CN111487923A - 一种ca双摆头五轴数控机床摆头位置误差检测与辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CA双摆头五轴数控机床摆头位置误差检测与辨识方法，包括：步骤S1、利用检测仪器测量摆头在不同位置处球头检棒球心的综合位置偏差；步骤S2、根据CA双摆头五轴机床的运动学模型，结合摆头位置误差项的性质，建立球头检棒球心位置偏差与位置误差项之间的数学关系式；步骤S3、基于步骤S1所采集的测量数据和步骤S2中运动学误差关系式，通过辨识流程得到摆头的9项位置误差辨识结果；步骤S4、重复步骤S1和步骤S3，进行多次测量，取位置误差辨识结果的平均值。本方案可有效快速的完成机床摆头综合位置偏差值的分离，并通过编写测量循环实现自动化检测和自动辨识，从而为机床精度的精确控制及快速测评提供技术支持。

Description

一种CA双摆头五轴数控机床摆头位置误差检测与辨识方法

技术领域

本发明涉及五轴数控机床误差辨识领域，具体涉及一种CA双摆头五轴数控机床摆头位置误差检测与辨识方法。

背景技术

航空航天结构零件具有尺寸大、构型复杂、表面质量要求高等特点，常采用大型桥式、龙门五轴数控机床进行大尺寸零件加工。桥式(龙门)五轴机床包含两个旋转轴和三个线性轴，旋转轴的功能在于可在工艺阶段调整刀具姿态以自适应航空结构件的复杂曲面外形，使得五轴加工具有切削率高、加工时间少等优点。

但受摆头装配精度的影响，机床被引入了更多的几何误差项，在开启RTCP功能实现五轴联动时，刀具中心点在工件坐标系中位姿发生变化，将导致航空结构零件表面质量恶化，最终影响到航空航天产品质量和性能。

摆头几何误差项中的与位置误差无关几何误差(PIGEs)，是决定机床RTCP精度的关键误差因素，常被称为摆头位置误差。为了实现五轴机床RTCP精度补偿并提高加工精度，摆头位置误差项的检测与辨识就显得尤为重要。针对机床摆头位置误差的测量及辨识方法，传统手工测量方法使用检棒、百分表等仪器，其缺陷在于易引入人为操作误差、自动化程度低，结果的准确性依赖于操作人员的技术水平；在自动化测量方面，广泛使用的有球杆仪、触发式探针、R－test等设备，申请号为CN 201810520517.1的专利文献提出了基于球杆仪的测量路径和辨识方法，因球杆仪只对轴向误差变化敏感，在测量过程中需多次更改安装位置，造成测量过程较为耗时，自动化程度较低；申请号为CN 201510856867.1的专利文献利用触发式探针和高精密球完成了4项位置误差的测量及辨识，但并未考虑主轴安装误差及旋转轴线转角误差的影响。

综上所述，现有技术中的数控机床摆头误差检测方法主要包括以下缺陷：测量的误差项数较低，不能同时实现多种类型的误差辨识；另外，检测的自动化程度低、检测效率低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了一种CA双摆头五轴数控机床摆头位置误差检测与辨识方法。

本发明采用的技术方案如下：一种CA双摆头五轴数控机床摆头位置误差检测与辨识方法，包括：

步骤S1、测量数据采集：利用检测仪器测量摆头在不同位置处球头检棒球心的综合位置偏差；

步骤S2、根据CA双摆头五轴机床的运动学模型，结合摆头位置误差项的性质，建立球头检棒球心位置偏差与位置误差项之间的数学关系式；

步骤S3、位置误差辨识：基于步骤S1所采集的测量数据和步骤S2中运动学误差关系式，通过辨识流程得到摆头的9项位置误差；

步骤S4、重复上述步骤S1和步骤S3，进行多次测量，取位置误差辨识结果的平均值。

进一步的，所述步骤S1中测量数据采集包括以下过程：

步骤S1.1、测量仪器安装在工作台上，驱动机床使球头检棒中心与检测仪器接触，并开启五轴数控机床RTCP功能；

步骤S1.2、设置A轴位置、C轴位置处于7种不同检测模式，检测模式1的A轴位置为－90°、C轴位置为0°，检测模式2的A轴位置为－90°、C轴位置为90°，检测模式3的A轴位置为－90°、C轴位置为270°，检测模式4的A轴位置为0°、C轴位置为180°，检测模式5的A轴位置为90°、C轴位置为90°，检测模式6的A轴位置为90°、C轴位置为180°，检测模式6的A轴位置为90°、C轴位置为270°，在7种检测模式下测量球头检棒球心的位置偏差。

