CN105269406B - 双转台五轴联动机床旋转轴的误差补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双转台五轴联动机床旋转轴的误差补偿方法，包括以下步骤：设置刀长及当前坐标系；安装工作台端的测量中心座，测量并计算安装误差；建立包含安装误差和机床装配关系在内的旋转轴误差模型；通过该误差模型计算两个旋转轴旋转时产生的12项误差值；旋转轴和直线轴误差补偿解耦，修正误差补偿值；根据误差补偿值修正数控代码，实现双转台五轴联动机床旋转轴的误差补偿。本发明具有较高的通用性，提高了误差模型的精度，实现了五轴机床误差检测的自动和高效。

Description

双转台五轴联动机床旋转轴的误差补偿方法

技术领域

本发明涉及数控机床的数控系统误差补偿方法，更具体地涉及双转台五轴联动机床旋转轴的误差补偿方法。

背景技术

五轴数控机床同时具有对刀具或工件进行移动和转动的能力，能对几何形状比较复杂和精度要求较高的自由曲面进行加工，对目前的制造业特别是军事工业具有重大作用。目前对于旋转轴误差测量主要采用安装标准棒、标准球来间接测量，这种方法会引入标准棒的轮廓误差和卡盘的安装及定心误差等，降低旋转轴误差补偿效果。雷尼绍公司提出了XR20-W无线型回转轴校准装置和Axiset Check-Up回转轴心线检查工具，虽然这些设备检测精度高，但价格昂贵，并且Axiset Check-Up的使用必须配合宏程序才能运行，受到数控系统类型的限制，目前只支持Siemens，Fanuc等高档数控系统。

基于球杆仪的旋转轴误差检测是一种廉价、高效的误差检测方法，该装置由两个精密金属球和一个高精度位移传感器组成。在精度测量时，一个标准圆球通过磁性吸座安装于工作台端，另一标准球安装在主轴端。测量得到的球杆仪杆长变化值即为包含各种误差在内的综合误差。

M.Tsutsumi和A.Saito等采用球杆仪测量转台回转式五轴机床，针对摇篮式转台的每个转轴，提出3种球杆仪安装方案，见“Identification and compensation ofsystematic deviations particular to5-axis machining centers[J].InternationalJournal of Machine Tools&Manufacture,2003(43):771-780”，该方案测量出轴向、切向和径向的圆轨迹偏差，根据主轴和工作台两端小球的坐标点，建立球杆仪杆长变化模型，并分离出八项误差。但由于建立的模型较为复杂，在误差分离时做了大量的简化，降低了误差精度。并且该方法将旋转轴不同旋转角度对应的六项误差值看成相等的，而事实上不同旋转角度处的误差值是不一样的，如果对每个位置处都采用相同的误差值进行补偿，势必会降低误差补偿精度，甚至有可能产生越补越大的情况。

W.T.Lei等应用球杆仪在分析五轴机床两转动轴联动下工作台工作空间的基础上，设计球杆仪运行轨迹，对转动轴复合误差进行检测分离，进一步对伺服系统误差进行仿真模拟，得到球杆仪检测模式下各误差表现形式，并提出了一套相应的测量方法,见W.T.Lei,Y.Y.Hsu.Error measurement of five–axis CNC machines with3D probe-ball[J].Journal of Materials Processing Technology,2003,139:127-133。该方法可以测出五轴联动数控机床回转摆动轴回转运动时测头中心的X、Y、Z方向的综合几何误差，但没有分解成六个几何误差分量，并且需使用“3D probe-ball”专用测量装置，使用范围受到限制。

专利CN102001021B公开了五轴联动数控机床回转摆动轴几何误差参数值的测量方法，以五轴机床RTCP刀具中心点运动控制功能提供的平动轴联动坐标为测量基准，采用球杆仪分别测量回转摆动轴不同转角下至少三个位置处X、Y、Z方向的位移误差，并根据所述位移误差作数据处理辨识计算出回转摆动轴各转角的几何误差。该方法的建立是基于主轴端小球不存在误差的前提下，并且建立的模型没有分离出机床装配参数(RTCP参数)，一旦机床装配关系或误差变化，该模型就不适用。

以上的方法都没有考虑球杆仪的安装误差，由于主轴端标准球是通过吸附杆吸附在主轴上的，而吸附杆安装在刀柄上，刀柄又安装在主轴上，在这过程中存在主轴和刀柄之间、刀柄和吸附杆之间的两项偏心误差。球杆仪杆长变化值也包含该安装误差，因此必须要分离出该安装误差。

