CN104965958B - 一种堆栈式工作台的误差补偿控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种堆栈式工作台的误差补偿控制方法，应用于机床误差补偿技术领域，包括分析堆栈式工作台Y轴导轨偏摆角和俯仰角引起的加工点Y方向的阿贝误差并建立阿贝误差模型；分析堆栈式工作台的Y轴导轨角度误差对X轴导轨角度误差相关性和抵偿性的影响；建立X轴导轨角度误差和Y轴导轨角度误差共同作用下的加工点X方向的阿贝误差模型；应用上述模型对堆栈式工作台单向运动二维阿贝误差进行补偿控制。此种建模精度更高，更符合工作台的实际工作状态，为下一步的误差测量和误差补偿工作提供基础，从而有效提高机床的加工精度。

Description

一种堆栈式工作台的误差补偿控制方法

技术领域

本发明涉及机床误差补偿技术领域，具体涉及一种堆栈式工作台的误差补偿控制方法。

背景技术

目前大多数机床采用堆栈式结构，即X、Y两个方向溜板上下叠加安装在床身上，每个方向依靠两根导轨共同支撑，进行一个方向的运动。工作台安装在溜板上，工件放在工作台中间进行定位。因此每个方向两根导轨的综合误差都会直接影响工件的加工精度。

机床几何误差中的导轨系统误差不仅与导轨系统本身质量有关，在运动速度、温度、切削力等因素作用下，床身三维热变形和力变形误差也会耦合到导轨系统上，使导轨系统各误差分量增大或减小。某一方向导轨系统误差的影响是二维的，它不仅会产生本方向上常见的线值误差、角运动误差，而且还会传递至另一方向导轨系统，使其产生附加的线值误差和角运动误差，从而产生附加阿贝误差。

研究表明，几何误差和由温度、切削力引起的误差约占机床总体误差的70％，其中几何误差相对稳定易于进行误差补偿，而进行机床的误差补偿，误差测量是关键，误差模型是基础。

发明内容

(一)解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是提供一种堆栈式工作台的误差补偿控制方法，能够分析堆栈式工作台Y方向导轨系统误差和其传递至X方向导轨系统所产生的附加阿贝误差并建立阿贝误差模型，应用上述模型对堆栈式工作台单向运动二维阿贝误差进行补偿控制。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明所采用的堆栈式工作台的误差补偿控制方法，包括以下步骤：

步骤一、分析堆栈式工作台Y轴导轨偏摆角和俯仰角引起的加工点Y方向的阿贝误差并建立阿贝误差模型；

步骤二、分析堆栈式工作台的Y轴导轨角度误差对X轴导轨角度误差相关性和抵偿性的影响；

步骤三、建立X轴导轨角度误差和Y轴导轨角度误差共同作用下的加工点X方向的阿贝误差模型；

步骤四、应用上述模型对堆栈式工作台单向运动二维阿贝误差进行补偿控制。

进一步的，所述Y轴导轨偏摆角引起的加工点Y方向上阿贝误差δ_py的表达式为：δ_py＝A_xtanε_yz (1)

式中A_x——工件加工点的理想坐标为(x，y，z)时，Y轴导轨的测量点和工件加工点在X方向上的距离，可由光栅尺测得，其中，测量点位于Y轴导轨光栅尺所在的直线上；

ε_yz——工件加工点的理想坐标为(x，y，z)时，Y轴导轨的偏摆角，是在切削环境温度变化引起的热变形误差、切削力引起的力变形误差、双导轨本身的结构误差共同作用下测得，并规定绕Z轴逆时针旋转的方向为其正方向，反之为其负方向；

所述Y轴导轨俯仰角引起的加工点Y方向上阿贝误差δ_fy的表达式为：δ_fy＝A_ztanε_yx (2)

式中A_z——工件加工点的理想坐标为(x，y，z)时，Y轴导轨的测量点和工件加工点在Z方向上的距离，可由光栅尺测得，其中，测量点位于Y轴导轨光栅尺所在的直线上；

ε_yx——工件加工点的理想坐标为(x，y，z)时，Y轴导轨的俯仰角，是在切削环境温度变化引起的热变形误差、切削力引起的力变形误差、双导轨本身的结构误差共同作用下测得，并规定绕X轴逆时针旋转的方向为其正方向，反之为其负方向；

所述Y轴导轨偏摆角和俯仰角共同引起的加工点Y方向上阿贝误差δ_y为δ_py和δ_fy的矢量和，其表达式为：

δ_y＝δ_py+δ_fy＝A_xtanε_yz+A_ztanε_yx (3)。

进一步的，所述X轴导轨偏摆角ε_xz(x,y)为X轴导轨自身偏摆角ε_xz和Y轴导轨偏摆角ε_yz的矢量和，其表达式为：

ε_xz(x,y)＝ε_xz+ε_yz (4)