进一步的，步骤S2中建立球头检棒球心位置偏差与位置误差项之间的数学关系式包括以下过程：

步骤S2.1、根据CA双摆头机床的拓扑结构，得到理想情况下球头检棒球心位置函数：

P_ideal＝trans(X,Y,Z)·Rot(C)·Rot(A)·P_t

式中P_ideal表示球头检棒中心点在工件坐标系下的理想坐标，trans(X,Y,Z)表示数控机床X、Y、Z平动坐标轴的平移矩阵，Rot(C)表示旋转轴C轴绕Z轴旋转的齐次矩阵，Rot(A)表示旋转轴A轴绕X轴旋转的齐次矩阵，P_t表示球头检棒中心点的初始坐标值；

步骤S2.2、加入两旋转轴情况下的摆头9项位置误差，得到实际情况下球头检棒球心位置函数：

式中P_real表示球头检棒中心点在工件坐标系下的实际坐标，trans(X,Y,Z)表示数控机床X、Y、Z平动坐标轴的平移矩阵，

表示C轴绕Z轴旋转的误差齐次矩阵，

表示A轴绕X轴旋转的误差齐次矩阵，P_t表示球头检棒中心点的初始坐标值；

步骤S2.3、取实际球心位置与理想球心位置之差P_error＝P_real-P_ideal，并将矩阵展开即球心位置偏差为：

式中Δx,Δy,Δz分别表示球头检棒在机床坐标系X、Y、Z方向上的误差值，A表示A轴的旋转角度，C表示C轴的旋转角度，δ_xCZ,δ_yCZ,δ_zCZ分别表示C轴相对于Z轴在X、Y、Z方向上的位移偏离误差，α_CZ,β_CZ分别表示C轴与Y轴、X轴之间的垂直度误差，γ_CZ表示C轴的定位转角误差，δ_yAC表示A轴相对于C轴在Y方向上的位移偏离误差，β_AC表示A轴与Z轴之间的垂直度误差，β_AS表示主轴相对于A轴绕Y轴的转角误差，L表示球头检棒的长度。

进一步的，所述步骤S2.2中，

其中，

进一步的，所述步骤S3包括以下过程：

为更容易理解后续的辨识过程，将三向误差值(Δx,Δy,Δz)改写为Δk(A,C,L)，其中k＝x,y,z，A、C表示旋转角，L表示球头检棒的长度。

步骤3.1、计算模式一：

其中Δx₁(-90,90,L)、Δx₂(90,270,L)表示两种检测模式下X方向的误差值，从模式一可推算出δ_xCZ、δ_yAC；

步骤3.2、计算模式二：

其中Δy₁(-90,0,L)、Δy₂(90,180,L)表示两种检测模式下Y方向的误差值，从模式二可推算出δ_yCZ；

步骤3.3、计算模式三：

其中Δy₁(-90,90,L)、Δy₂(90,90,L)表示两种检测模式下Y方向的误差值，从模式三可推算出γ_CZ；

步骤3.4、计算模式四：

其中Δz₁(-90,0,L)、Δz₂(-90,90,L)、Δz₃(-90,270,L)表示三种检测模式下Z方向的误差测量值，从模式四可推算出α_CZ、β_CZ、δ_zCZ；

步骤3.5、计算模式五：

其中Δx₁(-90,0,L)、Δx₂(0,180,L)、Δx₃(90,180,L)表示三种检测模式下X方向的误差测量值，模式五结合计算模式一和计算模式四可推算出β_AC、β_AS。

利用长度已知的球头检棒，并通过上述五种计算模式的辨识，便可得到机床摆头共计9项的位置误差项。

进一步地，所述检测仪器包括但并不限于R－test测量仪、激光跟踪仪、球杆仪等。

与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：

(1)本发明考虑了双旋转轴的9项误差，并能够快速获得CA双摆头五轴数控机床9项摆头位置误差，可用于机床装配调试及机床误差补偿，实用性强。

(2)本发明在获取测量数据时，把检测仪器安装在工作台固定位置，球头检棒放置于刀库中，易于自动获取测量数据，通过编写测量循环实现自动化检测；另外，基于本方案的辨识算法开发软件工具实现自动辨识；因此本发明的计算方案易于实现自动化检测与辨识。

(3)本发明所用辨识方法简单准确，可有效的实现测量综合误差值的分离和辨识。

(4)本发明相比于现有辨识方法，不仅可辨识旋转轴AC轴的位置误差，还同时辨识主轴的安装转角误差，能实现多种类型的误差辨识。

附图说明

图1为本发明中CA双摆头类型五轴数控机床的结构示意图。

图2为本发明中用于检测用途的球头检棒示意图。

图3为本发明建立机床坐标系下的摆头位置误差示意图。

图4为本发明五轴数控机床CA旋转轴联动检测过程示意图。

图5为本发明CA双摆头五轴数控机床摆头位置误差检测与辨识方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述，所述实施例的示例在附图中示出，并不用于限定本发明。

图5所示为本发明CA双摆头五轴数控机床位置误差检测与辨识方法的流程图，在辨识流程的第一步，为测量数据采集阶段。故参照图2所示，根据本发明实施例需借助于球头检棒完成球心位置偏差的测量及数据采集。

步骤S1、测量数据采集：利用检测仪器测量摆头在不同位置处球头检棒球心的综合位置偏差(Δx,Δy,Δz)。

步骤S1.1、测量仪器安装在工作台上，驱动机床使球头芯棒中心与检测仪器接触，并开启五轴数控机床RTCP功能；

步骤S1.2、在A轴、C轴处于以下位置时，共7种检测模式下测量球头检棒球心的位置偏差。

记录位置偏差数据，记为(Δx,Δy,Δz)并保存，为后续误差辨识提供数据支持。

步骤S2、根据CA双摆头五轴机床的运动学模型，结合摆头位置误差项的性质，建立球头检棒球心位置偏差与位置误差项之间的数学关系式。具体实施过程如下：

步骤S2.1、如图1所示，该五轴数控机床的拓扑结构为：机床床身110—X向平动坐标轴120—Y向平动坐标轴130—Z向平动坐标轴140—旋转轴C轴150—旋转轴A轴160。旋转轴C轴150旋转式连接于Z向平动坐标轴140上，旋转轴A轴160旋转式连接于旋转轴C轴150上，旋转轴A轴160上安装有球头检棒10。

根据该拓扑结构，得到理想情况下球头检棒中心点位置相对于整体式R－test的工件坐标系下位置函数：

P_ideal＝trans(X,Y,Z)·Rot(C)·Rot(A)·P_t

式中P_ideal表示球头检棒中心点在工件坐标系下的坐标；

表示机床X、Y、Z平动坐标轴的平移矩阵；

表示旋转轴C轴绕Z轴旋转的齐次矩阵；

表示旋转轴A轴绕X轴旋转的齐次矩阵；

P_t＝[0,0,-L,1]表示球头检棒中心点的初始坐标值。

步骤S2.2、然而受旋转轴装配精度的影响，两旋转轴将产生共计9项的位置误差，如图3所示，δ_xCZ,δ_yCZ,δ_zCZ分别表示C轴相对于Z轴在X、Y、Z方向上的位移偏离误差，α_CZ,β_CZ分别表示C轴与Y轴、X轴之间的垂直度误差，γ_CZ表示C轴的定位转角误差，δ_yAC表示A轴相对于C轴在Y方向上的位移偏离误差，β_AC表示A轴与Z轴之间的垂直度误差，β_AS表示主轴相对于A轴绕Y轴的垂直度误差，此时旋转轴C轴150相对于Z向平动坐标轴140，旋转轴A轴160相对于旋转轴C轴150，球头检棒10相对于旋转轴A轴160的误差源分别用齐次坐标变换矩阵进行综合表达，分别如下：

在有误差的实际情况下，球头检棒中心点位置相对于整体式R－test的工件坐标系下位置函数：

P_real＝trans(X,Y,Z)·^ZPI_C·Rot(C)·^CPI_A·Rot(A)·^API_t·P_t

在使用整体式R－test进行球头芯棒中心点位置误差检测时，其中心点的位置误差可表示为：

P_error＝P_real-P_ideal

将各齐次矩阵带入上述位置误差模型中，建立起实际情况下球头检棒空间三向误差值与位置误差项之间的数学关系式：

式中Δx,Δy,Δz分别表示球头检棒在机床坐标系X、Y、Z方向上的误差值，A表示A轴的旋转角度，C表示C轴的旋转角度，L表示球头检棒的长度。

步骤S3、误差辨识：基于步骤S1所采集的测量数据和步骤S2中运动学误差关系式，通过辨识流程得到摆头的9项位置误差。具体实施过程如下：

图4为五轴机床旋转轴联动测试示意图，图4中展示了立体方位、以及两个侧面方位，为更容易理解后续的辨识过程，将三向误差值(Δx,Δy,Δz)改写为Δk(A,C,L)，其中k＝x,y,z，A、C表示旋转角，L表示球头检棒的长度。

