CN111580460B - 五轴机床的误差检测系统、误差检测和补偿方法 - Google Patents

五轴机床的误差检测系统、误差检测和补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种五轴机床的误差检测系统、误差检测和补偿方法，所述五轴机床的误差检测系统包括：检测部件，用于测量待检测部件在X、Y、Z方向的位置变化量；待检测部件，用于确定旋转刀具中心误差；所述旋转刀具中心误差通过所述待检测部件的位置变化量来计算；信号转换部件，用于将所述检测部件中位移传感器输出的模拟信号转换为数字信号；数据处理部件，用于根据机床坐标系、所述位移传感器的初始位置、球头的初始位置和位移传感器长度变化量进行旋转刀具中心误差计算。本发明可以显著减少检测装置的制造成本、提高检测精度和实际应用性，检测过程快速、高效。

Description

五轴机床的误差检测系统、误差检测和补偿方法
技术领域
本发明属于机床检测的技术领域，涉及一种五轴机床误差检测系统，特别是涉及一种五轴机床的误差检测系统、误差检测和补偿方法。
背景技术
五轴数控机床同时具有对刀具或工件进行移动和转动的能力，能对几何形状比较复杂和精度要求较高的自由曲面进行加工，对目前的制造业特别是军事工业具有重大作用。
RTCP(Rotational Tool Center Point，旋转刀具中心)功能是五轴机床的重要功能之一，业内往往会稍加转义为“围绕刀具中心转”，也有一些人直译为“旋转刀具中心编程”。海德汉则将类似的所谓升级技术称为TCPM(Tool Centre Point Management，刀具中心点管理)。还有的厂家则称类似技术为TCPC(Tool Center Point Control，刀具中心点控制)。其实质均为保持刀具中心点不变实现刀具的转动。RTCP(Rotational Tool CenterPoint，旋转刀具中心)功能的加入有效地提高了数控机床的加工效率，因此，RTCP(Rotational Tool Center Point，旋转刀具中心)精度是五轴联动数控机床的重要精度指标。
对于RTCP(Rotational Tool Center Point，旋转刀具中心)误差检测大多采用标准棒(或球头检棒或直棒等)配合千分表(或百分表等)的方式测量。文中后续内容将RTCP(Rotational Tool Center Point，旋转刀具中心)误差简称RTCP误差。这类方法会引入标准棒的轮廓误差以及千分表的读数偏差，从而降低RTCP误差补偿效果，并且需要人工读取千分表读数，一般需要半天时间，过程耗时耗力。
有的公司提出了XR20-W无线型回转轴校准装置和Axiset Check-Up回转轴心线检查工具，虽然这些设备检测精度高，但价格昂贵，并且Axiset Check-Up的使用必须配合宏程序才能运行，受到数控系统类型的限制，目前只支持Siemens、Fanuc等高档数控系统。
R-TEST旋转轴分析方法通过三个位移传感器测量球头空间位置，结合数控系统绕刀具中心旋转功能时，可与球头配合快速检测机床多轴联动时的刀具中心点空间运动误差，从而完成机床多轴联动精度检测及误差标定等，目前R-TEST仪器已被纳入ISO机床精度检测标准。荷兰的IBS公司推出了基于R-TEST方法的检测设备，它含有3个传感器测头，可以检测一个安装在机床主轴上的精密球体。配合精密球阵列，可以检测直线轴的运动误差，但该套设备的价格非常昂贵。意大利的数控设备制造商FIDIA研发了一款名为HMS(HeadMeasure System，头部测量系统)的检测装置，它可以直接与该公司的数控设备连接，完成规定的测试。但只能与FIDIA公司的数控设备配套使用，通用性不强。由于R-TEST检测装置和方法是基于严格的加工和装配精度，增加了检测装置的加工成本。此外，该检测装置在安装时要求有一根位移传感器和X轴平行，虽然有文献提出不平行时的处理方法，但很难获得模型中的安装角度，使得其应用性较差。
