CN103759685B - 一种辨识四轴加工中心几何精度的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种辨识四轴加工中心几何精度的检测方法，所述方法包括以下步骤：构建用于四轴加工中心几何精度检测的试件；对四轴加工中心几何精度进行检测预处理；将被加工的毛坯件安装在四轴加工中心上；在所述毛坯件的各个特征表面进行一系列精加工，使所述毛坯件达到检测试件的尺寸要求，获取加工后试件；将所述加工后试件放在三坐标测量机上进行测量，实时记录数据；剔除误差后，得到该四轴加工中心的各项几何精度。本发明操作简便且检测成本低，无需专业人员，也无需经过长时间培训，仅需了解相关操作规范和熟悉四轴加工中心使用方法即可进行检测。对于同一加工中心，不需要更换检测工具即可检测出四轴加工中心的各项运动误差和位置误差。

Description

一种辨识四轴加工中心几何精度的检测方法

技术领域

本发明涉及加工中心几何精度检测领域，特别涉及一种辨识四轴加工中心几何精度的检测方法。

背景技术

四轴加工中心从数控铣床发展而来，通过三轴或三轴以上的联动控制、自动交换加工刀具，可以在一次装夹中完成多道工序的加工。几何精度是高精度加工中心的重要性能指标。一台四轴加工中心需要经过多次精度检测和调整，通过验收之后才能交付给用户使用。检测机床的几何误差与运动误差常用以下两种方式：通过检测仪器测量刀具相对于工作台的微位移误差获取机床误差，或者通过检测精加工试件的几何误差、尺寸误差、表面粗糙度评价机床误差。根据相关检测标准，使用传统的检测方法，需要利用直线尺、水平仪、分度台和干涉仪等多种工具，对四轴加工中心的运动轴的几何精度逐个逐项的进行检测，器材成本高，检测效率低，并不符合用户的实际需要，因此需要设计一种专用试件检测机床精度，提高检测效率。

国内外学者对于通过加工检测试件来辨识五轴加工中心的几何精度做了大量的研究。

(1)NAS 979标准中提供了一种在实际加工情况下检测多轴加工中心精度的标准方法，所用的试件为圆锥台型试件。这种方法是国内外数控加工中心精度验收的常用方法，通过评价圆锥台试件加工后的圆度、锥角、尺寸精度，检测机床的综合精度。

(2)Soichi Ibaraki,Masahiro Sawada,Atsushi Matsubara，TetsuyaMatsushita等人设计了一种检测试件，用以检测工件回转式五轴加工中心回转轴A、C的几何精度与运动精度。主要原理是，通过在回转台对称位置进行相同的加工，评价两加工特征的相对误差，推导机床几何精度与运动精度。这种检测方法的缺点是，必须在14个加工位置加工7对表面，才能全面反映机床的几何精度。(参见Soichi Ibaraki et al，加工测试五轴加工中心的运动误差，Precision Engineering 34(2010)387-398.)

(3)成都飞机工业集团有限责任公司提出了一种利用“S”形检测试件综合检测五轴加工中心几何精度的方法。(参见成都飞机工业(集团)有限责任公司，“综合检测数控铣床精度的“S”形检测试件及其检测方法”，中国专利：200710048269.7,2007-01-16)

(4)Dassanayake等人针对主轴回转型五轴加工中心，重点研究了与两个旋转轴相关的10项几何误差，选用球杆仪为检测仪器，分三步完成了10项误差检测。(参见Dassanayake K M M,Tsutsumi M,Saito A.A strategy for identifying staticdeviations in universal spindle head type multi-axis machining centers[J].International Journal of Machine Tools&Manufacture,2006,46(10):1097-1106.)

(5)Dong-Mok Lee等人提出了另外一种利用球杆仪进行误差检测的方法，但是这种方法要进行多个路径和多个位置的装卡，针对的是带旋转头的五轴加工中心(参见Dong-Mok Lee等，Identification and Measurement of Geometric Errors for a Five-axisMachine Tool with a Tilting Head using a Double Ball-bar，INTERNATIONALJOURNAL OF PRECISION ENGINEERING AND MANUFACTURING 2011，12(2):337-343)

