CN113341878B

CN113341878B - 五轴数控机床的热误差测量方法

Info

Publication number: CN113341878B
Application number: CN202110699783.7A
Authority: CN
Inventors: 苗恩铭; 吕世鑫; 冉靖; 骆辉; 张勇斌; 石照耀
Original assignee: Chongqing University of Technology
Current assignee: Chongqing University of Technology
Priority date: 2021-06-23
Filing date: 2021-06-23
Publication date: 2023-04-18
Anticipated expiration: 2041-06-23
Also published as: CN113341878A

Abstract

本发明涉及机床精度测量技术领域，公开了一种五轴数控机床的热误差测量方法，在五轴数控机床位于运动前的初始位置时，通过在线测头测量阶梯圆柱形标准件上全部测点的坐标，作为第1批次测量数据；重复测量五轴数控机床在五个方向运动后回到所述初始位置时，阶梯圆柱形标准件上全部测点的坐标，作为第2～M批次测量数据；根据各批次数据中的圆柱面上的测点坐标，分别拟合各批次中圆柱截面圆心坐标；各批次测量数据中的阶梯圆柱形标准件的上端面圆心坐标与各批次拟合数据组成各批次采样数据；第2～M批次采样数据分别以第1批次采样数据为参考计算相应批次的热误差位移量。本发明解决了五轴数控机床测点变动引起的热误差量难以检测的技术问题。

Description

五轴数控机床的热误差测量方法

技术领域

本发明属于机床精度测量技术领域，具体涉及一种五轴数控机床的热误差测量方法。

背景技术

热误差是数控机床主要的误差源之一，可占机床总误差的40％～70％。特别是五轴数控机床，相比与三轴数控机床，五轴数控机床增加了A、C两个旋转自由度，热误差特性更趋复杂，而相关的五轴数控机床热误差的测量系统及其方法，目前国际上均较为缺乏。

对于数控机床全工作区域热误差测量，专利CN105785915A提出了一种“数控机床全工作区域热误差测量系统及其测量方法”。该方法是针对三轴数控加工中心，通过一定的机床运动方案，由安装在机床主轴上的在线测头，去触碰长方体矩形标准件上的固定测点，获取各测点的空间坐标(X、Y、Z)，来分析机床全工作区域的热误差变形量。

但此方法仅适用于三轴数控加工中心，不适用于测量五轴数控机床全工作区域热变形，关键问题在于此方法的测量系统无法应对A、C两个旋转造成的矩形标准件固定测点的空间位置变动。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种五轴数控机床的热误差测量系统，解决五轴数控机床测点变动引起的热误差量难以检测的技术问题。

为解决上述问题，本发明的技术方案如下：一种五轴数控机床的热误差测量方法，包括以下步骤：

将在线测头安装在五轴数控机床的机床主轴上；

将阶梯圆柱形标准件固定安装在五轴数控机床的工作台的工作区域内；所述阶梯圆柱形标准件提供至少七个测点，包括阶梯圆柱形标准件的上端面圆心、阶梯圆柱形标准件的上圆柱面上同一高度的至少任意三点、阶梯圆柱形标准件的下圆柱面上同一高度的至少任意三点；

使用在线测头在阶梯圆柱形标准件上端面圆心处建立工件坐标系；

在五轴数控机床位于运动前的初始位置时，通过在线测头测量阶梯圆柱形标准件上全部测点的坐标，作为第1批次测量数据；

重复测量五轴数控机床在X、Y、Z、A、C五个方向运动后回到所述初始位置时，阶梯圆柱形标准件上全部测点的坐标，作为第2～M批次测量数据；其中，A方向表示绕X轴旋转，C方向表示绕Z轴旋转；

根据各批次数据中的上圆柱面上同一高度的至少任意三点的测点坐标，分别拟合各批次中上圆柱截面圆心坐标；根据各批次数据中的下圆柱面上同一高度的至少任意三点的测点坐标，分别拟合各批次中下圆柱截面圆心坐标；各批次的上圆柱截面圆心坐标与下圆柱截面圆心坐标组成各批次拟合数据；