因此，如何提供一种五轴机床的误差检测系统、误差检测和补偿方法，以解决现有技术无法提供一种对装置结构精度和安装要求较低的检测系统和方法，能快速、简单、高效地补偿五轴联动机床RTCP误差、提高RTCP的精度等缺陷，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种五轴机床的误差检测系统、误差检测和补偿方法，用于解决现有技术无法提供一种对装置结构精度和安装要求较低的检测系统和方法，能快速、简单、高效地补偿五轴联动机床RTCP误差、提高RTCP的精度的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明一方面提供一种五轴机床的误差检测系统，所述五轴机床的误差检测系统包括：检测部件，用于测量待检测部件在X、Y、Z方向的位置变化量；待检测部件，用于确定旋转刀具中心误差；所述旋转刀具中心误差通过所述待检测部件的位置变化量来计算；信号转换部件，用于将所述检测部件中位移传感器输出的模拟信号转换为数字信号；所述模拟信号表示所述位移传感器长度变化的模拟信息；所述数字信号表示所述位移传感器长度变化的数字信息；数据处理部件，用于根据机床坐标系、所述位移传感器的初始位置、球头的初始位置和位移传感器长度变化量进行旋转刀具中心误差计算。
于本发明的一实施例中，所述检测部件安装在主轴上，包括所述位移传感器和夹持器，所述夹持器的一端为圆柱，以便能夹紧在刀柄上，另一端设有三个爪，均匀分布在一个圆上，彼此之间成120°角；所述位移传感器为三个球形触头位移传感器，分别位于所述三个爪的末端。
于本发明的一实施例中，所述待检测部件安装在工作台上，包括检棒、夹紧座和磁力座；所述检棒为球头检棒，所述球头检棒夹在所述夹紧座上，所述夹紧座与所述磁力座固定连接，所述磁力座吸附在工作台上。
本发明另一方面提供一种五轴机床的误差检测和补偿方法，所述五轴机床的误差检测和补偿方法包括：确定位移传感器的初始位置、当前坐标系和球头的初始位置；在所述位移传感器的初始位置确定后，将所述球头放置于所述位移传感器的中心来确定所述球头的初始位置；根据所述当前坐标系和所述球头的初始位置确定位移传感器长度变化量与球头中心点位置变化量的关系矩阵；根据检测部件的安装误差、所述关系矩阵和所述位移传感器长度变化量进行旋转刀具中心误差计算。
于本发明的一实施例中，球头的初始位置的设置步骤为：当所述球头压到所述位移传感器最大伸缩量的一半时，获取此时在所述当前坐标系下球头在X、Y、Z向的位置为x0，y0，z0。
于本发明的一实施例中，在球头和位移传感器的初始位置处，运行位置校准循环程序，使球头基于中心点位置进行偏移，得到在当前安装位置处的杆长变化值Δx、Δy、Δz与球头中心点位置偏移量ΔL1、ΔL2、ΔL3的关系矩阵M。如果球头和位移传感器的初始位置变化，则需要重新运行位置校准循环程序，得到新的关系矩阵，关系矩阵计算如下：
Figure BDA0002526983880000031
于本发明的一实施例中，所述检测部件的安装误差的计算步骤包括：保持所述检测部件的初始位置不变，主轴初始角度为0度，记录相对于主轴初始角度的旋转增量为90度、180度和270度处的位移传感器长度变化量；根据所述关系矩阵计算在三个角度增量处的球头中心位置变化量Δx180，Δy90，Δy270；根据公式
Figure BDA0002526983880000032
计算所述检测部件的安装误差。
于本发明的一实施例中，根据检测部件的安装误差和所述关系矩阵进行旋转刀具中心误差计算的步骤包括：根据所述关系矩阵和A轴轴向和径向旋转时的三个位移传感器的长度变化值确定A轴轴向和径向旋转时球头中心点位置变化量；利用所述关系矩阵和C轴轴向和径向旋转时的三个位移传感器的长度变化值确定C轴轴向和径向旋转时球头中心点位置变化量；通过所述A轴轴向和径向旋转时的球头中心点位置变化量确定A轴轴向和径向旋转时小球圆轨迹的偏心量；结合所述C轴轴向和径向旋转时的球头中心点位置变化量确定C轴轴向和径向旋转时小球圆轨迹的偏心量；根据所述A轴轴向和径向旋转时小球圆轨迹的偏心量和C轴轴向和径向旋转时小球圆轨迹的偏心量以及所述安装误差确定所述旋转刀具中心误差。
于本发明的一实施例中，根据所述A轴轴向和径向旋转时小球圆轨迹的偏心量和C轴轴向和径向旋转时小球圆轨迹的偏心量确定所述旋转刀具中心误差的步骤包括：确定A轴回转中心相对机床坐标原点在Y和Z向的转角误差；确定A轴回转中心相对机床坐标原点在Y和Z向的位置误差；确定C轴回转中心相对A轴回转中心在X和Y向的转角误差；确定C轴回转中心相对A轴回转中心在X和Y向的位置误差。
