数控机床误差补偿技术及应用提高在线检测精度的补偿技术

文章利用在机测量运动链分析，提高测头球心的定位精度；同时以特征分析法来处理测头的内部误差。通过补偿前后与三坐标测量机的实验数据对比，结果表明补偿效果良好。     

基于成形磨齿机的测头径向误差补偿

为了提高在机测量齿廓偏差的测量精度,提出了一种可用于实际工况下的测头径向误差提取方法。以标准渐开线直齿轮为研究对象,根据极坐标测量原理以及齿廓偏差计算原理,建立一个以齿廓偏差最小为目标函数,以测头径向误差为变量的最优化模型。求出在实际工况下的测头径向误差,机床系统补偿后对渐开线斜齿轮进行测量,将测量结果与三坐标测量仪检测的结果进行对比,得出测头径向误差求解的合理性。     

在线测量系统测头误差补偿技术研究

通过分析在线测量系统测量过程中触发式测头测量结果的误差组成元素及其产生的原因,建立了测头标定的数学模型,并通过最小二乘法进行解算,提出通过对测头半径进行补偿来减小测量误差的新方法,该补偿方法综合考虑了实际测量过程中测头预行程误差、测头各向异性、测头偏心误差等影响因素,并利用双线性插值法建立测头半径补偿值与测点法矢方向之间的映射关系,来计算拟合任意法矢方向的半径补偿值。最后通过实验验证,对比补偿前后的测量结果,结果表明补偿后的测量系统测量精度有明显提高。     

在机检测触发式测头系统的误差分析与实验

测头系统的误差主要包括机械结构部分的误差、传感信号解调系统误差及测量过程中因探测速度等测量参数不同带来的动态误差。机械和传感信号误差由设备的硬件保证,在测量开始前可以通过有效半径校准进行误差补偿。而测量参数不同带来的动态误差则与测量过程的操作方法有关。首先介绍了测头系统误差的产生机理,搭建测头系统误差分析实验平台,通过改变测量参数观察测头系统误差并分析其成因,对比实验结果得到最佳的测量参数,可为在机检测技术研究实验提供参考。     

大型齿轮齿形、齿向误差一体测量技术

提出了大型齿轮齿条刃边测头在机综合测量方案,阐述了该测量系统软件的主要功能模块,给出了对大型齿轮齿形误差和齿向误差测量与评定的实例。     

关节臂式坐标测量机测量力误差分析及补偿

针对接触测量力对关节臂式坐标测量机(AACMM)测量精度的影响展开研究。对测量力引起的长度测量误差进行理论和实验分析,得到测头与被测件的局部变形、测杆的弯曲变形是影响关节臂式坐标测量机测头精度的主要因素。建立了关节臂式坐标测量机测头与被测件的局部变形、测杆的弯曲变形的数学模型,并对测量结果进行了测量力误差补偿。实验结果研究表明,测量力引起的误差对接触式关节臂式坐标测量机测量精度影响很大。通过本研究成果,可在很大程度上补偿测量力引起的误差:平均长度测量误差降低82%左右,最大误差降低约47μm,有效地提高了关节臂式坐标测量机的测量精度。     

在机测量激光测头位姿的线性标定

针对在机激光扫描测量中激光测头安装位置和姿态引起的测量误差,提出了一种适用于在机激光测量的测头标定方法。构造了在机激光扫描测量原型系统,建立了激光测头随机床运动的测量模型;通过多角度扫描标准球球面拟合球心,给出了一种线性求解测头安装位姿参数的算法,避免了非线性优化求解中的大量计算和不稳定问题。分析了测量过程中机床各个轴的运动误差对测量结果的影响,建立了误差模型,并给出补偿机床系统误差的方法。实验显示,对直径已知的标准球进行测量时,测头在不同摆角测得的标准球直径误差小于0.05 mm,误差补偿后球心位置误差减小了83%。实验结果验证了该标定方法的可行性,以及机床误差对测量精度影响的模型及补偿方法的正确性。     

线结构光测头的误差补偿

提出了一种线结构光测头误差检测和补偿方法。通过对线结构光测头测量精度的误差来源进行系统分析,确定测量过程中光平面倾斜和光条宽度的变化是产生测量误差的主要因素。提出了倾斜误差的检测方法并设计了检测装置,利用改进的BP神经网络模型实现了倾斜误差的补偿。实验证明,该方法能在很大程度上提高线结构光测头测量数据的精度,补偿后的误差接近光平面倾斜角度为零时的误差。     

