CN101913103B - 数控机床回转工作台转角误差测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数控机床回转工作台转角误差测量方法，首先定义数控回转工作台绕X轴与Z轴的转角误差，用高精度的标准球作为测量基准，标准球由底座托架支撑，固定在工作台上，通过测量标准球的空间位置来确定数控回转工作台的实际运动轨迹，求出数控回转工作台绕X轴与Z轴的转角误差。本发明利用标准球及红外线三维工件测头组成测量***，根据标准球运动位置的检测，反求出数控回转工作台圆心位置以及转角误差，为回转工作台的转角误差补偿提供了依据。

Description

数控机床回转工作台转角误差测量方法

技术领域

本发明涉及一种数控机床回转工作台转角误差检测方法，尤其是一种用于五轴联动机床数控机床回转工作台转角误差测量方法。

背景技术

数控机床回转工作台是应用于五轴联动机床的关键部件，回转工作台回转运动的位置精度是决定工件位置基准、运动基准的关键影响因素，因此数控机床回转工作台转角误差检测技术对机床加工精度的保证至关重要，是高精度机床必须要解决的关键技术。目前，还没有一种数控机床回转工作台转角误差精确测量方法。

发明内容

本发明是要提供一种数控机床回转工作台转角误差测量方法，该方法利用标准球及红外线三维工件测头组成测量***，根据标准球运动位置的检测，反求出数控机床回转工作台圆心位置以及转角误差，为回转工作台的转角误差补偿提供依据。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种数控机床回转工作台转角误差测量方法，包括下述步骤：

1.定义数控机床回转工作台绕X轴与Z轴的转角误差

δ_X(θ_i)＝θ_i-θ_i′    (1)

δ_Z(θ_j)＝θ_j-θ_j′    (2)

式中θ_i，θ_j分别为绕X轴与Z轴旋转的实际测量转角值，θ_i′，θ_j′分别为绕X轴与Z轴旋转的名义转角值；

2.测量和求出数控机床回转工作台绕X轴与Z轴的转角误差

用高精度的标准球作为测量基准，标准球由底座托架支撑，固定在工作台上，通过测量标准球的空间位置来确定数控机床回转工作台的实际运动轨迹，求出数控机床回转工作台绕X轴与Z轴的转角误差。

具体的测量方法：将一个标准球通过底座固定在工作台上，分别控制数控机床回转工作台转位驱动伺服电机与转角驱动伺服电机，使数控机床回转工作台分别围绕X轴与Z轴做两自由度的回转运动，并将红外线三维工件测头安装在数控机床主轴上，用以测量标准球的球心运动轨迹位置坐标，并求出数控机床回转工作台的转角误差；

数控机床回转工作台绕Z轴转角误差测量：

转位驱动伺服电机将数控机床回转工作台固定在距水平面某一转角位置φ，然后控制转角驱动伺服电机驱动数控机床回转工作台绕Z轴旋转，使其分别转动ψ₁，ψ₂，…，ψ_n角度，并测量数控机床回转工作台上标准球的球心空间坐标(X_ψ1，Y_ψ1，Z_ψ1)，(X_ψ2，Y_ψ2，Z_ψ2)，…，(X_ψn，Y_ψn，Z_ψn)，为了方便计算数控机床回转工作台的转角，通过坐标变换方法，计算数控机床回转工作台绕X轴-φ角度，在其旋转至φ＝0°的平面位置，定义坐标系X′OY′，并将标准球的球心空间坐标(X_ψ1，Y_ψ1，Z_ψ1)，(X_ψ2，Y_ψ2，Z_ψ2)，…，(X_ψn，Y_ψn，Z_ψn)转换到坐标系X′OY′上的坐标(X_ψ1′，Y_ψ1′，Z_ψ1′)，(X_ψ2′，Y_ψ2′，Z_ψ2′)，…，(X_ψn′，Y_ψn′，Z_ψn′)，其中

X_ψi′＝X_ψi                   (3)

Y_ψi′＝Y_ψicos-Z_ψisinφ      (4)

Z_ψi′＝Y_ψisinφ+Z_ψicosφ    (5)