于本发明的一实施例中，所述五轴机床的误差检测补偿方法还包括：将计算得到的旋转刀具中心误差补偿到数控系统中；重复所述A轴轴向和径向旋转时小球圆轨迹的偏心量和C轴轴向和径向旋转时小球圆轨迹的偏心量的获取步骤；判断获取的各个偏心量是否满足精度要求，若是，不予处理；若否，利用所述各个偏心量重新进行所述旋转刀具中心误差的计算及补偿，直至获取的各个偏心量满足精度要求。
如上所述，本发明所述的五轴机床的误差检测系统、误差检测和补偿方法，具有以下有益效果：
检测系统对加工和装配要求较低，显著降低装置的加工成本；不受装置安装位置和安装误差的影响，只需执行相应的循环程序即可完成整个校准和检测过程，整个过程快速、高效；该补偿方法不仅补偿两个旋转轴回转中心的位置误差，还补偿转角误差，提高刀具旋转中心误差补偿精度。
附图说明
图1显示为本发明的五轴机床的误差检测系统于一实施例中的结构示意图。
图2显示为本发明的五轴机床的误差检测和补偿方法于一实施例中的原理流程图。
图3显示为本发明的五轴机床的误差检测和补偿方法于一实施例中的误差补偿流程图。
图4显示为本发明的五轴机床的误差检测和补偿方法于一实施例中的位置校准流程图。
图5显示为本发明的五轴机床的误差检测和补偿方法于一实施例中的检测部分安装误差校准流程图。
图6显示为本发明的五轴机床的误差检测和补偿方法于一实施例中的A轴轴心线检测流程图。
图7显示为本发明的五轴机床的误差检测和补偿方法于一实施例中的C轴轴心线检测流程图。
图8显示为本发明的五轴机床的误差检测和补偿方法于一实施例中的C轴旋转径向偏心量在误差补偿前后的球头中心点位置偏移量的曲线图。
图9显示为本发明的五轴机床的误差检测和补偿方法于一实施例中的C轴旋转轴向偏心量在误差补偿前后的球头中心点位置偏移量的曲线图。
图10显示为本发明的五轴机床的误差检测和补偿方法于一实施例中的A轴旋转径向偏心量在误差补偿前后的球头中心点位置偏移量的曲线图。
图11显示为本发明的五轴机床的误差检测和补偿方法于一实施例中的A轴旋转轴向偏心量在误差补偿前后的球头中心点位置偏移量的曲线图。
元件标号说明
1              检测部分
11             位移传感器
12             夹持器
121            圆柱
2              被检测部分
21             球头检棒
22             夹紧座
23             磁力座
3              信号处理器
4              数据处理模块
5              数控机床CNC
6              主轴
7              工作台
S21～S23       步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明提供了一种对装置结构精度和安装要求较低的检测系统和方法，能快速、简单、高效地补偿五轴联动机床RTCP误差，不仅补偿回转中心的位置误差，还能补偿其角度误差，提高RTCP的精度。
以下将结合图1至图11详细阐述本实施例的一种五轴机床的误差检测系统、误差检测和补偿方法的原理及实施方式，使本领域技术人员不需要创造性劳动即可理解本实施例的五轴机床的误差检测系统、误差检测和补偿方法。
请参阅图1，显示为本发明的五轴机床的误差检测系统于一实施例中的结构示意图。如图1所示，所述五轴机床的误差检测系统包括：检测部件1、待检测部件2、信号转换部件3和数据处理部件4。
所述检测部件1为图1中的检测部分1，用于测量待检测部件2在X、Y、Z方向的位置变化量。
在本实施例中，所述检测部件1安装在主轴6上，包括所述位移传感器11和夹持器12，所述夹持器12的一端为圆柱121，以便能夹紧在刀柄上，刀柄装在主轴上，圆柱夹在刀柄上。所述圆柱即是一把刀。另一端设有三个爪，均匀分布在一个圆上，彼此之间成120°±0.5°角；所述位移传感器11为三个球形触头位移传感器，分别位于所述三个爪的末端，所述三个球形触头位移传感器与轴向成相同的角度，角度偏差为±0.5度。
