三坐標系校準檢定儀的製作方法

2023-10-11 16:14:29 1

專利名稱：三坐標系校準檢定儀的製作方法
技術領域：
本發明屬於按正交的三坐標系製成的數控加工設備和三坐標測量機的空間坐標完善檢定及空間誤差補償的儀器。
背景技術：
以正交的三坐標繫結構的鏜銑類數控加工中心和三坐標測量機正在成為普及和發展的目標，目前，三坐標機的保有量在5萬臺以上，鏜銑類數控加工中心至少是三坐標測量機的100倍，這是由於在正交的三坐標系中，通過對坐標點的靜態和動態定位，可組成坐標空間的直線、線段、角度、曲線和任意曲線和曲面的實體輪廓和虛擬輪廓，完成任意幾何形體所要求的目標，具有極強的通用性。
但由於構成三坐標系的誤差結構非常複雜，製造誤差、力變形、熱應變形、環境溫度與振動、實物基準及探測誤差都使空間坐標理論正確點位的定位發生偏離，這些誤差歸結為坐標三軸的運行直線度和垂直度，即單一坐標軸三轉動和三平動6自由度加一個垂直度，共7項，三軸的空間共21項誤差加探測誤差與實物基準檢定誤差組成。由於誤差的複雜性即使用同一設備，空間不同區域有不同的精度。這使檢定坐標系統的不確定度都變得十分困難，因此，空間長度的測量很難達到一維測量的水平，介於此，國內和國際所制定的三坐標檢定標準都對空間精度評定採用降低精度的方法。如一維測量中，可強制執行檢測誤差按工件誤差十分之一的選取原則，精度評定採用±3σ，誤差呈單向分布；而三坐標系中可採用1/3原則，精度性能評定±2σ，誤差呈雙向分布並允許空間有限的不完善檢定，進行精度性能評定。
目前，三坐標設備的發展目標和價值取向均要求精度和速度，為了提高精度，用單純提高製造精度的方法是有效的，但存在時代的局限及極限。已接近極限的精度，每微小一步提高均付出極高的經濟代價。另一途徑就是採用誤差補償校準，現在對一維的單軸的補償校準可達到亞納米級水平，已趨成熟。但空間補償難度大，必須同時滿足精確性、一致性、完整性、簡易性、誤差朔源性，這五個條件又都同通用行、經濟性、可靠性、方便性、及生產現場的適用性是一致的。這些條件有的是相互矛盾，故目前空間坐標檢定都存在這樣或那樣的缺陷，坐標空間的檢驗不完整，可信度差，某些成型的檢驗方法僅限於不確定度的評定，更不能完成誤差補償，截止目前，尚缺可向用戶提供滿足上述條件的空間誤差檢定或補償。

發明內容
本發明的目的是同時滿足上述條件給正在使用中或新製造的各類三坐標系構成的鏜銑類加工中心及三坐標測量機，提供空間誤差補償完成原精度等級提升及空間檢定的三坐標系校準檢定儀。
本發明的技術方案是如圖1～圖6所示，使用四角可轉動的菱形幾何形體，置於受檢三坐標系空間，配備現行的三坐標測量機測控軟體，作步距坐標測量，利用菱形幾何特徵，對角頂點相對運動定位的示值，可不受導向誤差影響，提供了具有一維測量精度的系列正交平面坐標系在受檢空間分布的穩定長度基準，獲取n個坐標空間點位和一中心球面n點位分布的真值和誤差矢量，按規定以(n/4)2(n/4+1)個擴展的空間網格點位矩形立方分布，並通過增補的測控運算程序，對空間21項誤差溯源，插補及相關的空間實時補償，最終完成各類結構的三坐標系的按解析度等級的完整補償與檢定。
本發明中，菱形幾何形體的四角安有精密鉸鏈2的迴轉軸的60度基準中心孔錐面上各固定有一個精密球體1，菱形邊3與精密鉸鏈2連接，精密球體1中心確定的四根菱形邊3等長，四個精密球體1處於同一平面，各迴轉軸線平行，四角的精密球體1中A、C的精密鉸鏈2與導軌4連接，光柵標尺5安裝在導軌4上，導軌4固定在安裝座6上。
