CN109773585B - 一种基于rtcp的五轴数控机床空间误差检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于RTCP的五轴数控机床空间误差检测方法，属于数控机床检测技术领域。针对传统的空间误差检测方法通常只能单次检测单轴误差而需要多次检测从而耗时长、效率低、不能反映五轴联动误差等问题，本发明基于五轴数控机床的RTCP功能，借助空间误差传递模型，通过以设置旋转轴检测位置为基准，构建机床五个运动轴的检测位置，将各轴单项误差描述为与各轴位置相关的多项式函数，以刀尖点检测结果反解各误差多项式系数，最终完成整个机床工作空间误差的检测。本发明提高了五轴数控机床空间误差的检测效率，简化了检测过程，减少了检测成本，同时检测过程能够反映机床的五轴联动精度。

Description

一种基于RTCP的五轴数控机床空间误差检测方法

技术领域

本发明属于数控机床检测技术领域，特别涉及一种基于RTCP的五轴数控机床空间误差检测方法。

背景技术

数控机床是以数字化制造技术为核心的机电一体化设备，由控制系统、伺服系统、机械执行系统及其他辅助系统所组成。传统制造以三轴机床为主，但随着对于复杂形面零件如某些飞机关键零部件、发动机叶轮叶片、涡轮机叶片等的需求，五轴数控机床逐渐得到了大量应用。五轴机床相比于三轴机床在结构上增加了两个旋转轴，从而可以通过旋转轴的运动实现刀具在工作空间中达到特定加工姿态，使五轴数控机床具备了更好的柔性、更高的加工效率等优点。同时，五轴机床由于引入了两个旋转轴，也引入了更多的误差源，并导致机床运动更加复杂，于是五轴数控机床的误差检测研究成为了当前制造业关注的热点与难点。

机床的空间误差是指刀具在工作空间中的实际位置相对于理想位置的偏差，其对于零件加工精度具有很大的影响。目前各国学者已经针对三轴机床的空间误差检测方法做出了大量研究，并制定了一些相关标准，但是对于五轴数控机床来讲，旋转轴的引入对于空间误差的检测增加了难度，并且传统的检测方法效率不高。传统的机床空间误差检测方法主要有通过仪器检测和加工标准件检测两种方式。目前，主要应用的检测仪器为激光干涉仪。而激光干涉仪单次检测只能检测单轴误差，并且在使用的过程中，需要相关光学组件配合搭建检测光路，整个检测过程复杂、耗时，且不能反映五轴联动精度。而通过加工标准试件检测的方法不仅耗时，对加工工艺也具有特殊要求，并且加工及检测成本高昂。

五轴数控机床的RTCP(Rotation Tool Center Point)功能为刀尖点控制功能，开启RTCP功能后，控制器会由原本控制刀座端面改成控制刀尖点，此时下达的指令皆会以刀尖点所在坐标来作控制。而基于RTCP功能的机床误差检测，是一种通过各轴联动而控制刀尖点在工作空间中位置不动，以刀尖点位置误差反映机床误差的方法。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中检测过程复杂、耗时、检测成本高的问题，提出了一种基于RTCP的五轴数控机床空间误差检测方法。

一种基于RTCP的五轴数控机床空间误差检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据机床各轴的运动范围，设置两个旋转轴的检测点，并将两旋转轴的所有检测点一一组合得到检测点位的旋转轴检测位置；

S2、根据机床拓扑结构，建立机床运动模型，控制刀尖点在工作空间的位置不变，并根据所述机床运动模型和旋转轴检测位置，反解得到检测点位的平动轴检测位置，根据检测点位的旋转轴检测位置和对应的平动轴检测位置，得到检测点位对应的五个轴的检测位置；

S3、基于RTCP，对检测点位的位置误差进行测量，得到各检测点位的误差信息；

S4、采用多项式函数对各误差项进行描述，建立机床空间误差模型，根据各检测点位对应的误差信息，对各误差项对应的多项式函数的系数进行反解，得到所有误差项的数值。

进一步地，所述步骤S1具体为：

根据机床各轴的运动范围，分别设置旋转轴A轴和C轴的检测数量，根据所述检测数量均分各旋转轴的运动范围，分别得到旋转轴A轴和C轴的检测点，将旋转轴A轴和C轴的所有检测点一一组合得到检测点位的旋转轴检测位置。

