一種簡便的轉臺運動誤差標定方法研究

于　振，劉書桂，張海濤

(天津大學 精密測試技術及儀器國家重點實驗室，天津　300072)

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一種簡便的轉臺運動誤差標定方法研究

于振，劉書桂，張海濤

(天津大學 精密測試技術及儀器國家重點實驗室，天津300072)

摘要：針對轉臺的六項運動誤差，設計了一種簡便易行的檢測方法。通過TESA測頭的組合，實現了轉臺沿x、y、z三個方向的跳動誤差以及繞x、y軸偏擺誤差的精確檢測，通過光電自準直儀與多面棱體的組合，實現了轉臺分度誤差的高效高精度測量。結果表明：該方法簡單、可靠、成本低。在多次測量的過程中，轉臺的分度誤差測量精度可達到2＂以內，轉臺跳動測量誤差小于3μm。同時，每個測量點位偏擺的測量誤差基本上都控制在千分之一以內。

關鍵詞：光自準直儀；二十四面棱鏡；TESA測頭 ；誤差標定

0引言

標定就是通過比較器件輸出和參考輸入確定出一組參數,使傳感器測量結果與參考輸入一致[1]。“轉臺”是回轉工作臺的簡稱,在計量工作中又稱為分度臺[2]。隨著數控技術的迅猛發展,機械加工精度等級高低已經成為衡量一個國家工業發展水平的重要標志[3]。作為數控機床的重要零部件——回轉工作臺的誤差會直接復映到工件上,影響工件的加工誤差[4]。因此轉臺系統的運動精度是否滿足系統的精度指標(即轉臺的標定結果)并最終提高工件的加工精度,具有重要的現實意義。激光干涉儀是目前最常用的數控機床精度檢驗儀器[5-7],它在功能、靈敏度、穩定性、精度方面極具優勢[8]。國內許多專家學者在轉臺誤差標定這個領域進行了卓有成效的研究。南京工業大學的姜孟鵬等人[3]提出了一種用激光干涉儀測量轉臺運動誤差的方法，該方法通過將激光干涉儀和角度干涉鏡、角度反射鏡結合使用，通過測量參考光束和干涉光束的光程差，最后算出回轉臺的運動誤差。Khan和Chen[9]提出一種利用球桿儀對轉臺運動誤差進行分離的思路,并進行了有益的嘗試。Tsutsumi和Saito[10]利用球桿儀對五軸聯動機床的多項誤差進行了分離。周玉清等人[11]提出一種旋轉軸與平移軸聯動誤差的快速測量方法。這些方法都能較好的標定出轉臺的運動誤差。

上述標定方法可以達到很高的精度，但都需要配備各種高精度儀器，成本較高，且都需要對各種儀器進行精確安裝。本文提出了一種基于光電自準直儀與多面棱體組合以及TESA電感測頭的組合的方法對轉臺的分度誤差以及跳動和偏擺等六項運動誤差進行檢測，簡便易行，實現了以較低的成本對轉臺運動誤差的高效高精度檢測。

1測量原理

轉臺轉動中，除了給定的轉角φ外，轉軸可能有沿x、y、z 三個方向的跳動誤差δx(φ)、δy(φ)和δz(φ)；以及繞x和y軸的偏擺誤差εx(φ)和εy(φ)。一般說，機床的精度比儀器低，同時由于工作條件差，精度容易損失，故需要對轉臺進行誤差補償。由于實時檢測比較困難，常采用非實時誤差補償的方法。圖1是測量軸系運動誤差的示意圖。測頭2、4沿轉臺x方向平行擺放，與標準棒沿x向的最外邊緣接觸，兩者之間間隔一定距離；測頭3、5沿y軸方向平行擺放，與標準棒沿y向的最外邊緣接觸，兩者之間間隔一定距離；測頭1沿z軸垂直向下擺放，與標準棒頂部中心接觸。測頭5、4、1分別測量轉臺沿x、y、z 三個方向的跳動誤差δx(φ)、δy(φ)和δz(φ)。轉臺繞x和y軸的偏擺誤差εx(φ)和εy(φ)分別由以下公式進行計算：

εx(φ)=(δxa(φ)-δxb(φ))/dx

(1)

εy(φ) =( δyc(φ) -δyd(φ))/dy

(2)

式中δxa(φ)表示測頭2的示值，δxb(φ)表示測頭4的示值，dx表示測頭2和測頭4之間的距離；δyc(φ)表示測頭3的示值，δyd(φ)表示測頭5的示值，dy表示測頭3和測頭5之間的距離。

測量dx、dy時，如果沒有剛好在測頭與標準棒接觸點進行測量，而是稍有偏離，則會產生測量誤差，最終導致算出的偏擺值偏大(或偏小)。

由于確定軸線方向和位置時是按其平均值認定的，所以為了得到各個運動誤差需要由在轉角φ處測得的值減去轉臺旋轉一周內各點測得的誤差的平均值。

圖1　測量轉臺運動誤差的示意圖

對于轉臺分度誤差的測量，使用如下的方法：如圖2所示，在標準棒上放置一個多面體，轉臺轉過一個多面體夾角φ，多面體隨轉臺同步轉過φ。準直光管檢測多面體反射面法線方向的變化，它給出轉臺的分度誤差。

如果多面棱體與轉臺偏心，則無法準確記錄轉臺的分度誤差，此時測得的分度誤差的大小會按照兩者偏心的大小變化呈一定的有規律的變化，存在一定的系統誤差，可以通過多次測量找出誤差變化的規律性，從而進行誤差補償。