(6)Masaomi Tsutsumi和Akinori Saito采用球杆仪针对五轴加工中心其中8项误差提出了四轴联动测量五轴加工中心误差的方法。(参见Masaomi Tsutsumi，AkinoriSaito，Identification of angular and positional deviations inherent to 5-axismachining centers with a tilting-rotary table by simultaneous four-axiscontrol movements，International Journal of Machine Tools&Manufacture2004(44):1333–1342)

(7)Soichi Ibaraki，Chiaki Oyama和Hisashi Otsubo提出了一种利用R-test进行五轴加工中心旋转轴的几何误差检测方法(参见Soichi Ibaraki，Chiaki Oyama，Hisashi Otsubo，利用静态R-test构建五轴加工中心旋转轴的误差，InternationalJournal of Machine Tools&Manufacture,2011(51):190–200.)

上述研究成果都只是针对于五轴加工中心的检测，目前还没有一种用于辨识四轴加工中心几何精度检验的检测试件。

发明内容

本发明提供了一种辨识四轴加工中心几何精度的检测方法，本发明实现了对四轴加工中心的运动轴的几何精度逐个逐项检测，提高了检测效率和检测精度，详见下文描述：

一种辨识四轴加工中心几何精度的检测方法，所述方法包括以下步骤：

(1)构建用于四轴加工中心几何精度检测的试件；

(2)对四轴加工中心几何精度进行检测预处理；

(3)将被加工的毛坯件安装在四轴加工中心上；

(4)在所述毛坯件的各个特征表面进行一系列精加工，使所述毛坯件达到检测试件的尺寸要求，获取加工后试件；

(5)将所述加工后试件放在三坐标测量机上进行测量，实时记录数据；

(6)剔除误差后，得到该四轴加工中心的各项几何精度。

所述构建用于四轴加工中心几何精度检测的试件的操作具体为：

1)设计检测试件的第一特征表面：

所述第一特征表面包括：用于检测加工中心X轴和Y轴角度误差的纵深面，在所述纵深面上固定设置有低矮面，所述低矮面用于检测出X轴和Y轴的直线度误差；所述纵深面和所述低矮面均为矩形，且两者的尺寸相匹配，在所述纵深面和所述低矮面上贯穿设置有孔；

2)B轴分度误差检测：

在正方体的四个表面均有直径相同的孔，在绕Z轴0°、90°、180°和270°四个位置相应加工孔1、2、3、4，测量2、3、4号孔的轴线相对于1号孔轴线的X、Y方向的角度误差；

或，

通过6角平台检测B轴分度误差；

3)通过圆槽检测B轴角度误差：

所述圆槽与上下端面的圆柱同轴，所述圆槽5通过在圆柱面铣削加工形成的，通过检测所述圆槽的圆柱度与平面度获得B轴的角度误差；

4)通过圆锥台检测Y、Z、B三轴联动误差：

在所述圆锥台上加工螺旋槽，所述螺旋槽为在圆锥面进行螺旋铣削形成，通过检测螺旋曲线的精度获得Y、Z、B三轴联动的运动精度；

5)通过第二特征表面检测Y轴、Z轴运动误差：

所述第二特征表面由六个侧面、一个长方体表面和一个圆柱表面组成，其中，六个侧面是通过Y轴和Z轴的联动来完成的，通过检验相邻两面的垂直度，相对两平面的平行度，获得Y轴和Z轴的运动误差及角度误差；

6)综合上述几何特征，一体加工出检测试件。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明提出一种用于辨识四轴加工中心几何精度的检测试件，通过评价检测试件表面的几何误差，可以得到四轴加工中心的几何精度，该方法具有以下有益效果：

(1)检测方法简单且成本低：本发明避免了使用直线尺，水平仪，分度台，干涉仪等检测工具，操作简便且检测成本低，无需专业人员，也无需经过长时间培训，仅需了解相关操作规范和熟悉四轴加工中心使用方法即可进行检测。

