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。     

基于误差隔离的触发式测头预行程标定方法

触发式测头是在机测量系统的主要组成部分,其预行程会计入测量结果从而影响测量精度,因此有必要对其在实际工况下的预行程进行标定并补偿.在分析预行程产生原因的基础上,提出了一种全新的预行程定量标定方法,它通过在实际工况下检测探针与工件接触状况及接触时刻与测头触发时刻之间工件相对测头位移变化而标定出预行程,有效避免了机床伺服系统误差、机床几何及运动误差、探针测球圆度误差、标定体制造误差等因素对标定结果精确性的影响.标定了某高精密测头在实际工况下的预行程,并依据标定结果,完成了触发式测头预行程补偿实验.补偿结果表明,该标定方法实施简单、可行有效,标定精度高.     

基于磨齿机的螺旋锥齿轮小轮齿形误差的在机测量

为了在国产数控螺旋锥齿轮磨齿机上实现齿形误差的精密测量,对螺旋锥齿轮小轮齿形误差的在机测量技术进行了研究。根据H350G型数控磨齿机的机床结构和机床坐标系,利用标定块标定了测球球心在机床坐标系中的坐标。建立了小轮齿形误差的在机测量方法,通过将理论齿面各离散点旋转到机床坐标系XZ平面,并将小轮绕轴线相对于参考点位置旋转一定角度,同时控制机床各数控轴的运动,使测头沿理论齿面各离散点法矢方向逼近实际齿面,根据测头触发时测球球心的坐标,运用曲面拟合技术和最优化算法,计算了实际齿面相对于理论齿面的齿形误差。通过比对在机测量和齿轮测量中心的齿形误差测量结果,验证了小轮齿形误差在机测量方法的正确性。     

旋转台几何误差的在机测量与辨识

旋转台是多轴数控机床的基本组成部件,其几何误差对加工精度具有显著的影响。以旋转台轴线的4项定位误差及6项运动误差的测量与辨识为目标,利用标准球和接触式测头设计简易、高效的综合误差在机测量方案,提出基于综合误差的分步辨识方法。首先,在旋转工作台上安装高度不等、位置不一的标准球以构建测量点系,并在不同旋转角度下,利用直线轴的插补运动带动高精度测量头测量球心误差。然后,依据小误差理论和齐次变换原理依次构建4项定位误差和6项运动误差的分步辨识模型,辨识出全部误差项。在带旋转轴的机床上进行实验验证与实际应用,结果表明:利用辨识结果计算的预测值与实际测量值相比,绝对误差不超过0.004 mm;利用辨识误差项修正后的工件在机测量结果与三坐标测量值相比,绝对误差也不超过0.006 mm,满足了高精度的应用要求。该方法具有操作简单、占机时间少、辨识精度高的特点,适合加工现场的快速、短周期标定。     

接触式R-test测量仪的标定和球心坐标计算方法研究

接触式R-test测量仪是一种利用3个接触式位移传感器测量安装在机床主轴上的精密测量球相对于工作台的三维位移的装置,可用于检测五轴数控机床旋转轴的几何误差、联动误差等。如何提高测量仪的标定和球心坐标计算精度是R-test开发的难点。为此,研究了接触式R-test测量仪的结构模型和测量坐标系构建方法,并在测量坐标系中利用机床直线轴的高精度微量移动构建测量仪的在机标定模型,并推导了球心坐标的精确计算模型。最后,通过开发样机进行实际测量,验证所提出方法的精度和可行性。     

齿轮测量中心测头球心位置的标定

齿轮测量中心测头球心位置的标定是实现精确测量的前提条件。根据CNC齿轮测量中心的测量原理,将采集到的标准球球面上的点运用最小二乘法拟合出标准球球心的坐标,然后通过空间矢量运算确定测量坐标系原点的位置。通过坐标转换法,将测球球心在机器坐标系中的位置转换到测量坐标系,实现了对测头球心位置的标定。     

机器人柔性视觉测量系统标定方法的改进

提出一种改进的柔性视觉测量系统标定方法。建立了包含手眼关系误差与机器人运动学参数误差的系统误差模型。在机器人末端安装结构光传感器构建了机器人柔性视觉测量系统,并在机器人工作空间中固定一个标准球作为标定参考物。标定时,机器人被控制在不同位姿下测量球心坐标。首先,应用机器人的理论模型初步标定手眼关系;然后,基于球心约束,通过迭代算法同时得到准确的手眼关系和实际的机器人运动学参数。基于ABB IRB2400工业机器人进行了系统标定实验,并利用激光跟踪仪进行精度验证。结果表明:标定前后机器人柔性视觉测量系统的距离测量标准差由0.566mm降低到0.173mm,充分验证了改进方法的有效性和实用性。该方法提高了手眼关系的精度;不需要采用任何昂贵的外部设备,适合工业现场使用。     

