位移传感器和球杆仪结合的机床空间误差测量装置及方法

技术领域

本发明属于机床误差检测技术领域，具体涉及一种位移传感器和球杆仪结合的机床空间误差测量装置及方法。

背景技术

随着现代制造业的不断发展，零件加工精度的要求越来越高。数控机床作为现代制造业的“加工母机”,提高其加工精度对我国制造业发展具有重要意义。数控机床加工精度提高的关键在于减小其在加工过程中的空间误差。

误差补偿是应用最为广泛的一种提高数控机床精度的方法，采用该方法的前提是对机床空间误差进行准确测量。球杆仪由于其检测精度高、成本低、检测效率高、安装简易、操作方便等优点，被广泛应用于数控机床误差检测领域。由于球杆仪结构的限制，球杆仪在XY平面进行一次圆弧测试只能获得机床在X方向和Y方向的误差，忽略了Z方向的误差(即球杆仪进行一次圆弧测试获得的误差信息不完整)。因此，本发明提出一种利用非接触位移传感器和球杆仪组合测量机床空间误差的方法。该方法可实现对机床的空间误差进行快速、准确的测量，对提高机床加工精度具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为了弥补现有球杆仪进行一次圆弧测试获得机床误差信息不完整的缺点，提出一种利用非接触位移传感器和球杆仪组合测量机床空间误差的方法。本发明能够对机床的空间误差进行快速、准确测量，提供可靠的机床运动误差信息，有助于机床加工精度的提高。

第一方面，本发明提供一种位移传感器和球杆仪结合的机床空间误差测量装置，包括行星轮系结构、第一非接触位移传感器、第二非接触位移传感器、第三非接触位移传感器、第四非接触位移传感器、第一基准板、第二基准板和中心支座。所述的行星轮系结构包括第一转盘、连接架、安装盘和第二转盘。测量过程中，第二基准板固定在被测机床的工作台上。第一转盘转动连接在被测机床的主轴上。第一基准板固定在被测机床的主轴上。

所述的中心支座固定在第二基准板上。第二转盘转动连接在中心支座上。第二转盘与安装盘连接，其仅沿第二转盘的切向进行力传递。安装盘与第一转盘通过连接架固定。所述的第一转盘上固定有第一非接触位移传感器和第二非接触位移传感器。安装盘上固定有第三非接触位移传感器和第四非接触位移传感器。第一非接触位移传感器和第二非接触位移传感器均朝向第一基准板，且到第一转盘中心轴线的距离一致。第三非接触位移传感器和第四非接触位移传感器均朝向第二基准板，且到第二转盘中心轴线的距离一致。

作为优选，该位移传感器和球杆仪结合的机床空间误差测量装置还包括球杆仪和工具杯。工具杯固定在第一基准板的底面；工具杯与主轴同轴设置。工具杯的底端和中心支座的顶端设置有锥窝。球杆仪连接在工具杯与中心支座的锥窝之间。球杆仪一端的精密球通过磁力吸附在工具杯的底端；球杆仪另一端的精密球通过磁力吸附在中心支座的顶端。

作为优选，所述的球杆仪水平设置。

作为优选，所述的第二转盘侧部固定有竖直导杆；安装盘的侧部固定有限位块；限位块上开设有力传递通槽；竖直导杆插入力传递通槽中。竖直导杆在力传递通槽中均能够沿第二转盘的轴向和径向均能够自由移动。

作为优选，第一非接触位移传感器位于第三非接触位移传感器的正上方；第二非接触位移传感器位于第四非接触位移传感器的正上方。

作为优选，第一非接触位移传感器、第二非接触位移传感器、第三非接触位移传感器和第四非接触位移传感器均采用电容位移传感器。

作为优选，第一非接触位移传感器、第二非接触位移传感器、第三非接触位移传感器和第四非接触位移传感器采用电感位移传感器、激光三角法位移传感器、激光共焦传感器和激光干涉仪中的任意一种。

该机床空间误差测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤一、主轴在被测机床的带动下进行圆弧插补运动，绕中心支座转动一周；主轴运动的过程中，第三非接触位移传感器和第四非接触位移传感器相对于第二基准板绕中心支座的中心轴线转动一周，第一非接触位移传感器和第二非接触位移传感器相对于第一基准板绕主轴的轴线转动一周。

