CN110539020B - 一种双五轴镜像铣机床的精度自诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双五轴镜像铣机床的精度自诊断方法，该方法包含：采用基于三坐标测头和自诊断测试工装的自动零点检测，对工装进行位置检测以计算回零偏差，用于诊断机床几何精度；利用球杆仪，获得机床运动轮廓误差，以诊断机床空间轮廓精度；根据线激光轮廓仪对工装工艺位置的测试结果评估传感器精度状况，诊断镜像铣机床的测控传感器精度。本发明将根据生产需要提取双五轴镜像铣机床的状态特征，从机床几何精度、空间轮廓精度、测控传感器精度三个层面实现对机床精度的诊断，在保证评价精度的前提下提高诊断效率，完成机床周期性运行健康状态自评估。

Description

一种双五轴镜像铣机床的精度自诊断方法

技术领域

本发明涉及机械和数控机床领域，特别涉及一种双五轴镜像铣机床的精度自诊断方法。

背景技术

双五轴镜像铣机床用于实现曲面金属蒙皮类零件厚度铣削、内外轮廓铣削、钻和铣孔功能，实现大型曲面蒙皮件的高速、高精度、无污染机械铣加工。

在双五轴镜像铣机床中，除了蒙皮加工侧有主轴刀具外，另一侧会有一些无划痕支承头，如图1所示。加工过程中，刀具摆头01和支撑摆头02会沿着蒙皮03表面一同运动，方向呈曲面镜像对称，以保证加工全过程始终为点对点的法向支承和铣切，这样可以使得工件在加工过程中有足够的刚性，避免了普通五轴机床上加工大型平板薄壁件所带来的振颤问题，从而实现了对薄壁件加工时的高精度控制。由于刀具摆头和支撑摆头要同步运动，且需要实现复杂曲面的加工功能，因此两个摆头均具备五轴运动功能，所以镜像铣机床采用的是双五轴结构。刀具摆头一侧称为铣削侧，主要承担铣削加工功能，支撑摆头一侧称为支撑侧，主要承担支撑蒙皮防止颤振功能。

现有的精度检测方法都是针对五轴加工中心或者大型龙门机床的，均为单五轴检测，缺少针对上述双五轴结构具备的运动同步精度等评价指标进行检测的手段。此外，还有以概率与数理统计为数学基础，利用具有概率重复性的大样本确定同一批设备失效分布，缺少针对某一台单独机床的精度评估。

同时，由于蒙皮在双五轴镜像铣机床上装夹后会产生变形，因此需要加工前用线激光轮廓仪04进行轮廓扫描，现有专利缺少对线激光轮廓仪在位检测精度诊断标定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双五轴镜像铣机床的精度自诊断方法，根据生产需要提取双五轴镜像铣机床的状态特征，从机床几何精度、空间轮廓精度、测控传感器精度三个层面实现对机床精度的诊断，在保证评价精度的前提下提高诊断效率，完成机床周期性运行健康状态自评估。

为达到上述目的，本发明提供了一种双五轴镜像铣机床的精度自诊断方法，该方法包含以下步骤：

1)判断上一工件是否满足设定的加工精度要求，若不满足，则执行步骤2)，对双五轴镜像铣机床进行几何精度自诊断；若满足，则执行步骤4)，对双五轴镜像铣机床进行机床作业的空间轮廓精度自诊断；

2)双五轴镜像铣机床几何精度自诊断

21)设计并安装几何误差诊断测试工装

基于双五轴镜像铣机床的几何精度数学模型设计几何误差诊断测试工装，所述几何误差诊断测试工装中主要包括第一基板和固定在第一基板上具有五个平面的第一块体，通过所述第一基板将几何误差诊断测试工装固定安装在双五轴镜像铣机床床身上；根据机床坐标系XYZ对所述第一块体的五个平面进行如下定义：将与YZ平面平行的垂直平面定义为第一平面，将与XZ平面平行的水平面定义为第二平面，将与XY平面平行的垂直平面定义为第三平面，将法向矢量为(0，1，-1)的45°斜平面定义为第四平面，将法向矢量为(1，-1，0)的45°斜平面定义为第五平面；

22)利用所述几何误差诊断测试工装对铣削侧和支撑侧的各平动轴单独进行单点反复测量以获取各平动轴的零点坐标，实现对各平动轴重复定位精度的检测；其中，对于铣削侧和支撑侧的三个平动轴，分别利用所述几何误差诊断测试工装的第一平面、第二平面和第三平面获得相应侧主轴X、Y、Z向的零点定位误差和重复定位误差；

23)利用所述几何误差诊断测试工装对铣削侧和支撑侧的各旋转轴单独进行单点反复测量以获取各旋转轴的零点坐标，实现对各旋转轴重复定位精度的检测；其中，对于铣削侧和支撑侧的两个旋转轴，分别利用所述几何误差诊断测试工装的第四平面、第五平面获得相应侧主轴A、C向的零点定位误差和重复定位误差；