式中i＝1，2，…，n，通过式(3)-式(5)将标准球的球心位置坐标由坐标系XOY转换至X′OY′；标准球球心点(X_ψi′，Y_ψi′，Z_ψi′)与点(X_ψj′，Y_ψj′，Z_ψj′)之间绕Z轴的转角θ_ij由式(6)求得：

$\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}}=\frac{{Y_{\mathrm{\ψj}}}^{\′}-{Y_{\mathrm{\ψi}}}^{\′}}{R}---\left(6\right)$

式中的R为球心距离回转工作台回转轴线Z轴的距离，标准球球心轨迹的圆方程表示为：

(X′-X₀′)²+(Y′-Y₀′)²＝R²    (7)

将三个球心的坐标值(X_ψi′，Y_ψi′)，(X_ψj′，Y_ψj′)，(X_ψk′，Y_ψk′)代入式(7)，求出球心轨迹的圆心坐标(X₀′，Y₀′)以及球心距离回转工作台的回转轴线的距离R，将R代入式(6)，求得点(X_ψi′，Y_ψi′，Z_ψi′)与点(X_ψj′，Y_ψj′，Z_{ψ j}′)之间的转角θ_ij，根据该角度的名义值θ_ij′并由式(1)计算得到转角误差δ_Z(θ_ij)；同理，获得其它位置的转角误差；

数控机床回转工作台绕X轴转角误差的测量：

设数控机床回转工作台绕X轴测量转角误差时，在数控机床回转工作台绕X轴的转动范围内控制转位驱动伺服电机，使其分别转动φ₁，φ₂，…，φ_m角度，并测量数控机床回转工作台上标准球的球心空间坐标(X_φ1，Y_φ1，Z_φ1)，(X_φ2，Y_{φ 2}，Z_φ2)，…，(X_φm，Y_φm，Z_φm)，计算标准球球心空间坐标(X_φ1，Y_φ1，Z_φ1)，(X_{φ 2}，Y_φ2，Z_φ2)，…，(X_φm，Y_φm，Z_φm)投影至YOZ平面的坐标值为：(O，Y_φ1，Z_φ1)，(O，Y_φ2，Z_φ2)，…，(O，Y_φm，Z_φm)；按式(8)求出数控机床回转工作台上标准球球心空间坐标(O，Y_φi，Z_φi)与(O，Y_φj，Z_φj)之间的夹角φ_ij；

$\cos {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ij}}=\frac{b^2+c^2-a^2}{2\mathrm{bc}}---\left(8\right)$

其中，数控机床回转工作台绕X轴摆动几何关系：

$a=\sqrt{{(Y_{\mathrm{\φi}}-Y_{\mathrm{\φj}})}^2+{(Z_{\mathrm{\φi}}-Z_{\mathrm{\φj}})}^2}$

$b=\sqrt{{Y_{\mathrm{\φi}}}^2+{Z_{\mathrm{\φi}}}^2}---\left(9\right)$

$c=\sqrt{{Y_{\mathrm{\φj}}}^2+{Z_{\mathrm{\φj}}}^2}$

根据式(8)和式(9)，由数控机床回转工作台上标准球的球心空间坐标值，求得数控机床回转工作台绕X轴的转动角度φ_ij，并根据该角度的名义值φ_ij′并由式(1)计算得到转角误差δ_X(φ_ij)。

本发明的有益效果是：数控机床回转工作台是应用于五轴联动机床的关键部件，回转工作台回转运动的位置精度是决定工件位置基准、运动基准的关键影响因素，因此数控机床回转工作台转角误差检测技术对机床加工精度的保证至关重要，是高精度机床必须要解决的关键技术。本发明利用标准球及红外线三维工件测头组成测量***，根据标准球运动位置的检测，反求出数控机床回转工作台圆心位置以及转角误差，为回转工作台的转角误差补偿提供了依据。

附图说明

图1是两自由度数控机床回转工作台的工作原理图；

图2是标准球位置示意图；

图3是标准球测量轨迹示意图；

图4是标准球初始位置示意图；

图5是数控机床回转工作台绕X轴摆动几何关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

1.数控机床回转工作台转角误差测量方法

两自由度数控机床回转工作台的原理图如图1所示。根据工件加工的需要，数控机床回转工作台由转位驱动伺服电机与转角驱动伺服电机驱动，分别围绕X轴与Z轴做两自由度的回转运动。而数控机床回转工作台的转角误差是回转工作台***特性的重要指标，也直接决定着数控加工中心的加工精度。数控机床回转工作台绕X轴与Z轴的转角误差分别定义为：

