本发明公开了一种小行程、高精度的两轴联动误差测量系统及控制方法，采用两个激光干涉仪，并将两个激光干涉仪分别平行于两个垂直安置的被测微进给滑台坐标轴安置，同步采集两轴联动过程中的全部测量数据。将实际测量获得的两轴联动轨迹形成的圆和轴线与理想圆和轴线进行比较，采用最小二乘法求解两联动轴轴线的垂直度误差和圆度误差，以评价两轴的联动精度；并以不同温度和速度条件下单轴误差测量数据、两轴联动误差测量数据为基础，基于因子分解机算法优化计算相关行程范围的误差补偿值，以实现极高的精度控制目标。解决了现有球杆仪不能用于小行程范围内的两轴联动误差测量与精度控制难题。
1.一种小行程、高精度的两轴联动误差测量系统，其特征在于：包括X方向激光发射及探测器(1)、Y方向激光发射及探测器(2)、Y方向分光镜(3)、X方向分光镜(4)、Y方向微进给滑台(9)、X方向微进给滑台(10)、Y方向移动反射镜(11)和X方向移动反射镜(12)，所述Y方向微进给滑台(9)与所述X方向微进给滑台(10)垂直连接，所述Y方向微进给滑台(9)能够在所述X方向微进给滑台(10)上沿X方向移动，所述X方向微进给滑台(10)固定于地面上，所述X方向微进给滑台(10)能够在地面上沿Y方向移动，所述Y方向移动反射镜(11)固定于所述Y方向微进给滑台(9)上，所述X方向移动反射镜(12)固定设置于所述X方向微进给滑台(10)上，所述X方向激光发射及探测器(1)的发射接收端正对所述Y方向移动反射镜(11)，所述Y方向激光发射及探测器(2)的发射接收端正对所述X方向移动反射镜(12)，所述Y方向分光镜(3)位于所述Y方向激光发射及探测器(2)与所述X方向移动反射镜(12)之间的光路上，所述X方向分光镜(4)位于所述X方向激光发射及探测器(1)与所述Y方向移动反射镜(11)之间的光路上；
所述小行程、高精度的两轴联动误差测量控制系统，同步采集Y方向微进给滑台(9)和X方向微进给滑台(10)构成的两轴联动过程中的相关测量数据，将实际测量获得的两轴联动轨迹形成的圆和轴线与理想圆和轴线进行比较，并采用最小二乘法求解X、Y两轴联动轴心线的垂直度误差和圆度误差，以评价两轴的联动精度；
设置多种加工目标和工作环境，包括不同加工对象、精度目标、速度目标、工作温度，获取单轴运动数据、两轴联动数据，基于因子分解机算法，优化计算并完成全行程相关点的补偿方法；
所述补偿方法中构建误差补偿值预测模型，设特征向量zi及其对应的目标δ(i)；设特征向量的特征、滑台的坐标信息、运动情况和目标值，即误差补偿值，对于给定的一组样本数据集，其计算模型如公式(1)所示：其中，n为特征数量，zi为第i个特征的值；采用随机梯度下降法学习并估计参数w0、w和V；其中，
2.根据权利要求1所述的小行程、高精度的两轴联动误差测量系统，其特征在于：所述Y方向分光镜(3)上固定设置有X方向第一反光镜(5)和X方向第二反光镜(6)。
3.根据权利要求1所述的小行程、高精度的两轴联动误差测量系统，其特征在于：所属X方向分光镜(4)上固定设置有Y方向第一反光镜(7)和Y方向第二反光镜(8)。
4.根据权利要求1所述的小行程、高精度的两轴联动误差测量系统，其特征在于：所属Y方向微进给滑台(9)上固定设置有大气温度补偿传感器(14)。
5.根据权利要求1所述的小行程、高精度的两轴联动误差测量系统，其特征在于：所属Y方向微进给滑台(9)上固定设置有材料温度补偿传感器(13)。
6.一种如权利要求1所述的小行程、高精度的两轴联动误差测量控制方法，其特征在于：同步采集Y方向微进给滑台(9)和X方向微进给滑台(10)构成的两轴联动过程中的相关测量数据，将实际测量获得的两轴联动轨迹形成的圆和轴线与理想圆和轴线进行比较，并采用最小二乘法求解X、Y两轴联动轴心线的垂直度误差和圆度误差，以评价两轴的联动精度。
