CN110744355A - 基于测量头机床在线测量误差的补偿方法及使用的标准样块 - Google Patents
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Abstract
基于测量头机床在线测量误差的补偿方法及使用的标准样块,解决测量误差大和测量结果整体有位置偏差和测量结果不稳定的技术问题,采用步骤是:1测量头对标准球在X轴直径坐标点测量,2对Y轴直径坐标点测量,3对标准量具上三个面上点测量,4对标准球Z轴方向测量,5确定测量误差补偿值,6测量结果的测量误差补偿。标准样块采用的技术方案是,包括:标准球和矩形量块,标准球经支撑杆固定在矩形量块,支撑杆的直径小于标准球的直径。本发明的有益效果是:测量精度和重复精度高,测量结果稳定。方法简单,测量误差补偿值的确定及测量自动连续进行。
Description
技术领域
本发明涉及机械加工过程中在线测量领域,特别是基于测量头机床在线测量误差的补偿方法及使用的标准样块。
背景技术
触发式三维测量头,即为一种接触式测量工具,这种触发式三维测量头具有极高的测量和重复精度,重复精度可达0.0003mm,自50年代被英国人发明后,被广泛应用于机械制造领域,用于对工件的接触测量。尤其是近几年,触发式三维测量头被广泛应用在数控机床加工的在机在线测量领域,在提高机床的加工精度,提高优质频率方面起到非常大的作用。触发式三维测量头应用在数控加工机床上使用已经很多年,但是,由于机床存在的运动误差、测量头结构造成的误差、测量头在不同的使用环境下的变形、测量头与机床每次的安装误差等综合因素造成现有技术还无法解决测量误差大和测量结果整体有位置偏差和测量结果不稳定的技术问题,上述技术问题多年以来未得到解决,而且情况非常严重。这也是60多年来没有解决的世界难题。
发明内容
为解决现有技术中存在的测量误差大和测量结果整体有位置偏差和测量结果不稳定的技术问题,本发明公开一种基于测量头机床在线测量误差的补偿方法及使用的标准样块,通过测量误差补偿的方法实现提高测量精度、重复精度及保持测量结果稳定的技术问题。
本发明解决测量误差的补偿方法采用的步骤是:
步骤一.机床主轴带动三维测量头上接触球Q1对标准量具上具有一定高度的标准球在X 轴方向进行直径坐标点接触测量,测量结果标定为X2、X3;
步骤二.机床主轴带动三维测量头上接触球Q1对标准量具上标准球在Y轴方向进行直径坐标点接触测量,测量结果标定为Y2、Y3;
步骤三.机床主轴带动三维测量头上接触球Q1对标准量具上三个相互垂直面上的任意坐标点接触测量,测量结果标定为X1、Y1、Z1;
步骤四.机床主轴带动三维测量头上接触球Q1对标准量具上标准球在Z轴方向进行高度坐标点接触测量,测量结果标定为Z2;
步骤五.确定测量误差补偿值:
根据步骤一获得测量结果标定的X2、X3,确定三维测量头上接触球Q1在X轴方向的直径测量误差补偿值D1X,D1X的计算公式为:
D1X=X2‐3‐D2公式(1)
公式(1)中D2为标准量具上已知的标准球直径;X2‐3为X2与X3两点之间的X轴方向距离:
根据步骤二获得测量结果标定的Y2、Y3,确定三维测量头上接触球Q1在Y轴方向的直径测量误差补偿值D1Y,D1Y的计算公式为:
D1Y=Y2‐3‐D2公式(2)
公式(2)中D2为标准量具上已知的标准球直径;Y2‐3为Y2与Y3两点之间Y轴方向距离
根据步骤一至步骤四获得测量结果标定的X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2,确定三维测量头上接触球 Q1在X、Y、Z轴方向测量误差补偿值X1、Y1、Z1,X1、Y1、Z1的计算公式分别为:
X1=X1‐2‐X1公式(3)
公式(3)中X1‐2为X1与X2两点之间的X轴方向距离;X1为标准量具上X1点所在的平面与标准球球心点在X轴方向的已知距离;
Y1=Y1‐2‐Y1公式(4)
公式(4)中Y1‐2为Y1与Y2两点之间的距离;Y1标准量具上Y1点所在的平面与标准球球心点在Y轴方向的已知距离;