δ_X(θ_i)＝θ_i-θ_i′    (1)

δ_Z(θ_j)＝θ_j-θ_j′    (2)

式中θ_i，θ_j分别为绕X轴与Z轴旋转的实际测量转角值，θ_i′，θ_j′分别为绕X轴与Z轴旋转的名义转角值。

为了测量数控机床回转工作台的转角误差，本发明采用高精度的标准球作为测量基准，标准球由底座托架支撑，固定在工作台上，通过测量标准球的空间位置来确定数控机床回转工作台的实际运动轨迹，以此方法求出数控机床回转工作台的转角误差。

具体的测量方案如下：将一个标准球通过底座固定在工作台上，如图2所示。分别控制数控机床回转工作台转位驱动伺服电机与转角驱动伺服电机，使数控机床回转工作台分别围绕X轴与Z轴做两自由度的回转运动。并将红外线三维工件测头安装在数控机床主轴上，用以测量标准球的球心运动轨迹位置坐标，并求出数控机床回转工作台的转角误差。以下分别叙述数控机床回转工作台绕Z轴转角误差以及绕X轴转角误差的测量方法。

2.数控机床回转工作台绕Z轴转角误差的测量方法

转位驱动伺服电机将数控机床回转工作台固定在距水平面某一转角位置φ，然后控制转角驱动伺服电机驱动数控机床回转工作台绕Z轴旋转，如图3所示，使其分别转动ψ₁，ψ₂，…，ψ_n角度，并测量数控机床回转工作台上标准球的球心空间坐标(X_ψ1，Y_ψ1，Z_ψ1)，(X_ψ2，Y_ψ2，Z_ψ2)，…，(X_ψn，Y_ψn，Z_ψn)。为了方便计算数控机床回转工作台的转角，通过坐标变换方法，计算数控机床回转工作台绕X轴-φ角度，在其旋转至φ＝0°的平面位置，定义坐标系X′OY′，并将标准球的球心空间坐标(X_ψ1，Y_ψ1，Z_ψ1)，(X_ψ2，Y_ψ2，Z_ψ2)，…，(X_ψn，Y_ψn，Z_ψn)转换到坐标系X′OY′上的坐标(X_ψ1′，Y_ψ1′，Z_ψ1′)，(X_ψ2′，Y_ψ2′，Z_ψ2′)，…，(X_ψn′，Y_ψn′，Z_ψn′)。其中

X_ψi′＝X_ψi                   (3)

Y_ψi′＝Y_ψicosφ-Z_ψisinφ    (4)

Z_ψi′＝Y_ψisinφ+Z_ψicosφ    (5)

式中i＝1，2，…，n。通过式(3)-式(5)即可将标准球的球心位置坐标由坐标系XOY转换至X′OY′。

标准球球心点(X_ψi′，Y_ψi′，Z_ψi′)与点(X_ψj′，Y_ψj′，Z_ψj′)之间绕Z轴的转角θ_ij可由下式求得：

$\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}}=\frac{{Y_{\mathrm{\ψj}}}^{\′}-{Y_{\mathrm{\ψi}}}^{\′}}{R}---\left(6\right)$

式中的R为球心距离回转工作台回转轴线Z轴的距离，其值可以通过三个

球心的坐标值求得。标准球球心轨迹的圆方程可表示为：

(X′-X₀′)²+(Y′-Y₀′)²＝R²    (7)

式中(X₀′，Y₀′)为球心轨迹的圆心坐标。将三个球心的坐标值(X_ψi′，Y_ψi′)，(X_ψj′，Y_ψj′)，(X_ψk′，Y_ψk′)代入式(7)，即可求出球心轨迹的圆心坐标(X₀′，Y₀′)以及球心距离回转工作台的回转轴线的距离R，将R代入式(6)，即可求得点(X_ψi，Y_ψi′，Z_ψi′)与点(X_ψj′，Y_ψj′，Z_ψj′)之间的转角θ_ij，根据该角度的名义值θ_ij′并由式(1)计算得到转角误差δ_Z(θ_ij)。同理，可获得其它位置的转角误差。