运动过程中，第一非接触位移传感器和第二非接触位移传感器持续检测自身到第一基准板的距离，分别得到数据集C

步骤二、将数据集C

步骤三、求取误差向量B

步骤四、求取主轴的Z向误差向量ΔZ＝B

通过双传感器误差提取方法计算基准板的平面度误差向量R的具体过程如下：

将输入的两个数据集分别记为数据集S

根据数据集S

建立平面度误差关系式如下：

s(i)＝r(i)-r(i+m

其中，r(i)、r(i+m

求解步骤中的关系式，得到平面度误差向量R＝{r(1),r(2),...,r(N)}。

作为优选，主轴转动的过程中，球杆仪检测自身两个精密球的球心距变化，得到径向误差向量ΔR；计算被测机床的X轴误差向量ΔX和Y轴误差向量ΔY如下：

Δx

Δy

其中，Δr

本发明具有的有益效果是：

1、本发明利用绕圆轨迹运动的两个位移传感器消除了基准板的平面度误差；又通过两组形成行星轮的双位移传感器相结合，消除了轴承转动中的轴向误差带来的影响，进而分离出精准的机床Z轴误差。同时，配合球杆仪本发明能够精准地获得机床的三维误差。

2、本发明通过误差分离的方法获得准确的机床Z向误差，由于能够消除基准板的平面度误差影响，故本发明对基准板的平面度要求较低，大大降低了机床空间误差测量的成本。

附图说明

图1为本发明中各零件装配的结构示意图；

图2为本发明中第一转盘的结构示意图；

图3为本发明中传感器夹具示意图；

图4为本发明中限位块示意图；

图5为本发明中连接块示意图；

图6为本发明中第二转盘结构示意图；

图7为本发明中安装盘示意图；

图8为通过双传感器误差提取方法计算得到的平面度误差数据与理论值的仿真对比图；

图9为通过双传感器误差提取方法计算得到的平面度误差数据与电容位移传感器直接测得值的对比图。

图1中：1、安装盘；2、限位块；3、连接杆；4、工具杯；5、连接块；6、第一转盘；7、主轴；8、第一非接触位移传感器；9、第二非接触位移传感器；10、传感器夹具；11、第一基准板；12、球杆仪；13、第三非接触位移传感器；14、第四非接触位移传感器；15、第二转盘；16、中心支座；17、第二基准板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种位移传感器和球杆仪结合的机床空间误差测量装置，包括行星轮系结构、传感器夹具10、第一非接触位移传感器8、第二非接触位移传感器9、第三非接触位移传感器13、第四非接触位移传感器14、第一基准板11、第二基准板17、球杆仪12、工具杯4和中心支座16。第二基准板17固定在被测机床的工作台上。中心支座16固定在第二基准板17的顶面中心位置。第一非接触位移传感器8、第二非接触位移传感器9、第三非接触位移传感器13和第四非接触位移传感器14均采用电容位移传感器。

行星轮系结构连接在第二基准板17与被测机床的主轴7之间。行星轮系结构包括第一转盘6、连接架、安装盘1、限位块2和第二转盘15。

第一转盘6通过轴承同轴转动连接在被测机床的主轴7上。第二转盘15通过轴承同轴转动连接在中心支座16上。

限位块2的一端与安装盘1通过螺钉固定；限位块2的另一端开设有力传递通槽；第二转盘15侧部固定有竖直导杆；竖直导杆插入力传递通槽中。竖直导杆在力传递通槽中均能够沿第二转盘15的轴向和径向均能够自由移动，防止第二转盘15的轴承回转误差对非接触位移传感器的测量结果产生影响；力传递通槽与竖直导杆之间能够产生沿第二转盘15的周向的作用力，使主轴7做圆弧插补运动的过程中，四个非接触位移传感器存在一个绕中心支座16中轴线的公转，同时还存在一个绕主轴7中轴线的自转，且公转角速度与自转角度速度相等。

连接架包括连接块5和连接杆3。两个连接块5分别通过螺钉固定在连接杆3的两端；其中一个连接块5通过螺钉固定在第一转盘6上；另一个连接块5通过螺钉固定在安装盘1远离中心支座16的一侧。

第一转盘6的边缘处通过传感器夹具10固定有第一非接触位移传感器8和第二非接触位移传感器9。安装盘1位于第一转盘6的正下方。安装盘1的边缘处通过传感器夹具10固定有第三非接触位移传感器13和第四非接触位移传感器14。

第一非接触位移传感器8和第二非接触位移传感器9均竖直朝下设置，且到第一转盘6中心轴线的距离一致。第三非接触位移传感器13和第四非接触位移传感器14均竖直朝下设置，且到第二转盘15中心轴线的距离一致。

位于第一转盘6正下方的第一基准板11与被测机床的主轴7固定。第一非接触位移传感器8和第二非接触位移传感器9相对于主轴7的转动轨迹完全处于第一基准板11的顶面上方。第三非接触位移传感器13和第四非接触位移传感器14相对于中心支座16的转动轨迹完全处于第二基准板17的顶面上方。

第一基准板11的底面固定有工具杯4；工具杯4与主轴7同轴设置。工具杯4的底端和中心支座16的顶端设置有锥窝。中心支座16顶端的锥窝具体为三点锥窝。球杆仪12一端的精密球通过磁力吸附在工具杯4的底端；球杆仪12另一端的精密球通过磁力吸附在中心支座16的顶端。