本發明如圖2所示，兩個菱形結構並各自任選一迴轉軸線重合，組成串接的菱形組合。為保證適合各類三坐標系規格的不同矩形空間的四對角線安裝，可選擇姿態剛性準確定位，以滿足運算程序所需的測點分布，應有三維轉動及微動調整達安裝精度。串接後的結構應使7個球心處於同一平面，固定對角迴轉支點A下面運動的滑塊可手動或伺服驅動，整個結構保持高剛度作步距位移的定位鎖定測量，支持中心轉軸點C固定在安裝座上，另一迴轉軸下的支持點G施加在一反向彈性力與結構重力平衡，浮動相對固定，避免結構誤差造成的力幹擾。對於小結構的串接菱形體G點不設支撐，以保證菱形體測量最低點位與工作檯面儘可能小的安裝距離。這樣的結構在受檢坐標系S的坐標空間呈四對角線安裝，每次分別作球心等步距坐標定位測量，步距定位驅動可手動、伺服運行。如圖4所示，按步距數相同定位的位置每次取得8個對角線測點和8個以鄰邊長度為半徑的球面8個測量點分布，隨步距定位序號增加到n/8。每次的8個點向中心收縮，共取得含有對角n個測點和球面n個測點。測量時選擇串接菱形結構平面坐標系U與S系符合如圖1所示的規定，所得n點的結果，利用現有三坐標機測量軟體的相關運算功能程序，包括點位坐標探測，點—點、點—線、點—面的距離、交點、交線、線位移的角度值，矢量坐標變換，坐標平移、旋轉變換，直線、平面、球面多測點的最小二乘求解，曲線與曲面的擬合，點位的直線、平面、球面的方程表達等與新增的運算程序配套運算在下文中不再區分，直接敘述。
本發明具有簡單通用，準確、一致、可靠、經濟適用，適合於各類正在服役的和新製造的數控三坐標加工和檢測設備的空間誤差補償後精度等級的提升和檢定。


圖1、菱形幾何形體原理2、串接菱形體機構示意3、串接菱形體空間安裝示意4、空間對角線測量測量點示意5、空間網格6、網格補點示意圖其中1、精密球體；2、精密鉸鏈； 3、菱形邊；4、導軌；5、光柵標尺； 6、安裝座。
具體實施例方式
本發明精密球體可以是鋼球、玻璃球、硬質合金及寶石球等。這裡優先選淬硬鋼球，其優點是精度高，可用永久磁鐵片固定，簡單可靠。迴轉軸系的選擇應保證各軸線平行可以是滑動、滾動、氣浮。但優先選用徑向和端面都形成過盈結合的滾動軸系形成精密迴轉鉸鏈，因過盈無間隙而具有高剛度穩定性，菱形邊3可使用輕質的高剛性材料，如炭化纖維，陶瓷等。但優質鑄件仍是選擇，因它具有與通常的三坐標加工設備的鑄件結構相同的線脹係數。而安裝標尺的基體應與構成菱形四邊的材料一致，標尺經雷射幹涉儀校準示值後，以保持光柵示值和菱形四邊的線膨脹一致，便於現場作業。目前，與精度密切相關的基礎構件，如球體、光柵標尺、滾動軸系基礎構件可達0.5μm的精度，甚至更高。組合後的基準長度精度依賴於一維的檢定精度，已在前面提及不成問題，組合後球心的位置長度和平面度在採取工藝校準和調節的方法，在高的平面精度的平板上進行，且菱形處於正方形的位置校準。在執行球心坐標探測模式時，使用包括球面頂部的一點在內的正交五點探測。這不但使測量簡化，同時消除三維探測的方向誤差及基準球的球度誤差，從而為整個檢測提供可靠的基準元素置於受檢三坐標s系中，菱形對角線組成正交平面坐標系，構成一種不受導向直線度誤差影響，具有一維檢定精度的可供數量任意選定的長度基準，所給出的球心點位的真值坐標和誤差矢量，通過三坐標測量機運算程序配套，完成受檢三坐標系的空間誤差補償校準與檢定。