Z1=Z1‐2‐Z1(5)公式(5)中Z1‐2为Z1与Z2两点之间的Z轴方向距离;Z1为标准量具上Z1点所在的平面与标准球上Z2点在Z轴方向的已知距离;
步骤六.测量结果的测量误差补偿:
机床主轴带动三维测量头上接触球Q1对实际被测量件进行接触测量;
X轴方向进行两点之间距离测量时,实际测量数值使用测量误差补偿值X1进行修正,当 X1为正数时,实际测量数值减去X1的绝对值,当X1为负数时,实际测量数值加上X1的绝对值得修正后的测量结果;
Y轴方向进行两点之间距离测量时,实际测量数值使用测量误差补偿值D1Y进行修正,当D1Y为正数时,实际测量数值减去D1Y的绝对值,当D1Y为负数时,实际测量数值加上D1Y的绝对值得修正后的测量结果;
X轴方向点位置测量时,实际测量数值使用测量误差补偿值X1进行修正,当X1为正数时,实际测量数值减去X1的绝对值,当X1为负数时,实际测量数值加上X1的绝对值得修正后的测量结果;
Y轴方向点位置测量时,实际测量数值使用测量误差补偿值Y1进行修正,当Y1为正数时,实际测量数值减去D1X的绝对值,当Y1为负数时,实际测量数值加上Y1的绝对值得修正后的测量结果;
Z轴方向点位置测量时,实际测量数值使用测量误差补偿值Z1进行修正,当Z1为正数时,实际测量数值减去Z1的绝对值,当Z1为负数时,实际测量数值加上Z1的绝对值得修正后的测量结果。
本发明实现发明目测量误差确定使用的标准样块采用的技术方案是,该标准样块包括:标准球和矩形量块,所述的标准球经支撑杆固定在矩形量块,所述的支撑杆的直径小于标准球的直径。
本发明的有益效果是:通过每次测量前测量误差补偿值的确定,在将每次的测量结果使用测量误差值进行修正补偿,实现提高测量精度、重复精度及保持测量结果稳定。方法简单,测量误差补偿值的确定及测量自动连续进行,测量速度快。
下面结合附图对本发明进行详细说明。
附图说明
附图1为本发明测量误差补偿值确定过程示意图。
附图2为附图1的A向示意图。
附图3为附图1的B向示意图。
附图4为本发明标准样块结构示意图。
附图中,1标准球、2矩形量块、3支撑杆、4机床主轴、5三维测量头、6机床工作台、Q1接触球。
具体实施方式
参考附图基于测量头机床在线测量误差的补偿方法,该方法基于安装在机床主轴4上的接触式三维测量头5对标准量具的测量结果的校准,确定机床主轴4与本次安装的接触式测量头5构成的测量系统的测量误差补偿值,使用该测量误差补偿值对测量系统实际测量数据进行补偿修正,该方法由以下步骤实现:
步骤一.机床主轴4带动三维测量头5上接触球Q1对标准量具上具有一定高度的标准球在X轴方向进行直径坐标点接触测量,测量结果标定为X2、X3。
步骤二.机床主轴4带动三维测量头5上接触球Q1对标准量具上标准球在Y轴方向进行直径坐标点接触测量,测量结果标定为Y2、Y3。
步骤三.机床主轴4带动三维测量头5上接触球Q1对标准量具上三个相互垂直面上的任意坐标点接触测量,测量结果标定为X1、Y1、Z1。
步骤四.机床主轴4带动三维测量头5上接触球Q1对标准量具上标准球在Z轴方向进行高度坐标点接触测量,测量结果标定为Z2。
步骤五.确定测量误差补偿值。
根据步骤一获得测量结果标定的X2、X3,确定三维测量头上接触球Q1在X轴方向的直径测量误差补偿值D1X,D1X的计算公式为:
D1X=X2‐3-D2公式(1)
公式(1)中D2为标准量具上已知的标准球直径;X2‐3为X2与X3两点之间的X轴方向距离:
根据步骤二获得测量结果标定的Y2、Y3,确定三维测量头上接触球Q1在Y轴方向的直径测量误差补偿值D1Y,D1Y的计算公式为:
D1Y=Y2-3‐D2公式(2)
公式(2)中D2为标准量具上已知的标准球直径;Y2‐3为Y2与Y3两点之间Y轴方向距离
根据步骤一至步骤四获得测量结果标定的X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2,确定三维测量头上接触球 Q1在X、Y、Z轴方向测量误差补偿值X1、Y1、Z1,X1、Y1、Z1的计算公式分别为:
X1=X1-2‐X1公式(3)
