CN108340210A - 一种基于球杆仪测量的多轴机床几何误差辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于球杆仪测量的多轴机床几何误差辨识方法，包括以下步骤：根据机床结构和回转轴位置，确定球杆仪的安装位置，然后单独检测回转轴的与位置无关的几何误差；采用线性轴与回转轴联动的方式，以辨识线性轴的与位置无关的几何误差；结合具体的检测轨迹得到线性轴坐标与回转轴角度位置的关系，利用齐次变化矩阵构建回转轴与线性轴的与位置无关的几何误差辨识矩阵，进而对每一项与位置无关的几何误差进行解耦。通过实验结果与仿真结果的对比，对五轴机床的与位置无关的几何误差进行辨识。本发明的检测步骤只需要安装一次检测设备，测量方便，辨识精度高。

Description

一种基于球杆仪测量的多轴机床几何误差辨识方法

技术领域

本发明涉及多轴数控机床精度检测领域，特别涉及一种基于球杆仪测量的多轴机床几何误差辨识方法。

技术背景

随着五轴机床在制造业的比重越来越大，机床精度检测的需求也逐渐上升。针对多轴机床的精度检测，出现了球杆仪，激光干涉仪以及R-test等装置。其中，由于成本较低，检测时间短，检测程序简单等优势，球杆仪被视为进行精度检测的理想工具。

目前，同时涉及线性轴与回转轴与位置无关的几何误差的辨识方法相对较少，且大多数辨识精度不高，实验设备安装较为复杂。因此，发明一种简易且较为准确的机床误差辨识方法是十分有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于球杆仪测量的多轴机床几何误差辨识方法，利用球杆仪来实现多轴机床的与位置无关的几何误差辨识。该发明的检测步骤只需要安装一次检测设备，因而极大地提高了检测效率。

一种基于球杆仪测量的多轴机床几何误差辨识方法，包括如下步骤：

步骤1、根据机床结构和回转轴位置，确定球杆仪的安装位置，然后单独检测回转轴的与位置无关的几何误差。

步骤2、采用线性轴与回转轴联动的方式，以辨识线性轴的与位置无关的几何误差。

步骤3、结合具体的检测轨迹得到线性轴坐标与回转轴角度位置的关系，利用齐次变化矩阵构建回转轴与线性轴的与位置无关的几何误差辨识矩阵，进而对每一项与位置无关的几何误差进行解耦。通过实验结果与仿真结果的对比，对五轴机床的与位置无关的几何误差进行辨识。

步骤1中根据机床结构和回转轴位置，确定球杆仪的安装位置，然后单独检测回转轴的与位置无关的几何误差，包括步骤：

步骤1.1、两个回转轴(A轴与C轴)分四步检测。球杆仪的主轴工具杯位于A轴回转中心上；球杆仪基座安装在C轴转台上，与C轴回转中心距离为100mm。利用相应机床代码，使得A轴在-20°-+70°的范围内进行回转运动，以检测A轴。

步骤1.2、利用加长杆将球杆仪延长50mm，检测A轴。安装150mm球杆仪时，应控制主轴在负X方向上位移，球杆仪基座的位置不变。A轴的回转角度同样为-20°-+70°。球杆仪运动过的轨迹为圆锥曲面的四分之一。

步骤1.3、在没有加长杆的情况下检测C轴。主轴工具杯位于C轴回转中心上，球杆仪基座位置不变。C轴进行0°-360°的回转运动。

步骤1.4、将球杆仪延长50mm，球杆仪基座位置不变，C轴进行0°-360°的回转运动，检测C轴。

进一步地，步骤2中采用线性轴与回转轴联动的方式，以辨识线性轴的与位置无关的几何误差，包括步骤：

步骤2.1、在X轴与C轴测试中，球杆仪基座安装在C轴转台上，距离C轴回转中心100mm。主轴工具杯中心具有与基座工具杯中心相同的高度。两个工具杯之间的距离为150mm，即为带有50mm加长杆的球杆仪长度。运行相应机床代码，使得主轴工具杯仅沿X轴移动，同时C轴进行0°-360°的回转运动。

