CN103197601B - 刀轴摆动五坐标数控机床摆长测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种刀轴摆动五坐标数控机床摆长测定方法，确定机床A轴摆动角度为θ_i,i＝1,2,…，n时标准球球心在机床坐标系Y、Z两轴方向上的坐标值，与机床A轴摆动角度为0°时标准球球心在机床坐标系Y、Z两轴方向上的坐标值的变化量实测值以及计算值，然后以摆长参数迭代初始值为迭代取值域圆心；以机床主轴装配累积误差作为迭代取值域的半径，以加工精度的十分之一作为迭代步长，以相应摆长参数下，n组变化量计算值和与n组变化量计算值和对应偏差的平方和为评判最优摆长参数指标，遍历迭代取值域后得到评判指标值最小的一组摆长参数。该方法相比于一般五轴联动数控机床摆长算法和检测方法，可明显提高加工精度。

Description

刀轴摆动五坐标数控机床摆长测定方法

技术领域

本发明涉及数控加工技术领域，具体为一种刀轴摆动五坐标数控机床摆长测定方法。

背景技术

随着科学技术的发展和人们对高品质产品的追求，构成产品零部件的形状越来越复杂，精度要求越来越高。五坐标数控机床的出现为完成像叶轮、叶片、整体叶盘等高精度复杂零件的加工提供了必要的基础保障。五坐标机床分为：刀轴摆动式、回转工作台摇篮式、回转工作台上放置回转轴式等，其中以刀轴摆动式最为常见。刀轴摆动式五坐标铣床的摆长定义为刀柄端面到摆动回转轴线的距离。五坐标数控机床一般均具有自动跟踪功能，所谓自动更总就是通过摆长来计算刀具在加工时的走刀位置。若摆长测量值与实际值存在偏差，将导致加工轨迹的偏移和变形，造成加工误差。

五坐标机床安装完成后，最重要的环节就是测定摆长。目前，传统的摆长测量方法是：通过摆动主轴在0°和90°两个特殊位置处所对应的坐标值来确定摆长。但该方法测量的前提是假设主轴实际回转中心与理论回转中心重合，未考虑回转轴在Y、Z两个移动轴方向上存在的偏置。而现实中，主轴实际回转中心与理论回转中心往往不精确重合，导致现有摆长测量方法存在较大误差。

发明内容

要解决的技术问题

为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种刀轴摆动五坐标数控机床摆长测定方法，通过读取机床旋转轴A处于不同角度下，摆动轴上参考点在机床坐标系（MCS）中的坐标值；并结合五轴联动机床在运动过程中各主要条件位置变化的几何关系，计算出五坐标数控机床的实际摆长。

技术方案

本发明的技术方案为：

所述一种刀轴摆动五坐标数控机床摆长测定方法，其特征在于：采用以下步骤：

步骤1：选择n个不同的机床A轴摆动角度θ_i,i＝1,2,…，n，且θ_i∈(0°，90)°；所述机床A轴摆动角度指机床主轴绕机床坐标系X轴的摆动角度；

步骤2：确定变化量的实测值：

将标准球夹持在刀柄上，保持标准球球心点相对机床工作台基准点固定不动，测量机床A轴摆动角度为0°以及θ_i,i＝1,2,…，n时，标准球球心在机床坐标系内Y、Z两轴方向上坐标值；分别计算机床A轴摆动角度为θ_i,i＝1,2,…，n时标准球球心在机床坐标系Y、Z两轴方向上的坐标值，与机床A轴摆动角度为0°时标准球球心在机床坐标系Y、Z两轴方向上的坐标值的变化量实测值和i＝1,2,…，n；

