沿Z方向轉動的變換矩陣；

假設：

p_xa＝[x_xpa,y_xpa,z_xpa,1]^T (3)

其中，x_xpa,y_xpa,z_xpa是p_xa在X、Y、Z三個方向上的坐標值，

則綜合直線度誤差δ_ysx：

δ_ysx＝y(tǒng)_xpa-y_p0 (4)

其中，

y_xpa＝y(tǒng)_p0+δ_yx-z_p0sinε_xx+x_p0sinε_zx (6)

這樣，根據(jù)(4)(6)得到：

δ_ysx＝δ_yx-z_p0sinε_xx+x_p0sinε_zx (7)

從而有：

δ_yx＝δ_ysx+z_p0sinε_xx-x_p0sinε_zx (8)

同理，激光位移傳感器測量點Q，其起始位置q₀為：

q₀＝[0,y_q0,0,1]^T (9)

其中，y_q0是q₀在Y方向上的坐標值；

點Q在X方向移動時實際位置q_xa為：

q_xa＝[x_xqa,y_xqa,z_xqa,1]^T (10)

其中x_xqa,y_xqa,z_xqa為q_xa在XYZ三個方向上的坐標值，有

并且，激光位移傳感器的直線度偏差δ_ylx為：

δ_ylx＝y(tǒng)_xqa-y_q0 (12)

與(7)同理可得，

δ_ylx＝δ_yx-z_q0sinε_xx+x_q0sinε_zx (13)

并且，導軌基面的直線度誤差δ_ygx為：

δ_ygx＝y(tǒng)_lx-y_lx0-δ_ylx (14)

將(13)代入(14)即可得到

δ_ygx＝y(tǒng)_lx-y_lx0-δ_yx+z_q0sinε_xx-x_q0sinε_zx (15)

繼續(xù)將(8)代入(15)，得到

δ_ygx＝y(tǒng)_lx-y_lx0-δ_ysx+(x_p0-x_q0)sinε_zx+(z_q0-z_p0)sinε_xx (17)

其中，δ_ysx、ε_zx、ε_xx通過激光干涉儀測量得到，y_lx、y_lx0通過激光位移傳感器示數(shù)讀取得到，x_p0、x_q0、z_q0、z_p0均為已知參數(shù)，即可以根據(jù)公式(17)計算得到導軌基面直線度誤差δ_ygx的精確數(shù)值。

進一步地，步驟(1)中，激光干涉儀的反射鏡通過磁力吸座與連接桿固定在量塊上，反射鏡角度可微調；激光位移傳感器與其安裝夾具通過螺釘固定在一起，然后將安裝夾具通過強磁鐵固定在量塊上。

進一步地，將激光干涉儀的激光頭固定在微動平臺上，再安裝在導軌一側，通過微動平臺調整激光頭在X、Y、Z三個方向的位移，以調整激光干涉儀的光路準直。

總體而言，本發(fā)明所構思的以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，具有如下有益效果：本發(fā)明提出的機床精密導軌基面直線度誤差的辨識方法，其通過使用激光干涉儀測量標準量塊滑動時的直線度誤差和角度誤差及激光位移傳感器測量的示數(shù)誤差，并基于旋量理論表達各部分的運動，通過誤差解耦的數(shù)據(jù)處理方法，最終計算出導軌基面的直線度誤差值，以此實現(xiàn)測量精密導軌基面直線度誤差的目的，具有精確的優(yōu)點和一定可行性，可用于數(shù)控機床生產(chǎn)質量檢測分析或機床精度分析的研究。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種基于激光測量的精密機床導軌基面直線度誤差的解耦辨識方法的具體實施流程圖；

圖2是基于激光測量精密機床導軌基面直線度誤差的測量平臺安裝原理圖；

圖3a是激光干涉儀測量的Y向直線度誤差結果曲線；

圖3b是激光干涉儀測量的Z向角度誤差結果曲線；

圖3c是激光干涉儀測量的X向角度誤差結果曲線；

圖3d是激光位移傳感器示數(shù)結果曲線；

圖4a是辨識的導軌基面Y向直線度誤差結果曲線；

圖4b是將辨識的導軌基面Y向直線度誤差端點歸零后的結果曲線。

附圖標記：

1-標準量塊，2-干涉儀反射鏡，3-連接桿，4-磁座，5-激光位移傳感器，6-安裝夾具，7-強磁鐵。

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)明的一種具體實施方式，一種基于激光測量的精密機床導軌基面直線度誤差的解耦辨識方法，該方法具體包括：

