CN108655827A - 五轴数控机床空间误差辨识方法 - Google Patents

五轴数控机床空间误差辨识方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于数控机床测量技术研究领域，由其涉及一种五轴数控机床空间误差辨识方法；通过搭建一个一端固定在五轴数控机床主轴，另一端固定在回转工作台中心的球杆仪误差测量装置；建立空间误差测量模型；并建立模型实验，通过球杆仪在不同角度的补差工作，读取数控车床的球杆仪理论杆长和球杆仪显示的实际杆长，并将数据带入所述空间误差测量模型中，对五轴数控机床旋转轴角度误差因素及旋转误差因素进行辨识，使球杆仪从XOY单一平面运动变为空间多平面运动，将球杆仪的辨识范围从平面旋转转变为空间旋转。

Description

五轴数控机床空间误差辨识方法
技术领域
本发明属于数控机床测量技术研究领域，由其涉及一种五轴数控机床空间误差辨识方法。
背景技术
原有的数控机床误差辨识方法是将球杆仪一端安装在工具杯中，另一端安装在中心座上。通过调整球杆仪的长度和中心座的高度，运行程序后，再根据相应算法，可以得到关于XOY平面内的各误差元素；这种方法多用于三轴机床的测量，对于五轴机床由其是进行曲面加工的机床误差测量适用性差性；
而对于五轴数控机床而言，多轴插补存在着大量的耦合现象，空间误差主要存在着进给轴直线误差与旋转轴旋转误差；原有的辨识方法，大多采用改变球杆仪安装高度与球杆仪长度方法为主，该方法容易在调整过程中加入干扰误差，导致求解的结果不不够准确；同时，传统方法需要多次拆卸球杆仪，由于拆、装过程很难在同一个坐标基准上，因此得出的数据可参考性差，而且，拆卸重新安装的过程耗时较长，不利于自动化补偿，尤其不利于后期进行机器学习的研究及宏程序编制。
发明内容
本发明为了有效的解决上述背景技术中的问题，提出了一种五轴数控机床空间误差辨识方法，具体技术方案如下：
一种五轴数控机床空间误差辨识方法，包括如下步骤：
步骤1.搭建一个一端固定在五轴数控机床主轴，另一端固定在回转工作台中心的球杆仪误差测量装置；
步骤2.根据所述的球杆仪测量装置建立空间误差测量模型；
步骤3.建立模型实验，通过球杆仪在不同角度的补差工作，读取数控车床的球杆仪理论杆长和球杆仪显示的实际杆长，并将数据带入所述空间误差测量模型中，对五轴数控机床旋转轴角度误差因素及旋转误差因素进行辨识。
优选地，所述空间误差测量模型的建立步骤如下：
步骤1.根据多体理论进行机床坐标系建模；
所述坐标系包括：与地面固定的机床坐标系MCS、刀具坐标系TCS、工件坐标系WCS、主轴的三个进给坐标系XCS、YCS、ZCS、带动刀具坐标旋转的旋转轴坐标系ACS、带动工件坐标系旋转的旋转轴坐标系CCS,所述球杆仪固定在TCS与WCS中，且与TCS固定端为浮动端O2，与WCS固定端为固定端O1；
步骤2.根据空间勾股定理得到球杆仪的长度与坐标理论位置关系：
(L+ΔR)2＝(x’1-x’2)2+(y’1-y’2)2+(z’1-Z’2)2 (2)
结合上式(1)、(2)求出关于球杆仪半径变化与各进给轴误差分量的关系；
ΔR是球杆仪杆长的随机变量，ΔX、ΔY、ΔZ为球杆仪测得ΔR在X、Y、Z三个方向上可分解的误差变量；
步骤3.以O1为原点建立坐标系，设球杆仪浮动端中心O2在WCS下齐次坐标为P，设球杆仪沿杆方向与X轴夹角为θ，杆长为一固定数值L，求出P点的齐次坐标
Pi＝[cosαcosθL，sinαL，sinθL+h，1]T，
和XCS、YCS联动误差传递矩阵为
求出的P点坐标在考虑误差影响情况下的实际坐标Pa：