式中ε_xz——工件加工点的理想坐标为(x，y，z)时，X轴导轨的偏摆角，是在切削环境温度变化引起的热变形误差、切削力引起的力变形误差、双导轨本身的结构误差共同作用下测得，并规定绕Z轴逆时针旋转的方向为其正方向，反之为其负方向；

所述X轴导轨俯仰角ε_xy(x,y)为X轴导轨自身俯仰角ε_xy和Y轴导轨滚转角ε_yy的矢量和，其表达式为：

ε_xy(x,y)＝ε_xy+ε_yy (5)

式中ε_xy——工件加工点的理想坐标为(x，y，z)时，X轴导轨的俯仰角，是在切削环境温度变化引起的热变形误差、切削力引起的力变形误差、双导轨本身的结构误差共同作用下测得，并规定绕Y轴逆时针旋转的方向为其正方向，反之为其负方向；

ε_yy——工件加工点的理想坐标为(x，y，z)时，Y轴导轨的滚转角，是在切削环境温度变化引起的热变形误差、切削力引起的力变形误差、双导轨本身的结构误差共同作用下测得，并规定绕Y轴逆时针旋转的方向为其正方向，反之为其负方向。

进一步的，所述X轴导轨偏摆角引起的加工点X方向上阿贝误差δ_px的表达式为：δ_px＝B_ytanε_xz(x,y)＝B_ytan(ε_xz+ε_yz) (6)

式中B_y——工件加工点的理想坐标为(x，y，z)时，X轴导轨的测量点和工件加工点在Y方向上的距离，可由光栅尺测得，其中，测量点位于X轴导轨光栅尺所在的直线上；

所述X轴导轨俯仰角引起的加工点X方向上阿贝误差δ_fx的表达式为：δ_fx＝B_ztanε_xy(x,y)＝B_ztan(ε_xy+ε_yy) (7)

式中B_z——工件加工点的理想坐标为(x，y，z)时，X轴导轨的测量点和工件加工点在Z方向上的距离，可由光栅尺测得，其中，测量点位于X轴导轨光栅尺所在的直线上；

所述X轴导轨偏摆角和俯仰角共同引起的加工点X方向上阿贝误差δ_x为δ_px和δ_fx的矢量和，其表达式为：

δ_x＝δ_px+δ_fx＝B_ytan(ε_xz+ε_yz)+B_ztan(ε_xy+ε_yy) (8)。

(三)有益效果

本发明提供了一种堆栈式工作台的误差补偿控制方法，能够分析堆栈式工作台Y轴导轨偏摆角和俯仰角引起的加工点Y方向的阿贝误差并建立阿贝误差模型；分析堆栈式工作台的Y轴导轨角度误差对X轴导轨角度误差相关性和抵偿性的影响；建立X轴导轨角度误差和Y轴导轨角度误差共同作用下的加工点X方向的阿贝误差模型；应用上述模型对堆栈式工作台单向运动二维阿贝误差进行补偿控制。此种建模精度更高，更符合工作台的实际工作状态，为下一步的误差测量和误差补偿工作提供基础，从而有效提高机床的加工精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为堆栈式工作台的结构示意图；

图2为堆栈式工作台Y轴导轨的结构示意图；

图3(a)为Y轴导轨偏摆角引起的Y方向上阿贝误差示意图；

图3(b)为Y轴导轨俯仰角引起的Y方向上阿贝误差示意图；

图4为堆栈式工作台X轴导轨结构示意图；

图5(a)为Y轴导轨偏摆角对X轴导轨偏摆角的影响示意图；

图5(b)为Y轴导轨滚转角对X轴导轨俯仰角的影响示意图；

图6为堆栈式工作台X轴导轨阿贝误差示意图。

图中：1、工件、2、工作台、3、X轴导轨、4、X方向光栅尺、5、Y轴导轨、6、床身、7、Y方向光栅尺、8、立柱、9、Z轴导轨、10、Z方向光栅尺、11、主轴箱。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为堆栈式工作台结构示意图，机床主体包括床身6、工作台2、X轴导轨3、X方向光栅尺4、Y轴导轨5、Y方向光栅尺7、立柱8、Z轴导轨9、Z方向光栅尺10、主轴箱11几大主要组成部件。其中，Y轴导轨5固装在床身6上部，X轴导轨3叠加安装在Y轴导轨5上，工作台2安装在X轴导轨3上，待加工件1装夹在工作台2上，立柱8安装在床身6后部，Z轴导轨9安装在立柱8上。X方向光栅尺4安装在工作台2与X轴导轨3接触边线上，用于测量工作台沿X方向移动的距离；Y方向光栅尺7安装在X轴导轨3与Y轴导轨5接触边线上，用于测量工作台沿Y方向移动的距离；Z方向光栅尺10安装在立柱11与Z轴导轨9接触边线上，用于测量刀具沿Z方向移动的距离。