各批次测量数据中的阶梯圆柱形标准件的上端面圆心坐标与各批次拟合数据组成各批次采样数据；

第2～M批次采样数据分别以第1批次采样数据为参考计算相应批次的热误差位移量。

进一步的，计算X向热误差位移量：第2～M批次的上圆柱截面圆心坐标的X坐标分别与第1批次的上圆柱截面圆心坐标的X坐标之差的绝对值作为相应批次的上层区域的X向热误差位移量；第2～M批次的下圆柱截面圆心坐标的X坐标分别与第1批次的下圆柱截面圆心坐标X坐标之差的绝对值作为相应批次的上层区域的X向热误差位移量；k∈{2,3,...M}

计算Y向热误差位移量：第2～M批次的上圆柱截面圆心坐标的Y坐标分别与第1批次的上圆柱截面圆心坐标的Y坐标之差的绝对值作为相应批次的上层区域的Y向热误差位移量ΔY1^k；第2～M批次的下圆柱截面圆心坐标的Y坐标分别与第1批次的下圆柱截面圆心坐标Y坐标之差的绝对值作为相应批次的下层区域的Y向热误差位移量ΔY2^k；k∈{2,3,...M}；

计算Z向热误差位移量：第2～M批次的阶梯圆柱形标准件的上端面圆心坐标的Z坐标与第1批次的阶梯圆柱形标准件的上端面圆心坐标的Z坐标之差的绝对值作为相应批次的Z向热误差位移量。

进一步的，按如下方式计算第2～M批次的绕X轴倾斜角热误差ΔθX^k：

式中，Z1^k表示第k批次拟合数据中的上圆柱截面圆心坐标中的Z向坐标；Z2^k表示第k批次拟合数据中的下圆柱截面圆心坐标中的Z向坐标。

进一步的，按如下方式计算第2～M批次的绕Y轴倾斜角热误差ΔθY^k：

进一步的，将若干阶梯圆柱形标准件分布在五轴数控机床的工作台的全工作区域内，对每个阶梯圆柱形标准件均进行M测量获得采样数据来计算相应的热误差量，以反映全工作区域的热误差量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用了特殊形状的标准件，即阶梯圆柱形标准件，那么即使初始位置为工作台旋转一定角度的位置，由于圆柱曲面的对称性，那么在同一高度的任意测点采样均是等效的，即可以在能够测量到的同一高度的任意位置进行采样，从而克服了现有技术中矩形标准件固定测点空间位置变动无法进行顺利采样的难题。

2、现有技术采用实际测量点数据直接计算，这限制了标准件的空间位置，即标准件必须在特定空间位置，从而无法适应五轴数控的空间位置变动。然而，本发明采用拟合圆心坐标的方式克服了采用固定测点测量数据无法适应五轴数控的空间位置变动的缺陷。

3、针对X向热误差位移量与Y向热误差位移量，本发明拓展了热误差表达区域，即对工作区域的上、下层区域分别进行热误差位移量表达。另外，若干阶梯圆柱形标准件分布在五轴数控机床的工作台的全工作区域内，从而能够反映全工作区域的热误差量。

4、本发明根据上、下层区域分别进行热误差位移量就能计算倾斜角热误差，提高数据利用率，并大大简化了计算量。

附图说明

图1为阶梯圆柱形标准件的结构示意图；

图2为本具体实施方式中的测量系统的安装示意图；

图3为图2的局部放大图；

图4为本具体实施方式中标准件测量轨迹示意图；

图5为本具体实施方式的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施方式对本发明作进一步的详细说明。