工作过程中，主轴7绕中心支座16做圆弧插补运动，球杆仪随主轴7做圆弧插补运动，测量主轴运动过程中的径向误差，其径向误差可投影到空间坐标系的X轴和Y轴。

在行星轮结构的作用下，第一非接触位移传感器8、第二非接触位移传感器9、第三非接触位移传感器13和第四非接触位移传感器14都存在一个绕第一转盘6中轴线的自转和绕中心支座中轴线的公转。自转和公转的角速度相同。转盘旋转360°为一个采集周期。

第一非接触位移传感器8和第二非接触位移传感器9测量的数据包含第一转盘6的回转误差在Z向的投影和第一基准板11的平面度误差。第三非接触位移传感器13和第四非接触位移传感器14测量的数据包含第一转盘6的回转误差在Z向的投影、第二基准板17的平面度误差和主轴7的Z向误差。

通过自行推导的“双传感器误差提取方法”处理第一非接触位移传感器8和第二非接触位移传感器9的测量数据，然后通过向量求差的方式，可获得第一转盘6中轴承的回转误差在Z向投影的误差曲线。利用“双传感器误差提取方法”处理第三非接触位移传感器13和第四非接触位移传感器14的测量数据，然后通过向量求差的方式，可获得第一转盘6中轴承的回转误差在Z向投影与主轴Z向误差耦合的误差曲线，此误差曲线减去第一转盘6中轴承的回转误差在Z向投影的误差曲线即可获得准确的主轴Z向误差。

该机床空间误差测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤一、主轴7在被测机床的带动下进行圆弧插补运动，绕中心支座16转动一周；主轴7运动的过程中，第三非接触位移传感器13和第四非接触位移传感器14相对于第二基准板17绕中心支座的中心轴线转动一周，第一非接触位移传感器8和第二非接触位移传感器9相对于第一基准板11绕主轴7的轴线转动360°。

运动过程中，第一非接触位移传感器8和第二非接触位移传感器9持续检测自身到第一基准板11顶面的距离，分别得到数据集C

球杆仪12检测自身两个精密球的球心距变化，得到径向误差向量ΔR；计算被测机床的X轴误差向量ΔX和Y轴误差向量ΔY如下：

Δx

Δy

其中，Δr

步骤二、根据数据集C

步骤三、由于第一基准板11与主轴7固连，因此第一非接触位移传感器8和第二非接触位移传感器9的测量值包含第一基准板11的平面度误差和第一转盘6的回转误差在Z向的投影。将平面度误差向量R

B

由于第三非接触位移传感器13和第四非接触位移传感器14与第一转盘6固连，且第二基准板17安装于机床工作台；因此，第三非接触位移传感器13和第四非接触位移传感器14的测量值包含第二基准板17的平面度误差、第一转盘6的回转误差在Z向的投影和主轴7的Z向误差。将平面度误差向量R

B

步骤四、由于第二转盘15与第一转盘6只存在切向力的传递，因此第二转盘15的轴承回转误差不会耦合进四个非接触位移传感器的测量值；因此，通过对误差向量B

ΔZ＝B

双传感器误差提取方法的具体过程如下：

将输入的两个数据集分别记为数据集S

消除耦合误差的理论推导，具体如下：

数据集S

式(1)中：r(θ)为基准板的平面度误差，ΔZ(θ)为转盘的回转误差在Z向的投影(本实施例中为竖直方向)；α

构建两个非接触位移传感器采集数据的一个线性组合s(θ)，引入系数c

s(θ)＝s

将式(1)代入式(2)，整理得到式(3)：

s(θ)＝r(θ)+c

令式(3)中ΔZ(θ)项的系数为0，确定可得传感器标定系数c

c

在系数c

对步骤一得到的测量数据进行数据处理，得到准确的平板平面度误差值，具体过程如下：

3-1.构建两个非接触位移传感器的安装夹角α

m

3-2.构建离散的线性组合s(i)如式(6)所示：

s(i)＝s

3-3.取构建线性组合s(i)与平面度误差的关系式如式(7)所示：

s(i)＝r(i)-r(i+m

式(7)为式(3)的离散化形式。r(i)为第一个非接触位移传感器的第i次检测时被测点相对于第一个非接触位移传感器起始检测点的高度差；r(i+m

3-4.将式写成线性方程组如式(8)所示。

AR＝S 式(8)

式中，A为稀疏奇异矩阵，由安装夹角α

3-5.通过解算式，求出平面度误差向量R。

为了“双传感器误差提取方法”的有效性和可行性，使用MATLAB软件对消除耦合误差的理论进行仿真实验。首先设置第一基准板的平面度误差曲线为：

转盘的回转误差在Z向的投影误差曲线为：

然后模拟非接触位移传感器对以上误差曲线进行采样，获得s(i)。线性方程组中的稀疏奇异矩阵A仅由安装夹角α