本發明完成空間檢定與補償的運算的求解過程如下1、求解n個測量點位在三坐標系中的誤差矢量和真值坐標示值，以圖1為例，在S系中菱形y示值由基準光柵示值給出，球中心四菱邊R長度基準檢定已知，A、B、C、D四點球心的坐標值在受檢坐標S系中測量示值求解距離AB、BC、CD、AD、BD共7個已知數，將S系的測量坐標系按每一步距均符合圖1所示選擇，使用A、B、C、D菱形平面坐標U系零點。C(0，0，0)與S系中測量坐標原點重合，再任選D點S系與U系的x或y重合，S系的z在平面U系中為零，則D(x+Δx，y/2+0)B(X+Δx1，y/2+ΔY)A(Δx2，y+ΔY1，Δz)，其中Δz是根據BDC三點選擇了U系在S系中z向A點的測量誤差，這樣有x、Δx、Δx1、Δx2、ΔY、ΔY1、Δz共7個未知數。
根據直角三角形兩直角邊長的平方和等於斜邊的平方，聯立7個方程組，利用前面所述的7個已知數，(方程組與求解從略)，求解後取得了平面U系的四點真值和誤差矢量，同理求得串接的另外的三個點真值和誤差矢量。通過等步距位移進行四角線點位布局排序測量，循環運算，分別取得全部變化U系中n個點位的真值和誤差矢量，經過坐標矢量變換到S系中，由於菱形導軌運行直線度及對角線安裝存在誤差，雖對各測量真值不造成影響，但各真值點位偏移理論位置，給下面各點求解帶來麻煩，採用下列辦法(1)對角線安裝位置分別控制四安裝位置的重合精度，在安裝時的通過對球心的探測，首先調整安裝座保證各次安裝的C點重合，第一測量步距定位測量點的示值在矩形位置的點位上；(2)選擇坐標空間S系與計算坐標系的原點重合，取如圖4所示的習慣坐標取向，通過對工作檯面進行平面度探測，按最小二乘擬合平面，構建計算所用的理論的坐標S`系；(3)將因各種安裝誤差所造成的S系中的各測點真值及誤差矢量，分別按單一對角線所得各點真值經四次坐標變換到S`中的理論位置，這樣變換的結果產生坐標測量點的實際位置變化按該鄰域的相對誤差產生誤差，如各點位移0.01mm內取1/100有0.0001mm的相對誤差，只要控制安裝精度該誤差可作為運算誤差予以捨去。
2、坐標空間根據四對角線的n個測點形成立方網格拓展。
按四對角線測點分布，每一測點步距定位序號相同的8點連線，測量空間設想成在x、y、z方向等距套裝的等距的矩形體，並進一步設想各矩形體六面延伸後形成(n/4)3個網格交點。如圖5所示，除了原來的n個已知點外，新增加的(n/4)3-n個真值點位及相應的誤差矢量求解的點位，空間網格x、y、z的網格點位的各單軸坐標分布數n/4，網格子空間分布數(n/4-1)3。根據這些點位分布確定排序原則，以便計算程序運行時準確調用，利用點的角標應包括下述內容。例如任意Sn點表示，sn[xi+Δxi，yj+Δyj，zk+Δzk]xi、yj、zi點表示該點的坐標真值Δxi，Δyj，Δzk表示該點誤差矢量坐標值新增加點的Δxi(δi1+......+δi4+bi1+......+bi4)Δyi(δj1+......+δj4+bj1+......+bj4)
Δzk(δk1+......+δk4+bk1+......+bk4)sn(i，j，k)分別為1，2，3，......n/4n為1，2，3，......(n/4)3其中δ為構成Δ轉動線值誤差源，b為Δ的平動誤差源。
