基于几何误差补偿和测距调整提高机床加工精度的方法

摘要

本发明公开了基于几何误差补偿和测距调整提高机床加工精度的方法。通过激光干涉仪对导轨运动过程进行测量，得出导轨在Z轴的直线度和X轴的定位误差；由激光位移传感器测量刀具和被加工轴的距离，再通过误差辨识算法来计算真实的平行度误差；通过误差补偿和调整的方法减小各误差项。本方法由误差辨识算法来计算刀具相对工件轴的平行度误差，通过激光位移传感器和激光干涉仪测得的各项误差，并进行误差补偿和调整的方法来提高精度，具有精度高，加工效率高等优点，可用于长轴数控机床加工精度的提高。

说明书

技术领域

本发明属于数控机床测量技术研究领域，更具体地，涉及一种提高长轴数控车床加工精度的误差测量与辨识方法。

背景技术

目前针对机床直线度和平行度的测量和补偿的方法，在测量方面，多采用传感器和激光测量的方法。2004年，Choi，J.P.采用接触式探针在线测量三轴加工中心的定位误差并预测，并用光阶规对预测结果进行验证，实现定位误差的补偿。2005年，Lee，J.H.等采用电容传感器测量辨识出了小型三轴机床的18项几何误差，但在精度和使用范围方面存在局限性。2013年，Han，Z.Y.等综述介绍了机床定位误差、直线度误差、角度误差等几何误差的测量方法，精度较高的测量常采用激光，但对使用条件要求较高。2015年，Cui，C等分析了用激光干涉仪测量机床直线度误差的系统误差，并用实验验证了补偿这些系统误差的效果，提高了直线度误差的测量精度。

在几何误差补偿与提高方面，多采用齐次坐标变换和实时补偿的方法。2007年，Hsu，Y.Y.andS.S.Wang采用齐次坐标变换建立机床几何误差模型，并用CAM后处理模块调整刀具轨迹补偿了零件的加工误差。2012年，王维、杨建国等提出了一种数控机床几何误差与热误差复合建模方法，并用研发的误差实时补偿系统进行了在线实时补偿，提高了机床的加工精度。2016年，Fu，G.等采用零件重新建模的方式补偿几何误差，采用加工试件进行验证，取得了较好效果。

传统测量导轨主要是测量几何误差，并未考虑中心架以及尾座对误差的影响。在对导轨直线度和工件轴的轴径误差测量中，往往也只是通过位移传感器等进行单独测量，并未进行误差的辨识。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明旨在提出一种提高长轴数控车床加工精度的方法。

为实现上述目的，本发明提出了基于几何误差补偿和测距调整提高车床加工精度的方法，包括如下步骤：

(1)激光干涉仪测量几何误差项：

将激光干涉仪的分光镜固定在车床的工作台上，并随着工作台移动；将激光干涉仪的反射镜固定在车床的尾座上；将激光干涉仪的激光头安装在车床床头，激光头发射的激光通过分光镜的干涉及反射镜的反射将误差放大为光程差，以此来测量工作台移动过程中车床的几何误差，包括导轨在X轴的定位误差、导轨在Z轴的水平直线度误差；

(2)激光位移传感器测量距离量：

先将工件轴装夹在车床上，然后将激光位移传感器固定在刀具处，与刀架固连，通过刀架的移动带动激光位移传感器的移动，激光位移传感器的光束照射在工件轴上，得到刀具移动过程中与工件轴的距离数据；

(3)计算辨识出刀具相对于工件轴的平行度误差：

记录位移传感器示数、位移传感器对应点的轴径，以及各测试点的坐标，并依据步骤(1)得到的Z轴水平直线度误差数据，分别消除综合误差中的轴径误差和直线度误差，得到刀具相对于工件的平行度误差；

(4)补偿和调整车床误差：

通过数控车床的补偿模块对步骤(1)测得的几何误差进行补偿，并利用步骤(3)获取的平行度误差，对车床的中心架和尾座的误差进行调整。

进一步地，步骤(1)中，激光干涉仪还包括分光镜和反射镜，分光镜采用线性干涉镜，反射镜与分光镜安装在同一光路上；其中，激光光路按照如下方法设置：通过激光头发射单一频率光束射入分光镜，然后分成两道透射光束，其中一道透射光束作为参考光束，另一道透射光束作为测量光束，两道透射光束通过反射镜反射之后回到分光镜，重新汇聚之后返回激光头。

进一步地，步骤(1)中，激光干涉仪包括探测器，用于监控两道透射光束之间的干涉；在激光干涉仪随工作台移动过程中，若光程差没有变化，探测器会在相长性和相消性干涉的两极之间得到稳定的信号；若光程差有变化，探测器会在每一次光程变化时，在相长性和相消性干涉的两极之间得到变化信号，变化信号用于测量变化前后的两个光程之间的差异。

进一步地，刀具加工工件轴的轴径误差E_tp表达为：

E_tp＝E_ztx+E_xtx+E_cx+E_wx(3)