公式(3)中X1‐2为X1与X2两点之间的X轴方向距离;X1为标准量具上X1点所在的平面与标准球球心点在X轴方向的已知距离;
Y1=Y1‐2‐Y1公式(4)
公式(4)中Y1‐2为Y1与Y2两点之间的距离;Y1标准量具上Y1点所在的平面与标准球球心点在Y轴方向的已知距离;
Z1=Z1‐2‐Z1(5)公式(5)中Z1‐2为Z1与Z2两点之间的Z轴方向距离;Z1为标准量具上Z1点所在的平面与标准球上Z2点在Z轴方向的已知距离;
步骤六.测量结果的测量误差补偿:
机床主轴4带动三维测量头5上接触球Q1对实际被测量件进行接触测量;
X轴方向进行两点之间距离测量时,实际测量数值使用测量误差补偿值X1进行修正,当 X1为正数时,实际测量数值减去X1的绝对值,当X1为负数时,实际测量数值加上X1的绝对值得修正后的测量结果。
Y轴方向进行两点之间距离测量时,实际测量数值使用测量误差补偿值D1Y进行修正,当D1Y为正数时,实际测量数值减去D1Y的绝对值,当D1Y为负数时,实际测量数值加上D1Y的绝对值得修正后的测量结果。
X轴方向点位置测量时,实际测量数值使用测量误差补偿值X1进行修正,当X1为正数时,实际测量数值减去X1的绝对值,当X1为负数时,实际测量数值加上X1的绝对值得修正后的测量结果。
Y轴方向点位置测量时,实际测量数值使用测量误差补偿值Y1进行修正,当Y1为正数时,实际测量数值减去D1X的绝对值,当Y1为负数时,实际测量数值加上Y1的绝对值得修正后的测量结果。
Z轴方向点位置测量时,实际测量数值使用测量误差补偿值Z1进行修正,当Z1为正数时,实际测量数值减去Z1的绝对值,当Z1为负数时,实际测量数值加上Z1的绝对值得修正后的测量结果。
本发明经过大量实际使用确定,三维测量头5上接触球Q1直径在不同的使用环境中,在X轴和Y轴方向的直径均有变化,现有技术中均作为不变的常数设置在机床4的数控中心内,本分使用测量误差补偿值D1Y、D1X进行修正补偿,解决X轴和Y轴方向的直径变化带来的测量误差。
由于机床主轴4与三维测量头5构成的测量系统,机床主轴4与三维测量头5的每次安装组合测量系统的系统测量误差均有不同的变化,所以本发明采用测量误差补偿值X1、Y1、 Z1分别对测量系统X、Y、Z轴方向进行测量结构的修正补偿。
本发明实施例中,步骤一中测量结果X2、X3的标定、步骤二中测量结果Y2、Y3的标定、步骤三中测量结果X1、Y1、Z1的标定、步骤四中测量结果Z2的标定、步骤五中测量误差补偿值D1X、D1Y、X1、Y1、Z1确定及步骤六测量结果的测量误差补偿均由机床数控中心自动完成。实现机床主轴4与三维测量头5一次安装,一次完成测量误差补偿值X1、Y1、Z1确定、被测工件的实际测量和测量结果的修正补偿。
基于测量头机床在线测量误差确定使用的标准样块,该标准样块包括:标准球1和矩形量块2,所述的标准球1经支撑杆3固定在矩形量块2,所述的支撑杆3的直径小于标准球1的直径。
使用时,首先对标准样块中标准球1的直径及与矩形量块2个各个面之间的位置尺寸进行确定,以保证在确定误差补偿值X1、Y1、Z1数据的准确性。
本发明实施例中,所述的标准球1直径为25.4毫米,标准球1的球心与矩形量块2上X 轴平行边的距离为74毫米,标准球1的球心与矩形量块2上Y轴平行边的距离为20毫米,标准球1的最高点与矩形量块2的上面距离为57毫米。实现标准样块的标准化。
Claims (4)
1.基于测量头机床在线测量误差的补偿方法,该方法基于安装在机床主轴上的接触式三维测量头对标准量具的测量结果的校准,确定机床主轴与本次安装的接触式测量头构成的测量系统的测量误差补偿值,使用该测量误差补偿值对测量系统实际测量数据进行补偿修正,其特征在于:该方法由以下步骤实现:
步骤一.机床主轴带动三维测量头上接触球Q1对标准量具上具有一定高度的标准球在X轴方向进行直径坐标点接触测量,测量结果标定为X2、X3;
步骤二.机床主轴带动三维测量头上接触球Q1对标准量具上标准球在Y轴方向进行直径坐标点接触测量,测量结果标定为Y2、Y3;