步骤3：确定变化量的计算值：

根据公式：

确定机床A轴摆动角度为θ_i,i＝1,2,…，n时标准球球心在机床坐标系Y、Z两轴方向上的坐标值，与机床A轴摆动角度为0°时标准球球心在机床坐标系Y、Z两轴方向上的坐标值的变化量计算值和其中 $L=\sqrt{L_y^2+L_z^2},$ $\mathrm{\β}=\mathrm{arctg}\left(\frac{L_y}{L_z+H}\right),$ H为机床刀具长度，L_y和L_z为摆长参数，具体L_y为机床坐标系Z轴方向上主轴回转中心线到主轴回转轴线的距离，L_z为机床坐标系Y轴方向上刀柄端面到主轴回转轴线的距离；

步骤4：确定摆长参数迭代初始值：

在五坐标机床主轴轴向垂直于工作台上端面的状态下，刀具端面与工作台基准点接触，机床数控***显示Z方向的读数为Z₁，刀具Y方向柱面与工作台基准点接触，机床数控***显示Y方向的读数为Y₁；在五坐标机床主轴轴向平行于于工作台上端面的状态下，刀具柱面与工作台基准点接触，机床数控***显示Z方向的读数为Z₂；刀具端面与工作台基准点接触，机床数控***显示Y方向的读数为Y₂，得到摆长参数迭代初始值L_Z0与L_Y0为：

$L_{Z0}=\frac{1}{2}(Z_0+Y_0),$ $L_{y0}=\frac{1}{2}(Z_0-Y_0)$

其中Z₀＝|(Z₁-H)-(Z₂-R)|，Y₀＝|(Y₁-R)-(Y₂-H)|，R为机床刀具半径；

步骤5：摆长参数迭代优化：

以步骤4得到的摆长参数迭代初始值为迭代取值域圆心，以机床主轴装配累积误差作为迭代取值域的半径，以加工精度的十分之一作为迭代步长，以相应摆长参数下，n组变化量计算值和与n组变化量计算值和对应偏差的平方和为评判最优摆长参数指标，遍历迭代取值域后得到评判指标值最小的一组摆长参数。

有益效果

本发明提出的一种刀轴摆动五坐标数控机床摆长测定方法，通过比较刀轴在不同摆动角度下数控***显示Z轴和Y轴坐标值的变动量（实测值）与按实际摆长和刀轴摆动角度计算出的变动量（计算值）来测量及确定五坐标数控铣床摆长。该方法相比于一般五轴联动数控机床摆长算法和检测方法，可明显提高加工精度。

附图说明

图1：五轴联动数控机床摆长参数示意图；

图2：摆长示意图；

图3：摆长计算数据测量方法示意图；

图4：摆长参数检测流程图；

图5：摆长参数计算流程图；

图6：摆长参数初始值确定示意图；

其中：1为机床主轴2为主轴回转轴3为主轴中心线4为刀具5为工作台6为标准球7为测量基准点8为主轴摆动至0°9为主轴摆动角度至任意角度

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

本实施例中借助机床机运动过程中机械结构的几何位置变化关系，精确地测定出五轴联动数控机床的摆动轴长，可以达到规定的任意精度要求。该方法同时可以便捷地判断摆长参数是否满足加工精度要求。

五轴联动数控机床具有移动轴X、Y、Z与旋转轴A、C，工作台绕Z轴旋转为C轴；主轴绕X轴摆动为A轴。保持刀具长度（简称刀长H）和刀心点（或球心点）位置不变，在A轴摆动范围（0°～90°）内，取n个非0°且非90°的角度，每个非0°且非90°的角度所对应的标准球球心在Y、Z两轴方向上坐标值相对于A轴摆动至0°时，每个非0°且非90°角度所对应的标准球球心Y、Z两轴方向上坐标值的变化量记为ΔY、ΔZ。

上述变化量可通过两种方法获得：

方法一：首先，读取机床显示面板在A轴摆动到除0°和90°外任意角度时，Y、Z两轴方向的坐标值；再与A轴摆动至0°时对应的坐标值求差。方法二：通过机床机械结构运动遵循的几何关系求取。方法一得出的是实测值；方法二得出的是计算值。若在计算求取时，采用的摆长与实际值相等或很接近，则实测值与计算值应在很小的误差范围内。本实施例据此原理测定摆长。在忽略测量误差的情况下，机床机械结构实际运动过程中，A取[0°，90°-β]范围内摆长与机床坐标值变化的几何关系满足如下恒等式：