基于机载测头的机床热误差在线识别方法研究

针对当前机床热误差在线检测识别困难的问题,提出一种机床测头在线测量热误差的方法。该方法可在不求解几何误差的情况下,利用组合球阵球心热变形前后的坐标值构成空间向量,通过该向量求解坐标变换关系识别和辨识热误差。最后,在三轴加工中心上进行测量和试验验证。试验证明,该方法能够快速地在线识别和检测热误差值,为热误差的补偿提供了先决条件。     

球形靶标中心成像点的高精度定位

为提高球形靶标中心在像平面上成像点的定位精度,研究了球形靶标成像理论及球心成像点定位方法。建立了空间球在摄像机系统下的投影模型,结合空间解析几何理论,证明了球形靶标的透视投影特性。推导出了球心成像点坐标的精确表达式,并结合测量实际给提出了球心成像点的高精度定位方法。利用仿真实验建立了球心投影畸变误差模型并分析了相关影响因素。最后,结合陶瓷标准球进行了视觉系统位姿参数标定实验。结果表明,该定位方法求得的空间球球心重投影误差比传统的球心成像坐标定位方法产生的重投影误差平均减少了36%,位姿参数稳定性相对提高了40%。得到的结果验证了该球形靶标中心成像点定位方法精度高,鲁棒性强,可应用于基于球形靶标的视觉标定或测量中。     

基于激光对刀仪的高精度在位测量及补偿方法

球型砂轮在位修整前后的直径变化将导致理想与实际的磨削轨迹之间出现位置偏差,造成加工误差,因此在超精密磨 削加工前获取该变化信息是十分有必要的。 针对于此,提出了一种球型砂轮在位测量方案,包括搭建基于激光对刀仪的在位测 量系统以及设计在位测量步骤,并针对该方案存在的系统误差进行分析,抽象出了激光对刀仪安装误差模型,结合齐次坐标变 换推导了误差公式,借助最小二乘法求解安装误差,从而实现了对测量数据的补偿与对球型砂轮的高精度在位测量。 最后以 12. 5 mm 半径的标准球做标定,计算出误差角度值用作补偿,再分别测量 12. 5 mm 与 3 mm 标准球作为验证。 实验表明该方案 可将测量精度从 4 μm 提高到 1. 2 μm。     

An accurate probe pre-travel error compensation model for five-axis on-machine inspection system

On a five-axis CNC machine tool, the pretravel errors of touch-trigger probes are severely affected by gravity and must be compensated to ensure the required measurement accuracy. The situation is more complex than that of the three-axis on-machine inspection system. This paper proposes a simple and accurate modeling and compensation method for the probe pretravel error of a five-axis on-machine inspection system. First, the pretravel error for the 5-axis CNC tool is decoupled into three parts, which are analyzed based on the probe's mechanical structure. Then, a new calibration point selection strategy is proposed to obtain the accurate reference sphere center. Finally, we carry out calibration tests to validate the proposed method. The compensation results show that the proposed compensation method for the probe pretravel error under the influence of gravity (PPEUG) can improve the accuracy considerably.     

An on-machine error calibration method for a laser micromachining tool

In this paper, an on-machine error calibration method, covering error modeling and measurement, is proposed to evaluate and compensate the errors caused by the mechanical and optical system equipped in the micromachining center using the femtosecond laser. Through preliminary tests by dicing silicon wafer, it has revealed that the squareness, laser beam misalign and focal position offset, are the main causes to result in the inaccuracy of micromachining. Consequently, an error modeling method is proposed to evaluate the error distribution in the workspace, and hereafter a comprehensive error vector of the laser beam, combining the squareness errors of Z-axis with the laser beam misalign, is generated by the variable substitution method. Subsequently, an increment error model in the instant local coordinates is established to satisfy the requirement of the programming method commonly used in the laser machine tools. Furthermore, a series of holes and grooves are machined on the femtosecond laser micromachining center to validate the proposed approach and model. The machining dimensions including diameters, distances and angles, are measured on-machine to identify the squareness errors, laser beam misalign and focal position offset according to the proposed error model. Finally, the experimental results show that, comparing to the uncompensated tests, the machining accuracy has been significantly improved with the proposed method.     