步骤2.2、在Y轴与C轴测试中，基座位置保持不变。主轴工具杯中心与基座工具杯中心高度相同。运行相应机床代码，使得主轴工具杯仅沿Y轴移动。Y轴移动的同时，C轴进行0°-360°的回转运动。

步骤2.3、在Z轴与A轴测试中，球杆仪基座安装在C轴转台上，距离C轴回转中心处100mm。通过运行机床代码，使得主轴工具杯仅沿Z轴移动，同时，A轴在-20°-+70°的范围内进行回转运动。

进一步地，步骤3中结合具体的检测轨迹得到线性轴坐标与回转轴角度位置的关系，利用齐次变化矩阵构建回转轴与线性轴的与位置无关的几何误差辨识矩阵，进而对每一项与位置无关的几何误差进行解耦。通过实验结果与仿真结果的对比，对五轴机床的与位置无关的几何误差进行辨识，包含步骤：

步骤3.1、通过具体的检测轨迹得到X轴坐标与C轴回转角度的关系：

公式1也可以用来推导Y_m与Z_m，因为在YC与ZA测试中，回转半径都是100mm，球杆仪长度为150mm。

步骤3.2、利用齐次变换矩阵得到X轴与位置无关的几何误差的辨识矩阵：

T_X＝E_Y·E_Z·T_X，ideal (2)

同样的，Y轴与Z轴的与位置无关的几何误差的齐次变换矩阵如公式(3)和公式(4)所示：

T_Y＝E_X·E_Z·T_Y，ideal (3)

T_Z＝E_X·E_Y·T_Z，ideal (4)

由于回转轴具有四个与位置无关的几何误差，所以实际的回转轴齐次变换矩阵由五个矩阵构成。A轴与C轴的齐次变换矩阵如公式(5)和公式(6)所示：

T_A＝D_Y·D_Z·E_Y·E_Z·T_A，ideal (5)

T_C＝D_X·D_Y·E_X·E_Y·T_C，ideal (6)

步骤3.3、利用上述线性轴与回转轴的齐次变换矩阵，代入某一项与位置无关的几何误差数值，其它误差项设置为0，通过五轴机床模型进行仿真，即可得到该与位置无关的几何误差对于球杆仪实际运行轨迹的影响。通过实验结果与仿真结果的对比，对五轴机床的与位置无关的几何误差进行辨识。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明方法使用齐次变换矩阵建立了五轴机床的数学模型，其中包含了线性轴与回转轴的与位置无关的几何误差，可以通过该模型预估他们对机床精度的影响。实验中仅需要安装一次实验设备，简化了实验过程，从而极大地提高了检测效率。本发明方法的实验结果与给定的误差仿真特性可以用作多轴机床与位置无关的几何误差的快速辨识。

附图说明

图1为某摇篮式五轴数控机床结构示意图。

图2为Z轴与C轴与位置无关的几何误差。

图3为本发明方法实施例中单独检测回转轴实验示意图。

图4为本发明方法实施例中同时检测回转轴与线性轴实验示意图。

图5为本发明方法实施例中通过给定的机床模型生成的误差仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

附图1所示为某摇篮式五轴数控机床结构示意图，以该机床为例，对本发明方法进行阐述。

步骤1中根据机床结构和回转轴位置，确定球杆仪的安装位置，然后单独检测回转轴的与位置无关的几何误差，包括步骤：

步骤1.1、两个回转轴(A轴与C轴)分四步检测。根据机床结构以及A轴与C轴位置，球杆仪的主轴工具杯安装在A轴回转中心上；球杆仪基座安装在C轴转台上，与C轴回转中心距离为100mm。如图3a所示，运行相应机床代码，使得A轴在-20°-+70°的范围内进行回转运动，用以检测A轴。

步骤1.2、利用加长杆将球杆仪延长50mm，检测A轴。安装150mm球杆仪时，应控制主轴在负X方向上位移，球杆仪基座的位置不变。如图3b所示，A轴的回转角度同样为-20°-+70°。球杆仪运动过的轨迹为圆锥曲面的四分之一。