所述待检测部件2为图1中的被检测部分2，与所述检测部件1夹持连接，用于确定旋转刀具中心误差；所述旋转刀具中心误差通过所述待检测部件2的位置变化量来计算。
在本实施例中，所述待检测部件2安装在工作台7上，包括检棒21、夹紧座22和磁力座23；所述检棒21为球头检棒，所述球头检棒21夹在所述夹紧座22上，所述夹紧座22与所述磁力座23固定连接，所述磁力座23吸附在工作台上。
所述信号转换部件3为图1中的信号处理器3，与所述检测部件1中的位移传感器电连接，用于将所述检测部件1中位移传感器输出的模拟信号转换为数字信号，并将数字信号传输到数控机床中以进行RTCP误差的求解。所述模拟信号表示所述位移传感器长度变化的模拟信息；所述数字信号表示所述位移传感器长度变化的数字信息。
具体地，所述信号处理器3由数据线、ADC卡和开关电源组成，所述数据线连接所述位移传感器11和所述ADC卡，所述ADC卡将所述位移传感器11的模拟信号转换为数字信号，并通过总线传输到所述数控机床7的系统中，开关电源供电给所述ADC卡和所述位移传感器11。
所述数据处理部件4为图1中的数据处理模块4，与所述信号转换部件3电连接，内嵌在数控机床的系统中，用于根据机床坐标系、所述位移传感器的初始位置、球头的初始位置和位移传感器长度变化量进行旋转刀具中心误差计算。具体地，根据机床坐标系、位移传感器初始位置确定当前坐标系和球头的初始位置，根据设置的当前坐标系和所述球头的初始位置确定所述位移传感器的变化量与球头中心点位置变化量的关系矩阵，以及根据所述安装误差和关系矩阵进行旋转刀具中心误差计算。
所述五轴机床的误差检测系统在五轴机床RTCP功能下，检测部分和被检测部分同步旋转，获取当前安装位置处的球头中心点位置偏量与位移传感器长度变化量的关系矩阵；通过最小二乘法拟合球头圆轨迹得到八个偏心量，将八个偏心量补偿到CNC(ComputerNumerical Control，计算机数字控制机床或数控机床)中，如图1中标号5所示，可得到RTCP的4项位置和4项转角误差。
请参阅图2，显示为本发明的五轴机床的误差检测和补偿方法于一实施例中的原理流程图。如图2所示，本发明所述的所述五轴机床的误差检测和补偿方法包括：
S21，确定位移传感器的初始位置、当前坐标系和球头的初始位置；在所述位移传感器的初始位置确定后，将所述球头放置于所述位移传感器的中心来确定所述球头的初始位置。
具体地，设置主轴旋转角度、所述位移传感器的安装角度以及所述球头相对所述位移传感器的位置。
在本实施例中，球头的初始位置的设置步骤为：当所述球头压到所述位移传感器最大伸缩量的一半时，获取此时在所述当前坐标系下球头在X、Y、Z向的位置为x0，y0，z0。
S22，根据所述当前坐标系和所述球头的初始位置确定位移传感器长度变化量与球头中心点位置变化量的关系矩阵。
S23，根据检测部件的安装误差、所述关系矩阵和所述位移传感器长度变化量进行旋转刀具中心RTCP误差计算。
所述RTCP(Rotational Tool Center Point，旋转刀具中心)误差为：A轴旋转中心相对机床坐标原点的位置和转角误差，C轴旋转中心相对A轴旋转中心的位置和转角误差。
在本实施例中，需要补偿检测部分轴心线与主轴轴心线不重合产生的安装误差，所述检测部件的安装误差的计算步骤包括：
(1)保持所述检测部件的初始位置不变，主轴初始角度为0度，记录相对于主轴初始角度的旋转增量为90度、180度和270度处的位移传感器长度变化量。
(2)根据所述关系矩阵计算在三个角度增量处的球头中心位置变化量Δx180，Δy90，Δy270。
(3)根据公式
Figure BDA0002526983880000071
计算所述检测部件的安装误差。
在本实施例中，S23包括：
S231，根据所述关系矩阵和A轴轴向和径向旋转时的三个位移传感器的长度变化值确定A轴轴向和径向旋转时球头中心点位置变化量。
具体地，开启五轴机床的RTCP功能，在数控机床允许范围内，A轴旋转最大范围，得到一系列相对位移传感器初始长度值的长度变化量ΔLA1，ΔLA2，ΔLA3。
根据长度变化量和所述关系矩阵M，得到球头中心点的位置变化量：ΔxA，ΔyA，ΔzA，并将其转换为机床坐标系下的位置变化量：
Figure BDA0002526983880000081
