CN103286633B - 五坐标数控机床摆角快速测量***及误差补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种五坐标数控机床用摆角定位精度的测量***，包括球头芯棒、数显千分表和磁力基座，其中球头芯棒安装到机床主轴上，数显千分表安装到磁力基座上，磁力基座固定在机床工作台上，数显千分表位于与机床主轴垂直的正向位置上，数显千分表的测量头贴紧机床主轴，数显千分表连接到计算机终端。该***配合本发明的测量误差的计算与补偿方法，可以满足五坐标机床A轴和B轴在任意+∕－90度内摆角定位精度的自动化测量和多点误差补偿值的连续计算，测量精度和效率较高。
Description
技术领域
本发明涉及一种五坐标数控机床用摆角定位精度的测量***及测量误差的补偿方法，属于机械加工技术领域。
背景技术
目前在国内，五坐标加工中心摆角定位精度的测量和误差补偿，尚无比较成熟的、自动化程度较高的测量***。常用方法包括360齿精密分度的标准转台、角度多面体、激光干涉仪或直接千分表测量等。激光干涉仪对于直线和小角度精度测量时可以实现较为准确的测量，但对于+∕-15度外甚至更大角度的摆角精度测量时，此方法无法满足测量要求；其他方法主要是操作繁琐，完全手工编程和计数，无法实现自动化测量。而且这些方法都无法进行多点的连续测量和测量NC程序的自动编制输出，因此也不涉及连续摆角测量程序的计算方法，所涉及的补偿值的计算，也都是基于单点测量的直接计算的方法无法实现连续的补偿计算，因此测量效率较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种五坐标数控机床用摆角定位精度的测量***及测量误差的补偿方法，可以满足五坐标机床A轴和B轴在任意+∕－90度内摆角定位精度的自动化测量和多点误差补偿值的连续计算，测量精度和效率较高。
本发明的技术方案：一种五坐标数控机床用摆角定位精度的测量***，包括球头芯棒、数显千分表和磁力基座，其中球头芯棒安装到机床主轴上，数显千分表安装到磁力基座上，磁力基座固定在机床工作台上，数显千分表位于与机床主轴垂直的正向位置上，数显千分表的测量头贴紧机床主轴，数显千分表连接到计算机终端。
一种五坐标数控机床用摆角定位精度测量误差的计算与补偿方法，包括四大步骤：
1) 获取测量参数，按设定好的摆角行程和摆角间隔将测量过程分为若干运动单元，每个运动单元包括机床主轴的A/B轴摆角运动、X/Y轴的补偿运动、Z轴的补偿运动，并计算机床主轴的运动轨迹；
2) 根据主轴的运动轨迹及各运动单元中A/B轴的摆角、X/Y轴的坐标值及Z轴坐标值，通过软件自动生成G代码的NC测量程序；
3) 开始摆角测量工作，将数显千分表显示的测量数据通过串口数据线传入相连的计算机终端中，在数控机床上运行上述G代码的NC测量程序，同时打开测量***的测量功能，测量***在每个运动单元结束时并经分析和过滤后读出球头芯棒球心的偏移值，；
4) 测量完成后，在测量***中根据每个测量点测量出的球头芯棒球心的偏移值计算相应测量点的误差值，得到的误差值输入到机床中进行误差补偿。
上述步骤中所述的测量参数包括正向最大测量角度、负向最大测量角度、摆角角度间隔、球头芯棒长L1、主轴转心距L2、测量轴标识A/B、机床回转轴A轴角度A、机床回转轴B轴摆角B、机床A轴第n个运动单元主轴摆动角度αn、机床B轴第n个运动单元主轴摆动角度βn；所述机床主轴的运动轨迹计算方法如下：
（a）先设定运动单元X、Y、Z运动顺序及符号判断规则
A轴正向正角度摆角时，- |Y |、- |Z |、+A；
A轴正向负角度摆角时，+ |Y |、- |Z |、-A；
A轴负向正角度摆角时，+ A 、- |Z|、-|Y|；
A轴负向负角度摆角时，- A 、- |Z|、+|Y|；
B轴正向正角度摆角时，- |X |、- |Z |、+B；
B轴正向负角度摆角时，+|X|、- |Z |、-B；
B轴负向正角度摆角时，+B、- |Z|、-|X|；
B轴负向负角度摆角时，- B、- |Z|、+|X|；
（b）然后计算运动单元X、Y、Z的坐标值
当测量A轴摆角时，运动单元中Y轴坐标值和Z轴坐标值，具体算法如下公式：
Y=-（L1+L2）*sin(A)；
Z=-（L1+L2）+（L1+L2）*cos(A)；
A=α1+α2+……+αn；
当测量B轴摆角时，运动单元中X轴坐标值和Z轴坐标值，具体算法如下公式：
X=（L1+L2）*sin(B)；