步骤三.机床主轴带动三维测量头上接触球Q1对标准量具上三个相互垂直面上的任意坐标点接触测量,测量结果标定为X1、Y1、Z1;
步骤四.机床主轴带动三维测量头上接触球Q1对标准量具上标准球在Z轴方向进行高度坐标点接触测量,测量结果标定为Z2;
步骤五.确定测量误差补偿值:
根据步骤一获得测量结果标定的X2、X3,确定三维测量头上接触球Q1在X轴方向的直径测量误差补偿值D1X,D1X的计算公式为:
D1X=X2‐3‐D2 公式(1)
公式(1)中D2为标准量具上已知的标准球直径;X2‐3为X2与X3两点之间的X轴方向距离:
根据步骤二获得测量结果标定的Y2、Y3,确定三维测量头上接触球Q1在Y轴方向的直径测量误差补偿值D1Y,D1Y的计算公式为:
D1Y=Y2‐3‐D2 公式(2)
公式(2)中D2为标准量具上已知的标准球直径;Y2‐3为Y2与Y3两点之间Y轴方向距离
根据步骤一至步骤四获得测量结果标定的X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2,确定三维测量头上接触球Q1在X、Y、Z轴方向测量误差补偿值X1、Y1、Z1,X1、Y1、Z1的计算公式分别为:
X1=X1‐2‐X1 公式(3)
公式(3)中X1‐2为X1与X2两点之间的X轴方向距离;X1为标准量具上X1点所在的平面与标准球球心点在X轴方向的已知距离;
Y1=Y1‐2‐Y1 公式(4)
公式(4)中Y1‐2为Y1与Y2两点之间的距离;Y1标准量具上Y1点所在的平面与标准球球心点在Y轴方向的已知距离;
Z1=Z1‐2‐Z1 (5)
公式(5)中Z1‐2为Z1与Z2两点之间的Z轴方向距离;Z1为标准量具上Z1点所在的平面与标准球上Z2点在Z轴方向的已知距离;
步骤六.测量结果的测量误差补偿:
机床主轴带动三维测量头上接触球Q1对实际被测量件进行接触测量;
X轴方向进行两点之间距离测量时,实际测量数值使用测量误差补偿值X1进行修正,当X1为正数时,实际测量数值减去X1的绝对值,当X1为负数时,实际测量数值加上X1的绝对值得修正后的测量结果;
Y轴方向进行两点之间距离测量时,实际测量数值使用测量误差补偿值D1Y进行修正,当D1Y为正数时,实际测量数值减去D1Y的绝对值,当D1Y为负数时,实际测量数值加上D1Y的绝对值得修正后的测量结果;
X轴方向点位置测量时,实际测量数值使用测量误差补偿值X1进行修正,当X1为正数时,实际测量数值减去X1的绝对值,当X1为负数时,实际测量数值加上X1的绝对值得修正后的测量结果;
Y轴方向点位置测量时,实际测量数值使用测量误差补偿值Y1进行修正,当Y1为正数时,实际测量数值减去D1X的绝对值,当Y1为负数时,实际测量数值加上Y1的绝对值得修正后的测量结果;
Z轴方向点位置测量时,实际测量数值使用测量误差补偿值Z1进行修正,当Z1为正数时,实际测量数值减去Z1的绝对值,当Z1为负数时,实际测量数值加上Z1的绝对值得修正后的测量结果。
2.根据权利要求1所述的基于测量头机床在线测量误差的补偿方法,其特征在于:步骤一中测量结果X2、X3的标定、步骤二中测量结果Y2、Y3的标定、步骤三中测量结果X1、Y1、Z1的标定、步骤四中测量结果Z2的标定、步骤五中测量误差补偿值D1X、D1Y、X1、Y1、Z1确定及步骤六测量结果的测量误差补偿均由机床数控中心自动完成。
3.基于测量头机床在线测量误差确定使用的标准样块,其特征在于:该标准样块包括:标准球(1)和矩形量块(2),所述的标准球(1)经支撑杆(3)固定在矩形量块(2),所述的支撑杆(3)的直径小于标准球(1)的直径。
4.根据权利要求3所述的基于测量头机床在线测量误差确定使用的标准样块,其特征在于:所述的标准球(1)直径为25.4毫米,标准球(1)的球心与矩形量块(2)上X轴平行边的距离为74毫米,标准球(1)的球心与矩形量块(2)上Y轴平行边的距离为20毫米,标准球(1)的最高点与矩形量块(2)的上面距离为57毫米。
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