机床加工测试件建立运动误差模型的方法
技术领域
本发明属于机床精度控制技术领域,尤其涉及一种机床加工测试件建立运动误差模型的方法。
背景技术
数控机床加工零部件时,机床的自身精度显得尤为重要。一般来说,数控机床的不精确性有很多因素,机床沿着各个轴的运动精度是机床加工精度的一个重要标准。
机床的几何误差同样会对机床的加工精度产生影响,因此单纯的考虑几何误差对加工精度的影响是不全面的。在实际的误差补偿中需要考虑加工时产生的运动误差,通过辨识运动误差建立误差模型从而提高机床的加工精度是一种有效的方法。
发明内容
针对背景技术存在的问题,本发明提出一种新的方法辨识三轴机床在加工时的运动误差。通过加工测试件的不同部位分析出机床的加工误差建立机床的运动学误差模型。运用这种方法机床最终状态的运动误差被辨识,在实际的加工中机床的最终性能被评估。
为解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:一种机床加工测试件建立运动误差模型的方法,包括如下步骤:
S1.选取标准量块,确定所述标准量块的几何尺寸;
S2.加工一个正方体工件,在所述正方体工件上建立参考坐标系;
S3.分别在所述正方体工件YOZ平面上加工沿Z方向凹槽,在XOY平面上加工沿Y方向凹槽,在XOZ平面上加工沿X方向凹槽,上述所加工的凹槽均与所述标准量块轮廓和几何尺寸相匹配;
S4.将所述标准量块分别放置在所述正方体工件不同平面上的凹槽中,测量出量块和凹槽的装配间隙;
S5.测量所述标准量块在所述正方体工件不同平面内凹槽中的偏摆角误差、俯仰角误差和滚转角误差;
S6.将所述标准量块在所述正方体工件不同平面内凹槽中的轮廓投影至对应平面后,测量旋转中心点在不同平面内的投影至量块一端的投影距离;
S7.根据所述步骤S5中测量的偏摆角误差、俯仰角误差和滚转角误差以及所述步骤S6中测量的对应平面内投影距离确定在不同平面内产生的运动误差。
进一步,所述步骤S5中,标准量块放置到正方体中沿X方向加工的凹槽中,在XOY平面上出现的角度误差定义为偏摆角误差εy(x);在XOZ平面上出现的角度误差定义为俯仰角误差εz(x);在YOZ平面上出现的角度误差定义为滚转角误差εx(x),
在XOY平面上出现的角度误差的表达式如下:
同理,在YOZ平面上出现的角度误差的表达式为:
在XOZ平面上出现的角度误差的表达式为:
将标准量块投影分别投影至XOY平面、YOZ平面和XOZ平面,取三个平面内投影轮廓两长边中点连线和对应平面内所加工凹槽两长边中点连线,其中Δyxx为YOZ平面内其中标准量块投影中点与凹槽中点沿Y方向距离差,Δzxx为YOZ平面内其中标准量块投影中点与凹槽中点沿Z方向距离差,Δxxy为XOY平面内其中标准量块投影中点与凹槽中点沿X方向距离差,Δyxy为XOY平面内其中标准量块投影中点与凹槽中点沿Y方向距离差,Δxxz为XOZ平面内其中标准量块投影中点与凹槽中点沿X方向距离差,Δzxz为XOZ平面内其中标准量块投影中点与凹槽中点沿Z方向距离差。
进一步,所述步骤S5中,将标准量块放置到正方体中沿Y方向加工的凹槽中时,在XOY平面上出现的角度误差定义为偏摆角误差εx(y);在YOZ平面上出现的角度误差定义为俯仰角误差εz(y);在XOZ平面上出现的角度误差定义为滚转角误差εy(y),在XOY平面上出现的角度误差的表达式如下:
同理,在YOZ平面上出现的角度误差的表达式为:
在XOZ平面上出现的角度误差的表达式为:
将标准量块投影分别投影至XOY平面、YOZ平面和XOZ平面,取三个平面内投影轮廓两长边中点连线和对应平面内所加工凹槽两长边中点连线,其中Δyyz为YOZ平面内其中标准量块投影中点与凹槽中点沿Y方向距离差,Δzyz为YOZ平面内其中标准量块投影中点与凹槽中点沿Z方向距离差,Δxyx为XOY平面内其中标准量块投影中点与凹槽中点沿X方向距离差,Δyyx为XOY平面内其中标准量块投影中点与凹槽中点沿Y方向距离差,Δxyy为XOZ平面内其中标准量块投影中点与凹槽中点沿X方向距离差,Δzyy为XOZ平面内其中标准量块投影中点与凹槽中点沿Z方向距离差。
进一步,所述步骤S5中,标准量块放置到正方体中沿Z方向加工的凹槽中时,在XOZ平面上出现的角度误差定义为偏摆角误差εx(z);在YOZ平面上出现的角度误差定义为俯仰角误差εy(z);在XOY平面上出现的角度误差定义为滚转角误差εz(z);
在XOY平面上出现的角度误差的表达式如下:
同理,在YOZ平面上出现的角度误差的表达式为:
在XOZ平面上出现的角度误差的表达式为:
将标准量块投影分别投影至XOY平面、YOZ平面和XOZ平面,取三个平面内投影轮廓两长边中点连线和对应平面内所加工凹槽两长边中点连线,其中Δyzy为YOZ平面内其中标准量块投影中点与凹槽中点沿Y方向距离差,Δzzy为YOZ平面内其中标准量块投影中点与凹槽中点沿Z方向距离差,Δxzz为XOY平面内其中标准量块投影中点与凹槽中点沿X方向距离差,Δyzz为XOY平面内其中标准量块投影中点与凹槽中点沿Y方向距离差,Δxzx为XOZ平面内其中标准量块投影中点与凹槽中点沿X方向距离差,Δzzx为XOZ平面内其中标准量块投影中点与凹槽中点沿Z方向距离差。
进一步,在所述步骤S6中,依据X轴方向为基准,取旋转中心为O1点,在YOZ平面上,沿X轴方向O1点到量块其中一端的距离为y0x,同理,在XOZ平面上,沿Y轴方向旋转中心O1到量块其中一端的距离为x0x,在XOY平面上,沿Z轴方向旋转中心O1到量块其中一端的距离为z0x,那么产生的运动误差可表示为:
其中ex(x)、ey(x),ez(x)为工作台沿着X轴移动进行加工时,在空间上分别产生绕X、Y、Z轴的运动误差。
进一步,在所述步骤S6中,依据Y轴方向为基准,取旋转中心为O2点,在YOZ平面上,沿X轴方向O2点到量块其中一端的距离为y0y,同理,在XOZ平面上,沿Y轴方向旋转中心O2到量块其中一端的距离为x0y,在XOY平面上,沿Z轴方向旋转中心O2到量块其中一端的距离为z0y,那么在Y轴方向上所产生的运动误差可表示为:
其中ex(y)为、ey(y)、ez(y)为工作台沿着Y轴移动进行加工时,在空间上分别产生绕X、Y、Z轴的运动误差。
进一步,在所述步骤S6中,依据Z轴方向为基准,取旋转中心为O3点,在YOZ平面上,沿X轴方向O3点到量块其中一端的距离为y0z,同理,在XOZ平面上,沿Y轴方向旋转中心O3到量块其中一端的距离为x0z,在XOY平面上,沿Z轴方向旋转中心O3到量块其中一端的距离为z0z,那么在Z轴方向上所产生的运动误差可表示为:
其中ex(z)、ey(z)、ez(z)为为工作台沿着Z轴移动进行加工时,在空间上分别产生绕X、Y、Z轴的运动误差。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
本发明提出了加工时产生运动误差的测量和建模方法,其先进之处在与考虑了机床加工时产生的移动误差和转角误差,传统的模型预测只是考虑在没有加工时机床的各项误差的测量和建模情况,而在此时的情况为加工后产生误差的情况,其建模精度得到进一步的提高。
附图说明
图1为本发明立方体上的凹槽加工;
图2为本发明标准量块与凹槽的配合间隙;
图3为本发明标准量块在实际位置上的偏离;
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
