CN111872742A - 一种基于球杆仪的五轴机床误差测量方法 - Google Patents

一种基于球杆仪的五轴机床误差测量方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111872742A
CN111872742A CN202010702638.5A CN202010702638A CN111872742A CN 111872742 A CN111872742 A CN 111872742A CN 202010702638 A CN202010702638 A CN 202010702638A CN 111872742 A CN111872742 A CN 111872742A
Authority
CN
China
Prior art keywords
axis
machine tool
error
instrument
linkage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202010702638.5A
Other languages
English (en)
Inventor
张福民
姚思涵
蒋晓耕
郑继辉
曲兴华
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tianjin University
Original Assignee
Tianjin University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tianjin University filed Critical Tianjin University
Priority to CN202010702638.5A priority Critical patent/CN111872742A/zh
Publication of CN111872742A publication Critical patent/CN111872742A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q17/00—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools

Abstract

本发明公开了一种基于球杆仪的五轴机床误差测量方法，包括以下步骤：基于螺旋理论构建机床误差模型；建立机床Z轴与B轴匀速联动的数学模型，从而确保测量过程中球杆仪采集数据与实际运动同步，基于该数学模型进行机床代码计算；对机床误差进行测量。对球杆仪测得数据进行误差解耦，解得两轴联动测量过程中的几何误差。本发明方法实现了机床Z轴与B轴几何误差的同时测量，从而极大地提高了测量效率。