步骤S3.1、计算模式一：

其中Δx₁、Δx₂表示上面两种检测模式下X方向的误差值，从上式可推算出δ_xCZ、δ_yAC；

步骤S3.2、计算模式二：

其中Δy₁、Δy₂表示上面两种检测模式下Y方向的误差值，从上式可推算出δ_yCZ；

步骤S3.3、计算模式三：

其中Δy₁、Δy₂表示上面两种检测模式下Y方向的误差值，从上式可计算出γ_CZ；

步骤S3.4、计算模式四：

其中Δz₁、Δz₂、Δz₃表示上面三种检测模式下Z方向的误差值，从上式可计算出α_CZ、β_CZ、δ_zCZ；

步骤S3.5、计算模式五：

其中Δx₁、Δx₂、Δx₃表示上面三种检测模式下X方向的误差测量值，再结合计算模式一和计算模式四可推算出β_AC、β_AS。

利用长度已知的球头检棒，并通过上述五种计算模式的辨识，便可得到机床摆头共计9项的位置误差项。

步骤S4、重复上述步骤S1和步骤S3，进行多次测量，取位置误差辨识结果的平均值。

本发明能够有效的实现测量综合误差值的分离和辨识，达到方便准确的获得CA双摆头五轴数控机床摆头的9项位置误差，可为机床装配调试及RTCP精度补偿提供数据来源；且易于实现自动化检测与辨识，即把检测仪器安装在工作台固定位置，球头检棒放置于刀库中，即可将上述检测方法通过编写测量循环实现自动化检测；利用上述辨识算法开发软件工具实现自动辨识，适用性更强。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种CA双摆头五轴数控机床摆头位置误差检测与辨识方法，其特征在于，包括：

步骤S1、测量数据采集：利用检测仪器测量摆头在不同位置处球头检棒球心的综合位置偏差；

步骤S2、根据CA双摆头五轴机床的运动学模型，结合摆头位置误差项的性质，建立球头检棒球心位置偏差与位置误差项之间的数学关系式；

步骤S3、位置误差辨识：基于步骤S1所采集的测量数据和步骤S2中运动学误差关系式，通过辨识流程得到摆头的9项位置误差；

步骤S4、重复上述步骤S1和步骤S3，进行多次测量，取位置误差辨识结果的平均值。

2.如权利要求1所述的CA双摆头五轴数控机床摆头位置误差检测与辨识方法，其特征在于，所述步骤S1中测量数据采集包括以下过程：

步骤S1.1、测量仪器安装在工作台上，驱动机床使球头检棒中心与检测仪器接触，并开启五轴数控机床RTCP功能；

步骤S1.2、设置A轴位置、C轴位置处于7种不同检测模式，检测模式1的A轴位置为－90°、C轴位置为0°，检测模式2的A轴位置为－90°、C轴位置为90°，检测模式3的A轴位置为－90°、C轴位置为270°，检测模式4的A轴位置为0°、C轴位置为180°，检测模式5的A轴位置为90°、C轴位置为90°，检测模式6的A轴位置为90°、C轴位置为180°，检测模式6的A轴位置为90°、C轴位置为270°，在7种检测模式下测量球头检棒球心的位置偏差。

3.如权利要求1或者2所述的CA双摆头五轴数控机床摆头位置误差检测与辨识方法，其特征在于，步骤S2中建立球头检棒球心位置偏差与位置误差项之间的数学关系式包括以下过程：

步骤S2.1、根据CA双摆头机床的拓扑结构，得到理想情况下球头检棒球心位置函数：

P_ideal＝trans(X,Y,Z)·Rot(C)·Rot(A)·P_t

式中P_ideal表示球头检棒中心点在工件坐标系下的理想坐标，trans(X,Y,Z)表示数控机床X、Y、Z平动坐标轴的平移矩阵，Rot(C)表示旋转轴C轴绕Z轴旋转的齐次矩阵，Rot(A)表示旋转轴A轴绕X轴旋转的齐次矩阵，P_t表示球头检棒中心点的初始坐标值；