此外，在具体补偿旋转轴误差时，都没有考虑旋转轴和直线轴之间的运动耦合关系，即旋转轴的运动会造成直线轴的运动，因此，还需要对旋转轴和直线轴进行运动解耦。虽然文献“Y.Y.Hsu,S.S.Wang.A new compensation method for geometry errors offive-axis machine tools[J]，International Journal of Machine Tools&Manufacture2007,47:352 360”和文献“任永强，杨建国.五轴数控机床综合误差补偿解耦研究[J],机械工程学报，2004.2,40(2):55-59”提出了解耦方法，但这些方法只是针对工作台端小球进行额外的位置补偿。对A、C轴进行补偿之后，在RTCP功能的影响下也会引起主轴端小球的位置偏移。

发明内容

针对现有技术中五轴联动机床旋转轴的误差补偿方法中存在的上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种高精度、具有较高通用性的双转台五轴联动机床旋转轴的误差补偿方法。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种双转台五轴联动机床旋转轴的误差补偿方法，其包括以下步骤：

(1)设置刀长及当前坐标系；

(2)安装球杆仪，测量并计算安装误差；

(3)建立包含球杆仪安装误差和机床装配关系在内的旋转轴误差模型；

(4)通过所述误差模型计算A、C旋转轴旋转时的12项误差补偿值；

(5)旋转轴和直线轴误差补偿解耦，修正误差补偿值；

(6)根据误差补偿值修正数控代码，实现双转台五轴联动机床旋转轴的误差补偿。

球杆仪的安装方法为：在当前坐标系下(如G58)，移动X轴到L1和H1的位置(L1和H1的值即为当前坐标下的X和Z值)，将磁力球座放于主轴位置下方，松动球座锁紧手柄，使磁力座球头处于自由状态，缓慢下降Z轴，当测量中心座与球头接近时，球头因为磁力自动吸附在测量中心座上，然后锁紧球头手柄，从而保证磁力座球头坐标在当前坐标系下的理想位置：x_wi＝L₁，y_wi＝0。按照上述方法分别将工作台端小球移动在L2,H2的位置和L3,H3的位置。

将旋转轴和直线轴设为0度，将球杆仪轴向放置，分别记录主轴在0度、90度、180度和270度时的杆长值，通过以下公式计算球杆仪安装误差：

包含球杆仪安装误差和机床装配关系在内的旋转轴误差模型的建立过程如下：

将球杆仪分别安装在轴向、径向和切向，根据测得的球杆仪的杆长变化值以及工作台端小球的位置可以通过以下计算公式进行建模：

A轴旋转对应的六项误差为：

L_xa＝-ΔX+R_za(R_j+(J_j+e_ys)cos(A)+(J_k+H)sin(A))-R_ya(R_k-(J_j+e_ys)sin(A)+(J_k+H)cos(A))

L_ya＝-ΔY-R_za(R_i+J_i+L+e_xs)+R_xa(R_k+(J_k+H)cos(A)-(e_ys+J_j)sin(A))

L_za＝-ΔZ-R_xa(R_j+(J_j+e_ys)cos(A)+(J_k+H)sin(A))+R_ya(R_i+J_i+L+e_xs)

其中：

a₁＝L₁+e_xs1-(L₂-e_xs2)，a₂＝L₁-e_xs1-(L₃-e_xs3)，

c₁＝H₁-H₂，c₂＝H₁-H₃，

ΔY＝ΔTangcosA+ΔRadialsinA+e_ys-e_yscosA

ΔZ＝-TangsinA+RadialcosA+e_yssinA

L_xa：A轴旋转引起在X方向的线性误差；

L_ya：A轴旋转引起在Y方向的线性误差；

L_za：A轴旋转引起在Z方向的线性误差；

R_xa：A轴旋转引起绕X方向的转角误差；

R_ya：A轴旋转引起绕Y方向的转角误差；

R_za：A轴旋转引起绕Z方向的转角误差；

R_i,R_j,R_k,J_i,J_j,J_k为描述机床装配关系的四个参数值，分别为A轴旋转中心在机床坐标系下在X、Y、Z方向的值，以及C轴旋转中心在A轴坐标系下在X、Y、Z方向的值。

C轴旋转对应的六项误差为：

L_xc＝-ΔX-R_yc(J_k+R_k+H₁)+R_zc[J_j+R_j-(e_xs1+L₁)sinC+e_ys1cosC]

L_yc＝-ΔY-R_zc(J_i+R_i+(e_xs1+L₁)cosC+e_ys1sinC)+R_xc(J_k+R_k+H₁)

其中：

ΔX＝ΔRadialcosC+ΔTangsinC+e_xs-(e_xscosC+e_yssinC)