Description

一种基于球杆仪的五轴机床误差测量方法
技术领域
本发明涉及五轴机床误差测量技术领域，特别涉及一种基于球杆仪的五轴机床误差测量方法。
技术背景
相较于三轴机床，五轴机床结构更为复杂，且两个回转轴为其引入了额外的几何误差，同时，线性轴与回转轴也存在误差耦合情况，这极大地影响了机床精度。因此，为了保证机床精度，需要对线性轴与回转轴的几何误差进行测量。
现有的误差测量方法未能同时测量线性轴与回转轴误差。因此，提出一种高效测量线性轴与回转轴误差的方法，从而实现线性轴与回转轴的同时测量。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于球杆仪的五轴机床误差测量方法，该方法可基于球杆仪实现机床Z轴与B轴的几何误差测量。该发明有利于实现机床误差的快速测量，进而提高测量效率。
基于球杆仪的五轴机床误差测量方法，包括如下步骤：
步骤1、基于螺旋理论构建机床误差模型。
步骤2、建立机床Z轴与B轴匀速联动的数学模型，从而确保测量过程中球杆仪采集数据与实际运动同步，基于该数学模型进行机床代码计算。
步骤3、对机床误差进行测量。对球杆仪测得数据进行误差解耦，解得两轴联动测量过程中的几何误差。
步骤1中基于螺旋理论建立了五轴机床几何误差模型，包括步骤：
步骤1.1、在本发明方法中，仅涉及机床Z轴与B轴运动，因此机床运动学模型如下：
Figure BSA0000214494040000011
其中
Figure BSA0000214494040000012
与
Figure BSA0000214494040000013
表示理想情况下刀具与工件相对于机床坐标系初始位置，
Figure BSA0000214494040000014
Figure BSA0000214494040000015
分别表示B轴旋量及Z轴旋量。
步骤1.2、通过左乘误差旋量，在机床模型中引入几何误差。以Z轴为例，其几何误差可表示为：
Figure BSA0000214494040000016
其中
Figure BSA0000214494040000017
为Z轴误差旋量，
Figure BSA0000214494040000018
与
Figure BSA0000214494040000019
表示Z轴在A轴与B轴上的方向误差。
通过左乘误差旋量得到五轴机床几何误差模型：
Figure BSA0000214494040000021
其中
Figure BSA0000214494040000022
与
Figure BSA0000214494040000023
分别为B轴误差旋量及Z轴误差旋量，
Figure BSA0000214494040000024
表示几何误差影响下刀具相对于工件的位置。
进一步地，步骤2中建立机床Z轴与B轴匀速联动的数学模型，从而确保测量过程中球杆仪采集数据与实际运动同步，基于该数学模型进行机床代码计算，包括步骤：
步骤2.1、测量过程中Z轴进行为0-+400的线性往复运动，B轴进行0°--90°的回转运动，并选用400mm杆长的球杆仪，机床坐标系定义于B轴回转中心。测量过程中需确保球杆仪主轴工具杯与基座工具杯的距离恒为400mm，以适应球杆仪长度。机床Z轴位移Z与B轴回转角度θB之间具有如下关系：
Figure BSA0000214494040000025
步骤2.2、基于螺旋理论，对Z轴与B轴联动过程中刀具相对于工件坐标系的运动轨迹进行建模，其机床模型如下：
Figure BSA0000214494040000026
其中
Figure BSA0000214494040000027
为Z轴与B轴联动实验中机床刀具相对于工件坐标系的位置，刀具相对于工件坐标系位置为：
Figure BSA0000214494040000028
步骤2.3、为实现Z轴与B轴联动实验过程中球杆仪采集数据与实际运动的同步，需要Z轴与B轴匀速联动，因此对Z轴与B轴联动轨迹进行等分。利用MATLAB进行仿真，得出机床刀具相对于工件坐标系的运动轨迹为半径为400mm的四分之一圆弧，将该圆弧按圆心角进行等分，则对应圆心角为θ的等分点坐标为(400sinθ，400cosθ)。同时，由刀具相对于工件坐标系的位置可知，该等分点坐标为(-400sinθB，-Z-400cosθB)。
在Z轴与B轴联动实验中，角度θ与B轴回转角度θB存在绝对值相等的情况。通过对B轴角度绝对值进行等分的方法，即可实现Z轴与B轴的匀速联动。计算得到Z轴与B轴联动过程中每两点间距离dZB为0.6981mm，有效地实现了测量路径的匀速运动。
进一步地，步骤3中对机床误差进行测量。对球杆仪测得数据进行误差解耦，解得两轴联动测量过程中的几何误差，包含步骤：
步骤3.1、在进行测量前，对球杆仪主轴工具杯与基座工具杯进行校准。将球杆仪基座置于百分云台上，利用探针检测其球杆仪基座位置，利用千分表检测主轴工具杯的偏置情况。
步骤3.2、利用编写机床代码，进行Z轴与B轴联动实验。为避免机床主轴与球杆仪发生碰撞，B轴仅由0°回转至-60°。
步骤3.3、对Z轴与B轴联动过程中的几何误差进行解耦。在测量过程中，刀具相对于工件坐标系的实际位置即为球杆仪的实际杆长。
Figure BSA0000214494040000031
其中LDBB即为球杆仪测得杆长数据。
将球杆仪测量数据代入，则可以构建LDBB与几何误差的超定方程组。将该方程组化简为函数F(x)。
Figure BSA0000214494040000032
基于粒子群算法求解超定方程组。该方程组的全局最优解即为误差解耦得到的几何误差数值。
Figure BSA0000214494040000033