一)测量系统

本具体实施方式以针对于全工作区域热误差测量为例进行说明，实际使用时可根据所需要测量的工作区域来相应安装阶梯圆柱形标准件。

参考图1所示，阶梯圆柱形标准件提供至少七个测点，包括阶梯圆柱形标准件的上端面圆心、阶梯圆柱形标准件的上圆柱面上同一高度的至少任意三点、阶梯圆柱形标准件的下圆柱面上同一高度的至少任意三点；

如图2所示，一种五轴数控机床全工作区域热误差测量系统，包括安装在五轴数控机床1上的阶梯圆柱形阶梯圆柱形标准件2与在线测头9，阶梯圆柱形阶梯圆柱形标准件2通过定位板3与压紧装置(螺母5、T型螺栓6、压板7、三角齿形压板定位夹8)安装在工作台4上。

在线测头9安装于机床主轴上，能通过操作机床1数控系统的换刀模块，实现同刀具之间的切换；阶梯型圆柱形阶梯圆柱形标准件2包括两个不同直径和高度的同心圆柱，上层圆柱半径小于下层圆柱半径，下层圆柱下端面圆心打有螺纹孔，通过螺钉10同定位板3进行连接，阶梯型圆柱形阶梯圆柱形标准件2中心轴线与机床主轴Z轴轴线平行；十字架定位板3上加工有均匀分布螺纹孔，同阶梯圆柱形标准件2进行连接，且定位板3下端面螺纹孔为沉头孔，使其安装螺钉10后能平稳放置在机床工作台上；压紧装置包括螺母5、T型螺栓6、压板7与三角齿形压板定位夹8，压紧装置用于将十字架定位板3夹紧在工作台4表面。

二)测量方法

参考图5所示，一种五轴数控机床全工作区域热误差测量方法，包括以下步骤：

1)使用在线测头9，在任意一个阶梯圆柱形标准件2上端面圆心处建立工件坐标系。

2)如图3所示，使用在线测头9依次触碰阶梯圆柱形标准件2上的测点，获取其测点坐标X,Y,Z。一个阶梯圆柱形标准件2共有七个测点，第一个测点位于阶梯圆柱形标准件2上端面圆心，第二至第四个测点位于阶梯圆柱形标准件2上圆柱体同一高度上的任意三点，第五至第七个测点位于阶梯圆柱形标准件2下圆柱体同一高度上的任意三点。

在五轴数控机床位于运动前的初始位置时，通过在线测头测量阶梯圆柱形标准件上全部测点的坐标，作为第1批次测量数据。例如：将第一个阶梯型圆柱形阶梯圆柱形标准件2的第一个测点的第一批次坐标记为

五轴数控机床运动后各测点记录其X,Y,Z的坐标为

其中k为测量数据批次，k＝2……M，其中i为阶梯型圆柱形阶梯圆柱形标准件2编号，i＝1,2……N，其中j为阶梯圆柱形标准件2的第j个测点，j＝1，2……7。

3)将在线测头9通过数控机床1换刀模块，将在线测头9换为加工刀具。使数控机床1按照所设定的参数使其在X、Y、Z、A、C五个方向运动一定的时间。

4)数控机床1停止运动，通过换刀模块将在线测头9从刀库中换出，去触碰阶梯型圆柱形阶梯圆柱形标准件2上的各个测点并记录各测点坐标值。

5)参考图4所示的采样路径重复步骤3)、步骤4)获取M批次数据。

三)数据处理方法

一种五轴数控机床全工作区域热误差测量数据处理方法，包括以下步骤：

1)将阶梯型圆柱形阶梯圆柱形标准件2中第一个测点用于计算Z向热误差位移量；第二至第四测点(即阶梯圆柱形标准件2上圆柱体上的三个测点)通过最小二乘法拟合得到其截面圆心坐标，记为

