CN111922782A - 利用球铰链构建的球杆仪来检测机床空间误差的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了利用球铰链构建的球杆仪来检测机床空间误差的方法。现有球杆仪难以在微小范围内达到很高的精度。本发明利用精密球铰链制备球杆仪，根据各超声波发射器的出射点与四个超声波接收器接收点之间的距离，基于几何原理求解球杆在空间的姿态；再根据球杆仪杆长获得不考虑机床主轴空间误差时定位球的球心位置点在笛卡尔坐标系下的坐标，以及考虑机床误差时定位球的球心所处实际位置点的坐标；同时，根据两对球冠型电极以及一对球带型电极板的差动电容，计算得到球头偏心量的X值、Y值和Z值，最终得到机床主轴的理论轨迹和实际轨迹，以及机床主轴的空间误差偏移量。本发明与现有球杆仪相比，尺寸小很多，可以在微小范围内达到很高的精度。

Description

利用球铰链构建的球杆仪来检测机床空间误差的方法

技术领域

本发明属于机床精度检测技术领域，具体涉及一种利用球铰链构建的球杆仪来检测机床空间误差的方法。

背景技术

球杆仪是一种多用途的测量工具，可以应用于多种类型数控机床的误差检测，从面世之初就被快速接受，并被广泛应用于实际检测工作。

常规球杆仪本质上是一个高精度伸缩式线性传感器，两端各有一个精密球，且配备有两个精密磁力碗座，将球杆仪安装在机床上。在使用过程中，传统球杆仪的精密球以三点定位的方式固定在磁性球碗上。当机床以工作台上的中心球座为圆心作圆弧插补运动时，球杆仪可以测量机床在运动平面上的圆弧半径的微小变化，故常规球杆仪仅能检测机床在圆弧插补运动平面的误差。但在检测过程中，机床的几何运动除在球杆仪的轴向伸缩方向存在误差外，其它自由度(如垂直于球杆仪的轴向伸缩方向的自由度)都存在一定的几何运动误差，且多个自由度方向误差存在的耦合关系会直接影响球杆仪的轴向伸缩方向误差的检测精度，故常规球杆仪难以对机床的空间误差(多个自由度的综合误差)进行测量评定，需通过在不同方向上对机床误差进行检测，综合分析来获得到机床的空间误差场。单向误差的综合分析是一个繁琐且费时的过程，故学者们对利用测量装置直接测量空间误差的方法进行了广泛的研究。John C.Ziegert基于三角法利用研制的激光球杆仪直接测量得到机床空间误差；Shih-Ming Wang等人利用该原理使用一个球杆仪得到机床的空间误差，但该方法的数据处理及仪器标定复杂，应用困难。B.Li提出一种空间微位移测量方法，该法利用一个三棱锥和三个位移传感器即可直接得到锥体相对于传感器的三维坐标，但该装置结构复杂，安装复杂，不利于推广。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种利用球铰链构建的球杆仪来检测机床空间误差的方法，该方法采用球面电容传感器来获得球铰链球头的偏心量，利用超声测距原理获得球铰链的球杆空间姿态，通过球头偏心量和球杆空间姿态来表征机床在各个方向上的误差，测量结果即为待测机床的空间误差。

本发明解决技术问题采取的技术方案是：

本发明利用球铰链构建的球杆仪来检测机床空间误差的方法，具体如下：

步骤一、将定位球固定在精密球铰链的球杆远离球头的那端，定位球和球杆组成带球杆；然后将精密球铰链的定位环固定在底座上，将底座固定在机床工作台上，将定位球通过磁力吸附在机床主轴上；最后，微调机床主轴，使精密球铰链的球头球心与下球窝球心重合，此时Cx＝Cy＝Cz＝0；其中，C_X为球冠型电极G₁的电容C_G1和球冠型电极G₃的电容C_G3之间的差动电容，C_X＝C_G1-C_G3；C_y为球冠型电极G₂的电容C_G2和球冠型电极G₄的电容C_G4之间的差动电容，C_y＝C_G2-C_G4，C_Z为球带型电极板D₁的电容C_D1和球带型电极板D₂的电容C_D2之间的差动电容，C_Z＝C_D1-C_D2。