7.根据权利要求6所述的小行程、高精度的两轴联动误差测量控制方法，其特征在于：
设置多种加工目标和工作环境，包括不同加工对象、精度目标、速度目标、工作温度，获取单轴运动数据、两轴联动数据，基于因子分解机算法，优化计算并完成全行程相关点的补偿方法。
8.根据权利要求7所述的小行程、高精度的两轴联动误差测量控制方法，其特征在于：
所述补偿方法中构建误差补偿值预测模型，设特征向量z(i)及其对应的目标δ(i)；设特征向量的特征、滑台的坐标信息、运动情况和目标值，即误差补偿值，对于给定的一组样本数据集，其计算模型如公式(1)所示：其中，n为特征数量，zi为第i个特征的值；采用随机梯度下降法学习并估计参数w0、w和V；其中，
一种小行程、高精度的两轴联动误差测量系统及控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及适应于超精密小行程的数控机床的精度测量领域，尤其涉及一种小行程、高精度的两轴联动误差测量系统及控制方法。
背景技术
[0002] 精密、超精密加工作为现代制造业的技术竞争的关键领域，而为了保证加工精度，进给机构的运动精度将直接响加工工件精度。20世纪80年代初以来，为了快速对机床精度进行评定，国内外学者进行了不懈的努力，开发并逐渐完善了一种机床精度的综合测量评定方法——圆测法。通过让机床走圆轨迹来对机床的轮廓加工精度进行评价。借助于标准参考物或简单的测量仪器来获得机床两轴联动圆轨迹的综合信息，然后通过理论分析得到机床的相关误差，为机床的精度诊断以及机床的误差补偿提供支持。由于在圆运动轨迹测试中，机床单根轴经过了换向、低速、变速等过程，因此，检测机床圆运动的轨迹精度不仅可以获得与机床的几何精度、位置误差、重复精度有关的信息，还可以获得与进给速度和伺服控制系统有关的动态误差分量的信息，包括机床爬行、标尺误差、反向间隙、伺服增益不匹配及由于伺服响应滞后引起的误差等。而这些故障或者是误差源都能使本该是一真圆的理想圆图像发生畸变，典型的精度异常或者故障通常有与之对应的典型圆图像。因此，机床的圆轨迹运动精度能全面地反映出机床的加工性能及误差。根据这些误差信号可以对机床进行补偿，从而提高机床的运动精度和加工精度。
[0003] 目前常见或典型的圆测法有：圆盘法、球杆仪法、正交光栅测量法。
[0004] 1)圆盘法
[0005] 两轴联动测试方法有瑞士Knappw提出的圆盘法通过已经标定的高精度标准圆盘，获得机床相对圆盘的径向误差值，做出机床误差圆轨迹图像。该方法受到标准圆盘精度、测头与圆盘的摩擦引起的振动、测头球端的形状误差、位移计各向灵敏度差异等影响，测量精度不高。
[0006] 2)球杆仪法
[0007] 球杆仪作为两轴联动插补精度最为普遍的测试仪器，通过测量固定直径的圆来获取两轴插补精度的大小，但一般具有测量范围的限制。如雷尼绍的QC20‑W无线球杆仪，其最小测量范围是直径为200mm的圆。通过增加测小圆的附件，可测的最小圆直径为60mm。
[0008] 3)正交光栅测量法
[0009] 德国Heidenhain公司发明的平面正交光栅(Cross Grid Encode)测量法(简称KGM)，该方法的测量精度高，读数分辨率可达5nm。但该方法中的平面光栅制造困难、造价极高，不利于普及应用。
[0010] 对比相关产品为雷尼绍的QC20‑W球杆仪系统。雷尼绍是世界领先的工程科技公司之一，在精密测量和医疗保健领域拥有专业技术，其提供的最新产品QC20‑W无线球杆仪系统，是与本专利要求的两轴联动误差测量及补偿方法相接近的产品，其可测量的最小直径为60mm，而本专利涉及的超小行程指的是，超高精度运动轴的最大工作行程仅为50mm。因此，雷尼绍球杆仪不能满足本专利所及运动轴误差测量与补偿的基本要求。