需要说明的是,下述实施方案中所述实验方法,如无特殊说明,均为常规方法,所述试剂和材料,如无特殊说明,均可从商业途径获得;在本发明的描述中,术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
此外,术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂,而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平,并不是表示该结构一定要完全水平,而是可以稍微倾斜。
在本申请的描述中,还需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明,本发明提出一种机床加工测试件建立运动误差模型的方法,通过加工在三维空间上按照各个轴的方向加工测试件,测量各个方向上凹槽和标准块之间的间隙,通过逻辑分析建立运动学误差模型。具体包括如下步骤:
S1.选取标准量块,确定所述标准量块的几何尺寸;
S2.加工一个正方体工件,在所述正方体工件上建立参考坐标系;
S3.分别在所述正方体工件YOZ平面上加工沿Z方向凹槽,在XOY平面上加工沿Y方向凹槽,在XOZ平面上加工沿X方向凹槽,上述所加工的凹槽均与所述标准量块轮廓和几何尺寸相匹配;
S4.将所述标准量块分别放置在所述正方体工件不同平面上的凹槽中,测量出量块和凹槽的装配间隙;
S5.测量所述标准量块在所述正方体工件不同平面内凹槽中的偏摆角误差、俯仰角误差和滚转角误差;
S6.将所述标准量块在所述正方体工件不同平面内凹槽中的轮廓投影至对应平面后,测量旋转中心点在不同平面内的投影至量块一端的投影距离;
S7.根据所述步骤S5中测量的偏摆角误差、俯仰角误差和滚转角误差以及所述步骤S6中测量的对应平面内投影距离确定在不同平面内产生的运动误差。
如附图1所示,通过评估所加工X方向凹槽的轮廓误差辨识沿着X轴方向的运动误差。同理,评估Y方向和Z方向的轮廓误差辨识沿着Y方向和Z方向的运动误差。所加工的凹槽应当和标准的量块相匹配。将量块放置在所加工的凹槽中,测量出量块和凹槽的装配间隙。如果垂直放置的量块在YOZ平面上出现倾斜,如图2所示,则该装配的角度误差可计算出来。同理将量块放置XOY平面上的凹槽内,则量块在水平方向上出现倾斜,该倾斜的角度同样可计算出来;将量块放置在XOZ平面上的凹槽内,计算出倾斜角度。
1、依据X轴方向为基准,在XOY平面上出现的角度误差定义为偏摆角误差εy(x);在XOZ平面上出现的角度误差定义为俯仰角误差εz(x);在YOZ平面上出现的角度误差定义为滚转角误差εx(x)。
根据图2所示,在YOZ平面上出现的角度误差的表达式如下:
同理,在XOZ平面上出现的角度误差的表达式为:
在XOY平面上出现的角度误差的表达式为:
将标准量块投影分别投影至XOY平面、YOZ平面和XOZ平面,取三个平面内投影轮廓两长边中点连线和对应平面内所加工凹槽两长边中点连线,其中Δyxx为YOZ平面内其中标准量块投影中点与凹槽中点沿Y方向距离差,Δzxx为YOZ平面内其中标准量块投影中点与凹槽中点沿Z方向距离差,Δxxy为XOY平面内其中标准量块投影中点与凹槽中点沿X方向距离差,Δyxy为XOY平面内其中标准量块投影中点与凹槽中点沿Y方向距离差,Δxxz为XOZ平面内其中标准量块投影中点与凹槽中点沿X方向距离差,Δzxz为XOZ平面内其中标准量块投影中点与凹槽中点沿Z方向距离差。
