CN113778018A - 一种基于R-test的五轴机床刀轴矢量误差测量方法 - Google Patents

一种基于R-test的五轴机床刀轴矢量误差测量方法 Download PDF

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Abstract

一种基于R‑test的五轴机床刀轴矢量误差测量方法，先设计并运行联动轨迹，将R‑test接入数控***，同步采集指令位置、光栅反馈及R‑test位移数据，采集数控机床5个进给轴的插补指令，通过机床正运动学变换，得到工件坐标系下指令刀尖位置和指令刀轴姿态；然后提取R‑test数据，经过转换矩阵变换，得到工件坐标系下的检测球球心坐标，即为实际刀尖位置，通过旋转轴光栅，得到实际刀轴姿态；最后计算刀轴矢量误差，刀尖位置轨迹误差为指令刀尖位置和实际刀尖位置的距离，刀轴姿态轨迹误差为指令刀轴姿态和实际刀轴姿态的夹角；本发明可以实现对刀轴矢量误差快速测量。

Description

一种基于R-test的五轴机床刀轴矢量误差测量方法
技术领域
本发明属于五轴数控机床技术领域，具体涉及一种基于R-test的五轴机床刀轴矢量误差测量方法。
背景技术
五轴加工以其多轴联动的优势，在船舶螺旋桨等曲面造型产品的高精度加工中处于优势地位。对于五轴机床而言，刀轴矢量直接影响零件轮廓精度。刀轴矢量包括刀尖点位置和刀轴姿态两个要素，刀尖点位置与机床的几何误差有关，刀轴姿态与A轴和C轴的转动角度有关。因此，研究刀轴矢量的测量方法，对于机床加工精度的评估以及零件轮廓误差的预测具有实际意义。
目前对于刀轴矢量的研究，主要集中在机械加工过程中的刀轴矢量优化方面。Fu等人为降低五轴球头铣削加工纹理的影响，在《Geometric error compensation of five-axis ball-end milling based on tool orientation optimization and tool pathsmoothing》中，提出了一种几何误差补偿方法，包括单刀位姿的优化和整体刀轨的光滑化。对于刀轴矢量误差的测量，有研究通过试切零件如S试件，并使用三坐标测量仪来检测轮廓误差，进而分析刀轴矢量对于轮廓误差的影响。该方法的影响因素较多，无法直接、快速对刀轴矢量误差进行检测。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺点，本发明的目的在于提供一种基于R-test的五轴机床刀轴矢量误差测量方法，可以实现对刀轴矢量误差快速测量。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于R-test的五轴机床刀轴矢量误差测量方法，包括以下步骤：
1)设计并联动轨迹，采集数据：
设计五轴数控机床联动轨迹，需满足以下两个条件：A.轨迹在R-test量程之内；B.各进给轴的行程需要尽可能大，以充分反映刀轴矢量误差在机床工作空间内的变化；
运行联动轨迹，将R-test接入数控***，同步采集指令位置、光栅反馈及R-test位移数据；
2)利用五轴指令位置数据计算指令刀轴矢量：
指令刀轴矢量包括指令刀尖位置和指令刀轴姿态；采集数控机床5个进给轴的插补指令，通过机床正运动学变换，得到工件坐标系下指令刀尖位置和指令刀轴姿态，对于AC转台机床，经过正运动学变换，理论刀尖点坐标(XPc，YPc，ZPc)如式(1)；
Figure BDA0003229934970000021
式中：XPc,YPc,ZPc——工件坐标系下球心坐标；X(t),Y(t),Z(t),α0, γ0——X，Y，Z，A，C轴插补指令；LYAx,LYAy,LYAz——机床坐标系原点到A轴控制点矢量分量(-RTCP)；LACx,LACy,LACz——A轴控制点到C轴控制点矢量分量(RTCP)；LCWx,LCWy,LCWz——C轴控制点到工件坐标系原点矢量分量(G54)；
指令刀轴姿态Oc(XOc，YOc，ZOc)如式(2)，
Figure BDA0003229934970000031
进而得到指令刀轴矢量；
3)利用光栅及R-test位置数据计算实际刀轴矢量：
刀尖点实际位置由R-test测量得到，提取R-test数据，经过转换矩阵变换到工件坐标系下的检测球球心坐标，检测球球心坐标为实际刀尖位置(XPa，YPa，ZPa)，如式(3)所示，
[XPa,YPa,ZPa]＝SenS·T (3)
式中，Sens为三传感器数值，T为标定得到的转换矩阵；
通过旋转轴光栅，得到A轴实际角度α，与C轴实际角度γ，则实际刀轴姿态Oa(XOa，YOa，ZOa)如式(4)，
Figure BDA0003229934970000032
结合刀尖实际位置与刀轴姿态，得到实际刀轴矢量；
4)刀轴矢量误差求解：
刀尖位置轨迹误差δP为指令刀尖位置和实际刀尖位置的距离，其计算公式如式(5)，
Figure BDA0003229934970000041
刀轴姿态轨迹误差为指令刀轴姿态和实际刀轴姿态的夹角，根据弧度的定义规则，在圆半径为1时，弧长为1对应的角度为1rad，刀轴姿态模长为1时，理论刀轴姿态Oc和实际刀轴姿态Oa的差的模长约等于夹角，即刀轴姿态误差角度εO，如式(6)，
εO≈||Oc-Oa|| (6)
计算刀尖位置误差和刀轴矢量误差。
本发明具有以下有益效果：
本发明设计并运行联动轨迹，将R-test接入数控***，同步采集指令位置、光栅反馈及R-test位移数据，实现对五轴机床刀轴矢量误差进行测量。本发明适用于所有机床，可直接、快速得到测量结果，对于机床加工精度的评估以及零件轮廓误差的预测具有实际意义。
附图说明
图1为本发明实施例微型S轨迹示意图。
图2为本发明实施例机床结构示意图。
图3为本发明实施例指令刀轴矢量示意图。
图4为本发明实施例实际刀轴矢量示意图。
图5为本发明实施例刀尖位置误差示意图。
图6为本发明实施例刀轴姿态误差示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。
一种基于R-test的五轴机床刀轴矢量误差测量方法，包括以下步骤：
1)设计并运行联动轨迹，采集数据：
设计五轴数控机床联动轨迹，需满足以下两个条件：A.轨迹在R-test量程之内；B.各进给轴的行程需要尽可能大，以充分反映刀轴矢量误差在机床工作空间内的变化；本实施例采用微型S轨迹，将ISO 10791-7标准中规定的S试件等比例缩到±5mm的范围，如图1所示；
本实施例选用AC转台五轴机床，其结构如图2所示，运行联动轨迹，将R-test接入数控***，同步采集指令位置、光栅反馈及R-test位移数据；
2)利用五轴指令位置数据计算指令刀轴矢量：
指令刀轴矢量包括指令刀尖位置和指令刀轴姿态；采集数控机床5个进给轴的插补指令，通过机床正运动学变换，得到工件坐标系下指令刀尖位置和指令刀轴姿态；对于本实施例的AC转台机床，经过正运动学变换，理论刀尖点坐标(XPc，YPc，ZPc)如式(1)；
Figure BDA0003229934970000051
式中：XPc,YPc,ZPc——工件坐标系下球心坐标；X(t),Y(t),Z(t),α0, γ0——X，Y，Z，A，C轴插补指令；LYAx,LYAy,LYAz——机床坐标系原点到A轴控制点矢量分量(-RTCP)；LACx,LACy,LACz——
A轴控制点到C轴控制点矢量分量(RTCP)；LCWx,LCWy,LCWz——C轴控制点到工件坐标系原点矢量分量(G54)；
指令刀轴姿态Oc(XOc，YOc，ZOc)如式(2)，
Figure BDA0003229934970000061
进而得到指令刀轴矢量，测量结果如图3所示；
3)利用光栅及R-test位置数据计算实际刀轴矢量：
刀尖点实际位置由R-test测量得到，提取R-test数据，经过转换矩阵变换到工件坐标系下的检测球球心坐标，检测球球心坐标为实际刀尖位置(XPa，YPa，ZPa)，如式(3)所示，
[XPa,YPa,ZPa]＝SenS·T (3)
式中，Sens为三传感器数值，T为标定得到的转换矩阵；
通过旋转轴光栅，可以得到旋转轴1(A轴)实际角度α，与旋转轴2(C轴)实际角度γ，则实际刀轴姿态Oa(XOa，YOa，ZOa)如式(4)，
Figure BDA0003229934970000062
结合刀尖实际位置与刀轴姿态，得到实际刀轴矢量，如4图所示；
4)刀轴矢量误差求解：
刀尖位置轨迹误差δP为指令刀尖位置和实际刀尖位置的距离，其计算公式如式(5)，
Figure BDA0003229934970000071
刀轴姿态轨迹误差为指令刀轴姿态和实际刀轴姿态的夹角，根据弧度的定义规则，在圆半径为1时，弧长为1对应的角度为1rad；由于理论刀轴姿态和实际刀轴姿态的夹角的数量级在角秒级别，因此，刀轴姿态模长为1时，理论刀轴姿态Oc和实际刀轴姿态Oa的差的模长约等于夹角，即刀轴姿态误差角度εO，如式(6)，
εO≈||Oc-Oa|| (6)
计算刀尖位置误差和刀轴矢量误差；绘制刀尖位置误差如图5所示，从图中可以看出，刀尖位置误差先增大、后减小，再增大，测得的刀尖俯仰误差最大值为34μm；刀轴姿态误差如图6所示，在初始段和终止段刀轴姿态误差角度较大，最大为75″。