步骤1.3、在没有加长杆的情况下检测C轴。主轴工具杯中心位于C轴回转中心上，球杆仪基座位置不变。如图3c所示，运行相应机床代码，使得C轴进行0°-360°的回转运动，以检测C轴。

步骤1.4、将球杆仪延长50mm，球杆仪基座位置不变。如图3d所示，C轴进行0°-360°的回转运动，以检测C轴。

步骤2中采用线性轴与回转轴联动的方式，以辨识线性轴的与位置无关的几何误差，包括步骤：

步骤2.1、在X轴与C轴测试中，球杆仪基座安装在C轴转台上，距离C轴回转中心100mm。主轴工具杯中心具有与基座工具杯中心相同的高度。两个工具杯之间的距离为150mm，即为带有50mm加长杆的球杆仪长度。如图4a所示，运行相应机床代码，使得主轴工具杯仅沿X轴移动，同时C轴进行0°-360°的回转运动。

步骤2.2、在Y轴与C轴测试中，基座位置保持不变。主轴工具杯中心与基座工具杯中心高度相同。如图4b所示，运行相应机床代码，使得主轴工具杯仅沿Y轴移动。Y轴移动的同时，C轴进行360°的回转运动。

步骤2.3、在Z轴与A轴测试中，球杆仪基座安装在C轴转台上，距离C轴回转中心处100mm。如图4c所示，运行相应机床代码，使得主轴工具杯仅沿Z轴移动，同时，A轴在-20°-+70°的范围内进行回转运动。

步骤3中利用齐次变化矩阵得到回转轴与线性轴的与位置无关的几何误差辨识矩阵，进而对每一项与位置无关的几何误差进行解耦，通过实验结果与仿真结果的对比，对五轴机床的与位置无关的几何误差进行辨识。包含步骤：

步骤3.1、以X轴与C轴联动为例，得到X轴坐标与C轴回转角度的关系：

公式1也可以用来推导Y_m与Z_m，因为在YC与ZA测试中，回转半径都是100mm，球杆仪长度为150mm。

步骤3.2、利用齐次变换矩阵得到X轴与位置无关的几何误差的辨识矩阵：

T_X＝E_Y·E_Z·T_X，ideal (2)

同样的，Y轴与Z轴的与位置无关的几何误差的齐次变换矩阵如公式(3)和公式(4)所示：

T_Y＝E_X·E_Z·T_Y，ideal (3)

T_Z＝E_X·E_Y·T_Z，ideal (4)

由于回转轴具有四个与位置无关的几何误差，所以实际的回转轴齐次变换矩阵由五个矩阵构成。A轴与C轴的齐次变换矩阵如公式(5)和公式(6)所示：

T_A＝D_Y·D_Z·E_Y·E_Z·T_A，ideal (5)

T_C＝D_X·D_Y·E_X·E_Y·T_C，ideal (6)

步骤3.3、利用上述线性轴与回转轴的齐次变换矩阵，代入某一项与位置无关的几何误差数值，其它误差项设置为0，通过五轴机床数学模型进行仿真，即可得到该与位置无关的几何误差对于球杆仪实际运行轨迹的影响，误差仿真结果如图5所示。通过实际实验结果与图5仿真结果的对比，对五轴机床与位置无关的几何误差进行辨识。

本发明最后得到机床回转轴与线性轴的14项与位置无关的几何误差。附图只是一个优选实例，上述的实施例只是为了描述本发明，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于球杆仪测量的多轴机床几何误差辨识方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、根据机床结构和回转轴位置，确定球杆仪的安装位置，然后单独测量回转轴的与位置无关的几何误差。

步骤2、采用线性轴与回转轴联动的方式，以辨识线性轴的与位置无关的几何误差。

步骤3、结合具体的检测轨迹得到线性轴坐标与回转轴角度位置的关系，利用齐次变化矩阵构建回转轴与线性轴的与位置无关的几何误差辨识矩阵，进而对每一项与位置无关的几何误差进行解耦。通过实验结果与仿真结果的对比，对五轴机床的与位置无关的几何误差进行辨识。

2.根据权利要求1所述的基于球杆仪测量的多轴机床几何误差辨识方法，其特征在于，所述步骤1中，根据机床结构和回转轴位置，首先确定球杆仪的安装位置，然后单独测量回转轴的与位置无关的几何误差，包括步骤：