步骤二、根据各超声波发射器的出射点与四个超声波接收器接收点之间的距离r₁、r₂、r₃、r₄，并基于几何原理解耦出球杆中心轴线与Z轴的夹角θ，以及球杆中心轴线在XOY平面的投影线与X轴的夹角φ，从而获得球杆在空间的姿态。得到的夹角φ和θ计算公式如下：

其中，超声波发射器出射点与球头球心的距离为r；各超声波接收器的接收点与下球窝球心的距离均为s。

步骤三、令机床做圆弧插补运动，每0.2°记录一次球冠型电极G₁、G₂、G₃和G₄以及球带型电极板D₁和D₂的电容值，计算得到差动电容C_X、C_y和C_Z的值；同时记录超声波发射器发出声波与四个超声波接收器接收声波的时间差，得到各超声波发射器的出射点与四个超声波接收器接收点之间的距离r₁、r₂、r₃、r₄具体值，代入公式(1)和(2)，进而得到此时球杆的转角φ和摆角θ。然后，针对机床做圆弧插补运动的每个位置，均依次进行如下步骤：

3.1根据球杆仪杆长L获得不考虑机床主轴空间误差时定位球的球心位置P点在笛卡尔坐标系O-XYZ下的坐标，其中，球杆仪杆长的定义为球头与定位球的中心距：

其中，X_P为P点的X轴坐标，Y_P为P点的Y轴坐标，Z_P为P点的Z轴坐标。

3.2根据步骤三所得的差动电容值C_X、C_y和C_Z，计算得到球头偏心量的X值δ_x、球头偏心量的Y值δ_y和球头偏心量的Z值δ_z。

3.3联立公式(4)和(5)，求出定位球的球心所处实际位置P’点的X轴坐标X_P'、Y轴坐标Y_P'和Z轴坐标Z_P'。

由于机床误差，定位球的球心所处实际位置P’点的坐标为：

其中，L’为定位球的球心实际位置P’点到坐标轴原点O的距离。

另外，由于球杆为刚性杆，则球头的球心o到P’点的距离为：

步骤四、根据机床做圆弧插补运动每个位置的X_P、Y_P、Z_P、X_P'、Y_P'和Z_P'数据，确定机床做圆弧插补运动时不考虑机床主轴空间误差的每个理论位置和考虑机床主轴空间误差的每个实际位置，得到机床主轴的理论轨迹和实际轨迹，以及机床主轴的空间误差偏移量。

进一步，所述的精密球铰链采用公开号为CN 208860317U的专利权利要求3中记载的同时检测球头偏心量与球杆空间姿态的精密球铰链。

进一步，步骤3.3中，求出定位球的球心所处实际位置P’点的X轴坐标X_P'、Y轴坐标Y_P'和Z轴坐标Z_P'后，再求解出机床主轴的空间误差偏移量ΔP(X_P'-X_P,Y_P'-Y_P,Z_P'-Z_P)，其中，X_P'-X_P为X轴方向的误差偏移量，Y_P'-Y为Y轴方向的误差偏移量，Z_P'-Z_P为Z轴方向的误差偏移量。

本发明具有的有益效果是：

1.本发明采用同时检测精密球铰链球头偏心量与球杆空间姿态的方法，可以实时获得机床在任意位置的空间误差量。更重要的是，本发明所使用的球铰间隙检测法与现有球杆仪相比，尺寸小很多，可以在微小范围内达到很高的精度，可用于更高精度机床的检测。

2.本发明采用灵活的球铰结构，在三维空间内可自由旋转，可用于机床复杂轨迹的误差测量。

3.本发明结构简单，检测效率高，成本低，安装简单。

附图说明

图1为本发明球杆仪的整体结构立体图；

图2为机床主轴未运转时本发明初始位置的几何原理图；

图3为机床主轴运转时本发明进行检测的几何原理图；

图中：1-底座，2-定位环，3-超声波接收器，4-球铰间隙检测装置，5-超声波发射器，6-带球杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