例如第一个阶梯型圆柱形阶梯圆柱形标准件2的第二至第四测点的第一批次坐标拟合圆心记为

第五至第七测点(即阶梯圆柱形标准件2下圆柱体上的三个测点)通过最小二乘法拟合得到其截面圆心坐标，记为

例如第一个阶梯型圆柱形阶梯圆柱形标准件2的第五至第七测点的第一批次坐标拟合圆心记为

其中k为测量数据批次，k＝2……M，其中i为阶梯型圆柱形阶梯圆柱形标准件2编号，i＝1,2……N。

2)计算五轴数控1机床工作区域各测点X、Y、Z向热误差和绕X、Y轴热倾斜误差。计算方法，如下：

3)X向热误差

其中X1表示阶梯圆柱形标准件2上圆柱体，X2表示阶梯圆柱形标准件2下圆柱体，k为测量数据批次，k＝2……M，其中i为阶梯型圆柱形阶梯圆柱形标准件2编号，i＝1,2……N。

使用公式：

计算X向热误差位移量。

同理，使用公式：

计算Y向热误差位移量。

使用公式：

计算Z向热误差位移量。其中

表示第i个阶梯圆柱形标准件2的第1个测点的第k批次Z向坐标值。

绕X轴倾斜角误差

采用公式：

进行计算。

表示为第i个阶梯圆柱形标准件2的第k批次数据的绕X轴倾斜角误差。

绕Y轴倾斜角误差

采用公式：

进行计算。

表示为第i个阶梯圆柱形标准件2的第k批次数据的绕Y轴倾斜角误差。

每一批次均计算热误差，最后一批次为最终热误差。不同批次热误差显示了机床不同时间的热误差，多批次就能显示出机床热误差随时间变化的情况，更能直观的来辨别变化量的规律性。

综上所述，本发明通过使用在线测头9和自制阶梯型圆柱形阶梯圆柱形标准件2、定位板3完成了五轴数控机床全工作区域的热误差测量。本发明成本低廉，且相比较长方体矩形标准件测试方法只能针对三轴数控加工中心的问题，实现了五轴数控机床全工作区域的热误差测量功能。

Claims

1.一种五轴数控机床的热误差测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

将在线测头安装在五轴数控机床的机床主轴上；

第2～M批次采样数据分别以第1批次采样数据为参考计算相应批次的热误差位移量；

其中，计算X向热误差位移量：第2～M批次的上圆柱截面圆心坐标的X坐标分别与第1批次的上圆柱截面圆心坐标的X坐标之差的绝对值作为相应批次的上层区域的X向热误差位移量ΔX1^k；第2～M批次的下圆柱截面圆心坐标的X坐标分别与第1批次的下圆柱截面圆心坐标X坐标之差的绝对值作为相应批次的上层区域的X向热误差位移量ΔX2^k；k∈{2,3,...M}

计算Z向热误差位移量：第2～M批次的阶梯圆柱形标准件的上端面圆心坐标的Z坐标与第1批次的阶梯圆柱形标准件的上端面圆心坐标的Z坐标之差的绝对值作为相应批次的Z向热误差位移量；

按如下方式计算第2～M批次的绕X轴倾斜角热误差ΔθX^k：

式中，Z1^k表示第k批次拟合数据中的上圆柱截面圆心坐标中的Z向坐标；Z2^k表示第k批次拟合数据中的下圆柱截面圆心坐标中的Z向坐标；

按如下方式计算第2～M批次的绕Y轴倾斜角热误差ΔθY^k：

将若干阶梯圆柱形标准件分布在五轴数控机床的工作台的全工作区域内，阶梯圆柱形标准件呈十字形分布以覆盖全工作区域，对每个阶梯圆柱形标准件均进行M测量获得采样数据来计算相应的热误差位移量，以反映全工作区域的热误差位移量。

2.根据权利要求1所述的五轴数控机床的热误差测量方法，其特征在于，五轴数控机床每次运动前，通过换刀模块将在线测头更换为加工刀具，每次运动结束后通过换刀模块将加工刀具更换为在线测头对阶梯圆柱形标准件进行测量。