进一步地，所述步骤S2具体为：

根据机床拓扑结构，计算得到各轴运动位置与刀尖点在工作空间中位置的传递关系

其中，X_T、Y_T和Z_T表示刀尖点在工件坐标系下X、Y、Z三个方向上的位置，而LX、LY、LZ、LA、LC代表机床各轴的运动位置，L代表刀长；

将刀尖点位置(X_T,Y_T,Z_T)设为固定值，根据所述检测点位的旋转轴检测位置，对平动轴X、Y、Z轴的检测位置进行反解，根据检测点位的旋转轴检测位置和对应的平动轴检测位置，得到检测点位对应的五个轴的检测位置。

进一步地，所述步骤S3具体为：

将得到的检测点位的各轴检测位置以数控指令方式输入机床数控系统，开启机床RTCP功能和五轴联动功能，在每个检测位置停留预设时间进行该位置空间误差的检测，得到各检测点位的误差信息。

进一步地，所述步骤S3中进行空间误差检测的方式为：

在主轴装夹球头验棒，利用磁力表座将数个百分表或千分表安装在工作台上，使其能够在工件坐标系X、Y、Z三个方向上对刀尖点位置误差进行测量。

进一步地，所述步骤S4具体为：

S41、采用3阶普通多项式函数对各误差项进行描述

f(t)＝C₃t³+C₂t²+C₁t+C₀

其中，f(t)为常规3阶多项式；

S42、根据所述机床拓扑结构，建立机床的空间误差模型，获得描述各误差项的多项式函数系数与刀尖点误差间的映射关系

其中，P_Err表示刀尖点位置误差向量，J表示所有误差项E与刀尖点位置误差向量P_Err之间的传递关系矩阵，E表示为各轴位置向量组成的矩阵T与对应多项式函数系数向量C之间的乘积，多项式函数系数向量运用最小二乘法进行反解，辨识的多项式系数C*表达为

C*＝[(J·T)^T(J·T)]^-1(J·T)^TP_err

S43、通过辨识的各误差项的多项式函数的系数和对应的多项式函数，对各误差项进行求解，得到所有误差项的数值。

本发明的有益效果：本发明提供了一种基于RTCP的五轴数控机床空间误差检测方法，与现有技术的检测方法相比，本发明检测方法中辅助检测仪器只需要一次安装就可以完成全部误差项检测，提高了检测效率，大大缩短了检测时间，同时也简化了检测过程，减少了检测成本；同时检测仪器的一次安装也减少了检测过程中检测误差所引入的检测不确定度；另外现有技术的检测方法单次只能进行单轴误差的检测，本发明检测方法中检测过程需进行机床五轴联动，涉及五轴联动精度，更能反映机床的综合误差。

附图说明

图1为本发明实施例提供的流程图。

图2为本发明实施例提供的工作台回转式五轴数控机床示意图。

图3为本发明实施例提供的检测点位的旋转轴检测位置图。

图4为本发明实施例提供的五轴数控机床的拓扑结构图。

图5为本发明实施例提供的检测点位的旋转轴检测位置图。

图6为本发明实施例提供的RTCP误差检测实现方式图。

图7为本发明实施例提供的平动轴误差项说明示意图。

图8为本发明实施例提供的旋转轴误差项说明示意图。

图9为本发明实施例提供的垂直度误差项说明示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步的说明。

请参阅图1，本发明提出了一种基于RTCP的五轴数控机床空间误差检测方法，通过以下步骤实现：

S1、根据机床各轴的运动范围，设置两个旋转轴的检测点，并将两旋转轴的所有检测点一一组合得到检测点位的旋转轴检测位置。

本实施例中，根据机床各轴的运动范围，分别设置旋转轴A轴和C轴的检测数量，根据检测数量均分各旋转轴的运动范围，分别得到旋转轴A轴和C轴的检测点，将旋转轴A轴和C轴的所有检测点一一组合得到检测点位的旋转轴检测位置。