ΔY＝ΔTangcosC-ΔRadialsinC+e_ys-(e_yscosC-e_xssinC)

ΔZ＝ΔAxial

L_xc：C轴旋转引起在X方向的线性误差；

L_yc：C轴旋转引起在Y方向的线性误差；

L_zc：C轴旋转引起在Z方向的线性误差；

R_xc：C轴旋转引起绕X方向的转角误差；

R_yc：C轴旋转引起绕Y方向的转角误差；

R_zc：C轴旋转引起绕Z方向的转角误差；

旋转轴和直线轴误差补偿解耦的方法为：先补偿旋转轴误差，再补偿直线轴误差；进行直线轴补偿时不仅补偿原先的直线轴误差，而且补偿由于补偿旋转轴误差所造成的附加直线轴误差；该附加直线轴误差包含主轴端小球运动误差(x_rw,y_rw,z_rw)和工作台端小球运动误差(x_rs,y_rs,z_rs)两部分，其中工作台端小球运动量为：T_w(A+ΔA)-T_w(C+ΔC)，主轴端小球的运动量为：T_s(A+ΔA)-T_s(C+ΔC)，其中：ΔA和ΔC为旋转轴和直线轴的综合误差补偿值，

。

利用本发明的技术方案进行双转台五轴联动机床旋转轴的误差补偿具有显著的优点：建立的误差模型包含机床装配关系，使得该模型适用于任何双转台结构的五轴机床，具有较高的通用性；不受球杆仪安装误差影响，降低了球杆仪安装要求，提高误差模型精度，实现五轴机床误差检测的自动和高效；基于相对误差的原理，将主轴端小球的误差反向叠加到工作台端，通过建立杆长变化值与工作台端小球的位置变化之间的关系模型来推导误差元素分离算法，不仅不需要对模型进行简化，提高了误差精度，而且能得到旋转轴旋转不同角度时对应的十二项运动误差；在对旋转轴直线轴进行误差补偿解耦过程中，考虑了球杆仪安装误差，先对旋转轴进行补偿，再对直线轴进行补偿；直线轴补偿时不仅补偿原先的位置误差，还对补偿旋转轴误差后造成的主轴端和工作台端小球附加的位置误差进行补偿，提高旋转轴误差补偿精度。

附图说明

图1为本发明双转台五轴联动机床旋转轴的误差补偿方法的流程图。

图2为C轴旋转，球杆仪径向(X向)放置时，补偿前后球杆仪杆长变化图。

图3为C轴旋转，球杆仪切向(Y向)放置时，补偿前后球杆仪杆长变化图。

图4为C轴旋转，球杆仪轴向(Z向)放置时，补偿前后球杆仪杆长变化图。

图5为A轴旋转，球杆仪径向(Z向)放置时，补偿前后球杆仪杆长变化图。

图6为A轴旋转，球杆仪切向(Y向)放置时，补偿前后球杆仪杆长变化图。

图7为A轴旋转，球杆仪轴向(X向)放置时，补偿前后球杆仪杆长变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述，所给实施例仅是用于说明具体实施和具有的有益效果，并非用于限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种双转台五轴联动机床旋转轴的误差补偿方法，其包括以下步骤：

(1)设置刀长及当前坐标系：

用对刀仪测量“刀柄长度+小球吸附杆的长度+标准小球的半径”的值，设T1刀的刀长为该值，在检测误差时，采用T1刀。

根据机床装配关系(RTCP参数)，设置当前坐标系(如G58)X、Y、Z值为C轴旋转中心在A轴坐标系下的值，具体方法为：将当前工作坐标系的X设置为在机床坐标系下A轴回转中心X坐标+C轴回转中心相对A轴回转中心X向的值，Y设为在机床坐标系下A轴回转中心的Y值+C轴回转中心相对A轴回转中心Y向的值，Z设为在机床坐标系下A轴回转中心的Z值+C轴回转中心相对A轴回转中心Z向的值。

(2)安装球杆仪，测量并计算安装误差；

在当前坐标系下(如G58)，移动X轴到L1和H1的位置(L1和H1的值即为当前坐标下的X和Z值)，将磁力球座放于主轴位置下方，松动球座锁紧手柄，使磁力座球头处于自由状态，缓慢下降Z轴，当测量中心座与球头接近时，球头因为磁力自动吸附在测量中心座上，然后锁紧球头手柄，从而保证磁力座球头坐标在当前坐标系下的理想位置：x_wi＝L₁，y_wi＝0。按照上述方法分别将工作台端小球移动在L2,H2的位置和L3,H3的位置。将旋转轴和直线轴设为0度，将球杆仪轴向放置，分别记录主轴在0度、90度、180度和270度时的杆长值，通过以下公式计算球杆仪安装误差：

