數控機床體積定位精度的測量與補償
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摘要：
提出了一種利用激光多普勒位移測量儀測量數控機床體積誤差的激光矢量測量方法。該方法可以方便、快速地檢測機床的體積定位精度，包括3個定位誤差、6個直線度誤差和3個垂直度誤差。同時根據實測體積定位誤差數據生成誤差補償碼，用于補償體積定位誤差，大大提高數控機床的加工精度。
數控機床的體積定位精度包括線性位移誤差、線性誤差、垂直誤差、角偏差和剛度誤差，這些都決定了數控機床的精度性能。對于現代數控機床，在誤差可重復可測的假設下[1,2]，軟件補償可以極大地提高機床的精度性能。該方法的高性價比是提高機床精度的好方法。
由于數控機床運動復雜，數控機床的誤差比較復雜。以三軸加工中心為例，有21個誤差元素，如圖1所示。目前采用的測量方法很多，大部分是用激光測量的。傳統的方法對于完成機床體積定位精度的測量是非常復雜和耗時的。由于這些原因，許多國際標準機構推薦了一種測量身體對角線的方法。所謂體對角線，是指在空間矩形坐標系下機床工作臺的三個進給方向上，長方體的對角線被最大行程所包圍。國際標準組織推薦這種方法的主要原因是體對角線的測量對各種誤差元素非常敏感。然而，這種方法的一個致命缺陷是它不能獲得足夠的信息來分離測量過程中的誤差元素。
詳細測量方法：激光多步矢量法
1.傳統的體對角線測量
體對角測量法由于其快速檢測而被廣泛推薦。該方法與激光線性位移測量方法基本相同。唯一的區別是，身體對角線測量法沿著對角線方向移動激光束的方向，而線性位移測量則沿坐標軸方向移動激光束的方向。具體操作如下:首先對激光束方向進行標定，使其與物體的對角線方向平行。反射器通過磁座安裝在主軸上，然后可以通過移動主軸來測量。機器有四條身體對角線，可以先從任何身體對角線測量。例如，從左下a沿對角線到右上g，從a的左下角開始，沿對角線移動主軸，到達主體對角線上的新點。此時，可以測量位移誤差。假設的位移沿著體對角線是R主軸,測量誤差是位移的位移誤差博士R .位移誤差可以衡量繼續移動直到主軸主軸移動到另一個對角線的角度,g。其他三個對角線也測量。上述測量的每個位置的定位精度實際上取決于三個軸的定位精度，通常受機床幾何精度的影響。應該說，體對角線測量是一種很好的測量方法，但它不能識別誤差源，當然不能用來補償機床。
2.矢量測量法
矢量測量與傳統體對角測量的區別在于矢量法采用多步測量，如圖3所示。對角線的起始點(Xs,Ys,Zs)和結束點(Xe,Ye,Ze)必須在多步對角線測量之前定義。由此可見，機床的工作空間為(xx-xs) * (ye-ys) * (Ze-Zs)。假設各軸上測點個數為n，各增量點均為3n，各軸增量分別為Dx、Dy、Dz，其中包括:
Dx=(Xe-Xs)/n (1)
Dy=(Ye-Ys)/n (2)
Dz=(Ze-Zs)/n (3)
3.激光矢量測量
對于剛運動，從A點到B點的運動可以用6個自由度來描述。線性定位誤差為1，線性度誤差為2，角位移誤差為3。為了便于分析，在剛體上選擇一個點PA(通常是刀尖或檢測器檢測點)。PA是坐標的原點，從點PA沿x軸移動到新點B。在理想情況下，沒有誤差，點PB (B)應該是新坐標系的原點。
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