如图1所示，工件1加工点P的理想坐标为(x，y，z)时，Y轴导轨的偏摆角记为ε_yz，规定绕Z轴逆时针旋转的方向为其正方向；俯仰角记为ε_yx，规定绕X轴逆时针旋转的方向为其正方向；滚转角记为ε_yy，规定绕Y轴逆时针旋转的方向为其正方向；由偏摆角引起的阿贝误差记为δ_py，由俯仰角引起的阿贝误差记为δ_fy，由δ_py和δ_fy共同引起的阿贝误差记为δ_y；工件1加工点P的理想坐标为(x，y，z)时，X轴导轨的偏摆角记为ε_xz，规定绕Z轴逆时针旋转的方向为其正方向；俯仰角记为ε_xy，规定绕Y轴逆时针旋转的方向为其正方向；由偏摆角引起的阿贝误差记为δ_px，由俯仰角引起的阿贝误差记为δ_fx，由δ_px和δ_fx共同引起的阿贝误差为δ_x。

图2为工件1加工点P的理想坐标为(x，y，z)时，Y轴导轨的测量点和工件加工点在X方向上的距离为A_x；测量点和加工点在Z方向上的距离为A_z，可由光栅尺测得，其中，测量点位于Y轴导轨光栅尺所在的直线上。

图3(a)为Y轴导轨5偏摆角ε_yz引起的加工点Y方向上阿贝误差δ_py，δ_py＝A_xtanε_yz。

图3(b)为Y轴导轨5俯仰角ε_yx引起的加工点Y方向上阿贝误差δ_fy，δ_fy＝A_ztanε_yx。

Y轴导轨5偏摆角和俯仰角共同引起的加工点Y方向上阿贝误差δ_y为δ_py和δ_fy的矢量和，即δ_y＝δ_py+δ_fy＝A_xtanε_yz+A_ztanε_yx。

图4为工件1加工点P的理想坐标为(x，y，z)时，X轴导轨的测量点和工件加工点在Y方向上的距离为B_y，在Z方向上的距离为B_z，可由光栅尺测得，其中，测量点位于X轴导轨光栅尺所在的直线上。

图5(a)为Y轴导轨5偏摆角对X轴导轨3偏摆角的影响，X轴导轨3会随Y轴导轨5偏摆产生附加偏摆角ε_yz，即X轴导轨3最终偏摆角ε_xz(x,y)为X轴偏摆角ε_xz和Y轴导轨偏摆角ε_yz的矢量和，记为ε_xz(x,y)＝ε_xz+ε_yz。

图5(b)为Y轴导轨5滚转角对X轴导轨3俯仰角的影响，X轴导轨3会随Y轴导轨5滚转产生附加俯仰角ε_yy，即X轴导轨3最终俯仰角ε_xy(x,y)为X轴导轨3俯仰角ε_xy和Y轴导轨5滚转角ε_yy的矢量和，记为ε_xy(x,y)＝ε_xy+ε_yy。

图6(a)为X轴导轨3最终偏摆角ε_xz(x,y)引起的加工点X方向上阿贝误差δ_px，δ_px＝B_ytanε_xz(x,y)＝B_ytan(ε_xz+ε_yz)。

图6(b)为X轴导轨3最终俯仰角ε_xy(x,y)引起的加工点X方向上阿贝误差δ_fx，δ_fx＝B_ztanε_xy(x,y)＝B_ztan(ε_xy+ε_yy)。

X轴导轨3最终偏摆角ε_xz(x,y)和俯仰角ε_xy(x,y)共同引起的加工点X方向上阿贝误差δ_x为δ_px和δ_fx的矢量和，即δ_x＝δ_px+δ_fx＝B_ytan(ε_xz+ε_yz)+B_ztan(ε_xy+ε_yy)。

Z轴导轨9偏摆角和俯仰角共同引起的阿贝误差原理和Y轴导轨5类似，这里不再叙述。

综上所述，本发明公开了一种堆栈式工作台的误差补偿控制方法，即Y轴导轨5角度误差引起的加工点Y方向上阿贝误差为δ_y＝δ_py+δ_fy＝A_xtanε_yz+A_ztanε_yx，X轴导轨3角度误差和Y轴导轨5角度误差共同引起的加工点X方向上阿贝误差为δ_x＝δ_px+δ_fx＝B_ytan(ε_xz+ε_yz)+B_ztan(ε_xy+ε_yy)。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种堆栈式工作台的误差补偿控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、分析堆栈式工作台Y轴导轨偏摆角和俯仰角引起的加工点Y方向的阿贝误差并建立阿贝误差模型；