S232，利用所述关系矩阵和C轴轴向和径向旋转时的三个位移传感器的长度变化值确定C轴轴向和径向旋转时球头中心点位置变化量。
具体地，开启五轴机床的RTCP功能，C轴旋转0～360度，得到一系列的相对位移传感器初始长度值的长度变化量ΔLC1，ΔLC2，ΔLC3。
根据长度变化量和所述关系矩阵M，得到球头中心点的位置变化量：ΔxC，ΔyC，ΔzC，并将其转换为机床坐标系下的位置变化量：
Figure BDA0002526983880000082
S233，通过所述A轴轴向和径向旋转时的球头中心点位置变化量确定A轴轴向和径向旋转时小球圆轨迹的偏心量。
S234，结合所述C轴轴向和径向旋转时的球头中心点位置变化量确定C轴轴向和径向旋转时小球圆轨迹的偏心量。
具体地，采用最小二乘法对球头轨迹进行拟合，得到A轴和C轴旋转中心径向和轴向回转的偏心量。
S235，根据所述A轴轴向和径向旋转时小球圆轨迹的偏心量和C轴轴向和径向旋转时小球圆轨迹的偏心量以及所述安装误差确定所述旋转刀具中心误差。
在本实施例中，确定A轴回转中心相对机床坐标原点在Y和Z向的转角误差；确定A轴回转中心相对机床坐标原点在Y和Z向的位置误差；确定C轴回转中心相对A轴回转中心在X和Y向的转角误差；确定C轴回转中心相对A轴回转中心在X和Y向的位置误差。
在本实施例中，所述五轴机床的误差检测和补偿方法还包括：将计算得到的旋转刀具中心误差补偿到数控系统中；重复所述A轴轴向和径向旋转时小球圆轨迹的偏心量和C轴轴向和径向旋转时小球圆轨迹的偏心量的获取步骤；判断获取的各个偏心量是否满足精度要求，若是，不予处理；若否，利用所述各个偏心量重新进行所述旋转刀具中心误差的计算及补偿，直至获取的各个偏心量满足精度要求。
请参阅图3，显示为本发明的五轴机床的误差检测和补偿方法于一实施例中的误差补偿流程图。如图3所示，以在VMC0656e双转台五轴联动机床上实施本发明所述五轴机床的误差检测和补偿方法为例，具体包括以下步骤：
(1)安装检测部分，将检测部分的夹持器装夹在刀柄上，再安装在主轴上，设主轴角度为0度，或者为一固定的角度，该位置为位移传感器的初始位置，在位置校准过程和检测过程中保持该位置不变。
(2)测量RTCP回转中心长度。用对刀仪测量检测部分在Z向的高度H，RTCP回转中心长度为“H+球头检棒球头的半径”。设T1的刀长为该值，在检测误差时，采用T1刀。
(3)安装被检测部分。将旋转轴的角度都运动到0度位置，在可允许的范围内，将被检测部分通过磁力球座安装在转台的边缘处，以使检测范围最大。
(4)根据补偿前的RTCP参数，设置当前坐标系(如G58)X、Y、Z值为C轴旋转中心在机床坐标系下的值，具体方法为：将当前工作坐标系的X设置为在机床坐标系下A轴回转中心X坐标+C轴回转中心相对A轴回转中心X向的值，Y设为在机床坐标系下A轴回转中心的Y值+C轴回转中心相对A轴回转中心Y向的值，Z设为在机床坐标系下A轴回转中心的Z值+C轴回转中心相对A轴回转中心Z向的值。
(5)将球头放置在三个位移传感器的中心，该位置为球头初始位置。方法为：在当前坐标系下，看i5数控系统自带的示波器读数值，三个通道的值相同或相差1～2(相差不大)即可。为了保证最大的测量范围，将球头压到位移传感器最大伸缩量的一半。记录此时在机床坐标系(如G58)下球头在X、Y、Z向的位置为x0，y0，z0。
(6)在球头和位移传感器的初始位置处，运行位置校准循环程序，得到在当前安装位置处的杆长变化值与球头中心点位置偏移量的关系矩阵M。如果球头和位移传感器的初始位置变化，则需要重新运行位置校准循环程序，得到新的关系矩阵。
Figure BDA0002526983880000091
请参阅图4，显示为本发明的五轴机床的误差检测和补偿方法于一实施例中的位置校准流程图。如图4所示，步骤(6)中所述位置校准循环程序的流程为：球头检棒的小球移动到三个位移传感器的中心位置X0，Y0，Z0，暂停5秒。小球分别移动到X0+n*0.005mm(n＝1，2，3，4，5)，暂停5秒。小球移动到三个位移传感器的中心位置X0，Y0，Z0，暂停5秒。小球分别移动到Y0+n*0.005mm(n＝1，2，3，4，5)，暂停5秒。小球移动到三个位移传感器的中心位置X0，Y0，Z0，暂停5秒。小球分别移动到Z0-n*0.005mm(n＝1，2，3，4，5)，暂停5秒。小球移动到三个位移传感器的中心位置X0，Y0，Z0，暂停5秒。小球移动到Z0+20mm，结束。