Z=-（L1+L2）+（L1+L2）*cos(B)；
B=β1+β2+……+βn。
上述步骤（4）中测量误差的具体算法为：
（a）当进行A轴测量时，摆角误差值计算如下公式，其中Y为机床Y轴坐标值，△为第N次摆角时的仪表测量值，L为球头芯棒长L1与主轴转心距L2的和，即L1+L2，AN为机床主轴摆角，AERROR为机床摆角误差值，AERROR= |arcsin(|Y-△ |∕L)-AN |；
（b）当进行B轴测量时，摆角误差值计算如下公式，其中X为机床X轴坐标值，△为第N次摆角时的仪表测量值，L为机床转心距与球头芯棒的和，即L1+L2，BN为机床主轴摆角，BERROR为机床摆角误差值，BERROR= |arcsin(|X-△ |∕L)-BN |。
本发明的有益效果：通过本发明测量***对五坐标机床摆角定位精度进行了测量，并对机床进行了摆角误差补偿，测量补偿前后摆角精度误差由10-2度提高了10-3度，可以很好的满足零件加工精度要求；运用此***进行机床摆角精度测量和补偿，可以方便快速的提高数控机床A∕B摆角的定位精度，既能省去原始测量方法编制测量程序和每次读表的繁杂工作，也可节省测量结果转换成补偿值的复杂计算，大大提高了测量效率；另外，在测量成本上，可以节省大量的外购和外雇费用，为车间减少设备维护成本，提高车间效益起到一定作用。
附图说明
图1为测量***的硬件设计图。
图2为测量***的软件设计流程图。
图3为A轴正、负向摆角测量时机床主轴的运动轨迹。
具体实施方式
如图1所示，一种五坐标数控机床用摆角定位精度的测量***，包括球头芯棒2、数显千分表3和磁力基座4，其中球头芯棒2安装到机床主轴1上，数显千分表3安装到磁力基座4上，磁力基座4固定在机床工作台5上，数显千分表3位于与机床主轴1垂直的正向位置上，数显千分表3的测量头贴紧机床主轴1，数显千分表3连接到计算机终端6。
如图2所示，以下通过选择一台MAG五坐标加工中心，对A轴进行测量为例，来具体说明一种五坐标数控机床用摆角定位精度测量误差的计算与补偿方法：
1) 获取测量参数，测量参数包括正向最大测量角度20度、负向最大测量角度20度、摆角角度间隔10度、球头芯棒长L1为304.8mm、主轴转心距L2为254.12mm以及机床回转轴A轴角度A、机床A轴第n个运动单元主轴摆动角度αn；按设定好的摆角行程和摆角间隔将测量过程分为若干运动单元，每个运动单元包括机床主轴1的A轴的摆角运动、Y轴的补偿运动、Z轴的补偿运动，并计算机床主轴1的运动轨迹；如图3所示，所述机床主轴1的运动轨迹计算方法如下：
（a）先设定运动单元X、Y、Z运动顺序及符号判断规则
A轴正向正角度摆角时，- |Y |、- |Z |、+A；
A轴正向负角度摆角时，+ |Y |、- |Z |、-A；
A轴负向正角度摆角时，+ A 、- |Z|、-|Y|；
A轴负向负角度摆角时，- A 、- |Z|、+|Y|；
（b）然后计算运动单元X、Y、Z的坐标值
当测量A轴摆角时，运动单元中Y轴坐标值和Z轴坐标值，具体算法如下公式：
Y=-（L1+L2）*sin(A)；
Z=-（L1+L2）+（L1+L2）*cos(A)；
A=α1+α2+……+αn；
2）根据上述参数信息及各运动单元中A轴的摆角、Y轴及Z轴坐标值，通过软件自动生成G代码的NC测量程序，下面为测量***生成并输出的部分G代码NC测量程序：
Programme=%_n_al_MPF
G71G90G1F2540
TRANS X=$AA_IW〔X〕 Y=$AA_IW〔Y〕 Z=$AA_IW〔Z〕
……
Y-97.055
G4F1
Z-8.489｝ （注：此段为机床主轴A轴摆角0度到10度的一个运动单元）
A10.0
G4F5
……
A-20
G4F1
Z-33.711
Y191.161
A0
G4F5
M30G4F5
M30；
3）开始摆角测量工作，将数显千分表3显示的测量数据通过串口数据线传入相连的计算机终端6中，在数控机床上运行上述G代码的NC测量程序，同时打开测量***的测量功能，测量***在每个运动单元结束时并经分析和过滤后读出球头芯棒2球心的偏移值，该数据精确到微米级；
4）测量完成后，在测量***中根据每个测量点测量出的球头芯棒2球心的偏移值计算相应测量点的误差值，第一次测量结果及误差值参见表1；得到的误差值输入到机床中进行误差补偿，补偿后的测量结果及误差值参见表2；所述测量误差的具体算法为：
（a）当进行A轴测量时，摆角误差值计算如下公式，其中Y为机床Y轴坐标值，△为第N次摆角时的仪表测量值，L为球头芯棒长L1与主轴转心距L2的和，即L1+L2，AN为机床主轴摆角，AERROR为机床摆角误差值，AERROR= |arcsin(|Y-△ |∕L)-AN |；
（b）当进行B轴测量时，摆角误差值计算如下公式，其中X为机床X轴坐标值，△为第N次摆角时的仪表测量值，L为球头芯棒长L1与主轴转心距L2的和，即L1+L2，BN为机床主轴摆角，BERROR为机床摆角误差值，BERROR= |arcsin(|X-△ |∕L)-BN |。
Claims (3)
1.五坐标数控机床用摆角定位精度测量误差的补偿方法，采用了一种五坐标数控机床用摆角定位精度的测量***，该测量***包括球头芯棒（2）、数显千分表（3）和磁力基座（4），其中球头芯棒（2）安装到机床主轴（1）上，数显千分表（3）安装到磁力基座（4）上，磁力基座（4）固定在机床工作台（5）上，数显千分表（3）位于与机床主轴（1）垂直的正向位置上，数显千分表（3）的测量头贴紧机床主轴（1），数显千分表（3）连接到计算机终端（6），其特征在于基于该测量***的误差补偿方法包括四大步骤：
（1）获取测量参数，按设定好的摆角行程和摆角间隔将测量过程分为若干运动单元，每个运动单元包括机床主轴（1）的A/B轴摆角运动、X/Y轴的补偿运动、Z轴的补偿运动，并计算机床主轴（1）的运动轨迹；
（2）根据机床主轴（1）的运动轨迹及各运动单元中A/B轴的摆角、X/Y轴的坐标值及Z轴坐标值，通过软件自动生成G代码的NC测量程序；
（3）开始摆角测量工作，将数显千分表（3）显示的测量数据通过串口数据线传入相连的计算机终端（6）中，在数控机床上运行上述G代码的NC测量程序，同时打开测量***的测量功能，测量***在每个运动单元结束时并经分析和过滤后读出球头芯棒（2）球心的偏移值，该数据精确到微米级；
（4）测量完成后，在测量***中根据每个测量点测量出的球头芯棒（2）球心的偏移值计算相应测量点的误差值，得到的误差值输入到机床中进行误差补偿。
2.如权利要求1所述的一种五坐标数控机床用摆角定位精度测量误差的补偿方法，其特征在于：步骤（1）中所述的测量参数包括正向最大测量角度、负向最大测量角度、摆角角度间隔、球头芯棒长L1、主轴转心距L2、测量轴标识A/B、机床回转轴A轴角度A、机床回转轴B轴摆角B、机床A轴第n个运动单元主轴摆动角度αn、机床B轴第n个运动单元主轴摆动角度βn；所述机床主轴（1）的运动轨迹计算方法如下：
（a）先设定运动单元X、Y、Z运动顺序及符号判断规则
A轴正向正角度摆角时，- |Y |、- |Z |、+A；
A轴正向负角度摆角时，+ |Y |、- |Z |、-A；
A轴负向正角度摆角时，+ A 、- |Z|、-|Y|；
A轴负向负角度摆角时，- A 、- |Z|、+|Y|；
B轴正向正角度摆角时，- |X |、- |Z |、+B；
B轴正向负角度摆角时，+|X|、- |Z |、-B；
B轴负向正角度摆角时，+B、- |Z|、-|X|；
B轴负向负角度摆角时，- B、- |Z|、+|X|；
（b）然后计算运动单元X、Y、Z的坐标值
当测量A轴摆角时，运动单元中Y轴坐标值和Z轴坐标值，具体算法如下公式：
Y=-（L1+L2）*sin(A)；
Z=-（L1+L2）+（L1+L2）*cos(A)；
A=α1+α2+……+αn；
当测量B轴摆角时，运动单元中X轴坐标值和Z轴坐标值，具体算法如下公式：
X=（L1+L2）*sin(B)；
Z=-（L1+L2）+（L1+L2）*cos(B)；
B=β1+β2+……+βn。
3.如权利要求1所述的一种五坐标数控机床用摆角定位精度测量误差的补偿方法，其特征在于：步骤（4）中测量误差的具体算法为：
（a）当进行A轴测量时，摆角误差值计算如下公式，其中Y为机床Y轴坐标值，△为第N次摆角时的仪表测量值，L为球头芯棒长L1与主轴转心距L2的和，即L1+L2，AN为机床主轴摆角，AERROR为机床摆角误差值，AERROR= |arcsin(|Y-△ |∕L)-AN |；
（b）当进行B轴测量时，摆角误差值计算如下公式，其中X为机床X轴坐标值，△为第N次摆角时的仪表测量值，L为球头芯棒长L1与主轴转心距L2的和，即L1+L2，BN为机床主轴摆角，BERROR为机床摆角误差值，BERROR= |arcsin(|X-△ |∕L)-BN |。
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