CN115383518B - 数控铣床转台误差快速测量方法 - Google Patents

数控铣床转台误差快速测量方法 Download PDF

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Abstract

数控机床转台误差快速测量方法，所述的数控机床含有转台，转台连接在一个平动轴上，转台可以沿平动轴运动，转台可以绕其本身的轴心转动，本方法使用激光跟踪仪或多目相机、通过将靶标固定于机床转台上，转台根据设定程序运动，仪器跟踪测量靶标坐标值，根据坐标数据和本发明提供的计算公式可获得转台误差，实现机床回转台误差的快速、准确测量。

Description

数控铣床转台误差快速测量方法
技术领域
本发明涉及金属数控加工领域，是关于数控铣削加工机床转台运动误差的一种测量方法。
背景技术
数控铣削加工是以设定数控程序中所规定的转速、进给等加工参数和加工路径对工件进行金属切削加工的方法。
加工路径是指加工时刀具相对于工件的运动轨迹，其精确程度直接影响铣削加工的形状和位置精度。五轴数控机床包括三个平动轴XYZ和两个回转轴AC、AB或BC。实现C轴回转的一种方法为在X/Y轴添加转台。转台的运动误差对于数控机床加工路径精度影响巨大。
转台运动误差包括六项，平动误差δcx、δcy、δcz指的是转台运动过程中，向机床X、Y、Z三个方向偏移误差，转角误差εcx、εcy、εcz指的是转台运动过程中，绕机床X、Y、Z三个方向发生的扭转误差。转台不同转角对应每一个误差项不同误差值。
转台误差现行测量方法有以下几种：
1、将千分表固定在机床主轴，机床XYZ平动轴带动千分表运动，根据千分表波动范围评估机床转台平面度。将标准校验棒或标准球布置在转台上，机床主轴上安装测量探头，通过机床内设的测量循环，依据厂家设定的检测规范操作探头测量校验棒或标准球，根据结果评估转台误差。
这种方法无法分离平动轴运动误差，同时此方法无法测量转台实际运动误差值，只能根据表现评估转台运动误差是否过大。
2、将球杆仪两端分别布置在机床转台和主轴头，机床XYZ平动轴带动一端运动，转台根据预设程序配合运动，通过球杆仪测得的伸缩量变化反算机床转台各项误差值。此方法无法分离平动轴运动误差，测量方式繁琐，测量时间长，完成测量需数日的占机时间，可操作性不高，且无法测量轴向偏移误差δcz和c轴转角误差εcx、εcy、εcz，完成测量需数日的占机时间。
3、将激光干涉仪布置在转台上，反射镜布置在机床主轴，机床XYZ平动轴带动一端运动，转台根据预设程序配合运动，通过激光干涉仪测得的距离值变化量反算机床转台各项误差值。此方法无法分离平动轴运动误差，设备调试困难，对机床内部空间要求高，完成测量需一周的占机时间，经济性差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种数控铣床转台误差快速测量方法,可以实现机床回转台误差的快速、准确测量。
数控机床转台误差快速测量方法，所述的数控机床含有转台，转台连接在一个平动轴上，转台可以沿平动轴运动，转台可以绕其本身的轴心转动，其特征在于包含以下内容：
1、器材:
激光跟踪仪、靶标、靶标座
2、操作方式：
1)将激光跟踪仪布置在机床外靠近转台处，位置要求面对整个转台视角无遮挡；2)将靶标及靶标座布置在机床转台上远离转台轴心的第一位置上；3)在数控机床处于机械零点的前提下，控制转台沿平动轴运动，使用激光跟踪仪测量靶标坐标，得到一系列激光跟踪仪坐标系下的靶标直线运动坐标值，使用激光跟踪仪拟合靶标运动的空间直线；4)将数控机床平动轴回零，控制转台绕其轴心等角度多次转动完成360度，在每一次等角度转动位置，使用激光跟踪仪测量靶标坐标，得到一系列激光跟踪仪坐标系下的靶标回转运动坐标值，使用激光跟踪仪拟合靶标运动的空间平面和靶标运动的回转圆心、回转半径；5)将靶标运动的圆心设置为原点，将靶标运动的空间直线方向设定为坐标系X向，将靶标运动的空间平面设定为坐标系XY平面，建立机床坐标系；6)将激光跟踪仪坐标系下的靶标回转运动坐标值转化到机床坐标系内，得到机床坐标系下的第一靶标位回转运动坐标值A(xa，ya，za)；7)将机床转台回零，将靶标及靶标座布置在机床转台上远离转台轴心的第二个位置上，控制转台绕其轴心以与步骤4)相同的角度多次转动完成360度，在每一次等角度转动位置，使用激光跟踪仪测量靶标坐标，得到一系列机床坐标系下的第二靶标位回转运动坐标值B(xb，yb，zb)；8)将机床转台再次回零，将靶标及靶标座布置在机床转台上远离转台轴心的第三个位置上，控制转台绕其轴心以与步骤4)相同的角度多次转动完成360度，在每一次等角度转动位置，使用激光跟踪仪测量靶标坐标，得到一系列机床坐标系下的第三靶标位回转运动坐标值C(xc，yc，zc)；9)根据机床坐标系下的第一靶标位回转运动坐标值A(xa，ya，za)、机床坐标系下的第二靶标位回转运动坐标值B(xb，yb，zb)、机床坐标系下的第三靶标位回转运动坐标值C(xc，yc，zc)分别计算转台绕其轴心每次等角度转动的回转误差，包括，转台在x方向的回转误差，转台在y方向的回转误差，转台在z方向的回转误差，转台沿x方向的平移误差，转台沿y方向的平移误差，转台沿z方向的平移误差。
3、数据处理：
1)对于转台在z方向的回转误差，以如下公式计算，
式中xa0为转台角度零度下第一靶标位回转运动x向坐标值，xb0为转台角度零度下第二靶标位回转运动x向坐标值。
2)对于转台沿x方向的平移误差，以如下公式计算，
δcx＝xa-xa0-εcz·ya0
式中xa0为转台角度零度下第一靶标位回转运动的x向坐标值，ya0为转台角度零度下第一靶标位回转运动y向坐标值。
3)对于转台沿y方向的平移误差，以如下公式计算，
δcy＝ya-ya0-εcz·xa0式中xa0为转台角度零度下第一靶标位回转运动的x向坐标值，ya0为转台角度零度下第一靶标位回转运动y向坐标值。
4)对于转台在x方向的回转误差，以如下公式计算，
式中xa0为转台角度零度下第一靶标位回转运动x向坐标值，xb0为转台角度零度下第二靶标位回转运动x向坐标值，xc0为转台角度零度下第三靶标位回转运动x向坐标值，ya0为转台角度零度下第一靶标位回转运动y向坐标值，yb0为转台角度零度下第二靶标位回转运动y向坐标值，yc0为转台角度零度下第三靶标位回转运动y向坐标值。
5)对于转台在y方向的回转误差，以如下公式计算，
式中xa0为转台角度零度下第一靶标位回转运动x向坐标值，xb0为转台角度零度下第二靶标位回转运动x向坐标值，xc0为转台角度零度下第三靶标位回转运动x向坐标值，ya0为转台角度零度下第一靶标位回转运动y向坐标值，yb0为转台角度零度下第二靶标位回转运动y向坐标值，yc0为转台角度零度下第三靶标位回转运动y向坐标值。
6)对于转台沿z方向的平移误差，以如下公式计算，
δcz＝za-za0-εcx·ya0-εcy·xa0
式中xa0为转台角度零度下第一靶标位回转运动的x向坐标值，ya0为转台角度零度下第一靶标位回转运动y向坐标值，za0为转台角度零度下第一靶标位回转运动z向坐标值。
有益效果
这种数控铣床转台误差快速测量方法可以广泛适用于各类型机床转台误差测量。有效解决了转台误差测量旧方法存在的测量类型不全、测量方式繁琐，设备调试时间长的问题，将转台误差测试的占机时间从三天缩短至4小时。
附图说明
图1是数控机床结构及靶标安装位置示意图
图2是机床测量设备布置示意图
图3是转台误差示意图
图4是误差测量过程转台等角度转动示意图
图中编号说明：1机床、2机床X轴、3机床C轴、4靶标位置A、5靶标位置B、6靶标位置C、7机床坐标系、8激光跟踪仪坐标系、9激光跟踪仪、10转台在转动时向z方向发生偏移值δcy、11转台在转动时绕z轴扭转角度δεz、12转台在转动时向x方向发生偏移值δcx、13转台在转动时绕x轴扭转角度εcx、14转台在转动时向y方向发生偏移值δεy、15转台在转动时向y方向发生偏移值δεy。
具体实施方式
以用激光跟踪仪测量德马吉160p机床为例，本发明提出的数控机床转台误差快速测量方法具体步骤为：
1)解除机床安全模式，打开机床门，控制机床各轴回零点；
2)将激光跟踪仪9布置在机床3外，位置要求面对整个转台视角无遮挡，如图2所示；
3)将靶标及靶标座布置在机床转台上远离转台轴心的第一位置上；
4)在数控机床处于机械零点的前提下，控制转台沿平动轴运动，使用激光跟踪仪测量靶标坐标，得到一系列激光跟踪仪坐标系下的靶标直线运动坐标值，使用激光跟踪仪拟合靶标运动的空间直线；
5)将数控机床平动轴回零，控制转台绕其轴心以等角度转动一周，如图4所示，每一个等角度转15度角，多次转动完成360度，在每一次15度角转动位置，使用激光跟踪仪测量靶标坐标，得到一系列激光跟踪仪坐标系下的靶标回转运动坐标值，使用激光跟踪仪拟合靶标运动的空间平面和靶标运动的回转圆心、回转半径；
6)将靶标运动的圆心设置为原点，将靶标运动的空间直线方向设定为坐标系X向，将靶标运动的空间平面设定为坐标系XY平面，建立机床坐标系；
7)将激光跟踪仪坐标系下的靶标回转运动坐标值转化到机床坐标系内，得到机床坐标系下的第一靶标位回转运动坐标值A(xa，ya，za)；
8)将机床转台回零，将靶标及靶标座布置在机床转台上远离转台轴心的第二个位置上，控制转台绕其轴心以等角度15度角多次转动完成360度，在每一次等角度转动位置，使用激光跟踪仪测量靶标坐标，得到一系列机床坐标系下的第二靶标位回转运动坐标值B(xb，yb，zb)；
9)将机床转台再次回零，将靶标及靶标座布置在机床转台上远离转台轴心的第三个位置上，控制转台绕其轴心以15度角多次转动完成360度，在每一次等角度转动位置，使用激光跟踪仪测量靶标坐标，得到一系列机床坐标系下的第三靶标位回转运动坐标值C(xc，yc，zc)；
10)根据机床坐标系下的第一靶标位回转运动坐标值A(xa，ya，za)、机床坐标系下的第二靶标位回转运动坐标值B(xb，yb，zb)、机床坐标系下的第三靶标位回转运动坐标值C(xc，yc，zc)分别计算转台绕其轴心每15度角转动的回转误差，包括，转台在x方向的回转误差，转台在y方向的回转误差，转台在z方向的回转误差，转台沿x方向的平移误差，转台沿y方向的平移误差，转台沿z方向的平移误差。
11)数据处理：
a)对于转台在z方向的回转误差，以如下公式计算，
式中xa0为转台角度零度下第一靶标位回转运动x向坐标值，xb0为转台角度零度下第二靶标位回转运动x向坐标值。
b)对于转台沿x方向的平移误差，以如下公式计算，
δcx＝xa-xa0-εcz·ya0
式中xa0为转台角度零度下第一靶标位回转运动的x向坐标值，ya0为转台角度零度下第一靶标位回转运动y向坐标值。
c)对于转台沿y方向的平移误差，以如下公式计算，
δcy＝ya-ya0-εcz·xa0
式中xa0为转台角度零度下第一靶标位回转运动的x向坐标值，ya0为转台角度零度下第一靶标位回转运动y向坐标值。
d)对于转台在x方向的回转误差，以如下公式计算，
式中xa0为转台角度零度下第一靶标位回转运动x向坐标值，xb0为转台角度零度下第二靶标位回转运动x向坐标值，xc0为转台角度零度下第三靶标位回转运动x向坐标值，ya0为转台角度零度下第一靶标位回转运动y向坐标值，yb0为转台角度零度下第二靶标位回转运动y向坐标值，yc0为转台角度零度下第三靶标位回转运动y向坐标值。
e)对于转台在y方向的回转误差，以如下公式计算，
式中xa0为转台角度零度下第一靶标位回转运动x向坐标值，xb0为转台角度零度下第二靶标位回转运动x向坐标值，xc0为转台角度零度下第三靶标位回转运动x向坐标值，ya0为转台角度零度下第一靶标位回转运动y向坐标值，yb0为转台角度零度下第二靶标位回转运动y向坐标值，yc0为转台角度零度下第三靶标位回转运动y向坐标值。
f)对于转台沿z方向的平移误差，以如下公式计算，
δcz＝za-za0-εcx·ya0-εcy·xa0
式中xa0为转台角度零度下第一靶标位回转运动的x向坐标值，ya0为转台角度零度下第一靶标位回转运动y向坐标值，za0为转台角度零度下第一靶标位回转运动z向坐标值。

Claims (7)

1.数控铣床转台误差快速测量方法，所述的数控机床含有转台，转台连接在一个平动轴上，转台可以沿平动轴运动，转台可以绕其本身的轴心转动，其特征在于包含以下内容，1)将激光跟踪仪布置在机床外靠近转台处，位置要求面对整个转台视角无遮挡；2)将靶标及靶标座布置在机床转台上远离转台轴心的第一位置上；3)在数控机床处于机械零点的前提下，控制转台沿平动轴运动，使用激光跟踪仪测量靶标坐标，得到一系列激光跟踪仪坐标系下的靶标直线运动坐标值，使用激光跟踪仪拟合靶标运动的空间直线；4)将数控机床平动轴回零，控制转台绕其轴心等角度多次转动完成360度，在每一次等角度转动位置，使用激光跟踪仪测量靶标坐标，得到一系列激光跟踪仪坐标系下的靶标回转运动坐标值，使用激光跟踪仪拟合靶标运动的空间平面和靶标运动的回转圆心、回转半径；5)将靶标运动的圆心设置为原点，将靶标运动的空间直线方向设定为坐标系X向，将靶标运动的空间平面设定为坐标系XY平面，建立机床坐标系；6)将激光跟踪仪坐标系下的靶标回转运动坐标值转化到机床坐标系内，得到机床坐标系下的第一靶标位回转运动坐标值A(xa，ya，za)；7)将机床转台回零，将靶标及靶标座布置在机床转台上远离转台轴心的第二个位置上，控制转台绕其轴心以与步骤4)相同的角度多次转动完成360度，在每一次等角度转动位置，使用激光跟踪仪测量靶标坐标，得到一系列机床坐标系下的第二靶标位回转运动坐标值B(xb，yb，zb)；8)将机床转台再次回零，将靶标及靶标座布置在机床转台上远离转台轴心的第三个位置上，控制转台绕其轴心以与步骤4)相同的角度多次转动完成360度，在每一次等角度转动位置，使用激光跟踪仪测量靶标坐标，得到一系列机床坐标系下的第三靶标位回转运动坐标值C(xc，yc，zc)；9)根据机床坐标系下的第一靶标位回转运动坐标值A(xa，ya，za)、机床坐标系下的第二靶标位回转运动坐标值B(xb，yb，zb)、机床坐标系下的第三靶标位回转运动坐标值C(xc，yc，zc)分别计算转台绕其轴心每次等角度转动的回转误差，包括，转台在x方向的回转误差，转台在y方向的回转误差，转台在z方向的回转误差，转台沿x方向的平移误差，转台沿y方向的平移误差，转台沿z方向的平移误差。
2.如权利要求1所述的数控铣床转台误差快速测量方法，其特征在于，对于转台在z方向的回转误差，以如下公式计算，
式中xa0为转台角度零度下第一靶标位回转运动x向坐标值，xb0为转台角度零度下第二靶标位回转运动x向坐标值,ya0为转台角度零度下第一靶标位回转运动y向坐标值，yb0为转台角度零度下第二靶标位回转运动y向坐标值。
3.如权利要求1所述的数控铣床转台误差快速测量方法，其特征在于，对于转台沿x方向的平移误差，以如下公式计算，
δcx＝xa-xa0-εcz·ya0
式中xa0为转台角度零度下第一靶标位回转运动的x向坐标值，ya0为转台角度零度下第一靶标位回转运动y向坐标值,εcz指的是转台运动过程中，绕机床Z方向发生的回转误差。
4.如权利要求1所述的数控铣床转台误差快速测量方法，其特征在于，对于转台沿y方向的平移误差，以如下公式计算，
δcy＝ya-ya0-εcz·xa0
式中xa0为转台角度零度下第一靶标位回转运动的x向坐标值，ya0为转台角度零度下第一靶标位回转运动y向坐标值,εcz指的是转台运动过程中，绕机床Z方向发生的回转误差。
5.如权利要求1所述的数控铣床转台误差快速测量方法，其特征在于，对于转台在x方向的回转误差，以如下公式计算，
式中xa0为转台角度零度下第一靶标位回转运动x向坐标值，xb0为转台角度零度下第二靶标位回转运动x向坐标值，xc0为转台角度零度下第三靶标位回转运动x向坐标值，ya0为转台角度零度下第一靶标位回转运动y向坐标值，yb0为转台角度零度下第二靶标位回转运动y向坐标值，yc0为转台角度零度下第三靶标位回转运动y向坐标值。
6.如权利要求1所述的数控铣床转台误差快速测量方法，其特征在于，对于转台在y方向的回转误差，以如下公式计算，
式中xa0为转台角度零度下第一靶标位回转运动x向坐标值，xb0为转台角度零度下第二靶标位回转运动x向坐标值，xc0为转台角度零度下第三靶标位回转运动x向坐标值，ya0为转台角度零度下第一靶标位回转运动y向坐标值，yb0为转台角度零度下第二靶标位回转运动y向坐标值，yc0为转台角度零度下第三靶标位回转运动y向坐标值。
7.如权利要求1所述的数控铣床转台误差快速测量方法，其特征在于，对于转台沿z方向的平移误差，以如下公式计算，
δcz＝za-za0-εcx·ya0-εcy·xa0
式中xa0为转台角度零度下第一靶标位回转运动的x向坐标值，ya0为转台角度零度下第一靶标位回转运动y向坐标值，za0为转台角度零度下第一靶标位回转运动z向坐标值,εcx指的是转台运动过程中，绕机床X方向发生的回转误差,εcy指的是转台运动过程中，绕机床Y方向发生的回转误差。
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