(7)测量并计算检测部分的安装误差。运行检测部分安装误差校准循环程序，主轴分别定位在90度、180度和270度的位置，系统记录在角度增量为90、180、270处的长度变化量，并根据步骤6得到的关系矩阵M，求球头在主轴在三个角度增量处的位置偏移量Δx180，Δy90和Δy270根据下式求得安装误差为：
exs＝-Δx180/2
eys＝(Δy90-Δy270)/2
其中，关系矩阵M是一个3×3的矩阵，通过矩阵相乘的方法可得到当前小球的位置值。ΔL1,ΔL2,ΔL3是三个位移传感器的读数变化值。
Δx180是主轴定位在180度时，计算出的X向的位置。同理，Δy90与Δy270分别是主轴定位90度时，270度时计算出的Y向位置。
请参阅图5，显示为本发明的五轴机床的误差检测和补偿方法于一实施例中的检测部分安装误差校准流程图。如图5所示，步骤(7)中所述检测部分安装误差校准循环程序的流程为：主轴定位在0度，球头检棒的小球移动到三个位移传感器的中心位置X0，Y0，Z0，暂停5秒。小球移动到X0，Y0，Z0+20mm，主轴定位在90度，暂停5秒。小球移动到三个位移传感器的中心位置X0，Y0，Z0，暂停5秒。小球移动到X0，Y0，Z0+20mm，主轴定位在180度，暂停5秒。小球移动到三个位移传感器的中心位置X0，Y0，Z0，暂停5秒。小球移动到X0，Y0，Z0+20mm，主轴定位在270度，暂停5秒。小球移动到三个位移传感器的中心位置X0，Y0，Z0，暂停5秒。小球移动到Z0+20mm，结束。
(8)保持检测装置和球头的初始位置，运行A轴轴心线检测循环程序，得到A轴旋转时的三个位移传感器的长度变化值，根据步骤(6)得到的关系矩阵M计算球头中心点在X、Y、Z向的位置偏移量ΔxA，ΔyA，ΔzA，将其转换为机床坐标系下的位置变化量：
Figure BDA0002526983880000101
请参阅图6，显示为本发明的五轴机床的误差检测和补偿方法于一实施例中的A轴轴心线检测流程图。如图6所示，步骤(8)中所述A轴轴心线检测循环程序的流程为：主轴定位在0度，开启RTCP功能，旋转机床使A轴＝-90度，C轴＝0度。球头检棒的小球移动到三个位移传感器的中心位置X0，Y0，Z0，暂停5秒。A轴旋转到90度，暂停5秒。小球移动到三个位移传感器的中心位置X0，Y0，Z0+20mm，暂停5秒。小球移动到X0，Y0，Z0，A轴旋转到-90度，暂停5秒。小球移动到X0，Y0，Z0+20mm，结束。
(9)保持检测装置和球头的初始位置，运行C轴轴心线检测循环程序，得到C轴旋转时的三个位移传感器的长度变化值，根据步骤(6)得到的关系矩阵M计算球头中心点在X、Y、Z向的位置偏移量ΔxC，ΔyC，ΔzC，将其转换为机床坐标系下的位置变化量：
Figure BDA0002526983880000111
请参阅图7，显示为本发明的五轴机床的误差检测和补偿方法于一实施例中的C轴轴心线检测流程图。如图7所示，步骤(9)中所述C轴轴心线检测循环程序的流程为：主轴定位在0度，开启RTCP功能，旋转机床使A轴＝0度，C轴＝0度。球头检棒的小球移动到三个位移传感器的中心位置X0，Y0，Z0，暂停5秒。C轴正向/逆向旋转360度，暂停5秒。小球移动到三个位移传感器的中心位置X0，Y0，Z0+20mm，暂停5秒。小球移动到X0，Y0，Z0，C轴逆向/正向旋转360度，暂停5秒。小球移动到X0，Y0，Z0+20mm，结束。
(10)采用最小二乘法对ΔXC，ΔYC进行圆轨迹拟合，得到C轴旋转径向偏心量δxc，δyc，该偏心量包含检测部分的安装误差exs和eys，在计算RTCP误差时需要减去该安装误差exs和eys。
(11)将ΔZC转换为X、Y向的误差量，采用最小二乘法对其进行圆轨迹拟合，得到C轴旋转轴向偏心量εxc，εyc。
(12)采用最小二乘法对ΔYA、ΔZA进行圆轨迹拟合，得到A轴旋转径向偏心量δya，δza，Y向的偏心量包含检测部分在Y向的安装误差eys，在计算RTCP误差时需要减去该安装误差。
(13)将ΔXA转换为Y、Z向的误差量，采用最小二乘法对其进行圆轨迹拟合，得到A轴旋转轴向偏心量εya，εza。