依据X轴方向为基准,取旋转中心为O1点,在YOZ平面上,沿X轴方向O1点到量块其中一端的距离为y0x,如图3所示;同理,在XOZ平面上,沿Y轴方向旋转中心O1到量块其中一端的距离为x0x,在XOY平面上,沿Z轴方向旋转中心O1到量块其中一端的距离为z0x,那么产生的运动误差可表示为:
其中ex(x)、ey(x),ez(x)为工作台沿着X轴移动进行加工时,在空间上分别产生绕X、Y、Z轴的运动误差。
2、据Y轴方向为基准,在XOY平面上出现的角度误差定义为偏摆角误差εx(y);在YOZ平面上出现的角度误差定义为俯仰角误差εz(y);在XOZ平面上出现的角度误差定义为滚转角误差εy(y),
在XOY平面上出现的角度误差的表达式如下:
同理,在YOZ平面上出现的角度误差的表达式为:
在XOZ平面上出现的角度误差的表达式为:
将标准量块投影分别投影至XOY平面、YOZ平面和XOZ平面,取三个平面内投影轮廓两长边中点连线和对应平面内所加工凹槽两长边中点连线,其中Δyyz为YOZ平面内其中标准量块投影中点与凹槽中点沿Y方向距离差,Δzyz为YOZ平面内其中标准量块投影中点与凹槽中点沿Z方向距离差,Δxyx为XOY平面内其中标准量块投影中点与凹槽中点沿X方向距离差,Δyyx为XOY平面内其中标准量块投影中点与凹槽中点沿Y方向距离差,Δxyy为XOZ平面内其中标准量块投影中点与凹槽中点沿X方向距离差,Δzyy为XOZ平面内其中标准量块投影中点与凹槽中点沿Z方向距离差。
那么在Y轴方向上所产生的运动误差可表示为:
其中ex(y)为、ey(y)、ez(y)为工作台沿着Y轴移动进行加工时,在空间上分别产生绕X、Y、Z轴的运动误差。
3、依据Z轴方向为基准,在XOZ平面上出现的角度误差定义为偏摆角误差εx(z);在YOZ平面上出现的角度误差定义为俯仰角误差εy(z);在XOY平面上出现的角度误差定义为滚转角误差εz(z);
在XOY平面上出现的角度误差的表达式如下:
同理,在YOZ平面上出现的角度误差的表达式为:
在XOZ平面上出现的角度误差的表达式为:
将标准量块投影分别投影至XOY平面、YOZ平面和XOZ平面,取三个平面内投影轮廓两长边中点连线和对应平面内所加工凹槽两长边中点连线,其中Δyzy为YOZ平面内其中标准量块投影中点与凹槽中点沿Y方向距离差,Δzzy为YOZ平面内其中标准量块投影中点与凹槽中点沿Z方向距离差,Δxzz为XOY平面内其中标准量块投影中点与凹槽中点沿X方向距离差,Δyzz为XOY平面内其中标准量块投影中点与凹槽中点沿Y方向距离差,Δxzx为XOZ平面内其中标准量块投影中点与凹槽中点沿X方向距离差,Δzzx为XOZ平面内其中标准量块投影中点与凹槽中点沿Z方向距离差。
依据Z轴方向为基准,取旋转中心为O3点,在YOZ平面上,沿X轴方向O3点到量块其中一端的距离为y0z,同理,在XOZ平面上,沿Y轴方向旋转中心O3到量块其中一端的距离为x0z,在XOY平面上,沿Z轴方向旋转中心O3到量块其中一端的距离为z0z,那么在Z轴方向上所产生的运动误差可表示为:
其中ex(z)、ey(z)、ez(z)为为工作台沿着Z轴移动进行加工时,在空间上分别产生绕X、Y、Z轴的运动误差。
在上述实施例中,标准量块的旋转中心点到标准块一端的距离与该标准块的角度误差之间的乘积为加工凹槽时产生的位置偏离,各个轴产生的位置偏离进行矢量叠加,其正负号符合右手螺旋定则。
上述实施例只是用于对本发明的举例和说明,而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是,本发明不局限于上述实施例,根据本发明教导还可以做出更多种的变型和修改,这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围内。