非球面接触测量中触发式测头预行程误差补偿研究

利用触发式测头对非球面零件进行接触测量时,由于其固有的预行程误差往往严重影响测量精度,为了降低该误差引起的精度损失,文中从测头自身结构出发,对预行程误差进行数学建模分析并研究其补偿方法。首先,对由于触发力产生的测杆变形位移和测球变形位移进行分析,并建立预行程数学模型;其次,根据测头触发力与被测件接触角度的不同,建立测头触发力模型;最终根据预行程数学模型,研究预行程误差的补偿问题。经实验证明,通过对测头结构特点分析出的测头预行程误差补偿方法,可以提高非球面零件的测量精度。     

光学非球面三坐标测量中的像散补偿

利用三坐标测量仪在光学非球面镜研磨与粗抛阶段进行面形检测时,测量结果常由于补偿程序不完善而出现像散误差。本文分析了非球面三坐标测量得到的数据,指出测量结果中出现像散误差是测头半径补偿不准确所致。然后,提出了一种离线数据处理方法对测量数据进行补偿来消除像散误差。该方法通过计算网格排列的测头中心点行和列方向的切向量得出曲面上每个点的法向矢量;根据测头半径计算出测头球心到接触点的偏移量,从而实现三坐标测量仪的三维测头半径补偿。球面样板实验显示这种方法可以将该样板测量中的像散峰谷值(PV)由4.921 9μm减小到0.065 2μm,基本消除了测量结果中的像散误差,提高了三坐标测量结果的准确度。实验结果验证了提出的三维测头半径补偿程序的有效性。     

Technique for the measurement of spatial vorticity distributions

A method for measuring mean spatial vorticity content has been described for flows where the primary convective velocity (free stream) is larger than the mean crossflow components. Employing an 'X'-geometry hot-wire probe and linearized anemometer system in conjunction with a precision probe traversing mechanism, this relatively simple technique can be used to evaluate the circulation associated with various spatial contours. Errors associated with the technique are computed exactly and in simple linearized forms to illustrate its validity in a wide range of flows. A priori knowledge of the flow character and resultant careful selection of the integration paths for a given flow situation is observed to result in minimal measurement errors. Application to the problem of an isolated trailing vortex is presented as an example. Experiments at the trailing edge of a lifting wing confirm the accuracy of the method when compared with existing theories and other experimental data. The method can be extended to periodically driven unsteady flows using phase-lock techniques.     

Novel CMM-based implementation of the multi-step method for the separation of machine and probe errors

Coordinate measuring machines (CMMs) are subject to periodic verification to ensure measurement capability. However, users also need to rapidly diagnose the source of accuracy degradation to guide corrective actions. This paper presents a novel CMM-based implementation of the multi-step method for the separation of machine and reference sphere errors on one side and triggering probe and probe tip errors on the other. The procedure uses multiple redundancy probing of the machine's own reference sphere and result in a mathematical system similar to that of the multi-step method. The procedure's effectiveness is demonstrated for a variety of stylus lengths and shows its ability to detect changes in lobing errors. A metrological validation is conducted by measuring the errors of the probe and errors of the machine using independent methods.     

螺纹参数测量中工件定位误差分析和补偿

利用齐次坐标变换方法从理论上研究了单针扫描式螺纹测量仪的工件定位误差模型,并考虑探针尖头的几何形状,建立了更加精准的曲线方程。以该曲线作为最小二乘拟合曲线,根据数学模型的特点和参数的取值范围,采用改进的单纯形-模拟退火(SMSA)算法,通过对标准件的测量,求解模型参数,补偿对应误差,减小了简单直线拟合的模型误差。基于该方法,在自主研发的测针式螺纹测量仪上进行了实验验证,结果表明,所述模型更符合实际情况,能够有效地减小工件定位误差。     

Measuring probe alignment errors on cylindrical coordinate measuring machines

This note describes a method for measuring probe alignment errors on precision cylindrical coordinate measuring machines. Specifically, this method is used to determine the minimum distance between the line of travel of the center of a spherical probe tip and the axis of rotation of a rotary axis. Within the Timken facility, we refer to this error as intersection error [Bryan JB. Private communication; 7 June 1992]. In addition to intersection error, this method determines the position along the probe line of travel at which the center of the probe tip passes nearest to the axis of rotation. This position is commonly referred to as probe offset error. It is used to adjust the probe location such that its radial position is zero where it intersects (or nearly intersects) the axis of rotation. In this way, the probe tip location is datumed to the axis of rotation.     