(2)检测效率高：对于同一加工中心，用本发明所设计的检测试件检测四轴加工中心的精度所需时间短，不需要更换检测工具即可检测出四轴加工中心的各项运动误差和位置误差。

附图说明

图1为四轴加工中心结构的示意图；

图2为低矮面与纵深面的示意图；

图3为轴线孔特征表面的示意图；

图4为六角平台特征表面的示意图；

图5为圆槽特征表面的示意图；

图6为圆锥台及螺旋槽的示意图；

图7为菱形面、斜面、圆柱台的示意图；

图8为检测试件轴测的示意图；

图9为四轴加工中心检测试件尺寸图；

图10为一种辨识四轴加工中心几何精度的检测方法的流程图。

附图中，各部件的列表如下：

S1：纵深面； S2：低矮面；

1、2、3和4：孔； 5：圆槽；

6、7：圆柱； 8：圆锥台；

9：螺旋槽； 10、11、12、13、14、15：侧面；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了实现对四轴加工中心的运动轴的几何精度逐个逐项检测，提高检测效率和检测精度，本发明实施例提供了一种辨识四轴加工中心几何精度的检测方法，本方法实现了用检测试件对四轴加工中心的运动误差和位置误差进行检测，参见图8、图9和10，详见下文描述：

101：构建用于四轴加工中心几何精度检测的试件；

一、首先对机床精度进行评价：

加工中心精度的性能包括：单轴精度、两轴联动精度和多轴联动精度。

单轴精度可通过加工低矮平面和纵深平面来获得。加工低矮平面后，测量特征的直线度即可得到单轴线性误差；加工纵深平面后，测量特征平面度，剔除线性误差后得到单轴角度误差。

两轴联动精度可通过加工直线插补和圆弧插补来获得。加工直线插补后，测量特征直线度，剔除单轴误差，最终获得直线插补联动误差；加工圆弧插补，测量特征圆度，剔除单轴误差，最终获得圆弧插补联动误差。

多轴联动精度可通过加工空间曲线曲面来获得。加工空间曲线曲面后，测量型面轮廓精度，剔除单轴误差，最终获得多轴联动误差。

二、四轴加工中心几何误差定义：

参见图1，四轴加工中心的几何误差包括每个轴的运动误差和位置误差，每一项误差所对应的符号如下表(表1)所示：

表1：四轴加工中心几何误差

三、设计检测试件的第一特征表面：

通过设计图2所示的第一特征表面对X轴和Y轴的精度进行检测。第一特征表面包括：纵深面S1，在纵深面S1上固定设置有低矮面S2，纵深面S1和低矮面S2均为矩形，且两者的尺寸相匹配，在纵深面S1和低矮面S2上贯穿设置有孔3。低矮面S2具有较大的长宽比，加工过程中需要X轴与Y轴联动，通过检测低矮面S2的平面度可以检测出X轴和Y轴的直线度误差；纵深面S1与低矮面S2相比，具有一定的宽度，可以通过检测纵深面S1的平面度误差来检测加工中心X轴和Y轴的角度误差。

四、B轴分度误差检测：

如图3所示，在正方体的四个表面均有直径相同的孔，在绕Z轴0°、90°、180°和270°四个位置相应加工孔1、2、3、4，然后测量2、3、4号孔的轴线相对于1号孔轴线的X、Y方向的角度误差，其中绕Y方向的角度误差为转轴的转动误差，绕X方向的角度误差为转台平面在YZ方向的角度误差。

B轴分度精度还可通过图4所示的6角平台进行检测，该平台的截面为正六边形，可通过检测其余各边相对于某一边的角度误差来获得B轴的分度误差。

五、B轴角度误差：

通过设计图5所示的圆槽检测B轴的角度误差，该圆槽5与上下端面的圆柱6、7同轴，圆槽5是通过在圆柱面铣削加工形成的，通过检测圆槽5的圆柱度与平面度可以获得B轴的角度误差。

六、Y、Z、B三轴联动误差检测：

三轴联动指Y、Z、B三轴可实现同步关联运动配合，通过设计如图6所示的圆锥台检测Y、Z、B三轴联动误差。可以通过加工圆锥台8，并且在圆锥台8上加工螺旋槽9，该螺旋槽9为在圆锥面进行螺旋铣削形成，通过检测螺旋曲线的精度获得Y、Z、B三轴联动的运动精度。

七、Y轴、Z轴运动误差检测：

为了检验端面精铣所铣表面的平面度可设计如图7所示的第二特征表面，该第二特征表面由10、11、12、13、14、15六个侧面、一个长方体表面和一个圆柱表面组成，其中，六个侧面是通过Y轴和Z轴的联动来完成的，通过检验相邻两面的垂直度，相对两平面的平行度，可以获得Y轴和Z轴的运动误差及角度误差。通过检验该第二特征表面的平面度、圆柱度，可以得到Y轴Z轴联动误差。