发明内容
[0011] 本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种小行程、高精度的两轴联动误差测量系统及控制方法。
[0012] 本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
[0013] 本发明包括X方向激光发射及探测器、Y方向激光发射及探测器、Y方向分光镜、X方向分光镜、Y方向微进给滑台、X方向微进给滑台、Y方向移动反射镜和X方向移动反射镜，所述Y方向微进给滑台与所述X方向微进给滑台垂直连接，所述Y方向微进给滑台能够在所述X方向微进给滑台上沿X方向移动，所述X方向微进给滑台固定于地面上，所述X方向微进给滑台能够在地面上沿Y方向移动，所述Y方向移动反射镜固定于所述Y方向微进给滑台上，所述X方向移动反射镜固定设置于所述X方向微进给滑台上，所述X方向激光发射及探测器的发射接收端正对所述Y方向移动反射镜，所述Y方向激光发射及探测器的发射接收端正对所述X方向移动反射镜，所述Y方向分光镜位于所述Y方向激光发射及探测器与所述X方向移动反射镜之间的光路上，所述X方向分光镜位于所述X方向激光发射及探测器与所述Y方向移动反射镜之间的光路上。
[0014] 进一步，所述Y方向分光镜上固定设置有X方向第一反光镜和X方向第二反光镜。
[0015] 进一步，所属X方向分光镜上固定设置有Y方向第一反光镜和Y方向第二反光镜。
[0016] 进一步，所属Y方向微进给滑台上固定设置有大气温度补偿传感器。
[0017] 进一步，所属Y方向微进给滑台上固定设置有材料温度补偿传感器。
[0018] 本发明一种如权力要求所述的小行程、高精度的两轴联动误差测量控制方法：同步采集Y方向微进给滑台和X方向微进给滑台构成的两轴联动过程中的相关测量数据，将实际测量获得的两轴联动轨迹形成的圆、圆柱和轴心线与理想圆、圆柱和轴线进行比较，并采用最小二乘法求解圆度、圆柱度，以及两轴线的垂直度误差，以评价两轴的联动精度。
[0019] 设置多种加工目标和工作环境，包括不同加工对象、精度目标、速度目标、工作温度，获取单轴运动数据、两轴联动数据，基于因子分解机算法，优化计算并完成全行程相关点的补偿方法。
[0020] 所述补偿方法中构建误差补偿值预测模型，设特征向量zi及其对应的目标δ(i)；设特征向量的特征、滑台的坐标信息、运动情况和目标值，即误差补偿值，对于给定的一组样本数据集，其计算模型如公式(1)所示：
[0021]
[0022] 其中，n为特征数量，zi为第i个特征的值；采用随机梯度下降法学习并估计参数w0、w和V；其中，
[0023] 本发明的有益效果在于：
[0024] 本发明是一种小行程、高精度的两轴联动误差测量系统及控制方法，与现有技术相比，本发明解决了现有球杆仪不能用于小行程范围内的两轴联动误差测量与精度控制难题，具有推广应用的价值。
附图说明
[0025] 图1是本发明测量系统的基本组成示意图；
[0026] 图2是本发明在指定区域内进行多次测量原理图。
具体实施方式
[0027] 下面结合附图对本发明作进一步说明：