其中，E_ztx表示刀架在Z轴运动的X向直线度误差引起的轴径误差；

E_xtx表示刀架在X轴运动的定位误差引起的轴径误差；

E_cx表示中心架在沿X向的偏移误差引起的轴径误差；

E_wx表示尾座沿X向偏移误差引起的轴径误差。

5、根据权利要求1-3任意一项所述的基于几何误差补偿和测距调整提高长轴数控车床加工精度的方法，其特征在于，刀具相对于工件的综合误差E_lsz表达为：

E_lsz＝E_pz+E_lztx+E_lcx+E_lwx(4)

其中，E_lsz为激光位移传感器测量的综合误差，

E_lsz＝d_lsz-d_ls0，d_lsz为激光位移传感器在任一测量点的读数，d_ls0为激光位移传感器在工件轴上测量起始点的读数；

E_pz为加工前工件轴的轴径径误差引起的传感器测量误差；

E_lztx为Z轴的直线度误差引起的激光位移传感器测量误差，由激光干涉仪测得；

E_lcx、E_lwx分别为中心架和尾座偏移误差引起的激光位移传感器测量误差；

需要辨识出的刀具相对于工件的平行度误差E_pa为：

E_pa＝E_lsz-E_pz-E_lztx

将上式代入表达式(4)，即得到

E_pa＝E_lcx+E_lwx(5)。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明将激光位移传感器和激光干涉仪测得的各项误差结合，来计算刀具相对工件轴的平行度误差，并据此进行误差补偿和调整，从而提高精度，具有精度高，加工效率高等优点，可用于提高长轴数控机床加工精度。

附图说明

图1是本发明基于几何误差补偿和测距调整提高机床加工精度的方法的具体实施流程图；

图2是激光位移传感器测量的综合误差示意图；

图3是消除Z轴直线度误差与工件轴径误差的激光位移传感器结果变化曲线图

图4是补偿前后激光位移传感器测量综合误差效果验证曲线图；

图5是平行度误差与轴径加工误差对比曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

下面所描述的即为本发明基于几何误差补偿和测距调整提高机床加工精度的方法的一种具体实施方式，该方法具体包括：

(1)激光干涉仪测量几何误差项：

将激光干涉仪的分光镜固定在车床的工作台上，并随着工作台移动。将激光干涉仪的反射镜固定在车床的尾座上。将激光干涉仪的激光头安装在车床床头，激光头发射的激光通过分光镜的干涉及反射镜的反射将误差放大为光程差，以此来测量工作台移动过程中车床的几何误差，包括导轨在X轴的定位误差、导轨在Z轴的水平直线度误差。

(2)激光位移传感器测量距离量：

先将工件轴装夹在车床上，然后将激光位移传感器固定在刀具处，与刀架固连，通过刀架的移动带动激光位移传感器的移动，激光位移传感器的光束照射在工件轴上，得到刀具移动过程中与工件轴的距离数据。

激光发射器通过镜头将可见红色激光射向被测物体表面，经物体反射的激光通过接收器镜头，被内部的CCD线性相机接收，根据不同的距离，CCD线性相机可以在不同的角度下“看见”这个光点。根据这个角度及已知的激光和相机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物体之间的距离。

(3)计算辨识出刀具相对于工件轴的平行度误差：

记录位移传感器示数、位移传感器对应点的轴径，以及各测试点的坐标，并依据步骤(1)得到的Z轴水平直线度误差数据，分别消除综合误差中的轴径误差和直线度误差，得到刀具相对于工件的平行度误差。

(4)补偿和调整车床误差：

通过数控车床的补偿模块对步骤(1)测得的几何误差进行补偿，并利用步骤(3)获取的平行度误差，对车床的中心架和尾座的误差进行调整。

总得来说，该方法主要包括以下两方面的内容：

(1)几何精度测量：

首先，通过激光干涉仪多次测量导轨的定位误差和直线度误差，来得到机床导轨的定位误差和直线度误差，并以此作为导轨的几何误差补偿基准；然后，采用激光位移传感器测量工件加工过程中的综合误差，将激光位移传感器用制作的夹具安装在刀架上，激光点与工件轴处于同一水平面上，随着Z轴刀架移动，读取激光位移传感器在不同位置的示数值。此示数值的误差包含导轨的直线度误差，刀具的定位误差，工件轴径的误差，工件装夹时中心架和尾座偏移误差，然后将各个误差分离出来，并通过补偿和调整来减小加工过程产生的误差，以此达到提高加工精度的目的。

(2)误差模型的建立：

首先建立刀具加工工件轴时，轴径误差影响因素的误差传递模型，分析出影响加工误差的主要因素；其次根据影响加工误差的主要因素，辨识出其中两项误差。由激光位移传感器测量到的示数误差为车床的综合误差，激光位移传感器测量的综合误差模型示意图如图2所示，此综合误差主要包含工件轴径误差、Z轴导轨直线度误差、中心架偏移误差和尾座偏移误差，这些误差仅考虑水平X方向的误差，其它方向的误差可忽略。首先，消除轴径误差，即消除因工件轴径不同引起的测量误差，然后消除直线度误差。得到误差曲线，并依据此误差曲线结果计算出中心架和尾座引起的误差，通过补偿程序补偿主要的两项几何误差及对中心架和尾座调整另两项主要误差，以提高车床的加工精度。