24)判断铣削侧主轴和支撑侧主轴的X、Y、Z、A、C向零点定位误差和重复定位误差是否满足设定的精度要求，若满足设定的精度要求，则执行步骤4)；若不满足设定的精度要求，则执行步骤3)；

3)先进行机床结构检查和误差补偿，然后执行步骤22)～步骤23)，直至铣削侧主轴和支撑侧主轴的X、Y、Z、A、C向零点定位误差和重复定位误差满足设定的精度要求，执行步骤4)；

4)双五轴镜像铣机床空间轮廓精度自诊断

基于镜像铣工作原理所需要的双五轴同步运动模型设定相应的检测轨迹，并利用安装在双五轴镜像铣机床的主轴与工作台上的球杆仪在设定的检测轨迹下采集杆长变化数据，通过计算获得机床运动状态下的轮廓误差，以诊断机床空间轮廓精度，具体包括以下步骤：

41)分别对旋转轴A轴、C轴与其相应的两平动轴的插补圆运动精度进行检测

将球杆仪的固定端安装在机床床身上，将球杆仪的移动端安装在铣削侧主轴上；根据ISO 230-1-2012《Test code for machine tools–Part1:Geometric accuracy ofmachines operating under no-load or quasi-static conditions》标准设定第一检测轨迹；对铣削侧五轴依照ISO230-1-2012标准中的AK1模式，利用球杆仪并根据设定的第一检测轨迹对各旋转轴与相应的两平动轴的插补圆运动进行精度检测，计算三轴联动误差；

42)对铣削侧的固定刀尖点五轴联动插补运动精度进行检测

保持球杆仪的安装位置不变；根据ISO 230-1-2012标准设定第二检测轨迹；对铣削侧五轴依照ISO 230-1-2012标准中的AK4模式，利用球杆仪并根据设定的第二检测轨迹对固定刀尖点五轴联动插补轨迹进行精度检测，计算五轴联动误差；

43)对铣削侧和支撑侧主轴沿各平动轴的同步运动精度进行检测

431)将球杆仪的固定端安装在支撑侧主轴上，球杆仪移动端的安装位置保持不变；

432)在ISO 230-6-2002《Test code for machine tools–Part6:Determinationof positioning accuracy on body and face diagonals(Diagonal displacementtests)》标准中的体对角线测量方法基础上设定用于铣削侧和支撑侧同步运动精度检测的分步体对角线检测轨迹，实现全作业空间范围内的同步精度误差测量；其中，将各体对角线均等分为m段，且每一段均按照先沿X方向运动、再沿Y方向运动、最后沿Z方向运动的方式进行；

433)令铣削侧和支撑侧主轴按照步骤432)设定的分步体对角线检测轨迹依次沿各体对角线分段同步运动，并分别记录球杆仪在运动过程中的杆长变化情况，计算X、Y、Z各运动方向的刀尖点距离变化量，作为铣削侧和支撑侧主轴的同步运动误差；

44)若步骤41)、步骤42)和步骤43)中，测得的联动误差始终在允许范围内，则双五轴镜像铣机床的精度自诊断结束；若任一联动误差存在超过允许范围的情况，且本次诊断未执行过步骤2)，则执行步骤2)；若任一联动误差存在超过允许范围的情况，且本次诊断已执行过步骤2)，则执行步骤3)。

进一步地，该方法还包括以下步骤：

5)双五轴镜像铣机床测控传感器精度自诊断，所述测控传感器包括固定安装在双五轴镜像铣机床的支撑侧主轴上的线激光轮廓仪，具体实现过程如下：

51)设计并安装线激光轮廓仪精度诊断测试工装

基于线激光轮廓仪的工作原理设计线激光轮廓仪精度诊断测试工装，包括第二基板和设置在第二基板上的第二块体和第三块体，第二块体和第三块体的上表面均为水平面，通过第二基板将线激光轮廓仪精度诊断测试工装固定安装在双五轴镜像铣机床的支撑侧主轴上；第二块体和第三块体间隔设置形成沟槽，在第二块体和第三块体侧面与第二基板上表面之间分别形成阶梯面，第三块体上开设有圆孔；在所述线激光轮廓仪精度诊断测试工装上定义三处特征平面，三处特征平面均相互平行，且均平行于YZ平面；其中，第一特征平面位于第二块体的水平面处，第二特征平面位于阶梯面处，第三特征平面位于沟槽处；

52)使支撑侧主轴运动，分别将线激光轮廓仪置于所述线激光轮廓仪精度诊断测试工装上的第一特征平面和第二特征平面处，以测量线激光轮廓仪的A轴、C轴安装精度；若满足安装精度则执行步骤53)，否则矫正相应安装误差直至满足安装精度，执行步骤53)；

53)使支撑侧主轴运动，分别将线激光轮廓仪置于所述线激光轮廓仪精度诊断测试工装上的第一特征平面、第二特征平面和第三特征平面处，以测量线激光轮廓仪的Z轴、X轴、Y轴测量精度；其中，