本发明为基于球杆仪的五轴机床误差测量方法，具体的有益效果是：
本发明中实现了机床Z轴与B轴几何误差的同时测量，从而极大地提高了测量效率。相较于传统的误差测量方法，本发明的测量精度高，实用性好。
附图说明
图1为某五轴机床结构图。
图2为Z轴几何误差示意图。
图3为Z轴与B轴联动关系示意图。
图4为本发明方法实施例中测量实验示意图。
图5为本发明方法实施例中球杆仪测量数据图。
图6为本发明方法实施例中误差解耦方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
附图1所示为某五轴机床结构示意图，以该机床为例，对本发明方法进行阐述。
步骤1中基于螺旋理论建立了五轴机床几何误差模型，包括步骤：
步骤1.1、在本发明方法中，仅涉及机床Z轴与B轴运动，因此机床运动学模型如下：
Figure BSA0000214494040000034
其中
Figure BSA0000214494040000041
与
Figure BSA0000214494040000042
表示理想情况下刀具与工件相对于机床坐标系初始位置，
Figure BSA0000214494040000043
Figure BSA0000214494040000044
分别表示B轴旋量及Z轴旋量。
步骤1.2、通过左乘误差旋量，在机床模型中引入几何误差。以Z轴为例，其几何误差可表示为：
Figure BSA0000214494040000045
其中
Figure BSA0000214494040000046
为Z轴误差旋量，
Figure BSA0000214494040000047
与
Figure BSA0000214494040000048
表示Z轴在A轴与B轴上的方向误差，如附图2所示。
通过左乘误差旋量得到五轴机床几何误差模型：
Figure BSA0000214494040000049
其中
Figure BSA00002144940400000410
与
Figure BSA00002144940400000411
分别为B轴误差旋量及Z轴误差旋量，
Figure BSA00002144940400000412
表示几何误差影响下刀具相对于工件的位置。
步骤2中建立机床Z轴与B轴匀速联动的数学模型，从而确保测量过程中球杆仪采集数据与实际运动同步，基于该数学模型进行机床代码计算，包括步骤：
步骤2.1、测量过程中Z轴进行为0-+400的线性往复运动，B轴进行0°--90°的回转运动，并选用400mm杆长的球杆仪，机床坐标系定义于B轴回转中心，如附图3所示。测量过程中需确保球杆仪主轴工具杯与基座工具杯的距离恒为400mm，以适应球杆仪长度。机床Z轴位移Z与B轴回转角度θB之间具有如下关系：
Figure BSA00002144940400000413
步骤2.2、基于螺旋理论，对Z轴与B轴联动过程中刀具相对于工件坐标系的运动轨迹进行建模，其机床模型如下：
Figure BSA00002144940400000414
其中
Figure BSA00002144940400000415
为Z轴与B轴联动实验中机床刀具相对于工件坐标系的位置，刀具相对于工件坐标系位置为：
Figure BSA00002144940400000416
步骤2.3、为实现Z轴与B轴联动实验过程中球杆仪采集数据与实际运动的同步，需要Z轴与B轴匀速联动，因此对Z轴与B轴联动轨迹进行等分。利用MATLAB进行仿真，得出机床刀具相对于工件坐标系的运动轨迹为半径为400mm的四分之一圆弧，将该圆弧按圆心角进行等分，则对应圆心角为θ的等分点坐标为(400sinθ，400cosθ)。同时，由刀具相对于工件坐标系的位置可知，该等分点坐标为(-400sinθB，-Z-400cosθB)。
在Z轴与B轴联动实验中，角度θ与B轴回转角度θB存在绝对值相等的情况。通过对B轴角度绝对值进行等分的方法，即可实现Z轴与B轴的匀速联动。计算得到Z轴与B轴联动过程中每两点间距离dZB为0.6981mm，有效地实现了测量路径的匀速运动。
步骤3中对机床误差进行测量。对球杆仪测得数据进行误差解耦，解得两轴联动测量过程中的几何误差，包含步骤：
步骤3.1、在进行测量前，对球杆仪主轴工具杯与基座工具杯进行校准。将球杆仪基座置于百分云台上，利用探针检测其球杆仪基座位置，利用千分表检测主轴工具杯的偏置情况。
步骤3.2、利用编写机床代码，进行如附图4所示的Z轴与B轴联动实验。为避免机床主轴与球杆仪发生碰撞，B轴仅由0°回转至-60°，实验结果如附图5所示。
步骤3.3、对Z轴与B轴联动过程中的几何误差进行解耦。在测量过程中，刀具相对于工件坐标系的实际位置即为球杆仪的实际杆长。
Figure BSA0000214494040000051
其中LDBB即为球杆仪测得杆长数据。
将球杆仪测量数据代入，则可以构建LDBB与几何误差的超定方程组。将该方程组化简为函数F(x)。
Figure BSA0000214494040000052
基于粒子群算法求解超定方程组，该误差解耦方法流程如附图6所示。该方程组的全局最优解即为误差解耦得到的几何误差数值。
Figure BSA0000214494040000053
本发明最后得到机床Z轴与B轴的6项几何误差。附图只是一个优选实例，上述的实施例只是为了描述本发明，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于球杆仪的五轴机床误差测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、基于螺旋理论构建机床误差模型；