(I)刀具加工工件轴的轴径误差

采用误差叠加原理，各误差作用可以线性叠加，控制单个因素作为变量分析。则刀具加工工件轴的轴径(均指半径)误差可表达为：

E_tp＝E_ztx+E_xtx+E_cx+E_wx+E_ry(1)

其中，E_ztx表示刀架在Z轴运动的X向直线度误差引起的轴径误差，

E_xtx表示刀架在X轴运动的定位误差引起的轴径误差，

E_cx表示中心架在沿X向的偏移误差引起的轴径误差，

E_wx表示尾座沿X向偏移误差引起的轴径误差，

E_ry表示刀具相对工件轴沿Y向的综合偏移误差引起的轴径误差。

针对加工的长轴工件而言，根据几何关系有

其中，R₀为加工的长轴工件的期望轴径大小

Δy_t为刀具相对工件轴沿Y向的综合偏移误差，sinθ＝Δy_t/R₀。

根据此长轴车床长期加工数据，可估计Δy_t≤2mm，R₀≈500mm，则计算得到E_ry最大值约为0.004mm(4μm)，相比实际加工误差0.2mm/m而言，可忽略。公式(1)可进一步简化为

E_tp＝E_ztx+E_xtx+E_cx+E_wx(3)。

公式(3)中前两项误差可通过激光位移传感器测量与补偿来减小，后两项误差需要进一步测量与辨识。

以上公式仅考虑主要的几何误差影响，忽略了切削力误差、机床振动和热变形误差等因素的影响，忽略的这几种误差可以按照本领域的常规方法进行控制。

(II)中心架和尾座偏移误差

根据几何误差传递关系，加工前采用激光位移传感器测量的距离量表达了刀具相对于工件的综合误差，误差模型示意图可如图2。加工光轴时不需要进刀则定位误差引起的综合误差为0，则此综合误差可表达为，

E_lsz＝E_pz+E_lztx+E_lcx+E_lwx(4)

其中，E_lsz为激光位移传感器测量的综合误差，E_lsz＝d_lsz-d_ls0，d_lsz为激光位移传感器在任一测量点的读数，d_ls0为激光位移传感器在工件轴上测量起始点的读数。

E_pz为加工前工件轴径误差引起的传感器测量误差

E_pz＝-(φ_z-φ₀)/2，

φ₀为工件轴起始测量点处的直径；

φ_z为工件轴在Z坐标测量点处的直径

φ_z、φ₀可由径向千分尺测得；

E_lztx为Z轴的直线度误差引起的传感器测量误差，E_lztx＝-δ_ztx，由激光干涉仪测得

E_lcx、E_lwx分别为中心架和尾座偏移误差引起的传感器测量误差；

需要辨识出的刀具相对于工件的平行度误差E_pa，即消除Z轴直线度误差和工件轴径误差影响的激光位移传感器示数变化，其计算公式为：

E_pa＝E_lsz-E_pz-E_lztx

代入表达式(4)，即得到E_pa＝E_lcx+E_lwx(5)。

作为一个实例，辨识出来的平行度误差曲线如图3所示，根据式(5)可知此曲线的表达的平行度误差仅与中心架和尾座偏移误差有关，可进一步辨识出中心架和尾座误差大小。

图3曲线设为f_z，得到曲线f_z的斜率：

z₀，z_l为初始点和最后一点的横坐标，

f_z(z₀)，f_z(z_l)为z₀和z_l的纵坐标。

f_z(z₀)-f_z(z_l)为尾座的偏移误差，斜率k即为尾座偏移误差的锥度，可视k的大小对尾座进行调整，

F＝f_z(z)-kz为消除尾座误差影响后的误差，此曲线F纵坐标绝对值最大值Max(F)即为中心架的偏移误差。针对中心架引起的误差Max(F)对中心架进行调整，从而进一步提高工件加工精度。

补偿公式(3)中前两项几何误差后，测量得到的激光位移传感器的综合误差变化曲线如图4所示，说明补偿这两项几何误差后车床的精度有了初步的改善。

根据公式(5)可知，刀具相对于工件的平行度误差仅与另外两项误差即中心架和尾座偏移误差有关，调整这两项误差后，即调整了此时刀具相对于工件的平行度误差。针对此平行度误差，在14米长轴一段进行一段试切加工，得到的平行度与零件加工误差结果曲线对比如图5，忽略局部加工振荡影响，结果表明加工误差基本复现了平行度趋势，平行度误差与零件加工误差直接相关，由此间接证明了通过提高平行度来提高加工精度的可行性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。