(3)建立包含球杆仪安装误差和机床装配关系在内的旋转轴误差模型

将球杆仪分别安装在轴向、径向和切向，根据测得的球杆仪的杆长变化值以及工作台端小球的位置可以通过以下计算公式进行建模：

A轴旋转对应的六项误差为：

L_xa＝-ΔX+R_za(R_j+(J_j+e_ys)cos(A)+(J_k+H)sin(A))-R_ya(R_k-(J_j+e_ys)sin(A)+(J_k+H)cos(A))

L_ya＝-ΔY-R_za(R_i+J_i+L+e_xs)+R_xa(R_k+(J_k+H)cos(A)-(e_ys+J_j)sin(A))

L_za＝-ΔZ-R_xa(R_j+(J_j+e_ys)cos(A)+(J_k+H)sin(A))+R_ya(R_i+J_i+L+e_xs)

其中：

a₁＝L₁+e_xs1-(L₂-e_xs2)，a₂＝L₁-e_xs1-(L₃-e_xs3)，

c₁＝H₁-H₂，c₂＝H₁-H₃，

ΔY＝ΔTangcosA+ΔRadialsinA+e_ys-e_yscosA

ΔZ＝-TangsinA+RadialcosA+e_yssinA

L_xa：A轴旋转引起在X方向的线性误差；

L_ya：A轴旋转引起在Y方向的线性误差；

L_za：A轴旋转引起在Z方向的线性误差；

R_xa：A轴旋转引起绕X方向的转角误差；

R_ya：A轴旋转引起绕Y方向的转角误差；

R_za：A轴旋转引起绕Z方向的转角误差；

R_i,R_j,R_k,J_i,J_j,J_k为描述机床装配关系的四个参数值，分别为A轴旋转中心在机床坐标系下在X、Y、Z方向的值，以及C轴旋转中心在A轴坐标系下在X、Y、Z方向的值。

C轴旋转对应的六项误差为：

L_xc＝-ΔX-R_yc(J_k+R_k+H₁)+R_zc[J_j+R_j-(e_xs1+L₁)sinC+e_ys1cosC]

L_yc＝-ΔY-R_zc(J_i+R_i+(e_xs1+L₁)cosC+e_ys1sinC)+R_xc(J_k+R_k+H₁)

其中：

ΔX＝ΔRadialcosC+ΔTangsinC+e_xs-(e_xscosC+e_yssinC)

ΔY＝ΔTangcosC-ΔRadialsinC+e_ys-(e_yscosC-e_xssinC)

ΔZ＝ΔAxial

L_xc：C轴旋转引起在X方向的线性误差；

L_yc：C轴旋转引起在Y方向的线性误差；

L_zc：C轴旋转引起在Z方向的线性误差；

R_xc：C轴旋转引起绕X方向的转角误差；

R_yc：C轴旋转引起绕Y方向的转角误差；

R_zc：C轴旋转引起绕Z方向的转角误差；

(4)通过所述误差模型计算A、C旋转轴旋转时的12项误差补偿值；

(5)旋转轴和直线轴误差补偿解耦，修正误差补偿值；

先补偿旋转轴误差，再补偿直线轴误差；进行直线轴补偿时不仅补偿原先的直线轴误差，而且补偿由于补偿旋转轴误差所造成的附加直线轴误差；该附加直线轴误差包含主轴端小球运动误差(x_rw,y_rw,z_rw)和工作台端小球运动误差(x_rs,y_rs,z_rs)两部分，其中工作台端小球运动量为：T_w(A+ΔA)-T_w(C+ΔC)，主轴端小球的运动量为：T_s(A+ΔA)-T_s(C+ΔC)，其中：ΔA和ΔC为A、C轴的综合误差补偿值，

。

(6)根据误差补偿值修正数控代码，实现双转台五轴联动机床旋转轴的误差补偿。

本发明将球杆仪安装在不同的位置，通过建立误差模型预测在该位置处的误差值，进而通过NC代码修正程序得到修正后的NC代码，分别加载补偿前后和补偿后的NC代码程序，检测球杆仪杆长变化值。从图2～图7的检测结果中可以看出，加载补偿后的NC代码后，球杆仪杆长变化明显减小。

Claims (3)

1.一种双转台五轴联动机床旋转轴的误差补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)设置刀长及当前坐标系；

