CN110977613A

CN110977613A - 基于试件自标定的五轴数控机床几何误差辨识方法

Info

Publication number: CN110977613A
Application number: CN201911285229.3A
Authority: CN
Inventors: 卢成伟; 项四通; 吴铖洋; 刘超; 房芳
Original assignee: Ningbo University
Current assignee: Ningbo University
Priority date: 2019-12-13
Filing date: 2019-12-13
Publication date: 2020-04-10
Anticipated expiration: 2039-12-13
Also published as: CN110977613B

Abstract

基于试件自标定的五轴数控机床几何误差辨识方法，它属于数控机床加工精度技术领域，方法步骤包括：第一步、特征工件的设计：设计一定尺寸的圆柱形试件；第二步、特征工件的加工；第三步、机床运动轴几何误差辨识：于旋转轴中心处固定放置一个未标定的圆柱形试件，通过五轴数控机床的平动轴做圆弧插补运动或者旋转轴做旋转运动，使探针测头绕圆柱形试件旋转一周来检测出圆柱形试件侧表面的圆轨迹，通过改变探针测头的固定位置或改变平动轴或旋转轴的运动方式，从而辨识出试件的几何误差。本发明无需标定试件的直径和外形尺寸，仅根据对比组与参考组间的误差变化量即可辨识运动轴的几何误差，提高了辨识效率。

Description

基于试件自标定的五轴数控机床几何误差辨识方法

技术领域

本发明属于数控机床加工精度技术领域，特别涉及一种基于试件自标定的五轴数控机床几何误差的辨识方法。

背景技术

数控机床出现于20世纪50年代，经过了60多年的不断改进和发展，数控机床的加工水平不断提高，其应用领域也越来越广泛。目前，装备制造、汽车、航空航天、能源、医疗设备等一系列高精尖的制造领域均涉及到了数控机床的使用。随着国家制造业的转型升级，国家工业化和信息化的快速发展，企业对数控机床的需求量增加，对其性能质量也提出了更高要求。然而目前我国制造业使用的高端数控机床大部分是依靠进口，其根本原因是国产数控机床在其加工性能方面、运动精度方面和运行可靠性方面，与欧美、日本的先进制造装备相比还存在明显的不足。

在工业现代化推进当中，数控机床尤其是高端精密数控机床功不可没，数控机床是各个行业的技术基石，是促进各个行业蓬勃发展的强力助剂。五轴数控机床作为高端精密数控机床的代表，能加工各种复杂表面，较三轴机床具有更高的生产效率、更好的灵活性和更短的装夹时间，对提升国家制造业水平起着举足轻重的作用。将我国数控机床发展成为高精度、高可靠性、高智能化等融合多种最先进技术的制造装备系统，提高我国装备制造业的自主知识产权，摆脱外国高精尖制造装备的依赖，这些已经成为我们亟待解决的问题。

然而，数控机床因为自身内部组织结构与外部环境的综合原因，在加工工件时在工件上形成加工误差。在机床的各项误差之中，机床几何误差、机床热误差是机床加工的主要误差，严重影响数控机床的加工精度。研究发现，在温度变化不大时，几何误差占机床误差的主要部分，受环境影响较小，易于进行误差补偿和控制，是提高零件加工精度的主要研究方向之一。目前在评价机床加工精度时，均需要采用三坐标机等精密设备对试件进行第三方标定，从而辨识机床误差。现有的使用第三方标定辨识几何误差的方法，对操作人员和操作设备要求高，还存在着工件二次装夹的定位误差问题以及测量大型零部件的局限性问题。不仅需要依赖昂贵精密的设备，而且辨识的效率低，严重影响了误差辨识的成本和效率，亟待解决。

发明内容

本发明为克服现有技术不足，提供一种基于试件自标定的五轴数控机床几何误差辨识方法。

根据特征与误差间的映射关系，不同模式下测量同一特征，建立参考组和对比组，通过“自标定”方法，将高度耦合的几何误差进行解耦，从而辨识几何误差。试件自标定的含义为：切削试件后，在特征处进行若干组在机测量，将试件的理想尺寸作为参考组，将测量值作为对比组，根据两组的数据之差辨识该特征所映射的误差，整个过程无需第三方尺寸标定。试件自标定的优势为：降低误差辨识成本，简化多误差的解耦过程，进而提高误差辨识效率和精度。