圖2　測量轉臺分度誤差的示意圖

2實驗及結果分析

為了便于測量，在測量轉臺誤差前特地加工了一個高精度的圓盤。實驗之前首先將圓盤和轉臺固定在一起，然后將標準圓柱放到圓盤的中心，用游標卡尺或千分尺對標準圓柱進行定位。放好圓柱體之后便要開始測量了。本次實驗將二十四面棱鏡固定在標準圓柱體頂端的把手上，固定好24面棱鏡后，將光電自準直儀固定在三腳架上，并調平三腳架和光電自準直儀。

以單軸轉臺為測量對象，將標準棒固定在轉臺中心。通過TESA測頭監測，使標準棒的軸線調整到轉臺中心軸線重合。將24面棱體放置在標準棒上方，調整光電自準直儀，使24面棱體反射回的光投射到光電自準直儀的中心。將5個TESA電感測頭按圖1所示的位置進行安裝調整，并記錄相應的距離值。

讓轉臺每次轉過45°，分別記錄X、Y、Z方向的跳動和X、Y方向的偏擺和每個位置光電自準直儀的示值。圖3為實際測量Z方向跳動時的現場情況。

圖3　實際測量Z方向跳動現場圖

為了得到盡量準確的X、Y、Z 三個方向的跳動δx(φ)、δy(φ)和δz(φ)以及繞X和Y軸的偏擺εx(φ)和εy(φ)，和較準確地光電自準直儀示值從而對轉臺的分度誤差和運動誤差進行標定，本次實驗進行了三次獨立重復實驗，具體實驗結果如圖4~圖9所示。

圖4　三次標定X向偏擺示意圖

圖5　三次標定X向跳動示意圖

圖6　三次標定Y向偏擺示意圖

圖7　三次標定Y向跳動示意圖

圖8　三次標定Z向跳動示意圖

圖9　三次標定出的轉臺分度誤差示意圖

從以上圖表中的數據中可以看出，在此次實驗中，多次測量測得的沿x、y、z 三個方向的跳動誤差δx(φ)、δy(φ)和δz(φ)，繞x和y軸的偏擺誤差εx(φ)和εy(φ)以及轉臺的分度誤差的幅值和趨勢均一致，轉臺的分度誤差測量精度可達到2＂以內，轉臺跳動測量誤差小于3μm。通過光電自準直儀測得的轉臺分度誤差較小，且有較好的重復性，說明這種基于光電自準直儀的轉臺分度誤差測量方法準確可靠，有較高的精度。

實驗中可能帶來測量誤差的注意事項:

(1)圓盤與轉臺不是完全貼合，即圓盤可能沒有放平，轉動中圓盤出現晃動，則測得的轉臺Z向跳動可能會發生較大變化，從而存在較大誤差；

(2)光電自準直儀未擺放平整的或者是無關人員來回走動導致的震動帶來的偏差都會導致轉過的角度不均勻，故測得的X、Y方向的運動誤差會存在一定的隨機誤差；

(3)量塊沒有恰好平放在圓柱頂部把手的中間，從而量塊不能準確的傳遞轉臺的Z方向跳動，此時測得的Z向跳動存在隨機誤差；

(4)24面棱鏡和量塊沒有固定好，測量中發生移動，則此時測得的X、Y方向的運動誤差和Z方向的跳動均存在較大的隨機誤差。

3結束語

本文提出了一種簡便易行的轉臺運動誤差標定方法，通過光電自準直儀與多面棱體組合和多個TESA電感測頭組合，實現了轉臺分度誤差、跳動誤差與偏擺誤差的高效、高精度測量,所提出的方法操作簡單，易于安裝，對于其他運動機構軸線運動誤差的檢測，具有普遍的適用意義。

[參考文獻]

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(編輯李秀敏)

A Calibration Method of One of The Motion Error of Turntable Based on Laser Collimator

YU Zhen, LIU Shu-gui, ZHANG Hai-tao

(State Key Laboratory of precision Measuring Technology & Instrument, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Abstract：In order to face the need of measuring the six motion error of the turntable, a simple measure method was designed in this paper. Realizing the accurate measurement of the five motion error of turntable, such as the beat ofx,y,zthree directions and the yaws ofx,yaxis, combined with the use of TESA probe, and realizing the accurate measurement of the indexing error of the turntable by combining laser autocollimator and multi-faceted prism. Results have shown that this method is simple, reliable, and low cost. In the process of repeated measurements, the measurement accuracy of the indexing error of the turntable can be reached less than 2 seconds and the measurement errors of the turntable beat were less than 3 microns. At the same time,the measurement error of each measuring point is generally controlled in less than 1%.

Key words：laser collimator; twenty-four prim; TESA probe; error calibration

文章編號：1001-2265(2016)01-0089-05

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.01.025

中圖分類號：TH161;TG65

文獻標識碼：A

作者簡介：于振(1989—)男，山東青島人，天津大學碩士研究生，研究方向是智能坐標測量的標定及機器視覺，(E-mail)solseagull@163.com；劉書桂(1954—)，男，湖南華容縣人，天津大學教授，博士生導師，工學博士，研究方向為智能坐標測量技術、自動測量與控制技術、傳感與信息處理技術，(E-mail)sgliu@tju.edu.cn。

收稿日期：2015-08-26；修回日期：2015-09-30