请参阅图2，本发明采用如图2所示某型号工作台回转式五轴数控机床，该机床各轴的运动范围如下表1所示。

运动轴	X轴	Y轴	Z轴	A轴	C轴
						范围	0—500mm	0—500mm	0—400mm	-30°—30°	0°—360°

表1各轴运动范围表

本实施例的优选实施例中，将旋转轴A轴与C轴的检测数量分别设置为5和9，对表1中所示的旋转轴运动范围以检测数量进行平均取值。旋转轴A的检测点为[-30°,-15°,0°,15°,30°]，旋转轴C的检测点为[0°,45°,90°,135°,180°,225°,270°,315°,360°]。对两个旋转轴的所有检测点进行一一组合，共有45种组合方式，构成45个检测点位的旋转轴检测位置，构成方式如图3所示，具体组合如表2所示。

表2检测点位的旋转轴检测位置表

S2、根据机床拓扑结构，建立机床运动模型，控制刀尖点在工作空间的位置不变，并根据机床运动模型和旋转轴检测位置，反解得到检测点位的平动轴检测位置，根据检测点位的旋转轴检测位置和对应的平动轴检测位置，得到检测点位对应的五个轴的检测位置。

本实施例中，根据如图4所示的机床拓扑结构，计算得到各轴运动位置与刀尖点在工作空间中位置的传递关系

其中，X_T、Y_T和Z_T表示刀尖点在工件坐标系下X、Y、Z三个方向上的位置，而LX、LY、LZ、LA、LC代表机床各轴的运动位置，L代表刀长；

将刀尖点位置(X_T,Y_T,Z_T)设为固定值，根据表2中检测点位的旋转轴检测位置，对平动轴X、Y、Z轴的检测位置进行反解，根据检测点位的旋转轴检测位置和对应的平动轴检测位置，得到检测点位对应的五个轴的检测位置。

本实施例的优选实施例中，设置刀长为100mm，反解后的平动轴X、Y、Z的测量位置如图5所示，对应于表2中旋转轴的检测位置，最终的45个检测点位为对应的五个轴的检测位置如表3所示。

表3检测点位的五轴检测位置表

S3、基于RTCP，对检测点位的位置误差进行测量，得到各检测点位的误差信息。

本实施例中，将表3中的检测点位的各轴检测位置，以数控指令方式输入机床数控系统，开启机床RTCP功能和五轴联动功能，输入刀长100mm，在每个检测点位停留5秒进行该位置空间误差的检测。检测的方式为：在主轴装夹球头验棒，利用磁力表座将3个百分表或千分表安装在工作台上，使其能够在工件坐标系X、Y、Z三个方向上对刀尖点位置误差进行测量，如图6所示，得到各检测点位的误差信息。

S4、采用多项式函数对各误差项进行描述，建立机床空间误差模型，根据各检测点位对应的误差信息，对各误差项对应的多项式函数的系数进行反解，得到所有误差项的数值。

本实施例中，步骤S4通过以下子步骤实现：

S41、对于本实施例中的工作台五轴数控机床，平动轴与旋转轴均存在与位置相关的6项误差，即3项位置误差与3项角度误差，如图7所示为平动轴X轴误差，图8所示为旋转轴A轴误差。同时机床存在如图9所示的3个平动轴之间的3项垂直度误差。于是机床共有30项位置相关误差与3项垂直度误差。将30项位置相关误差全部看做与各轴位置相关的3阶普通多项式，如式(2)所示。

f(t)＝C₃t³+C₂t²+C₁t+C₀ (2)

对于3阶多项式，一共有4个多项式系数，于是30项位置相关误差即对应120个多项式系数，加上3项垂直度误差(垂直度误差看做零阶常数项系数)。于是五轴机床各误差项可以用表4进行表示。

表4各误差项表达方法表

S42、根据如图4所示的机床拓扑结构，建立机床的空间误差模型，获得描述各误差项的多项式函数系数与刀尖点误差间的映射关系如式(3)所示

其中，P_Err表示刀尖点位置误差向量，J表示所有误差项E与刀尖点位置误差向量P_Err之间的传递关系矩阵，E表示为各轴位置向量组成的矩阵T与对应多项式函数系数向量C之间的乘积。C包含表4中所示的123个系数。于是多项式函数系数向量可以运用最小二乘法进行反解，辨识的多项式系数C*表达为

C*＝[(J·T)^T(J·T)]^-1(J·T)^TP_err (4)