3.数控机床回转工作台绕X轴转角误差的测量方法

设数控机床回转工作台绕X轴测量转角误差时，标准球的位置A如图4所示，数控机床回转工作台绕X轴的转动(摆动)有一定的范围，在其范围内控制转位驱动伺服电机，使其分别转动φ₁，φ₂，…，φ_m角度，并测量数控机床回转工作台上标准球的球心空间坐标(X_φ1，Y_φ1，Z_φ1)，(X_φ2，Y_φ2，Z_φ2)，…，(X_{φ m}，Y_φm，Z_φm)。为了方便计算数控机床回转工作台绕X轴的转角，计算标准球球心空间坐标(X_φ1，Y_φ1，Z_φ1)，(X_φ2，Y_φ2，Z_φ2)，…，(X_φm，Y_φm，Z_φm)投影至YOZ平面的坐标值为：(O，Y_φ1，Z_φ1)，(O，Y_φ2，Z_φ2)，…，(O，Y_φm，Z_φm)。

图5示出数控机床回转工作台绕X轴摆动几何关系示意图，根据图示几何关系，可求出数控机床回转工作台上标准球球心空间坐标(O，Y_φi，Z_φi)与(O，Y_φj，Z_φj)之间的夹角φ_ij的计算公式：

$\cos {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ij}}=\frac{b^2+c^2-a^2}{2\mathrm{bc}}---\left(8\right)$

其中，数控机床回转工作台绕X轴摆动几何关系：

$a=\sqrt{{(Y_{\mathrm{\φi}}-Y_{\mathrm{\φj}})}^2+{(Z_{\mathrm{\φi}}-Z_{\mathrm{\φj}})}^2}$ (9)

$b=\sqrt{{Y_{\mathrm{\φi}}}^2+{Z_{\mathrm{\φi}}}^2}$

$c=\sqrt{{Y_{\mathrm{\φj}}}^2+{Z_{\mathrm{\φj}}}^2}$

根据式(8)和式(9)，由数控机床回转工作台上标准球的球心空间坐标值，即可求得数控机床回转工作台绕X轴的转动角度φ_ij，并根据该角度的名义值φ_ij′并由式(1)计算得到转角误差δ_X(φ_ij)。

Claims (1)

1.一种数控机床回转工作台转角误差测量方法，包括下述步骤：

一、定义数控机床回转工作台绕X轴与Z轴的转角误差

δ_X(θ_i)＝θ_i-θ_i′            (1)

δ_Z(θ_j)＝θ_j-θ_j′            (2)

式中θ_i，θ_j分别为绕X轴与Z轴旋转的实际测量转角值，θ_i′，θ_j′分别为绕X轴与Z轴旋转的名义转角值；

二、测量和求出数控机床回转工作台绕X轴与Z轴的转角误差

用高精度的标准球作为测量基准，标准球由底座托架支撑，固定在工作台上，通过测量标准球的空间位置来确定数控机床回转工作台的实际运动轨迹，求出数控机床回转工作台绕X轴与Z轴的转角误差，所述测量和求出数控机床回转工作台绕X轴与Z轴的转角误差具体测量方法是：将一个标准球通过底座固定在工作台上，分别控制数控机床回转工作台转位驱动伺服电机与转角驱动伺服电机，使数控机床回转工作台分别围绕X轴与Z轴做两自由度的回转运动，并将红外线三维工件测头安装在数控机床主轴上，用以测量标准球的球心运动轨迹位置坐标，并求出数控机床回转工作台的转角误差，其特征在于：