在對角線中，由於測球的球徑加上轉軸結構尺寸存在與工作檯上的最低安裝高度h，為保證空間補償的完整性，網格向工作檯延伸增加至(n/4)3+(n/4)2個網格點位。
3、誤差溯源上述的空間坐標網格點中，其示值點位的坐標需通過已知點，按21項誤差分離後求解，取得新增點位Δxi，Δyi，Δzk誤差矢量後還原成真值點位。求解方案如下(1)如圖6所示，S`系坐標零點與坐標取向，並將S系與S`系重合；(2)正確區分21項誤差在本菱形結構測點分布的幾何意義和誤差取向，各測量點sn(xi，yi，zk)代表坐標真值距離分別等於(xi，yi，zk)的三正交平面構成的三交線的交點，建立運算識別，各平面上擺動定位後平面上各點的轉角相同。各交線可離開平面擺動、角擺動誤差按阿貝原則確定，平面兩平行交線的角擺動與另一平面轉動呈單向，僅數值不同，不必分離。各誤差轉動對可考察點位無影響的為0，平動是相鄰測點測量值的相關關係。轉動是兩交點間距離定點的誤差轉角關係，分別獨立求解；(3)三坐標系設備坐標運行結構甚多，不同的組合，有不同的誤差取向模式。為使運算程序通用，在此歸納為測頭型和工作檯型，工作檯型的坐標驅動可以是x、y、z、xy、xz、yz、或xyz。測頭型也一樣，其目的是將不同類型的坐標結構規劃成適應計算程序通用的取向準則。
工作檯型，左手系準則，凡以驅動工作檯作坐標運動的使用左手系，工作檯的坐標運行方向的示值取向與S`方向正向一致為正，反之為負。
用左手的拇指、手心、四指指尖指向各軸坐標運行的正向，考察兩點的轉動方向以坐標值小的為原點，轉向線值正向增大與坐標運行方向正向一致，轉角誤差取正，反之取負，平動誤差與軸向運行正向一致取正，反之取負。
測頭型，右手系準則，凡以驅動測頭作坐標運動的使用右手系，測頭的坐標運行方向示值取向與S`方向正向一致為正，反之為負。
用右手的拇指、手心、四指指尖指向各軸坐標運行的正向，考察兩點的轉動方向以坐標值小的為原點，轉向線值正向增大與坐標運行方向正向一致，轉角誤差取正，反之取負，平動誤差與軸向運行正向一致取正，反之取負；(4)、網格空間未知點的誤差矢量求解，逐次向外補點至坐標空間中部時，計算轉動誤差的轉角線值越來越短，阿貝誤差換算的精度降低。探測誤差被累計放大，中心八點向外增補點位次數分別控制≤2。再向外增補點位時，利用中心球面n點誤差矢量的分布求解最小二乘球面與真值球面，在最小二乘球面與中心網格線交點上，於真值球面的中心連線，取得二乘球面上與真球面的交點的方向距離，變換成S`作為相關點位的誤差矢量作為阿貝誤差換算基礎元素作補點運算；(5)、21項誤差分離為適應空間網格的各點定位排序，sn[xi+Δxi，yj+Δyj，zk+Δzk]。參見圖5，該圖所列網格點位數最大為8，共512個點位。根據上述求解原則，為敘述簡化，以其中sn點Δxi(δi1+......+δi4+bi1+......+bi4)為例，需對測量點位外層8點和相鄰內層8點實行簡單排序編號。參見圖6，對S17點誤差溯源為例求解。
構成網格x坐標1，8位置的坐標示值兩平面，及構成y坐標1，8的坐標示值兩平面與構成z坐標1，8位置的坐標示值兩平面，共12條交線，8個交點。