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。     

磨齿机在机检测系统的测头综合预行程误差建模

因为测头预行程误差的存在,现有研究大都考虑单项或双项影响因素进行误差补偿。然而多次的实验统计表明,由于接触式测头的各向异性,导致信号传输迟滞、检测速度、测球半径、测杆长度、测头重力及测球表面测点法矢等因素都会对检测信号的触发时机产生影响,因而存在测头综合预行程误差,故而很难进行精确补偿。借助BP神经网络的高效逼近算法,利于求解输入为多项误差影响因素场合的测量误差输出问题,有效提高在机检测精度。根据自主研发卧式磨齿机L300G在机检测原理,以多项误差影响因素为输入节点,以测头综合预行程误差为输出节点,建立基于BP神经网络的测头综合预行程误差预测模型。完成误差补偿后,开展磨齿机标准样板齿轮在机检测实验。结果表明：误差补偿前后,齿向精度均为4级;误差补偿后,齿形精度提高2个等级,为4级精度,与格里森检测结果相吻合。结果验证了模型的正确性,有望在国产低成本磨齿机的高精度在机检测系统中推广使用。     

6UPS并联机构铰链间隙误差的标定与精度分析

研究了常用的机构标定方法及相应的测量工具,使用激光干涉仪完成了测量实验,并使用矢量法误差求解模型对测量结果进行了分析计算,获得了机构静平台铰链的安装位置误差、杆长的误差变化、动平台铰链的位置误差数值,并提出了采用拟合误差椭球面的方法对铰链位置装配误差与铰链间隙误差进行分离的误差分析方法,研究了椭球的求解方法,得到了椭球的长轴、次长轴和短轴参数,进一步比较了所有铰链误差在坐标系中的空间分布情况,研究了机构安装结构和铰链类型与误差分布规律的相互关系,这样优化的误差数据可以取得比较好的补偿效果。     

五轴机床旋转轴误差的在机测量与模糊径向基神经网络建模

考虑五轴机床中的旋转轴误差会影响加工精度和在机测量结果,本文研究了旋转轴误差的在机测量与建模方法。介绍了基于标准球和机床在机测量系统的旋转轴综合误差测量方法,采用随机Hammersely序列分组规划旋转轴的测量角位置,通过自由安放策略确定标准球初始安装位置。然后,引入模糊减法聚类和模糊C-均值聚类(Fuzzy C-means,FCM)建立旋转轴误差的径向基(Radial basis function,RBF)神经网络预测模型。最后,进行数学透明解析,从而为误差的精确解析建模提供新途径。利用曲面的在机测量实例验证了提出的旋转轴误差测量与建模方法。结果表明:利用所建模型计算的预测位置与实测位置的距离偏差平均值为9.6μm,最大值不超过15μm;利用所建模型补偿工件的在机测量结果后,其平均值由32.5μm减小到13.6μm,最大误差也由62.3μm减小到18.6μm。结果显示,提出的测量方法操作简单,自动化程度高;模糊RBF神经网络的学习速度快、适应能力强、鲁棒性好,能满足高度非线性、强耦合的旋转轴误差建模要求。     

Kinematic calibration of gantry hybrid machine tool based on estimation error and local measurement information

This paper presents the kinematic calibration of a four degrees-of-freedom (DOF) hybrid machine tool based on a novel planar 3-DOFs parallel mechanism and a long movement of the worktable. Closed-form solutions are developed for both the inverse and direct kinematics about the parallel mechanism. The error model is built and the mechanism accuracy is investigated. Two types of kinematic calibration method are proposed by a simple measurement device. The first type of calibration method is based on estimation error, and can easy improve the machine tool accuracy quickly by estimating the error trends. The second type of kinematic calibration method is based on local measurement information, which includes the position errors and does not include the pose errors of the machine tool. The calibration tests showed the effectiveness of the calibration methods, which can be useful for the similar types of parallel machine tool.     

Error measurement and assemble error correction of a 3D-step-gauge

A new artifact called 3D-step-gauge consisting of a pyramid array and a compound, is proposed to calculate geometrical errors for machine tools. Only one point on each profile of the pyramid in the array is probed, and its center coordinate can be calculated. Then, the intervals of the pyramids can be transfered a length standard to measure errors. Considering the differences in the structural parameters and the location of the pyramids, a volumetric error measurement method of discrete points is presented. Furthermore, the location errors between the calibration state and the measurement state are studied and their influences on the accuracy of the position measurement are investigated on an actual machine tool. The 3D-step-gauge was tested on an actual machine tool and the measurement result shows quick assembly, convenient measurement, and high accuracy.