控制线激光轮廓仪移动至第一特征平面处并沿Z向移动，将读取的线激光轮廓仪所测测头至线激光轮廓仪精度诊断测试工装表面距离即Z向高度的均值作为线激光轮廓仪Z轴的测量精度，并将测量的Z向高度均值与所述线激光轮廓仪精度诊断测试工装中沟槽的实际深度的误差作为线激光轮廓仪Z向的自身精度误差；

控制线激光轮廓仪移动至第二特征平面处并沿X向移动，使得激光运动区域识别到阶梯上表面和下表面的“临界位置”，将测量到的“临界位置”的X坐标和阶梯面区域在所述线激光轮廓仪精度诊断测试工装上的实际坐标位置的误差值作为线激光轮廓仪在X向的自身精度误差；

控制线激光轮廓仪移动至第三特征平面处并沿Y向移动，将线激光轮廓仪测量到的沟槽宽度与沟槽的实际宽度的误差值作为线激光轮廓仪在Y向的自身精度误差；

54)对步骤53)测量的线激光轮廓仪各向自身精度误差进行判断，若线激光轮廓仪任一方向的自身精度超出了允许范围，则进行线激光轮廓仪的校正；若线激光轮廓仪各向的自身精度均在允许范围内，则扫描所述线激光轮廓仪精度诊断测试工装上的圆孔，测量其直径，并与实际直径进行对比，若满足精度要求，则双五轴镜像铣机床精度自诊断结束，机床开始执行加工程序；若不满足要求，则调整线激光轮廓仪与线激光轮廓仪精度诊断测试工装的距离，确保线激光轮廓仪精度诊断测试工装待测区域在线激光轮廓仪测量工作范围内，双五轴镜像铣机床精度自诊断结束，机床开始执行加工程序。

与现有技术相比，本发明的特点及有益效果为：

本发明采用基于三坐标测头和自诊断测试工装的自动零点检测，对工装进行位置检测以计算回零偏差，用于诊断机床几何精度；利用球杆仪，获得机床运动轮廓误差，以诊断机床空间轮廓精度；根据线激光轮廓仪对工装工艺位置的测试结果评估传感器精度状况，诊断镜像铣机床的测控传感器精度。

(1)本发明根据生产需要提取双五轴镜像铣机床的状态特征，从双五轴机床几何精度、空间轮廓精度和测控传感器精度三个层面的自诊断，实现双五轴机床的全方位精度检测，进而实现对机床当前状态的诊断。

(2)本发明设计基于机床几何精度数学模型的几何误差诊断测试工装和基于线激光测量原理的线激光轮廓仪精度诊断测试工装，通过建立正确的计算模型保证了测量精度，同时由于运用了固定的测试工装，简化了传统的测量流程，节约了安装时间，可以在保证测量精度满足要求的情况下，实现了对机床几何精度和传感器精度诊断效率的提升，为机床精度稳定性的保证和蒙皮的持续生产提供基础。

附图说明

图1为现有双五轴镜像铣机床的工作原理。

图2为本发明的针对双五轴镜像铣机床的精度自诊断方法的流程图。

图3为本发明设计的几何误差诊断测试工装的结构示意图。

图4为本发明中全作业空间及其体对角线的示意图。

图5为本发明采用的分步体对角线检测轨迹的示意图。

图6为本发明设计的线激光轮廓仪精度诊断测试工装的结构示意图。

图7为图6的局部放大示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

本发明实施例的一种双五轴镜像铣机床的精度自诊断方法，包括几何精度和空间轮廓精度两个层面的自诊断，其工作流程如图2所示，具体包括以下步骤：

1)判断上一工件是否满足设定的加工精度要求，若不满足，则执行步骤2)，对双五轴镜像铣机床进行几何精度自诊断；若满足，则执行步骤4)，对双五轴镜像铣机床进行机床作业的空间轮廓精度自诊断；

2)双五轴镜像铣机床几何精度自诊断

基于双五轴镜像铣机床的几何精度数学模型构建几何误差诊断测试工装，采用基于三坐标测头和所述几何误差诊断测试工装的自动零点检测，对所述几何误差测试工装进行位置检测以计算机床主轴各方向的回零偏差，用于诊断双五轴镜像铣机床的几何精度，判断机床是否有零点漂移等现象，获得机床刀具的移动基准定量表达。具体实现过程如下：

21)设计并安装几何误差诊断测试工装；

如图3所示，所述几何误差诊断测试工装10中主要包括基板2和固定在基板2上具有五个平面的块体1，通过基板2上的螺栓孔及配套的螺栓将几何误差诊断测试工装10固定安装在双五轴镜像铣机床床身上。根据机床坐标系XYZ对块体1的五个平面进行如下定义：将与YZ平面平行的垂直平面定义为第一平面11，将与XZ平面平行的水平面定义为第二平面12，将与XY平面平行的垂直平面定义为第三平面13，将法向矢量为(0，1，-1)的45°斜平面定义为第四平面14，将法向矢量为(1，-1，0)的45°斜平面定义为第五平面15。