(14)将八个偏心量代入到RTCP误差模型中，得到RTCP的八项误差，包括：
C轴回转中心相对A轴回转中心在X和Y向的位置误差；
C轴回转中心相对A轴回转中心在X和Y向的转角误差；
A轴回转中心相对机床坐标原点在Y和Z向的位置误差；
A轴回转中心相对机床坐标原点在Y和Z向的转角误差。
将计算得到的八项误差补偿到数控机床系统原有的RTCP参数中。
RTCP误差模型是一种将八个偏心量补偿到CNC的参数中得到RTCP八项误差的数学模型。
(15)执行步骤(8)～(13)，得到新的偏心量。如果偏心量达不到精度要求，则重复执行步骤8～14直到达到精度要求为止。
请参阅图8，显示为本发明的五轴机床的误差检测和补偿方法于一实施例中的C轴旋转径向偏心量在误差补偿前后的球头中心点位置偏移量的曲线图。如图8所示，为C轴旋转中心相对A轴旋转中心的在X、Y向的位置误差而造成的球头中心点位置在X、Y向偏移量曲线。从图8(a)中可以看出，误差补偿前，球头位置明显的偏向负向，Y向的偏心量为-52.8μm，见图8(a)上方Y＝-0.0528mm＝-52.8μm，误差补偿之后(图8(b))，球头位置偏量平均分布在XY向的两侧，Y向偏心量为1.8μm，见图8(b)上方Y＝0.0018mm＝1.8μm，提高C轴回转中心的径向回转精度。
请参阅图9，显示为本发明的五轴机床的误差检测和补偿方法于一实施例中的C轴旋转轴向偏心量在误差补偿前后的球头中心点位置偏移量的曲线图。如图9所示，为C轴旋转中心相对A轴旋转中心在X、Y向的转角误差而造成的球头中心点位置在X、Y向的偏移量曲线。从图中可以看出，由于本身的误差很小，误差补偿前后效果不是很明显。
请参阅图10，显示为本发明的五轴机床的误差检测和补偿方法于一实施例中的A轴旋转径向偏心量在误差补偿前后的球头中心点位置偏移量的曲线图。如图10所示，为A轴旋转中心相对机床坐标原点的在Y、Z向的位置误差而造成的球头中心点位置在Y、Z向的偏移量曲线。从图10(a)中可以看出，误差补偿前，球头位置明显的偏向Y轴正向，Y向的偏心量为19μm；见图10(a)上方Y＝0.0190mm＝19μm，误差补偿之后(图10(b))，球头位置偏量平均分布在两侧，Y向偏心量为2.7μm，见图10(b)上方Y＝0.0027mm＝2.7μm，提高了A轴回转中心的径向回转精度。
请参阅图11，显示为本发明的五轴机床的误差检测和补偿方法于一实施例中的A轴旋转轴向偏心量在误差补偿前后的球头中心点位置偏移量的曲线图。如图11所示，为A轴旋转中心相对机床坐标原点的在Y、Z向的转角误差而造成的球头中心点位置在Y、Z向的偏移量曲线。从图11(a)中可以看出，误差补偿前，球头位置明显的偏向Z轴负向，Z向的偏心量为-6.9μm，见图11(a)上方Z＝-0.0069mm＝-6.9μm，误差补偿之后(图11(b))，球头位置偏量平均分布在+-两侧，Z向偏心量为1.1μm，见图11(b)上方Z＝0.0011mm＝1.1μm，Y向的偏心量也从2.9μm(Y＝0.0029mm＝2.9μm)提高到了1.8μm(Y＝0.0018mm＝1.8μm)，提高了A轴回转中心的轴向回转精度。
由从图8至图11中的结果可以看出，RTCP误差补偿后，A和C轴的回转偏心量明显减小。
本发明所述的五轴机床的误差检测和补偿方法的保护范围不限于本实施例列举的步骤执行顺序，凡是根据本发明的原理所做的现有技术的步骤增减、步骤替换所实现的方案都包括在本发明的保护范围内。
本发明所述的五轴机床的误差检测系统可以实现本发明所述的五轴机床的误差检测和补偿方法，但本发明所述的五轴机床的误差检测和补偿方法的实现装置包括但不限于本实施例列举的五轴机床的误差检测系统的结构，凡是根据本发明的原理所做的现有技术的结构变形和替换，都包括在本发明的保护范围内。
综上所述，本发明所述五轴机床的误差检测系统、误差检测和补偿方法检测系统对加工和装配要求较低，显著降低装置的加工成本；不受装置安装位置和安装误差的影响，只需执行相应的循环程序即可完成整个校准和检测过程，整个过程快速、高效；RTCP误差模型中不仅补偿两个旋转轴回转中心的位置误差，还补偿转角误差，提高RTCP误差补偿精度。本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种五轴机床的误差检测系统，其特征在于，所述五轴机床的误差检测系统包括：