步骤2、建立机床Z轴与B轴匀速联动的数学模型，从而确保测量过程中球杆仪采集数据与实际运动同步，基于该数学模型进行机床代码计算；
步骤3、对机床误差进行测量；球杆仪测得数据进行误差解耦，解得两轴联动测量过程中的几何误差。
2.根据权利要求1所述的一种基于球杆仪的五轴机床误差测量方法，其特征在于，所述步骤1中，基于螺旋理论构建机床误差模型，包括步骤：
步骤1.1、在本发明方法中，仅涉及机床Z轴与B轴运动，因此机床运动学模型如下：
Figure FSA0000214494030000011
其中
Figure FSA0000214494030000012
与
Figure FSA0000214494030000013
表示理想情况下刀具与工件相对于机床坐标系初始位置，
Figure FSA0000214494030000014
Figure FSA0000214494030000015
分别表示B轴旋量及Z轴旋量；
步骤1.2、通过左乘误差旋量，在机床模型中引入几何误差；Z轴为例，其几何误差可表示为：
Figure FSA0000214494030000016
其中
Figure FSA0000214494030000017
为Z轴误差旋量，
Figure FSA0000214494030000018
与
Figure FSA0000214494030000019
表示Z轴在A轴与B轴上的方向误差；
通过左乘误差旋量得到五轴机床几何误差模型：
Figure FSA00002144940300000110
其中
Figure FSA00002144940300000111
与
Figure FSA00002144940300000112
分别为B轴误差旋量及Z轴误差旋量，
Figure FSA00002144940300000113
表示几何误差影响下刀具相对于工件的位置。
3.根据权利要求书1所述的一种基于球杆仪的五轴机床误差测量方法，其特征在于，所述步骤2中，建立机床Z轴与B轴匀速联动的数学模型，从而确保测量过程中球杆仪采集数据与实际运动同步，基于该数学模型进行机床代码计算，包括步骤：
步骤2.1、测量过程中Z轴进行为0-+400的线性往复运动，B轴进行0°--90°的回转运动，并选用400mm杆长的球杆仪，机床坐标系定义于B轴回转中心；测量过程中需确保球杆仪主轴工具杯与基座工具杯的距离恒为400mm，以适应球杆仪长度；机床Z轴位移Z与B轴回转角度θB之间具有如下关系：
Figure FSA00002144940300000114
步骤2.2、基于螺旋理论，对Z轴与B轴联动过程中刀具相对于工件坐标系的运动轨迹进行建模，其机床模型如下：
Figure FSA00002144940300000115
其中
Figure FSA0000214494030000021
为Z轴与B轴联动实验中机床刀具相对于工件坐标系的位置，刀具相对于工件坐标系位置为：
Figure FSA0000214494030000022
步骤2.3、为实现Z轴与B轴联动实验过程中球杆仪采集数据与实际运动的同步，需要Z轴与B轴匀速联动，因此对Z轴与B轴联动轨迹进行等分；利用MATLAB进行仿真，得出机床刀具相对于工件坐标系的运动轨迹为半径为400mm的四分之一圆弧，将该圆弧按圆心角进行等分，则对应圆心角为θ的等分点坐标为(400sinθ，400cosθ)；同时，由刀具相对于工件坐标系的位置可知，该等分点坐标为(-400sinθB，-Z-400cosθB)；在Z轴与B轴联动实验中，角度θ与B轴回转角度θB存在绝对值相等的情况；通过对B轴角度绝对值进行等分的方法，即可实现Z轴与B轴的匀速联动。
4.根据权利要求书1所述的一种基于球杆仪的五轴机床误差测量方法，其特征在于，所述步骤3中，对机床误差进行测量，对球杆仪测得数据进行误差解耦，包括步骤：
步骤3.1、在进行测量前，对球杆仪主轴工具杯与基座工具杯进行校准；将球杆仪基座置于百分云台上，利用探针检测其球杆仪基座位置，利用千分表检测主轴工具杯的偏置情况；
步骤3.2、利用编写机床代码，进行Z轴与B轴联动实验；为避免机床主轴与球杆仪发生碰撞，B轴仅由0°回转至-60°；
步骤3.3、对Z轴与B轴联动过程中的几何误差进行解耦；在测量过程中，刀具相对于工件坐标系的实际位置即为球杆仪的实际杆长；
Figure FSA0000214494030000023
其中LDBB即为球杆仪测得杆长数据；
将球杆仪测量数据代入，则可以构建LDBB与几何误差的超定方程组；该方程组化简为函数F(x)：
Figure FSA0000214494030000024
基于粒子群算法求解超定方程组；方程组的全局最优解即为误差解耦得到的几何误差数值。
CN202010702638.5A 2020-07-20 2020-07-20 一种基于球杆仪的五轴机床误差测量方法 Pending CN111872742A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010702638.5A CN111872742A (zh) 2020-07-20 2020-07-20 一种基于球杆仪的五轴机床误差测量方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010702638.5A CN111872742A (zh) 2020-07-20 2020-07-20 一种基于球杆仪的五轴机床误差测量方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111872742A true CN111872742A (zh) 2020-11-03