22)利用所述几何误差诊断测试工装对铣削侧和支撑侧的各平动轴单独进行单点反复测量以获取各平动轴的零点坐标，实现对各平动轴重复定位精度的检测。由于双五轴镜像铣机床的五轴几何误差的复杂耦合关系，采用单轴运动以避免各轴误差之间的耦合影响。具体实现过程如下：

221)对于铣削侧的三个平动轴：

a)令铣削侧主轴只沿机床坐标系的X轴运动，直至双五轴镜像铣机床的三坐标测头与几何误差诊断测试工装10的第一平面11接触，获取三坐标测头与第一平面11接触点的坐标数据Δx_i并记录，然后铣削侧主轴沿原路径退回，完成单次测量；重复上述操作N(本实施例N＝6)次，获得铣削侧主轴X向零点定位误差Δx和重复定位误差δx，计算公式分别如下：

δx＝Δx_max-Δx_min

其中，Δx_i为第i次测量记录的三坐标测头与第一平面11接触点的坐标数据；Δx_max,Δx_min分别为N次测量中，记录的三坐标测头与第一平面11接触点的坐标数据中的最大值和最小值。

b)令铣削侧主轴只沿机床坐标系的Y轴运动，直至双五轴镜像铣机床的三坐标测头与几何误差诊断测试工装10的第二平面12接触，获取三坐标测头与第二平面12接触点的坐标数据Δy_i并记录，然后铣削侧主轴沿原路径退回，完成单次测量；重复上述操作N(本实施例N＝6)次，获得铣削侧主轴Y向零点定位误差和重复定位误差。

c)令铣削侧主轴只沿机床坐标系的Z轴运动，直至双五轴镜像铣机床的三坐标测头与几何误差诊断测试工装10的第三平面13接触，获取三坐标测头与第三平面13接触点的坐标数据Δz_i并记录，然后铣削侧主轴沿原路径退回，完成单次测量；重复上述操作N(本实施例N＝6)次，获得铣削侧主轴Z向零点定位误差和重复定位误差。

222)对于支撑侧的三个平动轴，按照步骤221)的操作获得支撑侧主轴的X、Y、Z向零点定位误差和重复定位误差，即令支撑侧主轴依次沿X、Y、Z轴运动，分别用几何误差诊断测试工装10的第一平面11、第二平面12和第三平面13检测支撑侧主轴的X、Y、Z轴零点定位误差和重复定位误差。

23)利用所述几何误差诊断测试工装对铣削侧和支撑侧的各旋转轴单独进行单点反复测量以获取各旋转轴的零点坐标，实现对各旋转轴重复定位精度的检测。

231)对于铣削侧的两个旋转轴：

a)令铣削侧主轴只绕机床坐标系的A轴运动，直至双五轴镜像铣机床的三坐标测头与几何误差诊断测试工装10的第四平面14接触，获取三坐标测头与第四平面14接触点的坐标数据(x₁,y₁,z₁)，然后铣削侧主轴沿原路径退回至A＝0处，记录此时数控系统中刀尖点的坐标数据(x₂,y₂,z₂)，通过以下公式计算A轴单次零点定位误差，完成A轴的单次测量：

重复上述操作N(本实施例N＝6)次，获得铣削侧主轴A向零点定位误差和重复定位误差。

b)令铣削侧主轴只绕机床坐标系的C轴运动，直至双五轴镜像铣机床的三坐标测头与几何误差诊断测试工装10的第五平面15接触，获取三坐标测头与第五平面15接触点的坐标数据(x₃,y₃,z₃)，然后铣削侧主轴沿原路径退回至C＝0处，记录此时数控系统中刀尖点的坐标数据(x₄,y₄,z₄)，通过以下公式计算C轴单次零点定位误差，完成C轴的单次测量：

重复上述操作N(本实施例N＝6)次，获得铣削侧主轴C向零点定位误差和重复定位误差。

232)对于支撑侧的两个旋转轴，按照步骤231)的操作获得支撑侧旋转轴A、C向零点定位误差和重复定位误差，即令支撑侧主轴依次绕A、C轴运动，分别用几何误差诊断测试工装10的第四平面14和第五平面15检测支撑侧主轴的A、C轴零点定位误差和重复定位误差。

24)判断铣削侧主轴和支撑侧主轴的X、Y、Z、A、C向零点定位误差和重复定位误差是否满足设定的精度要求，若满足设定的精度要求，则执行步骤4)；若不满足设定的精度要求，则执行步骤3)；

3)先进行机床结构检查和误差补偿，然后执行步骤22)-23)，直至铣削侧主轴和支撑侧主轴的X、Y、Z、A、C向零点定位误差和重复定位误差满足设定的精度要求，执行步骤4)。

4)双五轴镜像铣机床空间轮廓精度自诊断：基于镜像铣工作原理所需要的双五轴同步运动模型设定相应检测轨迹，并利用安装在双五轴镜像铣机床的主轴与工作台上的球杆仪在设定的检测轨迹下采集杆长变化数据，通过计算获得机床运动状态下的轮廓误差，以诊断机床空间轮廓精度。

41)分别对旋转轴A轴、C轴与其相应的两平动轴的插补圆运动精度进行检测

将球杆仪的固定端安装在机床床身上，将球杆仪的移动端安装在铣削侧主轴上；根据ISO 230-1-2012《Test code for machine tools–Part1:Geometric accuracy ofmachines operating under no-load or quasi-static conditions》标准设定第一检测轨迹；对铣削侧五轴依照ISO230-1-2012标准中的AK1模式，利用球杆仪并根据设定的第一检测轨迹对各旋转轴(A轴、C轴)与相应的两平动轴的插补圆运动进行精度检测，计算三轴联动误差；

42)对铣削侧的固定刀尖点五轴联动插补运动精度进行检测

保持球杆仪的安装位置不变；根据ISO 230-1-2012标准设定第二检测轨迹；对铣削侧五轴依照ISO 230-1-2012标准中的AK4模式，利用球杆仪并根据设定的第二检测轨迹对固定刀尖点五轴联动插补轨迹进行精度检测，计算五轴联动误差；

43)对铣削侧和支撑侧主轴沿各平动轴的同步运动精度进行检测

对于双五轴镜像铣机床，双五轴在联动时，铣削侧和支撑侧主轴沿各平动轴(X、Y、Z)的刀尖点之间间距理论上为一个蒙皮厚度。而由于双五轴镜像铣机床的目的是加工蒙皮，其刀尖点间距误差会直接影响铣削的蒙皮厚度，因此同步运动精度是检测与评价的一个重要指标。具体实现过程如下：

431)将球杆仪的固定端利用磁性吸座安装在支撑侧主轴上，即球杆仪的固定端随支撑侧主轴同步运动，球杆仪移动端的安装位置保持不变；

432)在ISO 230-6-2002《Test code for machine tools–Part6:Determinationof positioning accuracy on body and face diagonals(Diagonal displacementtests)》标准中的体对角线测量方法基础上设定用于铣削侧和支撑侧同步运动精度检测的分步体对角线检测轨迹，实现全作业空间范围内的同步精度误差测量，具体为：参见图4，设机床全作业空间为立方体abcdefgh，记点a到点g的体对角线为ppp，记点d到点f的体对角线为npp，记点b到点h的体对角线为pnp，记点e到点c的体对角线为ppn，均为矢量；其中，p表示在各体对角线在X、Y、Z坐标轴上的分量方向与各坐标轴正向相同，n表示在各体对角线在X、Y、Z坐标轴上的分量方向与各坐标轴正向相反；参见图5，为了同时保证测量效率和重复测量原则，将各体对角线均等分为m段(图5中仅示意出了体对角线ppp的分段情况，其他体对角线与此相同，未示意出；本实施例中m＝3，将体对角线ppp等分为P₀P₁、P₁P₂和P₂P_m三段)，且每一段均按照先沿X方向运动(如图5的P₀到P_0X，△x为当前段体对角线沿X轴的分量)，再沿Y方向运动(如图5的P_0X到P_0Y，△y为当前段体对角线沿Y轴的分量)，最后沿Z方向运动(如图5的P_0Y到P₁，△z为当前段体对角线沿Z轴的分量)的方式进行；

433)令铣削侧和支撑侧主轴按照步骤432)设定的分步体对角线检测轨迹依次沿各体对角线分段同步运动，并分别记录球杆仪在运动过程中的杆长变化情况，计算X、Y、Z各运动方向的刀尖点距离变化量，作为铣削侧和支撑侧主轴的同步运动误差。

分步体对角线测量法的优势在于能够实现各轴均实现了各自量程的全覆盖，体现了全作业空间的遍历性。

44)若步骤41)、步骤42)和步骤43)中，测得的联动误差始终在允许范围内，则诊断结束；若任一联动误差存在超过允许范围的情况，且本次诊断未执行过步骤2)，则执行步骤2)；若任一联动误差存在超过允许范围的情况，且本次诊断已执行过步骤2)，则执行步骤3)。

由于铣削侧为加工侧，其空间精度对最终加工精度有着直接影响。而支撑侧主要用于面支撑，相比于点切削并不需要特别高的加工精度，其关心的是能够实现随动支撑，且保证能够沿法向支撑切削区域。因此，本步骤中不单独测量支撑侧的空间精度，可在保证测量精度的同时提高测量效率。

进一步地，本发明在步骤4)完成后还包括以下步骤：

5)双五轴镜像铣机床测控传感器精度自诊断：

所述测控传感器包括线激光轮廓仪，用于实现对待加工毛坯进行轮廓扫描，为后续的加工轨迹规划提供数据，固定安装在双五轴镜像铣机床的支撑侧主轴上，其安装及测量精度对机床加工精度起到的作用不可忽视，故本发明通过线激光轮廓仪的安装精度和检测精度自诊断体现双五轴镜像铣机床第三层面的精度诊断。

基于线激光轮廓仪的工作原理设计线激光轮廓仪精度诊断测试工装，利用该测试工装对线激光轮廓仪进行安装精度和检测精度的诊断，评估线激光轮廓仪在位测量时的精度状况，诊断镜像铣机床的测控传感器精度，保障机床在加工前进行工艺规划所必需的毛坯形状信息的准确性。具体实现过程如下：

51)设计并安装线激光轮廓仪精度诊断测试工装

为了更高效更准确地获取线激光轮廓仪的安装精度与测量精度，基于线激光轮廓仪的工作原理设计如图6所示的线激光轮廓仪精度诊断测试工装20并将其固定安装在机床床身上，实现对线激光轮廓仪的安装精度和自身测量精度的诊断。该线激光轮廓仪精度诊断测试工装20包括基板3和间隔设置在基板3上的两个块体4、5，两个块体4、5的上表面均为水平面，通过基板3上的螺栓孔及配套的螺栓将线激光轮廓仪精度诊断测试工装20固定安装在双五轴镜像铣机床的支撑侧主轴上。相邻两块体之间形成沟槽6，在各块体侧面与基板3上表面之间分别形成阶梯面7(如图6中附图标记7所示)，块体5上开设有圆孔51。将线激光轮廓仪精度诊断测试工装20中如图7所示的三处位置作为三处特征平面，其中，在线激光轮廓仪精度诊断测试工装高精度的保证下，三处特征平面均相互平行，且均平行于YZ平面；其中，第一特征平面41位于块体4的水平面处，第二特征平面42位于阶梯面7处，第三特征平面43位于沟槽6处(图中三个特征平面的位置仅作为示意，不限于图中所示三处位置)；

52)使支撑侧主轴运动，分别将线激光轮廓仪置于所述线激光轮廓仪精度诊断测试工装上的第一特征平面和第二特征平面处，以测量线激光轮廓仪的A轴、C轴安装精度；若满足安装精度则执行步骤53)，否则矫正相应安装误差直至满足安装精度，执行步骤53)；具体步骤如下：

521)使支撑侧主轴运动，使线激光轮廓仪移动至第一特征平面位置并沿Z向运动，读取线激光轮廓仪所测测头至线激光轮廓仪精度诊断测试工装表面的距离数据，利用线激光轮廓仪测量的多条轮廓线，计算每一条轮廓线的斜率，通过所有轮廓线斜率的平均值计算平面倾角，作为A轴旋转角的诊断结果。若该诊断结果误差超过允许范围，则矫正线激光轮廓仪的A轴安装角度后，重新扫描，直至测量高度数值基本不变。

522)使支撑侧主轴运动，将线激光轮廓仪移动至第二特征平面位置，让线激光轮廓仪沿Y方向进行运动时，若线激光轮廓仪扫描出的轮廓出现单侧台阶，表明激光沿C轴存在偏角，不满足线激光轮廓仪的安装精度，先通过操作数控机床的手轮来调整C轴具体角度，直至无明显台阶，则设定当前C轴角度对应于测量坐标系下的C＝0，然后执行步骤53)。若激光扫描出的轮廓无明显的单侧台阶，表明线激光轮廓仪沿C轴的安装位置满足精度要求，执行步骤53)。

53)使支撑侧主轴运动，分别将线激光轮廓仪置于所述线激光轮廓仪精度诊断测试工装上的第一特征平面、第二特征平面和第三特征平面处，以测量线激光轮廓仪的Z轴、X轴、Y轴测量精度，具体包括以下步骤：

531)使支撑侧主轴运动，使线激光轮廓仪移动至第一特征平面位置并沿Z向移动，读取线激光轮廓仪所测测头至线激光轮廓仪精度诊断测试工装表面的距离数据，即获取Z向高度。由于此时已经保证过安装精度，因此Z向高度理论上应该为定值。但考虑到步骤52)诊断的不完全性和测量的随机误差，本步骤采用高度的平均值作为Z轴的测量精度。以测量的Z向高度平均值与线激光轮廓仪精度诊断测试工装20中沟槽6的实际深度的误差作为线激光轮廓仪Z向的自身误差。多次改变测量头与第一特征平面的距离，以获取不同高度处的偏差值，直至高度超出线激光轮廓仪测量范围。

532)使支撑侧主轴运动，使线激光轮廓仪移动至第二特征平面位置，让线激光轮廓仪沿X方向移动，使得激光运动区域可以识别到阶梯上表面和下表面的“临界位置”(如块体4的侧面)，此时测量到的“临界位置”的X坐标和阶梯区域在测试工装上的实际坐标位置进行比较，误差值即为线激光轮廓仪在X方向的自身精度误差。

533)使支撑侧主轴运动，使线激光轮廓仪移动至第三特征平面位置，让线激光轮廓仪沿Y方向进行运动。测试工装此处槽宽为60mm，运动速度保证能采集600个坐标点，保证点与点之间的距离在0.1mm以内。将测量到的槽宽与实际槽宽60mm进行比较，误差值即为线激光轮廓仪在Y方向的自身精度误差。

54)对步骤531)～533)测量的线激光轮廓仪各向的自身精度误差进行判断，若线激光轮廓仪任一方向的自身精度超出了允许范围，则进行线激光轮廓仪的校正以便于后续数据处理时的补偿；若线激光轮廓仪各向的自身精度均在允许范围内，则扫描圆孔51，测量其直径，并与实际直径进行对比，若满足精度要求，则双五轴镜像铣机床精度自诊断结束，机床开始执行加工程序。若不满足要求，则调整线激光轮廓仪与线激光轮廓仪精度诊断测试工装的距离，确保线激光轮廓仪精度诊断测试工装待测区域在线激光轮廓仪测量工作范围内，双五轴镜像铣机床精度自诊断结束，机床开始执行加工程序。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种双五轴镜像铣机床的精度自诊断方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：

1)判断上一工件是否满足设定的加工精度要求，若不满足，则执行步骤2)，对双五轴镜像铣机床进行几何精度自诊断；若满足，则执行步骤4)，对双五轴镜像铣机床进行机床作业的空间轮廓精度自诊断；

2)双五轴镜像铣机床几何精度自诊断

21)设计并安装几何误差诊断测试工装

基于双五轴镜像铣机床的几何精度数学模型设计几何误差诊断测试工装，所述几何误差诊断测试工装中主要包括第一基板和固定在第一基板上的具有五个平面的第一块体，通过所述第一基板将几何误差诊断测试工装固定安装在双五轴镜像铣机床床身上；根据机床坐标系XYZ对所述第一块体的五个平面进行如下定义：将与YZ平面平行的垂直平面定义为第一平面，将与XZ平面平行的水平面定义为第二平面，将与XY平面平行的垂直平面定义为第三平面，将法向矢量为(0，1，-1)的45°斜平面定义为第四平面，将法向矢量为(1，-1，0)的45°斜平面定义为第五平面；

22)利用所述几何误差诊断测试工装对铣削侧和支撑侧的各平动轴单独进行单点反复测量以获取各平动轴的零点坐标，实现对各平动轴重复定位精度的检测；其中，对于铣削侧和支撑侧的三个平动轴，分别利用所述几何误差诊断测试工装的第一平面、第二平面和第三平面获得相应侧主轴X、Y、Z向的零点定位误差和重复定位误差；

23)利用所述几何误差诊断测试工装对铣削侧和支撑侧的各旋转轴单独进行单点反复测量以获取各旋转轴的零点坐标，实现对各旋转轴重复定位精度的检测；其中，对于铣削侧和支撑侧的两个旋转轴，分别利用所述几何误差诊断测试工装的第四平面、第五平面获得相应侧主轴A、C向的零点定位误差和重复定位误差；

24)判断铣削侧主轴和支撑侧主轴的X、Y、Z、A、C向零点定位误差和重复定位误差是否满足设定的精度要求，若满足设定的精度要求，则执行步骤4)；若不满足设定的精度要求，则执行步骤3)；

3)先进行机床结构检查和误差补偿，然后执行步骤22)～步骤23)，直至铣削侧主轴和支撑侧主轴的X、Y、Z、A、C向零点定位误差和重复定位误差满足设定的精度要求，执行步骤4)；

4)双五轴镜像铣机床空间轮廓精度自诊断

基于镜像铣工作原理所需要的双五轴同步运动模型设定相应的检测轨迹，并利用安装在双五轴镜像铣机床的主轴与工作台上的球杆仪在设定的检测轨迹下采集杆长变化数据，通过计算获得机床运动状态下的轮廓误差，以诊断机床空间轮廓精度，具体包括以下步骤：

41)分别对旋转轴A轴、C轴与其相应的两平动轴的插补圆运动精度进行检测

将球杆仪的固定端安装在机床床身上，将球杆仪的移动端安装在铣削侧主轴上；根据ISO 230-1-2012《Test code for machine tools–Part1:Geometric accuracy ofmachines operating under no-load or quasi-static conditions》标准设定第一检测轨迹；对铣削侧五轴依照ISO230-1-2012标准中的AK1模式，利用球杆仪并根据设定的第一检测轨迹对各旋转轴与相应的两平动轴的插补圆运动进行精度检测，计算三轴联动误差；

42)对铣削侧的固定刀尖点五轴联动插补运动精度进行检测

保持球杆仪的安装位置不变；根据ISO 230-1-2012标准设定第二检测轨迹；对铣削侧五轴依照ISO 230-1-2012标准中的AK4模式，利用球杆仪并根据设定的第二检测轨迹对固定刀尖点五轴联动插补轨迹进行精度检测，计算五轴联动误差；

43)对铣削侧和支撑侧主轴沿各平动轴的同步运动精度进行检测

431)将球杆仪的固定端安装在支撑侧主轴上，球杆仪移动端的安装位置保持不变；

432)在ISO 230-6-2002《Test code for machine tools–Part6:Determination ofpositioning accuracy on body and face diagonals(Diagonal displacement tests)》标准中的体对角线测量方法基础上设定用于铣削侧和支撑侧同步运动精度检测的分步体对角线检测轨迹，实现全作业空间范围内的同步精度误差测量；其中，将各体对角线均等分为m段，且每一段均按照先沿X方向运动、再沿Y方向运动、最后沿Z方向运动的方式进行；

433)令铣削侧和支撑侧主轴按照步骤432)设定的分步体对角线检测轨迹依次沿各体对角线分段同步运动，并分别记录球杆仪在运动过程中的杆长变化情况，计算X、Y、Z向的刀尖点距离变化量，作为铣削侧和支撑侧主轴的同步运动误差；

44)若步骤41)、步骤42)和步骤43)中，测得的联动误差始终在允许范围内，则双五轴镜像铣机床的精度自诊断结束；若任一联动误差存在超过允许范围的情况，且本次诊断未执行过步骤2)，则执行步骤2)；若任一联动误差存在超过允许范围的情况，且本次诊断已执行过步骤2)，则执行步骤3)。

2.根据权利要求1所述的精度自诊断方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤：

5)双五轴镜像铣机床测控传感器精度自诊断，所述测控传感器包括固定安装在双五轴镜像铣机床的支撑侧主轴上的线激光轮廓仪，具体实现过程如下：

51)设计并安装线激光轮廓仪精度诊断测试工装

基于线激光轮廓仪的工作原理设计线激光轮廓仪精度诊断测试工装，包括第二基板和设置在第二基板上的第二块体和第三块体，第二块体和第三块体的上表面均为水平面，通过第二基板将线激光轮廓仪精度诊断测试工装固定安装在双五轴镜像铣机床的支撑侧主轴上；第二块体和第三块体间隔设置形成沟槽，在第二块体和第三块体的侧面与第二基板上表面之间分别形成阶梯面，第三块体上开设有圆孔；在所述线激光轮廓仪精度诊断测试工装上定义三处特征平面，三处特征平面均相互平行，且均平行于YZ平面；其中，第一特征平面位于第二块体的水平面处，第二特征平面位于阶梯面处，第三特征平面位于沟槽处；

52)使支撑侧主轴运动，分别将线激光轮廓仪置于所述线激光轮廓仪精度诊断测试工装上的第一特征平面和第二特征平面处，以测量线激光轮廓仪的A轴、C轴安装精度；若满足安装精度则执行步骤53)，否则矫正相应安装误差直至满足安装精度，执行步骤53)；

53)使支撑侧主轴运动，分别将线激光轮廓仪置于所述线激光轮廓仪精度诊断测试工装上的第一特征平面、第二特征平面和第三特征平面处，以测量线激光轮廓仪的Z轴、X轴、Y轴测量精度；其中，

控制线激光轮廓仪移动至第一特征平面处并沿Z向移动，将读取的线激光轮廓仪所测测头至线激光轮廓仪精度诊断测试工装表面距离即Z向高度的均值作为线激光轮廓仪Z轴的测量精度，并将测量的Z向高度均值与所述线激光轮廓仪精度诊断测试工装中沟槽的实际深度的误差作为线激光轮廓仪Z向的自身精度误差；

控制线激光轮廓仪移动至第二特征平面处并沿X向移动，使得激光运动区域识别到阶梯上表面和下表面的“临界位置”，将测量到的“临界位置”的X坐标和阶梯面区域在所述线激光轮廓仪精度诊断测试工装上的实际坐标位置的误差值作为线激光轮廓仪在X向的自身精度误差；

控制线激光轮廓仪移动至第三特征平面处并沿Y向移动，将线激光轮廓仪测量到的沟槽宽度与沟槽的实际宽度的误差值作为线激光轮廓仪在Y向的自身精度误差；

54)对步骤53)测量的线激光轮廓仪各向自身精度误差进行判断，若线激光轮廓仪任一方向的自身精度超出了允许范围，则进行线激光轮廓仪的校正；若线激光轮廓仪各向的自身精度均在允许范围内，则扫描所述线激光轮廓仪精度诊断测试工装上的圆孔，测量其直径，并与实际直径进行对比，若满足精度要求，则双五轴镜像铣机床精度自诊断结束，机床开始执行加工程序；若不满足要求，则调整线激光轮廓仪与线激光轮廓仪精度诊断测试工装的距离，确保线激光轮廓仪精度诊断测试工装待测区域在线激光轮廓仪测量工作范围内，双五轴镜像铣机床精度自诊断结束，机床开始执行加工程序。

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