本发明的技术方案是：基于试件自标定的五轴数控机床几何误差辨识方法，它包括以下步骤：

第一步、特征工件的设计：设计一定尺寸的圆柱形试件；

第二步、特征工件的加工：在五轴数控机床上将预先编写好的程序和优化后的工艺参数输入到数控面板中，于C轴中心处切削一个未标定的圆柱形试件；

第三步、机床运动轴几何误差辨识：于C轴中心处固定放置一个未标定的圆柱形试件，将探针测头上端固定在机床主轴上，探针测头下端与圆柱形试件的圆柱侧表面接触，通过五轴数控机床的平动轴做圆弧插补运动或者旋转轴做旋转运动，使探针测头绕圆柱形试件旋转一周来检测出圆柱形试件侧表面的圆轨迹，通过改变探针测头的固定位置或改变平动轴或旋转轴的运动方式，形成对比组，进行若干组对比；根据参考组和对比组的数据之差，列出相应的方程，从而辨识出试件的几何误差。步骤一中设计一定尺寸的圆柱形试件的“一定尺寸”看作试件的理想尺寸，步骤二中“未标定的圆柱形试件”看作实际测量的尺寸。

进一步地，误差辨识过程由四组测试组成，以试件的理想尺寸为参考组，实际测量的四组尺寸为对比组；

在测试一中，探针测头静止于φ_a处，C轴转动一圈从而获取探针测头在该位置的坐标变化，探针测头在φ_a＝0°处，即X方向，只对X方向上的几何误差敏感，对Y方向的几何误差不敏感，从而反映出X方向上的几何误差；可得式(1)：

r₁(C_i)-r(0°)＝E_XC,total(C_i)·cosφ_a+E_YC,total(C_i)·sinφ_a+W_radial(φ_a+θ_i)-E_radial,XY(φ_a)

其中，E_XC,total(C_i)为试件在C_i处时的X向总误差，E_YC,total(C_i)为试件在C_i处时的Y向总误差，其中(C_i)为C轴转动的角度；E_radial,XY(φ_a)为试件在φ_a处时的由X和Y平动轴的定位误差及垂直度误差引起的位置误差；W_radial为工件外形误差和安装误差；

在测试二中，探针测头静止于φ_b，其中0°＜φ_b<90°处，C轴转动一圈从而获取探针测头在该位置的坐标变化，从而反映出Y方向的误差量，可得式(2)：

r₂(C_i)-r(0°)＝E_XC,total(C_i)·cosφ_b+E_YC,total(C_i)·sinφ_b+W_radial(φ_b+θ_i)-E_radial，XY(φ_b)

其中，E_XC,total(C_i)为试件在C_i处时的X向总误差；E_YC,total(C_i)为试件在C_i处时的Y向总误差；E_radial,XY(φ_b)为试件在φ_b处时的由X和Y平动轴的定位误差及垂直度误差引起的位置误差；W_radial为工件外形误差和安装误差；

在测试三中，测头静止于φ_a处，C轴保持静止，X和Y平动轴做圆弧插补运动，此时探针测头测得的误差完全来自X和Y平动轴，不受旋转轴误差影响，可表示为式(3)：

r₃(θ_i)-r(0°)＝-E_radial,XY(θ_i)+W_radial(θ_i)

其中θ_i为平动轴X和平动轴Y做圆形插补运动所旋转的角度；

在测试四中，为消除工件因素的影响，平动轴和C轴同步转动，保持探针测头在试件处位置始终不变，此时测头获取的误差量可表示为式(4)：

r₄(C_i)-r(0°)＝E_XC,total(C_i)·cosC_i+E_YC,total(C_i)·sinC_i-E_radial，XY(-θ_i)

通过四组测试即可得到圆轨迹误差，将所测得的每组相应数据分别代入式(1)-(4) 中，这样对于圆周轨迹上的每个点都有4个方程，最后联立求解试件在该点的四个方程，即可分离并辨识试件在该点上的平动轴与旋转轴在X向和Y向的误差分量。同理，通过对圆柱试件的圆周一圈分别建立方程组，即可分离并辨识试件圆周一圈上的平动轴与旋转轴在X向和Y向的误差分量。

本发明相比现有技术的有益效果是：

基于试件自标定的五轴数控机床几何误差辨识方法，根据特征与误差间的映射关系，不同模式下测量同一特征，建立参考组和对比组，无需标定试件的直径和外形尺寸，仅根据参考组和对比组的数据之差来辨识出运动轴的几何误差。通过该“自标定”的发明方法，将高度耦合的几何误差进行解耦，从而降低误差辨识成本，简化误差解耦过程，进而达到提高五轴数控机床误差辨识效率和精度的目的。如此既辨识出了几何误差，又极大节约了成本，提高了辨识效率，从根本上提高了机床加工的精度。对以后改善误差模型通用性，进而提高五轴数控机床的整体加工精度具有重要意义。

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步地说明：

附图说明

图1为实施方式中测试一的示意图；

图2为实施方式中测试二的示意图；

图3为实施方式中测试三的示意图；

图4为实施方式中测试四的示意图；

图5为实施例中第一组测试下圆轨迹误差测量结果图；

图6为实施例中第二组测试下圆轨迹误差测量结果图；

图7为实施例中第三组测试下圆轨迹误差测量结果图；

图8为实施例中第四组测试下圆轨迹误差测量结果图；

图9为实施例中由X和Y平动轴的定位误差及垂直度误差引起的位置误差测量结果曲线图；

图10为实施例中旋转轴在X方向上的几何误差测量结果曲线图；

图11为实施例中旋转轴在Y方向上的几何误差测量结果曲线图。

具体实施方式

参见图1-图4所示，本实施方式的基于试件自标定的五轴数控机床几何误差辨识方法，它包括以下步骤：

第一步、特征工件的设计：设计一定尺寸的圆柱形试件；

第三步、机床运动轴几何误差辨识：于C轴中心处固定放置一个未标定的圆柱形试件，将探针测头上端固定在机床主轴上，探针测头下端与圆柱形试件的圆柱侧表面接触，通过五轴数控机床的平动轴做圆弧插补运动或者旋转轴做旋转运动，使探针测头绕圆柱形试件旋转一周来检测出圆柱形试件侧表面的圆轨迹，通过改变探针测头的固定位置或改变平动轴或旋转轴的运动方式，形成对比组，进行若干组对比；根据参考组和对比组的数据之差，列出相应的方程，从而辨识出试件的几何误差。本实验的机床是AC双转台五轴机床，第二步可理解为旋转台为C轴。

在测试一中，探针测头静止于φ_a处，C轴转动一圈从而获取探针测头在该位置的坐标变化，探针测头在φ_a＝0°处，即X方向，只对X方向上的几何误差敏感，对Y方向的几何误差不敏感，从而反映出X方向上的几何误差；可得式(1)；

在测试二中，探针测头静止于φ_b，其中0°＜φ_b<90°处处，C轴转动一圈从而获取探针测头在该位置的坐标变化，从而反映出Y方向的误差量，可得式(2)：

r₃(θ_i)-r(0°)＝-E_radial,XY(θ_i)+W_radial(θ_i)

其中θ_i为平动轴X和平动轴Y做圆形插补运动所旋转的角度；

综上所述，基于试件的“自标定”方法辨识出的几何误差有：(1)由X和Y平动轴的定位误差及垂直度误差引起的位置误差定试件的直径和外形尺寸；(2)旋转轴在X方向上的几何误差；(3)旋转轴在Y方向上的几何误差。该方法无需标定试件的直径和外形尺寸，仅根据对比组与参考组间的误差变化量即可辨识运动轴的几何误差，从而降低辨识成本，相比于用三坐标机对试件进行第三方标定而言，该方法更加节省时间，提高辨识效率。

上述实施方式中，设计的圆柱形试件的加工中，准备材料，用夹具将材料固定好，在五轴数控机床上将预先编写好的加工程序，通过数控操作面板，输入到数控机床中去，让机床在预先编写好的加工程序下进行圆柱形试件的切削。利用操作面板将数控机床切换到手动模式，通过手动控制铣刀的运动轨迹，将铣刀运行到材料的最右上角进行对刀，对刀完成之后，机床在优化后数控程序下进行铣削，当程序运行完成之后，特征工件也就加工完成。工件选用铝合金材料，可选取半径为180mm，厚度为50mm的圆柱形试件。

在几何误差辨识中，在测试一中，如图1所示探针测头固定在主轴上的φ_a处，图中的黑点是探针测头的头部，工件放在旋转台的中心，与旋转台在同一轴线上，图中的箭头方向为旋转台的旋转方向，旋转一周，用探针测头对圆柱形试件的圆柱体侧面的圆轨迹选取若干点进行测量。

如图2所示，与图1中不同的一处为，此时探针测头所放置的位置点为φ_b处，从而额外反映Y方向的误差量。

如图3所示，探针测头的位置与测试1中的位置一致，X和Y平动轴做圆弧插补运动，此时测得的误差完全来自X和Y平动轴。

如图4所示，探针测头的位置与测试1中的位置一致，平动轴和旋转轴同步转动。

如图5-图8所示，以半径为180mm，厚度为50mm的铝合金材料的圆柱形试件为例，在参考组和测量组中分别选取8～10个测量点，经过整理得到的圆轨迹误差图。图中，其中X表示横坐标上位移变化，Y表示纵坐标上位移变化。

实施例

结合图1-图4所示，本实施案例中，选取半径为180mm，厚度为50mm的的铝合金材料的圆柱形试件，圆柱形工件加工是在Siemens 840D五轴数控机床上进行的，将事先编写好的程序和优化后的工艺参数输入到数控面板中，进行特征工件的铣削加工。特征工件铣削完成之后，进行几何误差辨识，用探针测头对圆柱形试件的圆柱体侧面的圆轨迹选取点进行测量。在参考组和测量组中分别选取8个测量点，经过整理得到如图5-图8的圆轨迹误差图。

误差辨识过程由四组测试组成，以试件的理想尺寸为参考组，实际测量的四组尺寸为对比组。

在测试一中，探针测头静止于φ_a处，C轴转动一圈从而获取探针测头在该位置的坐标变化，探针测头在φ_a＝0°处，即X方向，只对X方向上的几何误差敏感，对Y方向的几何误差不敏感，从而反映出X方向上的几何误差；

在测试二中，探针测头静止于φ_b，其中φ_b＝45°处，C轴转动一圈从而获取探针测头在该位置的坐标变化，从而反映出Y方向的误差量，可得式(2)：

r2(C_i)-r(0°)＝E_XC，total(C_i)·cosφ_b+E_YC，total(C_i)·sinφ_b+W_radial(φ_b+θ_i)-E_radial，XY(φ_b)

r₃(θ_i)-r(0°)＝-E_radial,XY(θ_i)+W_radial(θ_i)

其中θ_i为平动轴X和平动轴Y做圆形插补运动所旋转的角度；

通过图5-图8所示四组测试中的圆轨迹误差，其中图5-图8中，参考点数据(位于圆圈上的方点)为所设计的圆柱形试件的理想尺寸，测量点数据(位于圆圈内的圆点和圆圈外的圆点)为每组测试中实际测量的数据。再将φ_b＝45°则

以及圆轨迹的每组相关数据分别代入计算，按式(1)-(4)，试件圆周表面一圈一共有八个测点，每个测点有四个方程，一共有32个方程。通过对圆周一圈分别建立方程组最后求解，即可分离并辨识平动轴与旋转轴在X和Y向的误差分量。

综上所述，基于试件的“自标定”方法辨识出的几何误差有：(1)由X和Y平动轴的定位误差及垂直度误差引起的位置误差定试件的直径和外形尺寸；(2)旋转轴在X方向上的几何误差；(3)旋转轴在Y方向上的几何误差。该方法无需标定试件的直径和外形尺寸，仅根据对比组与参考组间的误差变化量即可辨识运动轴的几何误差，从而降低辨识成本，节省时间，提高辨识效率。

得到的由X和Y平动轴的定位误差及垂直度误差引起的位置误差测量结果曲线图如图 9所示。其中横坐标表示的是工件旋转的角度，纵坐标表示的是平动轴X和Y的几何误差的大小。

旋转轴在X方向上的几何误差如图10所示。其中横坐标表示的是工件旋转的角度，纵坐标表示的是旋转轴在X方向上的几何误差的大小。

旋转轴在Y方向上的几何误差如图11所示。其中横坐标表示的是工件旋转的角度，纵坐标表示的是旋转轴在Y方向上的几何误差的大小。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

Claims

1.基于试件自标定的五轴数控机床几何误差辨识方法，其特征在于：

第一步、特征工件的设计：设计一定尺寸的圆柱形试件；

第三步、机床运动轴几何误差辨识：于C轴中心处固定放置一个未标定的圆柱形试件，将探针测头上端固定在机床主轴上，探针测头下端与圆柱形试件的圆柱侧表面接触，通过五轴数控机床的平动轴做圆弧插补运动或者旋转轴做旋转运动，使探针测头绕圆柱形试件旋转一周来检测出圆柱形试件侧表面的圆轨迹；通过改变探针测头的固定位置或改变平动轴或旋转轴的运动方式，形成对比组，进行若干组对比；根据参考组和对比组的数据之差，列出相应的方程，从而辨识出试件的几何误差。

2.根据权利要求1所述基于试件自标定的五轴数控机床几何误差辨识方法，其特征在于：误差辨识过程由四组测试组成，以试件的理想尺寸为参考组，实际测量的四组尺寸为对比组；

其中，E_XC,total(C_i)为试件在C_i处时的X向总误差，E_YC,total(C_i)为试件在C_i处时的Y向总误差，其中(C_i)为旋转轴C轴转动的角度；E_radial,XY(φ_a)为试件在φ_a处时的由X和Y平动轴的定位误差及垂直度误差引起的位置误差；W_radial为工件外形误差和安装误差；

在测试二中，探针测头静止于φ_b，其中0°＜φ_b<90°处，C轴转动一圈从而获取探针测头在该位置的坐标变化，反映出Y方向的误差量；结合测试一和二结果，可得式(2)：

r₃(θ_i)-r(0°)＝-E_radial,XY(θ_i)+W_radial(θ_i)

其中θ_i为平动轴X和平动轴Y做圆形插补运动所旋转的角度；

在测试四中，平动轴和C轴同步转动，保持探针测头在试件处位置始终不变，此时测头获取的误差量可表示为式(4)：

通过四组测试即可得到圆轨迹误差，将所测得的每组相应数据分别代入式(1)-(4)中，这样对于圆周轨迹上的每个点都有4个方程，最后联立求解试件在该点的四个方程，即可分离并辨识试件在该点上的平动轴与旋转轴在X向和Y向的误差分量。同理，通过对圆柱试件的圆周一圈分别建立方程组，即可分离并辨识试件圆周一圈上的平动轴与旋转轴在X向和Y向的误差分量。

3.根据权利要求2所述基于试件自标定的五轴数控机床几何误差辨识方法，其特征在于：在测试二中，X向总误差包括C轴在X方向上的位置误差E_XOC和由角度误差引起的X方向的位置误差E_XC。

4.根据权利要求3所述基于试件自标定的五轴数控机床几何误差辨识方法，其特征在于：Y向总误差包括C轴在Y方向的位置误差E_YOC和由角度误差引起的在X方向的位置误差E_YC。

5.根据权利要求4所述基于试件自标定的五轴数控机床几何误差辨识方法，其特征在于：工件选用铝合金材料。