检测部件，用于测量待检测部件在X、Y、Z方向的位置变化量，其中，所述检测部件安装在主轴上，包括位移传感器和夹持器，所述夹持器的一端为圆柱，以便能夹紧在刀柄上，另一端设有三个爪，均匀分布在一个圆上，彼此之间成120°角；所述位移传感器为三个球形触头位移传感器，分别位于所述三个爪的末端；
待检测部件，用于确定旋转刀具中心误差；所述旋转刀具中心误差通过所述待检测部件的位置变化量来计算，其中，所述待检测部件安装在工作台上，包括检棒、夹紧座和磁力座；所述检棒为球头检棒，所述球头检棒夹在所述夹紧座上，所述夹紧座与所述磁力座固定连接，所述磁力座吸附在工作台上；
信号转换部件，用于将所述检测部件中位移传感器输出的模拟信号转换为数字信号；所述模拟信号表示所述位移传感器长度变化的模拟信息；所述数字信号表示所述位移传感器长度变化的数字信息；
数据处理部件，用于根据机床坐标系、所述位移传感器的初始位置、球头的初始位置和位移传感器长度变化量进行旋转刀具中心误差计算。
2.一种五轴机床的误差检测和补偿方法，其特征在于，应用于权利要求1所述的五轴机床的误差检测系统，其中，所述五轴机床的误差检测和补偿方法包括：
确定位移传感器的初始位置、当前坐标系和球头的初始位置；在所述位移传感器的初始位置确定后，将所述球头放置于所述位移传感器的中心来确定所述球头的初始位置；
根据所述当前坐标系和所述球头的初始位置确定位移传感器长度变化量与球头中心点位置变化量的关系矩阵；
根据检测部件的安装误差、所述关系矩阵和所述位移传感器长度变化量进行旋转刀具中心误差计算。
3.根据权利要求2所述的五轴机床的误差检测和补偿方法，其特征在于，球头的初始位置的设置步骤为：
当所述球头压到所述位移传感器最大伸缩量的一半时，获取此时在所述当前坐标系下球头在X、Y、Z向的位置为x0，y0，z0。
4.根据权利要求2所述的五轴机床的误差检测和补偿方法，其特征在于，所述检测部件的安装误差的计算步骤包括：
保持所述检测部件的初始位置不变，主轴初始角度为0度，记录相对于主轴初始角度的旋转增量为90度、180度和270度处的位移传感器长度变化量；
根据所述关系矩阵计算在三个角度增量处的球头中心位置变化量Δx180，Δy90，Δy270；
根据公式计算所述检测部件的安装误差。
5.根据权利要求2所述的五轴机床的误差检测和补偿方法，其特征在于，根据检测部件的安装误差、所述关系矩阵和所述位移传感器长度变化量进行旋转刀具中心误差计算的步骤包括：
根据所述关系矩阵和A轴轴向和径向旋转时的三个位移传感器的长度变化值确定A轴轴向和径向旋转时球头中心点位置变化量；
利用所述关系矩阵和C轴轴向和径向旋转时的三个位移传感器的长度变化值确定C轴轴向和径向旋转时球头中心点位置变化量；
通过所述A轴轴向和径向旋转时的球头中心点位置变化量确定A轴轴向和径向旋转时小球圆轨迹的偏心量；
结合所述C轴轴向和径向旋转时的球头中心点位置变化量确定C轴轴向和径向旋转时小球圆轨迹的偏心量；
根据所述A轴轴向和径向旋转时小球圆轨迹的偏心量和C轴轴向和径向旋转时小球圆轨迹的偏心量以及所述安装误差确定所述旋转刀具中心误差。
6.根据权利要求5所述的五轴机床的误差检测和补偿方法，其特征在于，根据所述A轴轴向和径向旋转时小球圆轨迹的偏心量和C轴轴向和径向旋转时小球圆轨迹的偏心量确定所述旋转刀具中心误差的步骤包括：
确定A轴回转中心相对机床坐标原点在Y和Z向的转角误差；
确定A轴回转中心相对机床坐标原点在Y和Z向的位置误差；
确定C轴回转中心相对A轴回转中心在X和Y向的转角误差；
确定C轴回转中心相对A轴回转中心在X和Y向的位置误差。
7.根据权利要求5所述的五轴机床的误差检测和补偿方法，其特征在于，所述五轴机床的误差检测补偿方法还包括：
将计算得到的旋转刀具中心误差补偿到数控系统中；
重复所述A轴轴向和径向旋转时小球圆轨迹的偏心量和C轴轴向和径向旋转时小球圆轨迹的偏心量的获取步骤；
判断获取的各个偏心量是否满足精度要求，若是，不予处理；若否，利用所述各个偏心量重新进行所述旋转刀具中心误差的计算及补偿，直至获取的各个偏心量满足精度要求。
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