一种多轴数控机床几何误差项分离与识别方法

本发明涉及数控机床误差分离领域，特别涉及一种多轴数控机床几何误差项分离与识别方法。

背景技术：

1、随着科技的发展，超精密加工机床在国防安全、现代通信、航空航天等高端技术领域的需求快速增长。国内很多机床企业也能生产超精密加工机床，但核心部件仍需外购，在众多核心技术领域仍是空白。制约我国机床水平提高的因素一方面在基础科学方面,材料性能不达标、生产工艺不完善、结构设计不合理,使得生产出来的零部件性能达不到要求、可靠性差。另一方面在控制、测量技术方面，国内现有的机床运动、误差补偿模型和理论还不完善，软硬件系统功能性、兼容性、通用性差，传感器灵敏度低，测量装置精度低等，极大地限制了加工精度的提高。

2、提升机床精度的常见手段是误差补偿法。误差补偿法通过对机床误差进行检测和建模，获得机床误差的预测值，将误差补偿值加入到机床运动中，误差补偿值与误差预测值大小相等、方向相反，最终可以抵消原有误差。在传统几何误差分离和识别过程中，常用的有误差直接测量法和间接测量法，往往通过激光干涉仪、激光跟踪仪等方法对机床的各运动轴进行直接或间接测量，但这些传统方法往往存在成本高、耗费时间长、操作复杂等问题，此外，对于精密甚至超精密机床而言，传统测量方法所采用的仪器精度甚至无法达到机床精度要求。因此，寻找一种更为可靠、简便和高效的几何误差项分离和识别方法对我国数控机床产业的发展是非常必要和有益的。

技术实现思路

1、为克服上述现有几何误差项分离和识别方法的不足，本发明提供一种多轴数控机床几何误差项分离与识别方法，该方法将机床的运动学建模、工件形貌分析等应用到机床的几何误差项分离中，直接通过对工件形貌进行测量，对机床几何误差实施分离与识别，省去逐一去测量机床单项误差，节约时间以及测试仪器费用，降低生产成本、提高生产效率，为机床误差补偿及时地提供正确的理论依据和实时校准，使机床的误差补偿工作更为可靠和有效。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、步骤s1：建立机床理想运动学模型与机床综合误差模型；

4、步骤s2：设计理想工件面形，利用待测机床进行实际加工；

5、步骤s3：利用三坐标测量机对加工后的工件表面轮廓进行测量；

6、步骤s4：通过软件对三坐标测量机测得的点云数据进行处理，完成特征创建与对齐；

7、步骤s5：利用对齐后的面形数据与理想数据进行比较，得到误差矢量，利用软件将误差矢量转化为理想面形的法向误差；

8、步骤s6：利用综合误差模型和理想运动学模型，求得工件面形的理论法向误差，此时的理论法向量误差为各几何误差项的线性组合；

9、步骤s7：在各点处拟合新的曲面，使新的曲面上各几何误差项保持不变，这个新的曲面建立在最小二乘意义下；

10、步骤s8：在新曲面上找到与误差项数量相等的点，利用这些离散点处的实际法向量误差与理想法向量误差联立方程组并求解，分离和识别出各几何误差项的大小。

11、本发明的有益效果是：本发明将机床的运动学建模、工件形貌分析等应用到机床的几何误差项分离中，直接通过对工件形貌进行测量，对机床几何误差实施分离与识别，省去逐一去测量机床单项误差，节约时间以及测试仪器费用，降低生产成本、提高生产效率；克服了传统方法中各几何误差项难以快速、准确测得的问题，直接从工件形貌上获取机床的各项误差，避免现有的误差模型缺陷，使机床几何误差分离具有通用性；可以有效通过被加工件的表面轮廓反向分离出机床的各几何误差项，并且获得的数学模型公式能够精确地推断和预测机床误差的变化情况，为机床误差补偿及时地提供正确的理论依据和实时校准，使机床的误差补偿工作更为可靠和有效。

技术特征：

1.一种多轴数控机床几何误差项分离与识别方法，用来将数控机床加工工件过程中的几何误差项分离出来，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种多轴数控机床几何误差项分离与识别方法，其特征在于，步骤s1的模型依据齐次坐标变换法计算得出，运动学模型即沿着机床定义的两条运动链——刀具链和工件链进行机床运动的坐标变换，最终获得刀具在工件坐标系下的位置和姿态，本文将机床的刀具系t相对于工件系w的齐次变换阵在理想状态下定义为误差状态下为综合误差运动矩阵为其中：

3.根据权利要求1所述的一种多轴数控机床几何误差项分离与识别方法，其特征在于，步骤s5的法向误差获得方法如下：设在理想面形的点p(实际面形的点p'处)处的误差矢量为：理想面形点p处的法向量为：则曲面上点p处的法向误差为：

4.根据权利要求1所述的一种多轴数控机床几何误差项分离与识别方法，其特征在于，步骤s6的法向误差获得方法如下：

5.根据权利要求1所述的一种多轴数控机床几何误差项分离与识别方法，其特征在于，步骤s7中，由于实际的几何误差项在曲面上各点处有所不同，所以本文采用最小二乘方法拟合出新的实际曲面，并且可以认为在新的曲面上各点位置处几何误差项保持不变。以下是相关的操作步骤：

6.根据权利要求1所述的一种多轴数控机床几何误差项分离与识别方法，其特征在于，步骤s8中，在新曲面zfit上取n个点(待识别的几何误差项数量同为n)，即可得到n个带误差项的法向误差表达式，将他们与步骤s5中得到的实际法向误差联立，即可解得n个几何误差项，完成对几何误差项的分离和识别：

技术总结
本发明提供一种多轴数控机床几何误差项分离与识别方法，该方法将机床的运动学建模、工件形貌分析等应用到机床的几何误差项分离中，直接通过对工件形貌进行测量，对机床几何误差实施分离与识别，省去逐一去测量机床单项误差，节约时间以及测试仪器费用，降低生产成本、提高生产效率，为机床误差补偿及时地提供正确的理论依据和实时校准，使机床的误差补偿工作更为可靠和有效。

技术研发人员：姜振华,王宇,刘东东
受保护的技术使用者：东华大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23