步骤1.1、两个回转轴(A轴与C轴)分四步检测。球杆仪的主轴工具杯位于A轴回转中心上；球杆仪基座安装在C轴转台上，与C轴回转中心距离为100mm。利用相应机床代码，使得A轴在-20°-+70°的范围内进行回转运动，以检测A轴。

步骤1.2、利用加长杆将球杆仪延长50mm，检测A轴。安装150mm球杆仪时，应控制主轴在负X方向上位移，球杆仪基座的位置不变。A轴的回转角度同样为-20°-+70°。球杆仪运动过的轨迹为圆锥曲面的四分之一。

步骤1.3、在没有加长杆的情况下检测C轴。主轴工具杯位于C轴回转中心上，球杆仪基座位置不变。C轴进行0°-360°的回转运动。

步骤1.4、将球杆仪延长50mm，球杆仪基座位置不变，C轴进行0°-360°的回转运动，检测C轴。

3.根据权利要求书1所述的基于球杆仪测量的多轴机床几何误差辨识方法，其特征在于，所述步骤2中，采用线性轴与回转轴联动的方式，以辨识线性轴的与位置无关的几何误差，包括步骤：

步骤2.1、在X轴与C轴测试中，球杆仪基座安装在C轴转台上，距离C轴回转中心100mm。主轴工具杯中心具有与基座工具杯中心相同的高度。两个工具杯之间的距离为150mm，即为带有50mm加长杆的球杆仪长度。运行相应机床代码，使得主轴工具杯仅沿X轴移动，同时C轴进行0°-360°的回转运动。

步骤2.2、在Y轴与C轴测试中，基座位置保持不变。主轴工具杯中心与基座工具杯中心高度相同。运行相应机床代码，使得主轴工具杯仅沿Y轴移动。Y轴移动的同时，C轴进行0°-360°的回转运动。

步骤2.3、在Z轴与A轴测试中，球杆仪基座安装在C轴转台上，距离C轴回转中心处100mm。通过运行机床代码，使得主轴工具杯仅沿Z轴移动，同时，A轴在-20°-+70°的范围内进行回转运动。

4.根据权利要求书1所述的基于球杆仪测量的多轴机床几何误差辨识方法，其特征在于，所述步骤3中，结合具体的检测轨迹得到线性轴坐标与回转轴角度位置的关系，利用齐次变化矩阵构建回转轴与线性轴的与位置无关的几何误差辨识矩阵，进而对每一项与位置无关的几何误差进行解耦。通过实验结果与仿真结果的对比，对五轴机床的与位置无关的几何误差进行辨识，包括步骤：

步骤3.1、通过具体的测量方向得到X轴坐标与C轴回转角度的关系：

公式1也可以用来推导Y_m与Z_m，因为在YC与ZA测试中，回转半径都是100mm，球杆仪长度为150mm。

步骤3.2、以X轴为例，通过齐次变换矩阵得到线性轴与位置无关的几何误差的辨识矩阵：

T_X＝E_Y·E_Z·T_X，ideal (2)

同样的，Y轴与Z轴的与位置无关的几何误差的齐次变换矩阵如公式(3)和公式(4)所示：

T_Y＝E_X·E_Z·T_Y，ideal (3)

T_Z＝E_X·E_Y·T_Z，ideal (4)

由于回转轴具有四个与位置无关的几何误差，所以实际的回转轴齐次变换矩阵由五个矩阵构成。A轴与C轴的齐次变换矩阵如公式(5)和公式(6)所示：

T_A＝D_Y·D_Z·E_Y·E_Z·T_A，ideal (5)

T_C＝D_X·D_Y·E_X·E_Y·T_C，ideal (6)

步骤3.3、利用上述线性轴与回转轴的齐次变换矩阵，代入某一项与位置无关的几何误差数值，其它误差项设置为0，通过五轴机床模型进行仿真，即可得到该与位置无关的几何误差对于球杆仪实际运行轨迹的影响。通过实验结果与仿真结果的对比，对五轴机床的与位置无关的几何误差进行辨识。