(2)安装球杆仪，测量并计算安装误差；

(3)建立包含球杆仪安装误差和机床装配关系在内的旋转轴误差模型；

(4)通过所述误差模型计算A、C旋转轴旋转时的12项误差补偿值；

(5)旋转轴和直线轴误差补偿解耦，修正误差补偿值；

(6)根据误差补偿值修正数控代码，实现双转台五轴联动机床旋转轴的误差补偿。

2.如权利要求1所述的误差补偿方法，其特征在于：所述包含球杆仪安装误差和机床装配关系在内的旋转轴误差模型的建立过程如下：

将球杆仪分别安装在轴向、径向和切向，根据测得的球杆仪的杆长变化值以及工作台端小球的位置可以通过以下计算公式进行建模：

A轴旋转对应的六项误差为：

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L_xa＝-ΔX+R_za(R_j+(J_j+e_ys)cos(A)+(J_k+H)sin(A))-R_ya(R_k-(J_j+e_ys)sin(A)+(J_k+H)cos(A))

L_ya＝-ΔY-R_za(R_i+J_i+L+e_xs)+R_xa(R_k+(J_k+H)cos(A)-(e_ys+J_j)sin(A))

L_za＝-ΔZ-R_xa(R_j+(J_j+e_ys)cos(A)+(J_k+H)sin(A))+R_ya(R_i+J_i+L+e_xs)

其中：

a₁＝L₁+e_xs1-(L₂-e_xs2)，a₂＝L₁-e_xs1-(L₃-e_xs3)，

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c₁＝H₁-H₂，c₂＝H₁-H₃，

ΔY＝ΔTangcosA+ΔRadialsinA+e_ys-e_yscosA

ΔZ＝-TangsinA+RadialcosA+e_yssinA

e_xs：球杆仪在X方向上的安装误差；

e_ys：球杆仪在Y方向上的安装误差；

A：A轴的旋转角度；

H：小球中心点到C轴回转中心在Z方向上的距离；

L：小球中心点到C轴回转中心在X方向上的距离；

L_xa：A轴旋转引起在X方向的线性误差；

L_ya：A轴旋转引起在Y方向的线性误差；

L_za：A轴旋转引起在Z方向的线性误差；

R_xa：A轴旋转引起绕X方向的转角误差；

R_ya：A轴旋转引起绕Y方向的转角误差；

R_za：A轴旋转引起绕Z方向的转角误差；

R_i,R_j,R_k,J_i,J_j,J_k为描述机床装配关系四个参数值，分别为A轴旋转中心在机床坐标系下在X、Y、Z方向的值，以及C轴旋转中心在A轴坐标系下在X、Y、Z方向的值。

C轴旋转对应的六项误差为：

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L_xc＝-ΔX-R_yc(J_k+R_k+H₁)+R_zc[J_j+R_j-(e_xs1+L₁)sinC+e_ys1cosC]

L_yc＝-ΔY-R_zc(J_i+R_i+(e_xs1+L₁)cosC+e_ys1sinC)+R_xc(J_k+R_k+H₁)

L_zc＝-ΔZ+R_yc(J_i+R_i+(e_xs1+L₁)cosC+e_ys1sinC)-R_xc(J_j+R_j+e_ys1cosC-(L₁+e_xs1)sinC)

其中：

ΔX＝ΔRadialcosC+ΔTangsinC+e_xs-(e_xscosC+e_yssinC)

ΔY＝ΔTangcosC-ΔRadialsinC+e_ys-(e_yscosC-e_xssinC)

ΔZ＝ΔAxial

C：C轴的旋转角度；

L_xc：C轴旋转引起在X方向的线性误差；

L_yc：C轴旋转引起在Y方向的线性误差；

L_zc：C轴旋转引起在Z方向的线性误差；

R_xc：C轴旋转引起绕X方向的转角误差；

R_yc：C轴旋转引起绕Y方向的转角误差；

R_zc：C轴旋转引起绕Z方向的转角误差。

3.如权利要求1或2所述的误差补偿方法，其特征在于：所述旋转轴和直线轴误差补偿解耦先补偿旋转轴误差，再补偿直线轴误差；进行直线轴补偿时不仅补偿原先的直线轴误差，而且补偿由于补偿旋转轴误差所造成的附加直线轴误差；所述附加直线轴误差包含主轴端小球运动误差(x_rw,y_rw,z_rw)和工作台端小球运动误差(x_rs,y_rs,z_rs)两部分，其中工作台端小球运动量为：T_w(A+ΔA)-T_w(C+ΔC)，主轴端小球的运动量为：T_s(A+ΔA)-T_s(C+ΔC)，其中：ΔA和ΔC为A、C轴的综合误差补偿值，

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其中：

L₀为球杆仪的杆长值。