Δx1，8的x軸的誤差源a)x的1，8位置的左右擺動δ1`，δ2`b)x的1，8位置的前後擺動0，0c)x的1，8位置的水平擺動δ3`，δ4`Δx1，8的y軸的誤差源i.y的1，8位置的左右擺動δ5`，δ6`ii.y的1，8位置的前後擺動0，0iii.y的1，8位置的水平擺動δ7`，δ8`Δx1，8的y軸的誤差源①z的1，8位置的左右擺動δ9`，δ10`
②z的1，8位置的前後擺動0，0③z的1，8位置的水平擺動δ11`，δ12`x⊥y誤差源δ13`x⊥z誤差源δ14`y⊥z誤差源δ15`按上述的運算規則，對不影響運算結果的誤差合併即不必分離，列下式求解(δ1`+δ9`+δ14`) δ1(δ2`+δ10`+δ14`) δ2(δ3`+δ7`+δ13`) δ3(δ4`+δ8`+δ13`) δ4(δ5`+δ13`) δ5(δ6`+δ13`) δ6(δ11`+δ15`)δ7(δ12`+δ15`)δ8已知1，8點的8個已知的Δx1，8點的示值誤差，分別將δ1，8代入分別獲取每四個δ參數的8個線性方程組被求解，(方程組與求解從略)，同理，可求出δ9，16的8個δ值。根據所求的16點角擺動量，求出內層8點向外擴張網格的48個點，以點S17(1，7，7)為例，給予說明，並按阿貝原則求解δ``1＝δ1×7/8δ``3＝δ3×7/8δ``6＝δ8×7/8δ``8＝δ8×7/8同理可求出新增網格點的48個點位。再求各相鄰已知點位的平動組成加角擺動組成，求增補點位的誤差矢量坐標。
只能通過已知點S11和S3求誤差源的直接和間接關係，其中每一個相鄰序號相同的角轉動量跟隨一個序號相同的平動量，求解點11到點17的各平動量的誤差源組成。
直接關係表示點11到17與點11到點3具有相等的角擺動和平動相關關係即在同一角擺動面上，Sn的誤差源的用該點是上角標表示，則有δ171＝(δ111-δ31)+b1
根據已知的δ171，δ111，δ31求解b1＝δ171-(δ111-δ31)間接關係表示點11到3與11到17角擺動量不在一個平面上，通過點18換其到11擺動面上，使17點與11點共處一擺動平面，具有相同的b3，有下式δ113＝(δ183-δ33)+b3根據已知的δ183，δ33，δ113求解b3＝δ113-(δ183-δ33)同理求得b6、b8及全部S17的Δx17、以此類推求得Δx17＝(δ1+δ3+δ6+δ8+b1+b3+b6+b8)、Δy17＝( )Δz17＝( )還原真值點的坐標和誤差矢量坐標值，S17(x17+Δx17，y17+Δy17，z17+Δz17)補點到此完成。再以此類推、循環運算，逐次實施由內向外各點，完成n點真值坐標與誤差矢量，注意中心位置時應遵守，利用球面補點選擇運算，減少誤差累積求得(n/4)3+(n/4)2全部坐標空間點位和下層平面網格點位真值坐標與誤差矢量。
最後通過各內層按xy平面對Δxi、Δyj同一層面的分層曲面擬合，對空間網格系按子空間數(n/4-1)3+(n/4-1)2排序實施插補補償。
補償後的空間坐標，由於還存在著探測誤差，菱形實物基準誤差，上述的坐標測點分布調整而產生的計算方法誤差和殘餘誤差，補償精度可隨測量點的增多而提高，同時也必將受到限制，按周期性平穩隨機過程的理論與實踐，網格坐標點數在8與20之間，經補償後系統誤差和隨機誤差在一般條件下經網格誤差分頻後減少1～2倍，最大分散度出現在分頻周期的π/2處。補償後檢定時，對坐標測量機為保證與實際檢測的一致性，應包含探測的方向誤差，採用求解球心坐標的探測模式，應採用5點以上的隨機方向探測，只需改變對角線的安裝，各軸平移1/4網格距離，及調整π/2，以發現設備作誤差補償後的最大誤差，檢測出各點的示值誤差，對同名補償點位的示值，比較長度差值，取最大差值為不確定度。最大的示值誤差與最小的示值誤差差值即準確度，按坐標空間精度評定標準，換算置信因子，對上述的不確定度和準確度各乘2/3，作為坐標空間檢定結果。