利用球铰链构建的球杆仪来检测机床空间误差的方法，具体如下：

步骤一、如图1所示，将定位球固定在精密球铰链的球杆远离球头的那端，定位球和球杆组成带球杆6；然后将精密球铰链的定位环2固定在底座1上，将底座1固定在机床工作台上，将定位球通过磁力吸附在机床主轴上；精密球铰链采用公开号为CN 208860317 U的专利中记载的同时检测球头偏心量与球杆空间姿态的精密球铰链；最后，微调机床主轴，使精密球铰链的球头球心与下球窝球心重合，此时Cx＝Cy＝Cz＝0；其中，C_X为球冠型电极G₁的电容C_G1和球冠型电极G₃的电容C_G3之间的差动电容，C_X＝C_G1-C_G3；C_y为球冠型电极G₂的电容C_G2和球冠型电极G₄的电容C_G4之间的差动电容，C_y＝C_G2-C_G4，C_Z为球带型电极板D₁的电容C_D1和球带型电极板D₂的电容C_D2之间的差动电容，C_Z＝C_D1-C_D2；球冠型电极G₁、G₂、G₃和G₄以及球带型电极板D₁和D₂组成球铰间隙检测装置4。

步骤二、根据各超声波发射器5的出射点与四个超声波接收器3接收点之间的距离r₁、r₂、r₃、r₄，并基于几何原理解耦出球杆中心轴线与Z轴的夹角θ，以及球杆中心轴线在XOY平面的投影线与X轴的夹角φ，从而获得球杆在空间的姿态(解耦过程参见公开号为CN208860317 U的专利中记载的工作原理部分)。得到夹角φ和θ的计算公式如下：

其中，超声波发射器5出射点与球头球心的距离为r；各超声波接收器3的接收点与下球窝球心的距离均为s。

步骤三、令机床做圆弧插补运动，每0.2°记录一次球冠型电极G₁、G₂、G₃和G₄以及球带型电极板D₁和D₂的电容值，计算得到差动电容C_X、C_y和C_Z的值；同时记录超声波发射器5发出声波与四个超声波接收器3接收声波的时间差，得到各超声波发射器5的出射点与四个超声波接收器3接收点之间的距离r₁、r₂、r₃、r₄具体值，代入公式(1)和(2)，进而得到此时球杆的转角φ和摆角θ。然后，针对机床做圆弧插补运动的每个位置，均依次进行如下步骤：

3.1如图2所示，根据球杆仪杆长L(球杆仪杆长的定义为球头与定位球的中心距)获得不考虑机床主轴空间误差时定位球的球心位置P点在笛卡尔坐标系O-XYZ下的坐标：

其中，X_P为P点的X轴坐标，Y_P为P点的Y轴坐标，Z_P为P点的Z轴坐标。

3.2根据步骤三所得的差动电容值C_X、C_y和C_Z，计算得到球头偏心量的X值δ_x、球头偏心量的Y值δ_y和球头偏心量的Z值δ_z(计算过程参见公开号为CN 208860317U的专利中记载的工作原理部分)。

3.3由于机床存在误差，使得球头球心产生偏移，如图3所示；联立公式(4)和(5)，求出定位球的球心所处实际位置P’点的X轴坐标X_P'、Y轴坐标Y_P'和Z轴坐标Z_P'，进而能求解出机床主轴的空间误差偏移量ΔP(X_P'-X_P,Y_P'-Y_P,Z_P'-Z_P)，其中，X_P'-X_P为X轴方向的误差偏移量，Y_P'-Y为Y轴方向的误差偏移量，Z_P'-Z_P为Z轴方向的误差偏移量。

由于机床误差，定位球的球心所处实际位置P’点的坐标为：

其中，L’为定位球的球心实际位置P’点到坐标轴原点O的距离。

另外，由于球杆为刚性杆，则球头的球心o到P’点的距离为：

步骤四、根据机床做圆弧插补运动每个位置的X_P、Y_P、Z_P、X_P'、Y_P'和Z_P'数据，确定机床做圆弧插补运动时不考虑机床主轴空间误差的每个理论位置和考虑机床主轴空间误差的每个实际位置，得到机床主轴的理论轨迹和实际轨迹，以及机床主轴的空间误差偏移量。

Claims (3)