(1)測量平臺的搭建

測量平臺主要由兩部分組成，基礎部件和測量組件，如圖2所示，基礎部件包含導軌和標準量塊1，將標準量塊1平放在待測量的導軌基面上，通過量塊來反映導軌基面的豎直直線度誤差；測量組件包含激光干涉儀和激光位移傳感器5組件，激光干涉儀的反射鏡2通過磁座4與連接桿3固定在量塊上，通過激光干涉儀測量量塊在導軌面上移動時的直線度和角度誤差等。將激光干涉儀的激光頭通過微動平臺安裝在待測量的導軌一側，激光干涉儀反射鏡2安裝于標準量塊1頂部且朝向激光頭設置，激光位移傳感器5安裝在標準量塊1上且位于標準量塊1前側；激光位移傳感器5與其安裝夾具6通過螺釘固定在一起，然后將夾具6吸附在強磁鐵7上，磁鐵7再通過磁力固定在量塊上。這樣當量塊在導軌基面上移動時，就可以同時通過激光干涉儀和激光位移傳感器5反映其移動的相應誤差項，并最終辨識出精密導軌的直線度誤差。

其它部件安裝說明：將激光干涉儀激光頭放在微動平臺上，再安裝在導軌一側，可通過微動平臺調整3個垂直方向的位移，以調整激光干涉儀的光路準直。并安裝好溫度和濕度傳感器5，以補償環(huán)境溫度、濕度和材料溫度對測量結果的影響。激光位移傳感器5可調整安裝位置和角度，使其處于最合適的測量范圍之內(nèi)。

(2)導軌基面測量數(shù)據(jù)的采集：

搭建好測量平臺后，通電使激光干涉儀和激光位移傳感器5預熱，調整好激光干涉儀的測量光路，確認激光位移傳感器5示數(shù)正常顯示，以標準量塊1的長度作為步長，并根據(jù)行程設置激光干涉儀的測量參數(shù)，激光干涉儀在起始點示數(shù)歸零并記錄下起始點位移傳感器5示數(shù)值，每次移動量塊長度的步長，并據(jù)此在導軌上標記出每次量塊移動到的位置。開始移動量塊，移動到指定位置后觸發(fā)激光干涉儀控制器，控制器會自動采集數(shù)據(jù)，并記錄下此時位移傳感器5的示數(shù)，多次重復直到行程終點測量結束。移動量塊時要注意緊貼導軌側面并不要觸動磁力吸座與強磁鐵7。這樣就采集到了所需要的數(shù)據(jù)。

需要注意的是，此測量平臺采用的激光干涉儀一次可測量6項移動副的幾何誤差，故移動一個全程可采集到所需要的數(shù)據(jù)。如果采用的是傳統(tǒng)的激光干涉儀如雷尼紹XL80，則需要多次安裝不同鏡組，并多次重復測量，以得到所需要的全部誤差項。因本發(fā)明暫未使用此類干涉儀，故不作進一步說明。

(3)數(shù)據(jù)的處理：

導軌基面一般采用刮削鏟平的方式進行精度調整，精度較高，但常用測量數(shù)據(jù)融入了多種誤差因素的影響，忽略這些因素影響，會帶來測量精度的損失。本專利根據(jù)此測量平臺測量方式引入的誤差，主要有標準量塊1運動時的直線度偏差δ_yx和角度偏差中的俯仰角偏差ε_zx、滾動角偏差ε_xx，這三項誤差會引入較大的測量誤差。故增加激光干涉儀測量，可得到角度偏差ε_zx、ε_xx和綜合直線度誤差δ_ysx，根據(jù)剛體空間運動的性質，任何剛體在空間的運動可轉換為剛體上一點的移動與繞此點的轉動。據(jù)此，根據(jù)機器人運動學中的旋量理論，來精確表達量塊與位移傳感器5的運動，以測量起始點作為全局坐標系零點，坐標軸方向定義如圖2所示，量塊運動的位移為x。首先表達量塊上固連的激光干涉儀反射鏡2的綜合直線度誤差δ_ysx，推導得到繞量塊上一點的直線度偏差δ_yx，其次根據(jù)推導的直線度偏差δ_yx和測量得到的角度偏差量ε_zx、ε_xx建立傳感器5的運動模型，進而得到傳感器5的直線度偏差δ_ylx，最后根據(jù)傳感器5測量示數(shù)結果y_lx、傳感器5起始點示數(shù)y_lx0和傳感器5的直線度偏差δ_ylx，計算得到傳感器5測量位置導軌基面的直線度誤差δ_ygx。