[0028] 如图1所示：一种小行程、高精度的两轴联动误差测量系统，包括X方向激光发射及探测器1、Y方向激光发射及探测器2、Y方向分光镜3、X方向分光镜4、Y方向微进给滑台9、X方向微进给滑台10、Y方向移动反射镜11和X方向移动反射镜12，所述Y方向微进给滑台9与所述X方向微进给滑台10垂直连接，所述Y方向微进给滑台9能够在所述X方向微进给滑台10上沿X方向移动，所述X方向微进给滑台10固定于地面上，所述X方向微进给滑台10能够在地面上沿Y方向移动，所述Y方向移动反射镜11固定于所述Y方向微进给滑台9上，所述X方向移动反射镜12固定设置于所述X方向微进给滑台10上，所述X方向激光发射及探测器1的发射接收端正对所述Y方向移动反射镜11，所述Y方向激光发射及探测器2的发射接收端正对所述X方向移动反射镜12，所述Y方向分光镜3位于所述Y方向激光发射及探测器2与所述X方向移动反射镜12之间的光路上，所述X方向分光镜4位于所述X方向激光发射及探测器1与所述Y方向移动反射镜11之间的光路上。
[0029] 所述Y方向分光镜3上固定设置有X方向第一反光镜5和X方向第二反光镜6。所属X方向分光镜4上固定设置有Y方向第一反光镜7和Y方向第二反光镜8。
[0030] 所属Y方向微进给滑台9上固定设置有大气温度补偿传感器14。
[0031] 所属Y方向微进给滑台9上固定设置有材料温度补偿传感器13。
[0032] 如图2所示：所述的小行程、高精度的两轴联动误差测量控制方法，其特征在于：同步采集Y方向微进给滑台9和X方向微进给滑台10构成的两轴联动过程中的相关测量数据，将实际测量获得的两轴联动轨迹形成的圆和轴线与理想圆和轴线进行比较，并采用最小二乘法求解X、Y两轴联动时的轴心线垂直度误差和圆度误差，以评价两轴的联动精度。
[0033] 设置多种加工目标和工作环境，包括不同加工对象、精度目标、速度目标、工作温度，获取单轴运动数据、两轴联动数据，基于因子分解机算法，优化计算并完成全行程相关点的补偿方法。
[0034] 所述补偿方法中构建误差补偿值预测模型，设特征向量zi及其对应的目标δ(i)；设特征向量的特征、滑台的坐标信息、运动情况和目标值，即误差补偿值，对于给定的一组样本数据集，其计算模型如公式(1)所示：
[0035]
[0036] 其中，n为特征数量，zi为第i个特征的值；采用随机梯度下降法学习并估计参数w0、w和V；其中，
[0037] 本发明实施时的案例，测量仪器分别为Renishaw XL 80和ML 10激光干涉仪。运动精度测量时的插补圆直径为5mm，其理论测量误差为0.026μm。
[0038] 为了保证测量精度，测量实验在恒温恒湿的环境下进行，激光干涉仪测试得到的环境参数为：空气温度为19.20℃，材料温度为20.63℃，空气相对湿度为62.86％，大气压力101.372kPa。测量时，Z轴负载了主轴及其夹持机构且使主轴保持静止；X轴负载工件及其夹具；进给速度均为5mm/min。测量圆直径为5mm，每10°测量一次，共测量37个点坐标值，实验采用的数控机床、测量用的仪器和传感器等。测试结果为两联动轴的垂直度误差为0.379μm，圆度误差为2.209μm。
[0039] 以不同工况下测量得到的单轴运动误差测量数据和联动误差测量数据作为学习样本，采用基于因子分解机的精度控制方法预测竖直静压滑台Z轴和水平滑台X轴在现有工作环境、进给速度为f＝5mm/min时的误差补偿值。其中，样本的量级为500左右，选择向量维度k＝3。
[0040] 再次测量补偿后的两轴联动的圆度误差和垂直度误差，测试结果为两联动轴的垂直度误差为0.151μm，圆度误差为0.439μm。采用基于因子分解机的精度控制方法，使两轴联动的圆度误差和垂直度误差仅为不用此精度控制方法的39.8％和19.9％，即补偿后有效地提高了两联动轴的垂直度精度和圆度精度。
[0041] 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