式中εxx′、εyx′、εxy′、εyy′、εxz′、εyz′为X轴和Y轴运动分别对X、Y、Z三个进给轴产生的角度误差；δxx′、δxy′、δxz′为X轴运动对X、Y、Z三个进给轴产生的位置误差；α为X、Y轴进行圆弧插补工作时，设在X-Y平面内旋转角度；
步骤4.从齐次坐标矩阵中提取X、Y、Z三个方向上的分量即为ΔX、ΔY、ΔZ，代入式可得出ΔR关于各误差分量的方程：
ΔR’＝{[cosαcosθL+sinαL(-εxz’+εyz’)+(εxy’-εyy’)(sinθL+h)](x2-x1)+[cosαcosθL(εyz’+εxz’)+sinαL+(sinθL+h)(-εxx’+εyx’)](y2-y1)+[cosαcosθL(εxy’-εyy’)+sinαL(-εyx’+εxx’)+sinθL+h](z2-z1)}/L
该方程式表达球坐标下TCS坐标系相对于WCS坐标系6个旋转误差分量产生导致的球杆仪长度变化。
优选地，在安装球杆仪前，使用激光干涉仪对直线度误差进行辨识与补偿，消除X、Y、Z三个方向直线度误差对机床坐标系的影响。
优选地，其特征在于，所述的模型实验不受限于球杆仪特定角度的补差工作。
本发明的有益效果在于：1.能够避免频繁调整球杆仪安装尺寸对最终检测结果的影响，建立五轴机床空间误差模型。并在该模型基础上，组合使用球杆仪和激光干涉仪，针对工件坐标系及刀具坐标系间的联动插补开展辨识研究；2.使球杆仪从XOY单一平面运动变为空间多平面运动，将球杆仪的辨识范围从平面旋转转变为空间旋转；3.由于过去频繁拆卸球杆仪，导致定位基准偏差不可控。本发明在不用拆卸球杆仪的情况下，仅通过调整空间角度即可满足测量要求，为机床误差补偿中机器学习领域研究打下研究基础。
附图说明
图1为本发明五轴机床拓扑图；
图2为本发明中五轴机床机械结构及各轴定义；
图3为本发明球杆仪工作状态图：
表1表示XOY平面顺时针旋转圆弧插补数据：
表2表示XOY平面逆时针旋转圆弧插补数据；
表3表示XOY平面顺时针旋转角度误差；
表4表示XOY平面逆时针旋转角度误差。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明；
一种五轴数控机床空间误差辨识方法，包括如下步骤：
步骤1.搭建一个一端固定在五轴数控机床主轴，另一端固定在回转工作台中心的球杆仪误差测量装置；球杆仪中心球2通过工具杯1与主轴连接，球杆仪传感器球5通过中心杯6与回转台中心的中心座7相连，所述传感器球5可以实时测出球杆仪的实时长度。
步骤2.根据所述的球杆仪测量装置建立空间误差测量模型；
步骤3.建立模型实验，通过球杆仪在不同角度的补差工作，读取数控车床的球杆仪理论杆长和球杆仪显示的实际杆长，并将数据带入所述空间误差测量模型中，对五轴数控机床旋转轴角度误差因素及旋转误差因素进行辨识。
所述空间误差测量模型的建立步骤如下：
步骤1.根据多体理论进行机床坐标系建模；
所述坐标系包括：与地面固定的机床坐标系MCS、刀具坐标系TCS、工件坐标系WCS、主轴的三个进给坐标系XCS、YCS、ZCS、带动刀具坐标旋转的旋转轴坐标系ACS、带动工件坐标系旋转的旋转轴坐标系CCS,所述球杆仪固定在TCS与WCS中，且与TCS固定端为浮动端O2，与WCS固定端为固定端O1；
其中，球杆仪在图1中标记为DDB，直接工作在机床摆头与回转工作台所两个坐标系之间，反映由MCS—>YCS—>ZCS—>ACS—>TCS和MCS—>XCS—>CCS—>WCS两条运动支链形成的综合误差；
步骤2.根据空间勾股定理得到球杆仪的长度与坐标理论位置关系：
(L+ΔR)2＝(x’1-x’2)2+(y’1-y’2)2+(z’1-z’2)2 (2)