ΔZ＝L_z+H-L·sin(90°-θ-β)

ΔY＝L·cos(90°-θ-β)-L_Y

其中 公式等号左端为A轴摆动至任意角度后Z轴方向上坐标值相对于A轴摆动至0°时Z轴、Y轴方向上坐标值变化量的实测值；而公式右端对应的计算结果为A轴摆动至任意角度后Z轴、Y轴方向上坐标值相对于A轴摆动至0°时Z轴、Y轴方向上坐标值变化量的计算值。

理论上，主轴的回转中心线应该过主轴回转轴轴。但由于机床制造时的加工误差，往往导致机床主轴的中心线距主轴回转轴轴线有一定距离。因此，使用Y轴方向上刀柄端面到主轴回转轴线的距离（定义为Lz）以及Z轴方向上主轴回转中心线到主轴回转轴线的距离（定义为Ly）来描述摆长，这两个距离值被称为摆长参数。诸如SIEMENS840D等先进数控***针对摆长均设置了两个方向参数，以提高机床加工精度。

本实施例中的具体步骤为：

步骤1：选择n个不同的机床A轴摆动角度θ_i,i＝1,2,…，n，且θ_i∈(0°，90)°；所述机床A轴摆动角度指机床主轴绕机床坐标系X轴的摆动角度；本实施例中取θ_i=10°,25°,40°,55°,70°。

步骤2：确定变化量的实测值：

将标准球夹持在刀柄上（误差小于0.005㎜），保持标准球球心点相对机床工作台基准点固定不动，测量机床A轴摆动角度为0°以及θ_i,i＝1,2,…，n时，标准球球心在机床坐标系内Y、Z两轴方向上坐标值；分别计算机床A轴摆动角度为θ_i,i＝1,2,…，n时标准球球心在机床坐标系Y、Z两轴方向上的坐标值，与机床A轴摆动角度为0°时标准球球心在机床坐标系Y、Z两轴方向上的坐标值的变化量实测值和i＝1,2,…，n；

本实施例中A轴摆动角度θ_i=10°,25°,40°,55°,70°与A轴摆动角度为0°的实测值表如下表所示：

实测值表

步骤3：确定变化量的计算值：

根据公式：

确定机床A轴摆动角度为θ_i,i＝1,2,…，n时标准球球心在机床坐标系Y、Z两轴方向上的坐标值，与机床A轴摆动角度为0°时标准球球心在机床坐标系Y、Z两轴方向上的坐标值的变化量计算值和其中 $L=\sqrt{L_y^2+L_z^2},$ $\mathrm{\β}=\mathrm{arctg}\left(\frac{L_y}{L_z+H}\right),$ H为机床刀具长度，L_y和L_z为摆长参数，具体L_y为机床坐标系Z轴方向上主轴回转中心线到主轴回转轴线的距离，L_z为机床坐标系Y轴方向上刀柄端面到主轴回转轴线的距离；

步骤4：确定摆长参数迭代初始值：

在五坐标机床主轴轴向垂直于工作台上端面的状态下，刀具端面与工作台基准点接触，机床数控***显示Z方向的读数为Z₁，刀具Y方向柱面与工作台基准点接触，机床数控***显示Y方向的读数为Y₁；在五坐标机床主轴轴向平行于于工作台上端面的状态下，刀具柱面与工作台基准点接触，机床数控***显示Z方向的读数为Z₂；刀具端面与工作台基准点接触，机床数控***显示Y方向的读数为Y₂，得到摆长参数迭代初始值L_Z0与L_Y0为：