具體數(shù)據(jù)處理過程如下：

如圖所示，測量y方向的直線度，所求解的直線度也為y方向的直線度，坐標系方向如圖所示。

激光干涉儀反射鏡上的測量點為P，其初始位置為p₀，

其中，

初始位置p₀為：

p₀＝[x_p0,y_p0,z_p0,1]^T (2)

其中，x_p0,y_p0,z_p0是p₀在X、Y、Z三個方向上的坐標值；

p_xa為初始位置p₀在X方向上移動時的實際位置；

為旋量表達的沿X方向平移的變換矩陣；

為旋量表達的沿直線度誤差Y方向平移的變換矩陣；

為旋量表達的沿X方向轉動的變換矩陣；

為旋量表達的沿Z方向轉動的變換矩陣。

假設

p_xa＝[x_xpa,y_xpa,z_xpa,1]^T (3)

其中，x_xpa,y_xpa,z_xpa是p_xa在X、Y、Z三個方向上的坐標值，

則綜合直線度誤差δ_ysx為：

δ_ysx＝y(tǒng)_xpa-y_p0 (4)

其中，

y_xpa＝y(tǒng)_p0cosε_xxcosε_zx+δ_yxcosε_xxcosε_zx-z_p0cosε_zxsinε_xx+x_p0sinε_zx (5)

上試中的極小誤差項可簡化，即得到

y_xpa＝y(tǒng)_p0+δ_yx-z_p0sinε_xx+x_p0sinε_zx (6)

這樣，根據(jù)(4)(6)可計算得到

δ_ysx＝δ_yx-z_p0sinε_xx+x_p0sinε_zx (7)

從而有

δ_yx＝δ_ysx+z_p0sinε_xx-x_p0sinε_zx (8)

同樣，位移傳感器測量頭上的點為Q，其起始位置q₀為

q₀＝[0,y_q0,0,1]^T (9)

其中，y_q0是q₀在Y方向上的坐標值；

點Q在x方向移動時實際位置為：

q_xa＝[x_xqa,y_xqa,z_xqa,1]^T (10)

其中x_xqa,y_xqa,z_xqa為q_xa在XYZ三個方向上的坐標值，有

并且有

δ_ylx＝y(tǒng)_xqa-y_q0 (12)

與(7)同理可得，

δ_ylx＝δ_yx-z_q0sinε_xx+x_q0sinε_zx (13)

導軌基面的直線度誤差

δ_ygx＝y(tǒng)_lx-y_lx0-δ_ylx (14)

將(13)代入(14)即可得到

δ_ygx＝y(tǒng)_lx-y_lx0-δ_yx+z_q0sinε_xx-x_q0sinε_zx (15)

繼續(xù)將(8)代入(15)，得到

δ_ygx＝y(tǒng)_lx-y_lx0-δ_ysx-z_p0sinε_xx+x_p0sinε_zx+z_q0sinε_xx-x_q0sinε_zx (16)

化簡為

δ_ygx＝y(tǒng)_lx-y_lx0-δ_ysx+(x_p0-x_q0)sinε_zx+(z_q0-z_p0)sinε_xx (17)

據(jù)此，通過干涉儀測量得到相應直線度誤差δ_ysx和俯仰角偏差ε_zx、滾動角偏差ε_xx，及位移傳感器示數(shù)y_lx、y_lx0，加上固定的已知參數(shù)x_p0、x_q0、z_q0、z_p0，即可以計算得到機床導軌基面直線度誤差δ_ygx的精確數(shù)值。

上述各個步驟如圖1所示。

作為一個應用實例，采用如上方法進行測量，得到的數(shù)據(jù)結果曲線如圖3。采用以上數(shù)據(jù)處理方法得到的結果曲線如圖4。

根據(jù)前人的研究成果，導軌基面的直線度常呈現(xiàn)一定的類正弦波形，具有一定的波長。從圖4的結果曲線上看，符合上述研究成果，說明本發(fā)明的方法具有可行性，但本發(fā)明并不局限于此實例。

本發(fā)明方法能夠辨識出精密機床導軌基面直線度誤差，適合于數(shù)控機床生產(chǎn)質量檢測分析或機床精度分析的研究。

本領域的技術人員容易理解，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(nèi)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(nèi)。