所述数控机床回转工作台绕Z轴转角误差具体测量方法是：

转位驱动伺服电机将数控机床回转工作台固定在距水平面某一转角位置φ，然后控制转角驱动伺服电机驱动数控机床回转工作台绕Z轴旋转，使其分别转动ψ₁，ψ₂，…，ψ_n角度，并测量数控机床回转工作台上标准球的球心空间坐标(X_ψ1，Y_ψ1，Z_ψ1)，(X_ψ2，Y_ψ2，Z_ψ2)，…，(X_ψn，Y_ψn，Z_ψn)，为了方便计算数控机床回转工作台的转角，通过坐标变换方法，计算数控机床回转工作台绕X轴的转角φ，在其旋转至φ＝0°的平面位置，定义坐标系X′OY′，并将标准球的球心空间坐标(X_ψ1，Y_ψ1，Z_ψ1)，(X_ψ2，Y_ψ2，Z_ψ2)，…，(X_ψn，Y_ψn，Z_ψn)转换到坐标系X′OY′上的坐标(X_ψ1′，Y_ψ1′，Z_ψ1′)，(X_ψ2′，Y_ψ2′，Z_ψ2′)，…，(X_ψn′，Y_ψn′，Z_ψn′)，其中

X_ψi′＝X_ψi            (3)

Y_ψi′＝Y_ψicosφ-Z_ψisinφ                     (4)

Z_ψi′＝Y_ψisinφ+Z_ψicosφ                     (5)

式中i＝1，2，…，n，通过式3-式5将标准球的球心位置坐标由坐标系XOY转换至X′OY′；标准球球心点(X_ψi′，Y_ψi′，Z_ψi  )与点(X_ψj′，Y_ψj′，Z_ψj′)之间绕Z轴的转角θ_ij由式6求得：

${\sin \mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}}=\frac{{Y_{\mathrm{\ψj}}}^{\′}-{Y_{\mathrm{\ψi}}}^{\′}}{R}---\left(6\right)$

式中的R为球心距离回转工作台回转轴线Z轴的距离，标准球球心轨迹的圆方程表示为：

(X′-X₀′)²+(Y′-Y₀′)²＝R²                     (7)

将三个球心的坐标值(X_ψi′，Y_ψi′)，(X_ψj′，Y_ψj′)，(X_ψk′，Y_ψk′)代入式7，求出球心轨迹的圆心坐标(X₀′，Y₀′)以及球心距离回转工作台的回转轴线的距离R，将R代入式6，求得点(X_ψi′，Y_ψi′，Z_ψi′)与点(X_ψj′，Y_ψj′，Z_ψj′)之间的转角θ_ij，根据该角度的名义值θ_ij′并由式1计算得到转角误差δ_Z(θ_ij)；同理，获得其它位置的转角误差；

所述数控机床回转工作台绕X轴转角误差的具体测量方法是：

设数控机床回转工作台绕X轴测量转角误差时，在数控机床回转工作台绕X轴的转动范围内控制转位驱动伺服电机，使其分别转动φ₁，φ₂，…，φ_m角度，并测量数控机床回转工作台上标准球的球心空间坐标(X_φ1，Y_φ1，Z_φ1)，(X_φ2，Y_{φ 2}，Z_φ2)，…，(X_φm，Y_φm，Z_φm)，计算标准球球心空间坐标(X_φ1，Y_φ1，Z_φ1)，(X_{φ 2}，Y_φ2，Z_φ2)，…，(X_φm，Y_φm，Z_φm)投影至YOZ平面的坐标值为：(O，Y_φ1，Z_φ1)，(O，Y_φ2，Z_φ2)，…，(O，Y_φm，Z_φm)；按式8求出数控机床回转工作台上标准球球心空间坐标(O，Y_φi，Z_φi)与(O，Y_φj，Z_φj)之间的夹角φ_ij；

${\cos \mathrm{\φ}}_{\mathrm{ij}}=\frac{b^2+c^2-a^2}{2\mathrm{bc}}---\left(8\right)$

其中，数控机床回转工作台绕X轴摆动几何关系：

$a=\sqrt{{(Y_{\mathrm{\φi}}-Y_{\mathrm{\φj}})}^2+{(Z_{\mathrm{\φi}}-Z_{\mathrm{\φj}})}^2}$

$b=\sqrt{{Y_{\mathrm{\φi}}}^2+{Z_{\mathrm{\φi}}}^2}---\left(9\right)$

根据式8和式9，由数控机床回转工作台上标准球的球心空间坐标值，求得数控机床回转工作台绕X轴的转动角度φ_ij，并根据该角度的名义值φ_ij′并由式1计算得到转角误差δ_X(φ_ij)。

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