實時補償還應包括對z軸誤差作用長度和中心偏值補償，數控刀具的軸線偏轉與刀具長度的變化、三坐標機測杆的伸長與偏轉都屬於此類。這將引起按測量測頭定長的測量數據進行空間誤差補償失真，實時補償的辦法是，利用對角線測量，使用可以調整的伸長和偏轉安裝測頭，與補償檢測測量時一致的測頭，按球中心點的測量模式進行坐標點的多次差值比較，每次伸長量與偏置量按探測時的步距調整。每次調整中選擇兩個不同高度相差較大的球中心，每次偏置變化與在x，y方向上與高度方向上分別做5次以上的測量，各次取均值差，差值列表儲存依照點位相關關係供實時補償運算。
串接菱形裝置呈四角線安裝，可作菱形體結構尺寸限制的受檢空間的擴展，將串接菱形安裝平移後保證測點完整的空間矩形分布，測點步距不變，各次安裝測量，使用調節安裝座的空間姿態，保持各次安裝後，至少考察不在同一平面的三測量點重合，完成空間誤差補償或檢定。
權利要求
1.一種利用三坐標測量機測控系統的三坐標系校準檢定儀，其特徵是使用四角可轉動的菱形幾何形體，置於受檢三坐標系空間，作步距坐標測量，利用菱形幾何特徵，對角頂點相對運動定位的示值，提供了具有一維測量精度的系列正交平面坐標系在受檢空間分布的穩定長度基準，獲取n個坐標空間點位和一中心球面n點位分布的真值和誤差矢量，按規定以(n/4)2(n/4+1)個擴展的空間網格點位矩形立方分布，對空間21項誤差溯源，插補及相關的空間實時補償，最終完成各類結構的三坐標系的按解析度等級的完整補償與檢定。
2.根據權利要求1所述的三坐標系校準檢定儀，其特徵是菱形幾何形體的四角安有精密鉸鏈(2)的迴轉軸的60度基準中心孔錐面上各固定有一個精密球體(1)，菱形邊(3)與精密鉸鏈(2)連接，精密球體(1)中心確定的四根菱形邊(3)等長，四個精密球體(1)處於同一平面，各迴轉軸線平行，四角的精密球體(1)中A、C的精密鉸鏈(2)與導軌(4)連接，光柵標尺(5)安裝在導軌(4)上，導軌(4)固定在安裝座(6)上。
3.根據權利要求1所述的三坐標系校準檢定儀，其特徵是菱形幾何形體可採用兩個串接組合，任選一個迴轉軸線重合而成，A、C、G在同一直線上。
全文摘要
一種三坐標系校準檢定儀，是採用四角可轉動的菱形幾何體，置於受檢三坐標系空間通過三坐標測量機測控系統，提供有限的空間長度基準和測量坐標點位真值，然後使這一簡單的空間機構所產生的有限要素再一次性複雜化，產生數量按指數增長坐標真值與誤差矢量要素，完成與各類不同三坐標結構都能通用的空間檢定和補償。本發明具有簡單通用、準確、一致、可靠、經濟適用等優點，適合於各類正在服役的和新製造的數控三坐標加工和檢測設備的空間誤差補償後精度等級的提升和檢定。
文檔編號G01B5/008GK1789901SQ20051002221
公開日2006年6月21日 申請日期2005年12月5日 優先權日2005年12月5日
發明者劉興榮, 劉延子, 王春華, 武岷虹 申請人:成都司塔瑞測控工程有限公司