1.利用球铰链构建的球杆仪来检测机床空间误差的方法，其特征在于：该方法具体如下：

步骤一、将定位球固定在精密球铰链的球杆远离球头的那端，定位球和球杆组成带球杆；然后将精密球铰链的定位环固定在底座上，将底座固定在机床工作台上，将定位球通过磁力吸附在机床主轴上；最后，微调机床主轴，使精密球铰链的球头球心与下球窝球心重合，此时Cx＝Cy＝Cz＝0；其中，C_X为球冠型电极G₁的电容C_G1和球冠型电极G₃的电容C_G3之间的差动电容，C_X＝C_G1-C_G3；C_y为球冠型电极G₂的电容C_G2和球冠型电极G₄的电容C_G4之间的差动电容，C_y＝C_G2-C_G4，C_Z为球带型电极板D₁的电容C_D1和球带型电极板D₂的电容C_D2之间的差动电容，C_Z＝C_D1-C_D2；

步骤二、根据各超声波发射器的出射点与四个超声波接收器接收点之间的距离r₁、r₂、r₃、r₄，并基于几何原理解耦出球杆中心轴线与Z轴的夹角θ，以及球杆中心轴线在XOY平面的投影线与X轴的夹角φ，从而获得球杆在空间的姿态；得到的夹角φ和θ计算公式如下：

其中，超声波发射器出射点与球头球心的距离为r；各超声波接收器的接收点与下球窝球心的距离均为s；

步骤三、令机床做圆弧插补运动，每0.2°记录一次球冠型电极G₁、G₂、G₃和G₄以及球带型电极板D₁和D₂的电容值，计算得到差动电容C_X、C_y和C_Z的值；同时记录超声波发射器发出声波与四个超声波接收器接收声波的时间差，得到各超声波发射器的出射点与四个超声波接收器接收点之间的距离r₁、r₂、r₃、r₄具体值，代入公式(1)和(2)，进而得到此时球杆的转角φ和摆角θ；然后，针对机床做圆弧插补运动的每个位置，均依次进行如下步骤：

3.1根据球杆仪杆长L获得不考虑机床主轴空间误差时定位球的球心位置P点在笛卡尔坐标系O-XYZ下的坐标，其中，球杆仪杆长的定义为球头与定位球的中心距：

其中，X_P为P点的X轴坐标，Y_P为P点的Y轴坐标，Z_P为P点的Z轴坐标；

3.2根据步骤三所得的差动电容值C_X、C_y和C_Z，计算得到球头偏心量的X值δ_x、球头偏心量的Y值δ_y和球头偏心量的Z值δ_z；

3.3联立公式(4)和(5)，求出定位球的球心所处实际位置P’点的X轴坐标X_P'、Y轴坐标Y_P'和Z轴坐标Z_P'；

由于机床误差，定位球的球心所处实际位置P’点的坐标为：

其中，L’为定位球的球心实际位置P’点到坐标轴原点O的距离；

另外，由于球杆为刚性杆，则球头的球心o到P’点的距离为：

步骤四、根据机床做圆弧插补运动每个位置的X_P、Y_P、Z_P、X_P'、Y_P'和Z_P'数据，确定机床做圆弧插补运动时不考虑机床主轴空间误差的每个理论位置和考虑机床主轴空间误差的每个实际位置，得到机床主轴的理论轨迹和实际轨迹，以及机床主轴的空间误差偏移量。

2.根据权利要求1所述利用球铰链构建的球杆仪来检测机床空间误差的方法，其特征在于：所述的精密球铰链采用公开号为CN 208860317 U的专利权利要求3中记载的同时检测球头偏心量与球杆空间姿态的精密球铰链。

3.根据权利要求1所述利用球铰链构建的球杆仪来检测机床空间误差的方法，其特征在于：步骤3.3中，求出定位球的球心所处实际位置P’点的X轴坐标X_P'、Y轴坐标Y_P'和Z轴坐标Z_P'后，再求解出机床主轴的空间误差偏移量ΔP(X_P'-X_P,Y_P'-Y_P,Z_P'-Z_P)，其中，X_P'-X_P为X轴方向的误差偏移量，Y_P'-Y为Y轴方向的误差偏移量，Z_P'-Z_P为Z轴方向的误差偏移量。

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