步骤S2.2、加入两旋转轴情况下的摆头9项位置误差，得到实际情况下球头检棒球心位置函数：

式中P_real表示球头检棒中心点在工件坐标系下的实际坐标，trans(X,Y,Z)表示数控机床X、Y、Z平动坐标轴的平移矩阵，

表示C轴绕Z轴旋转的误差齐次矩阵，

表示A轴绕X轴旋转的误差齐次矩阵，P_t表示球头检棒中心点的初始坐标值；

步骤S2.3、取实际球心位置与理想球心位置之差P_error＝P_real-P_ideal，并将矩阵展开即球心位置偏差为：

式中Δx,Δy,Δz分别表示球头检棒在机床坐标系X、Y、Z方向上的误差值，A表示A轴的旋转角度，C表示C轴的旋转角度，δ_xCZ,δ_yCZ,δ_zCZ分别表示C轴相对于Z轴在X、Y、Z方向上的位移偏离误差，α_CZ,β_CZ分别表示C轴与Y轴、X轴之间的垂直度误差，γ_CZ表示C轴的定位转角误差，δ_yAC表示A轴相对于C轴在Y方向上的位移偏离误差，β_AC表示A轴与Z轴之间的垂直度误差，β_AS表示主轴相对于A轴绕Y轴的转角误差，L表示球头检棒的长度。

4.如权利要求3所述的CA双摆头五轴数控机床摆头位置误差检测与辨识方法，其特征在于，所述步骤S2.2中，

其中，

5.如权利要求1所述的CA双摆头五轴数控机床摆头位置误差检测与辨识方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下过程：

步骤3.1、计算模式一：

其中Δx₁(-90,90,L)、Δx₂(90,270,L)表示两种检测模式下X方向的误差值，从模式一可推算出δ_xCZ、δ_yAC；

步骤3.2、计算模式二：

其中Δy₁(-90,0,L)、Δy₂(90,180,L)表示两种检测模式下Y方向的误差值，从模式二可推算出δ_yCZ；

步骤3.3、计算模式三：

其中Δy₁(-90,90,L)、Δy₂(90,90,L)表示两种检测模式下Y方向的误差值，从模式三可推算出γ_CZ；

步骤3.4、计算模式四：

其中Δz₁(-90,0,L)、Δz₂(-90,90,L)、Δz₃(-90,270,L)表示三种检测模式下Z方向的误差测量值，从模式四可推算出α_CZ、β_CZ、δ_zCZ；

步骤3.5、计算模式五：

其中Δx₁(-90,0,L)、Δx₂(0,180,L)、Δx₃(90,180,L)表示三种检测模式下X方向的误差测量值，模式五结合计算模式一和计算模式四可推算出β_AC、β_AS；

其中δ_xCZ,δ_yCZ,δ_zCZ分别表示C轴相对于Z轴在X、Y、Z方向上的位移偏离误差，α_CZ,β_CZ分别表示C轴与Y轴、X轴之间的垂直度误差，γ_CZ表示C轴的定位转角误差，δ_yAC表示A轴相对于C轴在Y方向上的位移偏离误差，β_AC表示A轴与Z轴之间的垂直度误差，β_AS表示主轴相对于A轴绕Y轴的转角误差，L表示球头检棒的长度。

6.如权利要求3所述的CA双摆头五轴数控机床摆头位置误差检测与辨识方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下过程：

步骤3.1、计算模式一：

其中Δx₁(-90,90,L)、Δx₂(90,270,L)表示两种检测模式下X方向的误差值，从模式一可推算出δ_xCZ、δ_yAC；

步骤3.2、计算模式二：

其中Δy₁(-90,0,L)、Δy₂(90,180,L)表示两种检测模式下Y方向的误差值，从模式二可推算出δ_yCZ；

步骤3.3、计算模式三：

其中Δy₁(-90,90,L)、Δy₂(90,90,L)表示两种检测模式下Y方向的误差值，从模式三可推算出γ_CZ；

步骤3.4、计算模式四：

其中Δz₁(-90,0,L)、Δz₂(-90,90,L)、Δz₃(-90,270,L)表示三种检测模式下Z方向的误差测量值，从模式四可推算出α_CZ、β_CZ、δ_zCZ；

步骤3.5、计算模式五：

其中Δx₁(-90,0,L)、Δx₂(0,180,L)、Δx₃(90,180,L)表示三种检测模式下X方向的误差测量值，模式五结合计算模式一和计算模式四可推算出β_AC、β_AS。

7.如权利要求1所述的CA双摆头五轴数控机床摆头位置误差检测与辨识方法，其特征在于，所述检测仪器包括但并不限于R－test测量仪、激光跟踪仪、球杆仪。

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