步骤二、分析堆栈式工作台的Y轴导轨角度误差对X轴导轨角度误差相关性和抵偿性的影响；

步骤三、建立X轴导轨角度误差和Y轴导轨角度误差共同作用下的加工点X方向的阿贝误差模型；

步骤四、应用上述模型对堆栈式工作台单向运动二维阿贝误差进行补偿控制；

所述Y轴导轨偏摆角引起的加工点Y方向上阿贝误差δ_py的表达式为：δ_py＝A_xtanε_yz (1)

式中A_x——工件加工点的理想坐标为(x，y，z)时，Y轴导轨的测量点和工件加工点在X方向上的距离，可由光栅尺测得，其中，测量点位于Y轴导轨光栅尺所在的直线上；

ε_yz——工件加工点的理想坐标为(x，y，z)时，Y轴导轨的偏摆角，是在切削环境温度变化引起的热变形误差、切削力引起的力变形误差、双导轨本身的结构误差共同作用下测得，并规定绕Z轴逆时针旋转的方向为其正方向，反之为其负方向；

所述Y轴导轨俯仰角引起的加工点Y方向上阿贝误差δ_fy的表达式为：δ_fy＝A_ztanε_yx (2)

式中A_z——工件加工点的理想坐标为(x，y，z)时，Y轴导轨的测量点和工件加工点在Z方向上的距离，可由光栅尺测得，其中，测量点位于Y轴导轨光栅尺所在的直线上；

ε_yx——工件加工点的理想坐标为(x，y，z)时，Y轴导轨的俯仰角，是在切削环境温度变化引起的热变形误差、切削力引 起的力变形误差、双导轨本身的结构误差共同作用下测得，并规定绕X轴逆时针旋转的方向为其正方向，反之为其负方向；

所述Y轴导轨偏摆角和俯仰角共同引起的加工点Y方向上阿贝误差δ_y为δ_py和δ_fy的矢量和，其表达式为：

δ_y＝δ_py+δ_fy＝A_xtanε_yz+A_ztanε_yx (3)

所述X轴导轨偏摆角ε_xz(x,y)为X轴导轨自身偏摆角ε_xz和Y轴导轨偏摆角ε_yz的矢量和，其表达式为：

ε_xz(x,y)＝ε_xz+ε_yz (4)

式中ε_xz——工件加工点的理想坐标为(x，y，z)时，X轴导轨的偏摆角，是在切削环境温度变化引起的热变形误差、切削力引起的力变形误差、双导轨本身的结构误差共同作用下测得，并规定绕Z轴逆时针旋转的方向为其正方向，反之为其负方向；

所述X轴导轨俯仰角ε_xy(x,y)为X轴导轨自身俯仰角ε_xy和Y轴导轨滚转角ε_yy的矢量和，其表达式为：

ε_xy(x,y)＝ε_xy+ε_yy (5)

式中ε_xy——工件加工点的理想坐标为(x，y，z)时，X轴导轨的俯仰角，是在切削环境温度变化引起的热变形误差、切削力引起的力变形误差、双导轨本身的结构误差共同作用下测得，并规定绕Y轴逆时针旋转的方向为其正方向，反之为其负方向；

ε_yy——工件加工点的理想坐标为(x，y，z)时，Y轴导轨的滚转角，是在切削环境温度变化引起的热变形误差、切削力引起的力变形误差、双导轨本身的结构误差共同作用下测得，并规定绕Y轴逆时针旋转的方向为其正方向，反之为其负方向；

所述X轴导轨偏摆角引起的加工点X方向上阿贝误差δ_px的表达式为：δ_px＝B_ytanε_xz(x,y)＝B_ytan(ε_xz+ε_yz) (6)

式中B_y——工件加工点的理想坐标为(x，y，z)时，X轴导轨的测量点和工件加工点在Y方向上的距离，可由光栅尺测得，其中，测量点位于X轴导轨光栅尺所在的直线上；

所述X轴导轨俯仰角引起的加工点X方向上阿贝误差δ_fx的表达式为：δ_fx＝B_ztanε_xy(x,y)＝B_ztan(ε_xy+ε_yy) (7)

式中B_z——工件加工点的理想坐标为(x，y，z)时，X轴导轨的测量点和工件加工点在Z方向上的距离，可由光栅尺测得，其中，测量点位于X轴导轨光栅尺所在的直线上；

所述X轴导轨偏摆角和俯仰角共同引起的加工点X方向上阿贝误差δ_x为δ_px和δ_fx的矢量和，其表达式为：

δ_x＝δ_px+δ_fx＝B_ytan(ε_xz+ε_yz)+B_ztan(ε_xy+ε_yy) (8)。