PH9/PH10回转体的回转误差及其补偿

本文分析ＰＨ９／ＰＨ１０回转体的回转误差来源,定义了六个分项误差,进行了各项误差的检测实验,并补偿了其中的系统邮ＰＨ９／ＰＨ１０回转体的定位精度,从而实现三坐标测量机回转测头系统的一次性标定。     

提高嵌入式时栅传感器精度的测头设计方法

为了提高嵌入式时栅传感器的测量精度,结合传感器自身的特点,从布置方式和数据处理方式两方面设计了特殊的测头结构。首先利用谐波分析确定传感器误差的主要频次,然后分别针对长短周期的误差采用多组测头对径和间隔特定空间角度的测头布置方式,测头之间采用数字量相加的数据处理方式,最后通过实验验证了这种测头结构和数据处理方式的有效性。结果表明,与单测头结构相比,这种方式将长周期误差降低了75%,短周期误差降低了83.6%,更有效地提高了嵌入式时栅传感器的测量精度。     

三坐标测量机动态误差的建模方法

为了提高三坐标测量机的测量速度,缩短测量周期,分析了影响给定的三坐标测量机动态误差的因素。对三坐标测量机的具体和了分析,用电感测微仪进行了动态偏转角的测量,并推导出由动态偏转误差得到测头处的动态位移误差的方法。同时,对由导轨的直线度造成的误差进行了讨论。指出动态误差主要是由各构件绕气浮导轨连接处的偏转和各运动构件本身的弯曲变形造成挫理论上可以证明,在气浮导轨力矩刚度和横梁弯曲刚度已知的情况下,只要     

Modelling of pretravel for touch trigger probes on indexable probe heads on coordinate measuring machines

This paper presents a pretravel model for touch trigger probes mounted on indexable probe heads, which can rotate and tilt the probe into a number of orientations for coordinate measurements on coordinate measuring machines (CMMs). Pretravel accounts for the majority of touch trigger probe errors and is caused by bending deflection of the stylus shaft. A trigger force model is derived and used to model bending deflection of the stylus shaft at the trigger instant. Only one model parameter needs to be calculated using the probe calibration data. Experimental data associated with thirteen probe orientations were used to validate the model. It is shown that the model can effectively predict pretravel distances associated with various probe approach directions. The standard deviations of prediction errors are less than 0.71 µm, indicating that the proposed model can be used to compensate for pretravels occurring in touch trigger probe applications.     

在机测量线激光传感器安装位姿的全局标定

针对三轴数控机床激光测头安装位姿误差造成测量误差且不易调整和校准的问题,提出了一种在机测量线激光传感器安装位姿标定方法。建立了线激光在机测量系统的数学模型,通过机床运动带动线激光测头对标定基准点的空间位置进行测量,基于手眼标定原理给出了关于测头安装位姿参数的线性求解算法,完成了对测头安装误差的全局标定。考虑了机床定位误差对于标定结果精度的影响,采用蒙特卡洛模拟进行了误差分析。采用半径为35 mm的圆孔进行测量验证,实验结果表明,标定后圆孔测量误差为0.051 6 mm,测量精度提高了约96%,实验结果验证了该标定方法的有效性和可行性。     

复杂曲面零件加工精度的原位检测误差补偿方法

为提高复杂曲面零件的数控机床原位检测精度,分析影响接触式检测系统精度的各项因素及其误差补偿方法。对检测系统的主要误差来源如机床几何误差、测头预行程误差和测头半径误差进行分析研究。在对数控机床的几何误差进行分析和建模的基础上,采用激光干涉仪进行三轴数控机床的单项误差测量和补偿;针对测头检测过程中存在的预行程误差,提出基于径向基函数(Radial basis function, RBF)的预行程误差预测方法,获得测头预行程误差分布图,并对检测系统进行实时预行程误差的补偿;提出改进的三角网格模型顶点法矢计算方法,有效进行三维测头的半径补偿。通过实例零件的加工精度原位检测试验及其与三坐标测量机CMM检验结果的比较,验证了原位检测方法的有效性。