八、综合上述几何特征，获得检测试件：

经过以上设计过程，最终把上述特征综合在一起，可以一体加工出如图8所示的辨识四轴加工中心几何精度检测试件，图9为该检测试件的零件尺寸图。通过在该试件的不同轮廓进行一系列精加工，来检查不同运动条件下的机床性能。本发明未规定该试件的材料。

102：对四轴加工中心几何精度进行检测预处理；

其中，进行检验时，应将下列信息记录到检验报告中：a)试件的材料；b)刀具的材料和尺寸；c)切削速度；d)进给率和e)切削深度。毛坯应具有足够的刚性，并适合于夹紧到工作台上或托板和夹具上。为使切削深度尽可能恒定，精切前应进行预加工。

103：将被加工毛坯件安装在四轴加工中心上；

其中，实际应用时可以采用夹具将毛坯件安装在四轴加工中心上，夹具和毛坯件的安装面应平直，并检验毛坯件的安装表面与夹具夹持面的平行度，根据检测到得平行度对毛坯件的位置进行调整。

参照GB/T 17421.1进行检测前的安装，并检验四轴加工中心主轴和其它部件的空运转升温是否符合标准要求。

104：在毛坯件的各个特征表面进行一系列精加工，使毛坯件达到检测试件的尺寸要求，获取加工后试件；

105：将加工后试件放在三坐标测量机上进行测量，实时记录数据；

对正四方形、菱形和斜面而言，为获得直线度、垂直度和平行度的偏差，测头至少要在10个点处触及被测表面；对于非连续性的圆度和圆柱度检验，至少检验15个点。

106：剔除误差后，得到该四轴加工中心的各项几何精度。

综上所述，本发明实施例提出一种用于辨识四轴加工中心几何精度的检测方法，通过评价检测试件表面的几何误差，可以得到四轴加工中心的几何精度，克服了传统检测方法中利用直线尺、水平仪、分度台和干涉仪等多种工具，对四轴加工中心的运动轴的几何精度逐个逐项检测的缺点，检测效率高，数据处理方法简单可行。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种辨识四轴加工中心几何精度的检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)构建用于四轴加工中心几何精度检测的试件；

(2)对四轴加工中心几何精度进行检测预处理；

(3)将被加工的毛坯件安装在四轴加工中心上；

(4)在所述毛坯件的各个特征表面进行一系列精加工，使所述毛坯件达到检测试件的尺寸要求，获取加工后试件；

(5)将所述加工后试件放在三坐标测量机上进行测量，实时记录数据；

(6)剔除误差后，得到该四轴加工中心的各项几何精度；

所述构建用于四轴加工中心几何精度检测的试件的操作具体为：

1)设计检测试件的第一特征表面：

所述第一特征表面包括：用于检测加工中心X轴和Y轴角度误差的纵深面，在所述纵深面上固定设置有低矮面，所述低矮面用于检测出X轴和Y轴的直线度误差；所述纵深面和所述低矮面均为矩形，且两者的尺寸相匹配，在所述纵深面和所述低矮面上贯穿设置有孔；

2)B轴分度误差检测：

在正方体的四个表面均有直径相同的孔，在绕Z轴0°、90°、180°和270°四个位置相应加工孔1、2、3、4，测量2、3、4号孔的轴线相对于1号孔轴线的X、Y方向的角度误差；

或，

通过6角平台检测B轴分度误差；

3)通过圆槽检测B轴角度误差：

所述圆槽与上下端面的圆柱同轴，所述圆槽5通过在圆柱面铣削加工形成的，通过检测所述圆槽的圆柱度与平面度获得B轴的角度误差；

4)通过圆锥台检测Y、Z、B三轴联动误差：

在所述圆锥台上加工螺旋槽，所述螺旋槽为在圆锥面进行螺旋铣削形成，通过检测螺旋曲线的精度获得Y、Z、B三轴联动的运动精度；

5)通过第二特征表面检测Y轴、Z轴运动误差：

所述第二特征表面由六个侧面、一个长方体表面和一个圆柱表面组成，其中，六个侧面是通过Y轴和Z轴的联动来完成的，通过检验相邻两面的垂直度，相对两平面的平行度，获得Y轴和Z轴的运动误差及角度误差；

6)综合上述几何特征，一体加工出检测试件。