用Renishaw检查规进行三坐标测量机几何误差检测的研究

　　1.引言

　　三坐际测量机与数控机床的整体精度水平是产品加工质量的保障。因此，坐标测量机与数控机床的误差检测吸引着国内、外许多专家的注意坐标测量机与机床的21项几何误差分为四类，即位置误差、直线度误差、角运动误差和垂直度误差，常见的测量方法是采用双频激光干涉仪、电子水平仪对测量机的各个单项误差逐一进行测量。这种方法精度很高，但测量时间较长，劳动强度大，对操作者的技术要求较高，而且设备昂贵。因此，研究一种能够快速、准确、方便地检测出坐标机与机床误差从而进行补偿的方法具有十分重要的意义。

　　本文在对坐标测量机的空间误差、各项几何误差进行了系统的研究后，提出了使用Renishaw检查规进行坐标测量机误差检测的方法。本文详细阐述一r在XY平面进行误差分解的过程，在YZ, XZ平面上进行类似的处理，可以得到影响坐标机精度的所有几何误差。该方法以一台三坐标测量机为研究对象，同样适用于机床。

　　三坐标测量机由相互垂直的三个轴组成，各轴由滑块一导轨系统实现直线运动。滑块除轴向外的其余五个自由度被限制，但由于存在着制造误差，在这五个方向上滑块仍然有微小位移(角位移和线位移)。同时沿轴向运动时还有定位误差。这样，坐标机的一根轴上有六项误差，加上由于装配等因素造成的三个轴之间的垂直度误差，共有21项几何误差。在工作空间内任一点处，三坐标测量机的空间误差模型为

　　式(1)中， δv(u)表示沿u轴运动在v向的线位移误差;εv(u)表示沿u轴运动绕v轴的角运动误差;u,v分别代表x,y,z; xt,yt,zt，分别为测头接长杆在x,y,z方向的长度。

　　由式(1)可见，空间误差为21项几何误差综合作用的结果。进行误差检测的第一步是得到测量位置的空间误差值，然后，通过一定的数学处理方法，分离出各个几何误差。

　　2几何误差的测量原理

　　根据各项几何误差的性质，我们将各轴几何误差都用关于各轴坐标的二阶多项式表达，其中直线度误差的一阶系数为零。例如:

　　式(2)中avu1、avu2分别表示线位移误差δv(u)的一次、二次系数;

　　式(3)中bvu1、bvu2分别表示角运动误差。 εv(u)的一次、二次系数。

　　垂直度误差与坐标无关，是未知常数。这样21项误差共有33个待定系数。求取21项误差的过程就是确定各个系数的过程。

　　2.1 Renishaw检查规的工作原理

　　Renishaw检查规是一种测量机床精度的标准仪器。其工作原理如图1所示。基座安装在工作台上。测杆一端通过三个精密钢球架支撑在基座顶端的精密红宝石球上，形成一精密轴承。测杆另一端固定一精密球，并通过测量叉与探针形成另一个动态精密轴承。两个精密轴承间距离为测量标准Ro。测杆在探针的带动下可以在水平360 0，垂直士45 0范围内精确旋转，形成一标准圆弧。测杆由特殊材料制成，重量轻、刚度高、热膨胀系数小，杆长R。已进行精密标定。Renishaw检查规可作为高精度测量的基准。