Family

ID=73155252

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010702638.5A Pending CN111872742A (zh) 2020-07-20 2020-07-20 一种基于球杆仪的五轴机床误差测量方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111872742A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113211185A (zh) * 2021-05-26 2021-08-06 上海理工大学 一种基于球杆仪的数控机床直线轴线性误差的检测方法
CN114012507A (zh) * 2021-12-09 2022-02-08 天津工业大学 一种摇篮式五轴机床双旋转轴位置无关误差的辨识方法
CN117470105A (zh) * 2023-12-26 2024-01-30 天津大学 基于球杆仪与多光束激光干涉仪的垂直度误差辨识方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108340210A (zh) * 2018-05-09 2018-07-31 天津工业大学 一种基于球杆仪测量的多轴机床几何误差辨识方法
CN108536953A (zh) * 2018-04-02 2018-09-14 天津工业大学 一种基于分块矩阵的b样条基函数任意阶求导方法
CN109732401A (zh) * 2019-01-02 2019-05-10 天津工业大学 一种关于五轴数控机床双回转轴位置无关误差的检测方法
CN109765848A (zh) * 2019-03-18 2019-05-17 西南交通大学 五轴机床运动轴几何误差贡献值计算及影响评估方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108536953A (zh) * 2018-04-02 2018-09-14 天津工业大学 一种基于分块矩阵的b样条基函数任意阶求导方法
CN108340210A (zh) * 2018-05-09 2018-07-31 天津工业大学 一种基于球杆仪测量的多轴机床几何误差辨识方法
CN109732401A (zh) * 2019-01-02 2019-05-10 天津工业大学 一种关于五轴数控机床双回转轴位置无关误差的检测方法
CN109765848A (zh) * 2019-03-18 2019-05-17 西南交通大学 五轴机床运动轴几何误差贡献值计算及影响评估方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
XIAOGENG JIANG等: "Investigation of rotary axes geometric performance of a five-axis", 《THE INTERNATIONAL JOURNAL OF ADVANCED MANUFACTURING TECHNOLOGY》 *
项四通: "五轴数控机床空间误差测量、建模与补偿技术研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库 工程科技Ι辑》 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113211185A (zh) * 2021-05-26 2021-08-06 上海理工大学 一种基于球杆仪的数控机床直线轴线性误差的检测方法
CN113211185B (zh) * 2021-05-26 2022-03-25 上海理工大学 一种基于球杆仪的数控机床直线轴线性误差的检测方法
CN114012507A (zh) * 2021-12-09 2022-02-08 天津工业大学 一种摇篮式五轴机床双旋转轴位置无关误差的辨识方法
CN114012507B (zh) * 2021-12-09 2023-06-02 天津工业大学 一种摇篮式五轴机床双旋转轴位置无关误差的辨识方法
CN117470105A (zh) * 2023-12-26 2024-01-30 天津大学 基于球杆仪与多光束激光干涉仪的垂直度误差辨识方法
CN117470105B (zh) * 2023-12-26 2024-03-01 天津大学 基于球杆仪与多光束激光干涉仪的垂直度误差辨识方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111872742A (zh) 一种基于球杆仪的五轴机床误差测量方法
JP5448634B2 (ja) 機械の誤差同定方法およびプログラム
CN102001021B (zh) 五轴联动数控机床回转摆动轴几何误差参数值的测量方法
Xiang et al. Using a double ball bar to identify position-independent geometric errors on the rotary axes of five-axis machine tools
CN102494657B (zh) 一种曲面轮廓测量及检测的测头半径补偿方法
CN111872748A (zh) 一种基于球杆仪的机床几何误差测量方法
CN111665784B (zh) 一种基于西门子系统的空间定位误差补偿方法
CN109759896A (zh) 一种摇篮式五轴机床旋转轴几何误差检测装置及辨识方法
CN108655827B (zh) 五轴数控机床空间误差辨识方法
CN109732401B (zh) 一种关于五轴数控机床双回转轴位置无关误差的检测方法
CN102944197B (zh) 一种双转台结构的五轴加工中心精度检测方法
CN111678472B (zh) 四轴坐标测量机回转台误差辨识方法
CN105159228B (zh) 五轴联动数控机床实现rtcp功能的五轴标定方法
JP2013503380A (ja) 工作機械の校正方法
CN112069612B (zh) 一种齿轮测量中心测量不确定度评定方法
CN110794766A (zh) 一种基于球杆仪测量数控机床垂直度误差的快速辨识方法
CN114012507B (zh) 一种摇篮式五轴机床双旋转轴位置无关误差的辨识方法
CN106767418A (zh) 一种大型回转体外形扫描测量装置及方法
CN113967855B (zh) 一种基于球杆仪测量三轴数控机床PDGEs的辨识方法
CN114812386A (zh) 一种五坐标激光测量仪装置及标定方法
CN109297482A (zh) 一种基于旋转编码器的位置测量系统和测量方法
CN115755770A (zh) 一种基于距离误差的双旋转轴位置无关几何误差辨识方法
CN113467371B (zh) 一种基于R-test的五轴机床RTCP参数标定方法
CN207501896U (zh) 旋转工作台几何精度误差量测装置
JP2004219132A (ja) 旋回軸の幾何学的な誤差の測定方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20201103

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication