用于标定在机测量系统多源综合误差的标准器及标定方法

本发明涉及在机测量，具体涉及一种用于标定在机测量系统中多源综合误差的标准器及标定方法。

背景技术：

1、近年来，随着智能制造技术的发展，为了改变加工过程中工件离线测量的窘境，提高加工检验效率，基于数控机床构建的在机测量系统及方法应运而生。在机测量系统的载体为数控机床，零件加工期间不需要将待测零件从数控机床中移出，在数控机床上便可完成工件加工特征形位尺寸测量，从而将零件的加工与测量融为一体，提升了零件的生产效率。

2、由于数控机床存在非均匀的空间误差，导致其引入在机测量系统的综合误差会降低在机测量系统的测量精度，因此在机测量系统的测量精度受数控机床精度制约，导致其应用面临着测量结果是否可信的质疑。

3、为了评估在机测量系统的测量精度，获取其综合误差的方法应运而生：

4、以三轴数控机床为载体的在机测量系统综合误差包含机床测头引入的误差以及机床本身的空间误差。其中机床的空间误差包含3项定位误差、6项直线度误差、9项角运动误差以及3项垂直度误差共21项几何误差。

5、申请号为202211449731.5的专利文献中公开的一种考虑五轴机床定位误差的在机测量误差预测方法使用激光干涉仪标定了3项定位误差，申请号为202311172268.9的专利文献中公开的考虑几何误差的面齿轮齿面加工误差在机测量及修正方法，使用激光干涉仪标定3项定位误差，并采用“9线法”标定了角运动误差、垂直度误差以及直线度误差耦合而成的误差，并对其解耦计算得到各单项误差，但这些方案的缺点在于激光干涉仪仪器昂贵、需要多次安装、调整反射镜组与折射镜组，耗时长，且需要复杂的几何误差解耦、累积过程。

6、申请号为201910100940.0的专利文献中公开了一种数控机床几何/热误差在线测量与补偿系统，利用在机床中布置加速度传感器标定了数控机床各轴的定位误差，但该方案的缺点在于仅标定了数控机床的定位误差，没有标定空间误差中的直线度误差和角运动误差，无法累加成较为准确的综合误差。

技术实现思路

1、本发明提供了一种用于标定在机测量系统多源综合误差的标准器及标定方法，旨在解决现有的在机测量系统综合误差标定方法成本高、操作复杂、准确性较低的技术问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

3、用于标定在机测量系统多源综合误差的标准器，其特殊之处在于：

4、包括底座、支撑组件、上板、标准球组和压板；

5、底座为平板，用于将标准器安装在数控机床的工作台面上；

6、支撑组件垂直设置在所述底座上，包括同轴套设的内支撑杆和外支撑杆，内支撑杆的上部伸出外支撑杆后与所述上板的下端面中部连接；内支撑杆与外支撑杆可拆卸连接，或者内支撑杆与上板可拆卸连接；

7、上板为平板，其上端面上设置所述标准球组；上板的一端通过所述压板固定在所述底座上，另一端悬空；

8、所述标准球组包括至少五个标准球，标准球的数目、分布根据所需标定精度确定；其中一个标准球位于所述上板的几何中心处作为中心球，其余标准球均匀分布在所述中心球的外围。

9、进一步地，所述外支撑杆的侧壁设有沿其高度方向分布的若干销孔，所述外支撑杆与内支撑杆通过销连接。

10、进一步地，所述标准球通过连接杆安装在所述上板上；连接板底部设有螺纹孔，使用螺钉穿过所述上板后旋入所述螺纹孔中，将连接杆与上板紧固；所述螺钉与上板之间设有弹簧垫片。

11、进一步地，所述上板为矩形板，其中一个标准球位于上板的对角线交点处作为中心球，其余标准球均布于上板的各对角线上，每个对角线上标准球的数目相等。

12、进一步地，所述上板上设有两组关于其几何中心对称的减重孔；每组减重孔包括两个轴对称设置的截面为直角三角形的通孔，且这两个通孔的其中一条直角边面对面设置。

13、进一步地，标准球的直径精度为0.0005mm，圆度不小于0.8μm。

14、本发明还提供了一种利用上述的标准器对在机测量系统的多源综合误差进行标定的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

15、步骤1：以标准器上中心球的球心为原点，以标准器的上板上表面三个平面法矢理论测量点构成的平面法向量为z轴正方向，以标准器的上板侧面上两个滚转角理论测量点构成的向量方向为x轴正方向，y轴正方向根据右手定则确定，建立校准坐标系，测量校准坐标系下标准器上各标准球的球心位置；

16、步骤2：以标准器上中心球的球心为原点，建立各坐标轴方向与数控机床坐标轴一致的工件坐标系，获取任意标定位置处在工件坐标系下在机测头的预行程误差；

17、步骤3：通过对标准器在数控机床内进行找正，得到校准坐标系与工件坐标系间的姿态关系，进而根据该姿态关系和所述校准坐标系下标准器上各标准球的球心位置，得到工件坐标系下标准器上各标准球的球心位置；

18、步骤4：在机测量系统的空间位置误差标定

19、定义标准器中上板上相对的两端分别为a端和b端，当a端与所述底座接触而b端悬空时标准器处于姿态一，当b端与所述底座接触而a端悬空时标准器处于姿态二；

20、步骤4.1将标准器处于姿态一时，在机测量系统的空间位置误差标定

21、将标准器以姿态一安装至数控机床的工作台上，调出在机测量系统的测头，根据工件坐标系下标准器上各标准球的球心位置，在工件坐标系中分别沿着x正、x负、y正、y负和z负方向探测各标准球，测量得到对应各轴测量结果，进而得到各标准球球心位置的测量值；

22、利用步骤3得到的工件坐标系下标准器上各标准球的球心位置减去所述各标准球球心位置的测量值，所得结果即为在机测量系统的空间位置误差分布一；

23、步骤4.2将标准器处于姿态二时，在机测量系统的空间位置误差标定

24、将标准器切换为姿态二，采用与步骤4.1相同的方法，得到在机测量系统的空间位置误差分布二；

25、步骤4.3获取一个空间区域内在机测量系统的空间位置误差集

26、将步骤4.1得到的机测量系统的空间位置误差分布一与步骤4.2得到的在机测量系统的空间位置误差分布二合并，得到含有2n-1个标定点的空间区域内，在机测量系统的空间位置误差集；

27、步骤5：获取任意标定位置处在机测量系统的空间位置误差

28、根据在机测量系统的空间位置误差集，采用插值或估计算法，拟合出任意标定位置处的在机测量系统空间位置误差；

29、步骤6：计算在机测量系统多源综合误差

30、将步骤2得到的任意标定位置处在机测头的预行程误差与步骤5得到的在机测量系统空间位置误差累加，得到在机测量系统多源综合误差。

31、进一步地，在步骤4与5之间还包括步骤：

32、a1：将标准器在数控机床的工作台面挪移或者抬高，使得标准器此时的标定空间区域与上一个标定空间区域有部分重合，将标准器固定；

33、a2：采用与步骤3-4相同的方法，得到当前标定空间区域内在机测量系统的空间位置误差集；

34、a3：获取当前标定空间区域与上一个标定空间区域的重合区域内任意两个大致位置相同的标准球的标定差值，用当前标定空间区域内在机测量系统的空间位置误差集减去所述标定差值，得到配准后当前标定空间区域内在机测量系统的空间位置误差集；

35、a4：采用步骤a1-a3相同的方法，分别获取配准后不同标定空间区域内的空间位置误差集，直至覆盖在机测量系统的整个测量区域；

36、a5：将所有空间区域内的空间误差集合并，得到在机测量系统的整个测量区域内的空间误差集。

37、进一步地，上述步骤3具体为：

38、步骤3.1粗找正

39、获取标准器中的上板在工件坐标系下的俯仰角θ′和偏摆角φ′；

40、将工件坐标系绕其自身x轴逆时针旋转θ′，再绕其自身y轴逆时针旋转φ′建立找正坐标系wcs′；

41、获取找正坐标系wcs′与工件坐标系之间的滚转角

42、将找正正坐标系wcs′绕其自身z轴逆时针旋转得到更新后的找正坐标系wcs″；

43、计算沿俯仰角θ′、偏摆角φ′和滚转角的旋转矩阵r′θ，rφ′和

44、步骤3.2精找正

45、获取找正坐标系wcs″与wcs′之间的俯仰角θ″、偏摆角φ″和滚转角

46、计算沿俯仰角θ″、偏摆角φ″和滚转角的旋转矩阵rθ″，rφ″，

47、步骤3.3根据所述旋转矩阵r′θ，rφ′和旋转矩阵rθ″，rφ″，以及标准器上各标准球球心在校准坐标系中的位置，计算标准器上各标准球球心在工件坐标系wcs中的坐标。

48、本发明同时还提供了一种在机测量系统的测量误差补偿方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

49、利用上述的方法标定出在机测量系统的多源综合误差；

50、在机测量系统测量期间，利用所述多源综合误差对在机测量系统的测量结果进行补偿。

51、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

52、1.本发明设计了标准器，借助该标准器能够对在机测量系统的预行程误差和空间位置误差进行标定，为获取在机测量系统的综合误差提供基础。

53、2.本发明标准器中支撑组件包括内支撑杆和外支撑杆，通过在外支撑杆侧壁开设多个销孔，利用圆柱销将内支撑杆与外支撑杆连接，如此一方面便于二者拆装以进行上板的姿态切换，另一方面还便于调节内支撑杆在外支撑杆内的安装高度，从而调整整个支撑组件的高度，进而使得位于内支撑杆上部的上板与底座之间的夹角得以调整，避免标准器在使用时与数控机床上的零部件发生干涉，使标准器能适应多类数控机床。

54、3.本发明的标定方法操作简单、准确度高，仅需借助本发明的标准器和现有的三坐标测量仪等高精度测量仪器即可对在机测量系统进行标定，无需使用激光干涉仪、球杆仪等专业精密仪器，成本低。

55、4.本发明利用高精度的三坐标测量机可获得准确的标准器上各标准球位置的校准值，比较在机测量各标准球位置的测量结果与校准值可直接获得受多项机床几何以及测头误差影响下的多源综合误差，进而可获取在机测量测量区域的综合误差分布，不需要复杂的几何误差解耦和累积过程，也无需多次装调，提高了标定效率。

56、5.本发明标定的综合误差包括测头引入的预行程误差和测量系统空间误差，其中测量系统空间误差包含了21项几何误差，标定结果较为准确。