$L_{Z0}=\frac{1}{2}(Z_0+Y_0),$ $L_{y0}=\frac{1}{2}(Z_0-Y_0)$

其中Z₀＝|(Z₁-H)-(Z₂-R)|，Y₀＝|(Y₁-R)-(Y₂-H)|，R为机床刀具半径；

本实施例中摆长参数迭代初始值如下表所示：

摆长参数初始值表单位㎜

则本实施例中，摆长参数取初始值时，A轴摆动角度θ_i=10°,25°,40°,55°,70°与A轴摆动角度为0°的计算值表如下表所示：

摆长参数初始值检验表单位㎜

步骤5：摆长参数迭代优化：

以步骤4得到的摆长参数迭代初始值为迭代取值域圆心，以机床主轴装配累积误差作为迭代取值域的半径，以加工精度的十分之一作为迭代步长，以相应摆长参数下，n组变化量计算值和与n组变化量计算值和对应偏差的平方和为评判最优摆长参数指标，遍历迭代取值域后得到评判指标值最小的一组摆长参数。

本实施例中测得所用五坐标机床迭代半径为0.03㎜，迭代步长为0.001㎜。迭代计算结果下表所示：

迭代运算结果单位㎜

Claims (1)

1.一种刀轴摆动五坐标数控机床摆长测定方法，其特征在于：采用以下步骤：

步骤1：选择n个不同的机床A轴摆动角度θ_i,i＝1,2,…,n，且θ_i∈(0°,90°)；所述机床A轴摆动角度指机床主轴绕机床坐标系X轴的摆动角度；

步骤2：确定变化量的实测值：

将标准球夹持在刀柄上，保持标准球球心点相对机床工作台基准点固定不动，测量机床A轴摆动角度为0°以及θ_i,i＝1,2,…,n时，标准球球心在机床坐标系内Y、Z两轴方向上坐标值；分别计算机床A轴摆动角度为θ_i,i＝1,2,…,n时标准球球心在机床坐标系Y、Z两轴方向上的坐标值，与机床A轴摆动角度为0°时标准球球心在机床坐标系Y、Z两轴方向上的坐标值的变化量实测值和i＝1,2,…,n；

步骤3：确定变化量的计算值：

根据公式：

确定机床A轴摆动角度为θ_i,i＝1,2,…,n时标准球球心在机床坐标系Y、Z两轴方向上的坐标值，与机床A轴摆动角度为0°时标准球球心在机床坐标系Y、Z两轴方向上的坐标值的变化量计算值和其中 $L=\sqrt{L_y^2+L_z^2},\mathrm{\β}=\mathrm{arctg}\left(\frac{L_y}{L_z+H}\right),$ H为机床刀具长度，L_y和L_z为摆长参数，具体L_y为机床坐标系Z轴方向上主轴回转中心线到主轴回转轴线的距离，L_z为机床坐标系Y轴方向上刀柄端面到主轴回转轴线的距离；

步骤4：确定摆长参数迭代初始值：

在五坐标机床主轴轴向垂直于工作台上端面的状态下，刀具端面与工作台基准点接触，机床数控***显示Z方向的读数为Z₁，刀具Y方向柱面与工作台基准点接触，机床数控***显示Y方向的读数为Y₁；在五坐标机床主轴轴向平行于于工作台上端面的状态下，刀具柱面与工作台基准点接触，机床数控***显示Z方向的读数为Z₂；刀具端面与工作台基准点接触，机床数控***显示Y方向的读数为Y₂，得到摆长参数迭代初始值L_Z0与L_Y0为：

$L_{Z0}=\frac{1}{2}(Z_0+Y_0),L_{Y0}=\frac{1}{2}(Z_0-Y_0)$

其中Z₀＝|(Z₁-H)-(Z₂-R)|，Y₀＝|(Y₁-R)-(Y₂-H)|，R为机床刀具半径；

步骤5：摆长参数迭代优化：

以步骤4得到的摆长参数迭代初始值为迭代取值域圆心，以机床主轴装配累积误差作为迭代取值域的半径，以加工精度的十分之一作为迭代步长，以相应摆长参数下，n组变化量计算值和与n组变化量实测值和对应偏差的平方和为评判最优摆长参数指标，遍历迭代取值域后得到评判指标值最小的一组摆长参数。