Claims (1)

1.一种基于R-test的五轴机床刀轴矢量误差测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)设计并联动轨迹，采集数据：
设计五轴数控机床联动轨迹，需满足以下两个条件：A.轨迹在R-test量程之内；B.各进给轴的行程需要尽可能大，以充分反映刀轴矢量误差在机床工作空间内的变化；
运行联动轨迹，将R-test接入数控***，同步采集指令位置、光栅反馈及R-test位移数据；
2)利用五轴指令位置数据计算指令刀轴矢量：
指令刀轴矢量包括指令刀尖位置和指令刀轴姿态；采集数控机床5个进给轴的插补指令，通过机床正运动学变换，得到工件坐标系下指令刀尖位置和指令刀轴姿态，对于AC转台机床，经过正运动学变换，理论刀尖点坐标(XPc，YPc，ZPc)如式(1)；
Figure FDA0003229934960000011
式中：XPc,YPc,ZPc——工件坐标系下球心坐标；X(t),Y(t),Z(t),α0,γ0——X，Y，Z，A，C轴插补指令；LYAx,LYAy,LYAz——机床坐标系原点到A轴控制点矢量分量(-RTCP)；LACx,LACy,LACz——A轴控制点到C轴控制点矢量分量(RTCP)；LCWx,LCWy,LCWz——C轴控制点到工件坐标系原点矢量分量(G54)；
指令刀轴姿态Oc(XOc，YOc，ZOc)如式(2)，
Figure FDA0003229934960000021
进而得到指令刀轴矢量；
3)利用光栅及R-test位置数据计算实际刀轴矢量：
刀尖点实际位置由R-test测量得到，提取R-test数据，经过转换矩阵变换到工件坐标系下的检测球球心坐标，检测球球心坐标为实际刀尖位置(XPa，YPa，ZPa)，如式(3)所示，
[XPa,YPa,ZPa]＝SenS·T (3)
式中，Sens为三传感器数值，T为标定得到的转换矩阵；
通过旋转轴光栅，得到A轴实际角度α，与C轴实际角度γ，则实际刀轴姿态Oa(XOa，YOa，ZOa)如式(4)，
Figure FDA0003229934960000022
结合刀尖实际位置与刀轴姿态，得到实际刀轴矢量；
4)刀轴矢量误差求解：
刀尖位置轨迹误差δP为指令刀尖位置和实际刀尖位置的距离，其计算公式如式(5)，
Figure FDA0003229934960000023
刀轴姿态轨迹误差为指令刀轴姿态和实际刀轴姿态的夹角，根据弧度的定义规则，在圆半径为1时，弧长为1对应的角度为1rad，刀轴姿态模长为1时，理论刀轴姿态Oc和实际刀轴姿态Oa的差的模长约等于夹角，即刀轴姿态误差角度εO，如式(6)，
εO≈||Oc-Oa|| (6)
计算刀尖位置误差和刀轴矢量误差。
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