S43、通过辨识的各误差项的多项式函数的系数和表4中对应的表达方式，可以对33项误差进行求解。例如所辨识的X轴误差项ε_x(X)的多项式系数为(C_3εxx*,C_2εxx*,C_1εxx*,C_0εxx*)，那么X轴100mm处的ε_x(X)就可表示为：

ε_x(X₁₀₀)＝100³C_3εxx*+100²C_2εxx*+100C_1εxx*+C_0εxx* (5)

其他各轴任意位置的误差项计算方法以此类推。至此，基于RTCP功能的五轴数控机床空间误差检测完成。可以为后续五轴数控机床工作空间中刀尖点误差的补偿进行服务。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于RTCP的五轴数控机床空间误差检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据机床各轴的运动范围，设置两个旋转轴的检测点，并将两旋转轴的所有检测点一一组合得到检测点位的旋转轴检测位置；

S2、根据机床拓扑结构，建立机床运动模型，控制刀尖点在工作空间的位置不变，并根据所述机床运动模型和旋转轴检测位置，反解得到检测点位的平动轴检测位置，根据检测点位的旋转轴检测位置和对应的平动轴检测位置，得到检测点位对应的五个轴的检测位置；

S3、基于RTCP，对检测点位的位置误差进行测量，得到各检测点位的误差信息；

S4、采用多项式函数对各误差项进行描述，建立机床空间误差模型，根据各检测点位对应的误差信息，对各误差项对应的多项式函数的系数进行反解，得到所有误差项的数值。

2.如权利要求1所述的基于RTCP的五轴数控机床空间误差检测方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：

根据机床各轴的运动范围，分别设置旋转轴A轴和C轴的检测数量，根据所述检测数量均分各旋转轴的运动范围，分别得到旋转轴A轴和C轴的检测点，将旋转轴A轴和C轴的所有检测点一一组合得到检测点位的旋转轴检测位置。

3.如权利要求1所述的基于RTCP的五轴数控机床空间误差检测方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：

根据机床拓扑结构，计算得到各轴运动位置与刀尖点在工作空间中位置的传递关系

其中，X_T、Y_T和Z_T表示刀尖点在工件坐标系下X、Y、Z三个方向上的位置，而L_X、L_Y、L_Z、L_A、L_C代表机床各轴的运动位置，L代表刀长；

将刀尖点位置(X_T,Y_T,Z_T)设为固定值，根据所述检测点位的旋转轴检测位置，对平动轴X、Y、Z轴的检测位置进行反解，根据检测点位的旋转轴检测位置和对应的平动轴检测位置，得到检测点位对应的五个轴的检测位置。

4.如权利要求1所述的基于RTCP的五轴数控机床空间误差检测方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：

将得到的检测点位的各轴检测位置以数控指令方式输入机床数控系统，开启机床RTCP功能和五轴联动功能，在每个检测位置停留预设时间进行该位置空间误差的检测，得到各检测点位的误差信息。

5.如权利要求4所述的基于RTCP的五轴数控机床空间误差检测方法，其特征在于，所述步骤S3中进行空间误差检测的方式为：

在主轴装夹球头验棒，利用磁力表座将数个百分表或千分表安装在工作台上，使其能够在工件坐标系X、Y、Z三个方向上对刀尖点位置误差进行测量。

6.如权利要求1所述的基于RTCP的五轴数控机床空间误差检测方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：

S41、采用3阶普通多项式函数对各误差项进行描述

f(t)＝C₃t³+C₂t²+C₁t+C₀

其中，f(t)为常规3阶多项式；

S42、根据所述机床拓扑结构，建立机床的空间误差模型，获得描述各误差项的多项式函数系数与刀尖点误差间的映射关系

其中，P_Err表示刀尖点位置误差向量，J表示所有误差项E与刀尖点位置误差向量P_Err之间的传递关系矩阵，E表示为各轴位置向量组成的矩阵T与对应多项式函数系数向量C之间的乘积，多项式函数系数向量运用最小二乘法进行反解，辨识的多项式系数C*表达为

C*＝[(J·T)^T(J·T)]^-1(J·T)^TP_err

S43、通过辨识的各误差项的多项式函数的系数和对应的多项式函数，对各误差项进行求解，得到所有误差项的数值。