结合上式(1)、(2)求出关于球杆仪半径变化与各进给轴误差分量的关系；
ΔR是球杆仪杆长的随机变量，ΔX、ΔY、ΔZ为球杆仪测得ΔR在X、Y、Z三个方向上可分解的误差变量；
只要得到浮动端球体圆心在空间中的理论点与杆长变化数值，即可求得该圆心在空间中的实际位置。
步骤3.以O1为原点建立坐标系，设球杆仪浮动端中心O2在WCS下齐次坐标为P,设球杆仪沿杆方向与X轴夹角为θ，杆长为一固定数值L,，通过X轴与Y轴进行圆弧插补工作，此时两个旋转轴及垂直位移轴为静止状态，ACS、CCS、ZCS矩阵的误差传递矩阵退化为单位矩阵求出P点的齐次坐标；
Pi＝[cosαcosθL，sinαL，sinθL+h，1]T，
和XCS、YCS联动误差传递矩阵为
求出的P点坐标在考虑误差影响情况下的实际坐标Pa：
式中εxx′、εyx′、εxy′、εyy′、εxz′、εyz′为X轴和Y轴运动分别对X、Y、Z三个进给轴产生的角度误差；δxx′、δxy′、δxz′为X轴运动对X、Y、Z三个进给轴产生的位置误差；α为X、Y轴进行圆弧插补工作时，设在X-Y平面内旋转角度；
步骤4.从齐次坐标矩阵中提取X、Y、Z三个方向上的分量即为ΔX、ΔY、ΔZ，代入式可得出ΔR关于各误差分量的方程：
ΔR’{[cosαcosθL+sinαL(-εxz’+εyz’)+(εxy’-εyy’)(sinθL+h)](x2-x1)+[cosαcosθL(εyz’+εxz’)+sinαL+(sinθL+h)(-εxx’+εyx’)](y2-y1)+[cosαcosθL(εxy’-εyy’)+sinαL(-εyx’+εxx’)+sinθL+h](z2-z1)}/L
该方程式表达球坐标下TCS坐标系相对于WCS坐标系6个旋转误差分量产生导致的球杆仪长度变化。
在安装球杆仪前，使用激光干涉仪对直线度误差进行辨识与补偿，消除X、Y、Z三个方向直线度误差对机床坐标系的影响。
所述的模型实验不受限于球杆仪特定角度的补差工作。
本发明的一种方法实验：
使用激光干涉仪对直线度误差进行辨识与补偿，待通过螺距补偿方法消除了三个方向直线度误差对机床坐标系的影响后，将雷尼绍QC20-W球杆仪安装在五轴机床上，对机床参与XOY平面插补的两个坐标系XCS及YCS进行总计12个角度误差因素进行辨识。在实验中，选用球杆仪测量条件为：L＝100mm，h＝100mm，并在θ＝0°,15°,30°,45°,60°,75°六种角度进行插补工作。由于插补实验采集信息量较大不利于后期分析，采用选取其特征点的工作方式进行简化，将每个工作圆面间隔60°进行取值。由于在工作过程中伴随着热误差存在，且其与机床几何误差耦合，为了使测量结果为稳态误差结果，机床测试前进行了6h热机，测试时严格保证外界环境温度条件为20℃，分为顺时针与逆时针两次进行，具体特征点数据参见表1、表2。
数据表示前述理论固定端与实际浮动端间球杆仪的实际杆长与理论杆长之差ΔR，其中各特征值的单位为mm。
将表1中数据代入式(9)中，例如将表1中θ＝15数据代入，可以得知矩阵满秩，此时有特定解。利用高斯消元法可计算出六个方向分量计算结果分别为：
εxx’＝0.0006、εyx’＝0.0007εxy’＝0.0009、εyy’－0.0009、εxz’＝0·0003、εyz’-0.0006。
将部分空间角度对应的数据进行整理，可以得出在指定角度平面中的旋转误差元素。由表3中数据可见，由不同θ组成的空间平面内误差元素是有变化的，且其变化成线性关系，其数值变化在空间圆平面内呈连续变化状态，这是由于球杆仪在测量时的轨迹遵循空间圆平面而产生的。按照如上方法，在XOY平面上进行了旋向为逆时针的空间圆弧轨迹测试，并得出部分旋转误差元素大小如表4所示，其在相同特征点位置上的数值大小基本相同。即在进行静态补偿的基础上，数控机床做顺时针运动与逆时针运动，其旋转误差的大小基本相同。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为发明的保护范围。

Claims (4)

1.五轴数控机床空间误差辨识方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1.搭建一个一端固定在五轴数控机床主轴，另一端固定在回转工作台中心的球杆仪误差测量装置；
步骤2.根据所述的球杆仪测量装置建立空间误差测量模型；
步骤3.建立模型实验，通过球杆仪在不同角度的补差工作，读取数控车床的球杆仪理论杆长和球杆仪显示的实际杆长，并将数据带入所述空间误差测量模型中，对五轴数控机床旋转轴角度误差因素及旋转误差因素进行辨识。
2.权利要求1所述的五轴数控机床空间误差辨识方法，其特征在于，所述空间误差测量模型的建立步骤如下：
步骤1.根据多体理论进行机床坐标系建模；
所述坐标系包括：与地面固定的机床坐标系MCS、刀具坐标系TCS、工件坐标系WCS、主轴的三个进给坐标系XCS、YCS、ZCS、带动刀具坐标旋转的旋转轴坐标系ACS、带动工件坐标系旋转的旋转轴坐标系CCS,所述球杆仪固定在TCS与WCS中，且与TCS固定端为浮动端O2，与WCS固定端为固定端O1；
步骤2.根据空间勾股定理得到球杆仪的长度与坐标理论位置关系：
(L+ΔR)2＝(x’1-x’2)2+(y’1-y’2)2+(z’1-z’2)2 (2)
结合上式(1)、(2)求出关于球杆仪半径变化与各进给轴误差分量的关系；
ΔR是球杆仪杆长的随机变量，ΔX、ΔY、ΔZ为球杆仪测得ΔR在X、Y、Z三个方向上可分解的误差变量；
步骤3.以O1为原点建立坐标系，设球杆仪浮动端中心O2在WCS下齐次坐标为P,设球杆仪沿杆方向与X轴夹角为θ，杆长为一固定数值L,求出P点的齐次坐标
Pi＝[cosαcosθL，sinαL，sinθL+h，1]T，
和XCS、YCS联动误差传递矩阵为
求出的P点坐标在考虑误差影响情况下的实际坐标Pa：
式中εxx'、εyx'、εxy'、εyy'、εxz'、εyz'为X轴和Y轴运动分别对X、Y、Z三个进给轴产生的角度误差；δxx'、δxy'、δxz'为X轴运动对X、Y、Z三个进给轴产生的位置误差；α为X、Y轴进行圆弧插补工作时，设在X-Y平面内旋转角度；
步骤4.从齐次坐标矩阵中提取X、Y、Z三个方向上的分量即为ΔX、ΔY、ΔZ，代入式可得出ΔR关于各误差分量的方程：
ΔR’＝{[cosαcosθL+sinαL(-εxz’+εyz’)+(εxy’-εyy’)(sinθL+h)](x2-x1)+[cosαcosθL(εyz’+εxz’)+sinαL+(sinθL+h)(-εxx’+εyx’)](y2-y1)+[cosαcosθL(εxy’-εyy’)+sinαL(-εyx’+εxx’)+sinθL+h](z2-z1)}/L
该方程式表达球坐标下TCS坐标系相对于WCS坐标系6个旋转误差分量产生导致的球杆仪长度变化。
3.据权利要求1所述的一种五轴数控机床空间误差辨识方法，其特征在于，在安装球杆仪前，使用激光干涉仪对直线度误差进行辨识与补偿，消除X、Y、Z三个方向直线度误差对机床坐标系的影响。
4.权利要求1所述的一种五轴数控机床空间误差辨识方法，其特征在于，所述的模型实验不受限于球杆仪特定角度的补差工作。
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