CN113467371A - 一种基于R-test的五轴机床RTCP参数标定方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于R‑test的五轴机床RTCP参数标定方法，先对影响RTCP参数的误差项进行定义，以机床坐标系为参考，将A轴和C轴看作相互独立的单元，定义第四轴A轴控制点相对于床身在Y轴方向和Z轴方向的两项位移误差，定义第五轴C轴控制点相对于A轴在X轴方向和Y轴方向的两项位移误差；然后基于R‑test测量仪，对A轴控制点相对于床身在Y轴方向和Z轴方向上的误差分量进行测量与计算；再基于R‑test测量仪，对C轴控制点相对于A轴在X轴方向和Y轴方向上的误差分量进行测量与计算；最后进行RTCP参数计算，得出A、C轴控制点坐标，根据RTCP定义，进而得到RTCP参数误差；本发明具有通用性好、高效、准确、简便的优点。

Description

一种基于R-test的五轴机床RTCP参数标定方法
技术领域
本发明属于五轴数控机床技术领域，具体涉及一种基于R-test的五轴机床RTCP参数标定方法。
技术背景
五轴数控机床用于航空结构件、发动机叶轮和舰艇螺旋推进器等复杂曲面零件的加工，是支撑航空航天、船舶、汽车及能源工程等领域的关键装备。降低五轴机床误差，保证零件的加工误差，一直是五轴数控机床加工领域的诉求。
五轴机床RTCP功能为自动补偿由于旋转轴转动导致的直线轴坐标变化，RTCP参数为五轴机床第四轴控制点到第五轴控制点的矢量，RTCP参数直接作用于插补指令生成过程，影响直线轴插补指令计算精度，造成零件轮廓误差。由于机床零部件加工误差以及装配误差，RTCP参数的实际值与设计值不符，且难以在装配过程中消除该误差，只能通过对RTCP参数进行标定，来提高五轴机床加工精度。
目前大部分机床厂商通过使用检棒、百分表和方规等方法进行RTCP参数标定。中国专利(CN112008491A，一种基于测头的CA型五轴数控机床RTCP精度标定方法)中，通过在工作台上安装标定校准块，主轴上安装测头，来标定A轴在不同对称角度时数控系统的Z坐标，计算出A轴与主轴在Y方向以及A轴转动中心与主轴转动平面的误差；在保持A轴为0°的情况下，测量同一点位不同C轴角度(0°、+180°、±90°)下的坐标，计算出C轴与A轴在X方向与Y方向的误差值。该方法主要存在以下不足：1)每次球头碰靠方块的松紧程度难以预测，会对测量结果造成影响；2)利用数控系统坐标值进行计算，计算精度受数控系统直线轴空间精度的影响；3)测量数据量小，测量结果难以代表整个行程的平均水平且该方法效率较低，过程繁琐；4)测量方法与测量流程不具备通用性。
另外有中国专利(CN112526926A，一种五轴数控机床旋转轴结构参数误差补偿方法)，在RTCP功能开启的情况下，按照预设将五轴数控机床各旋转轴的转动行程均分为多个节点，采集每个节点下刀具中心点相对初始位置在X轴、Y轴、Z轴三个方向的偏移量；在刀具中心点偏移误差作用下，建立基于刀尖点位置偏差的旋转轴结构参数误差辨识数学模型，得出辨识方程，计算出机床旋转轴结构参数误差。此方法存在如下问题：1)只对A轴采用AK1运动轨迹进行了结构参数计算与补偿，而RTCP参数有三个方向的分量，测量结果不完备，无法对完整的RTCP参数进行补偿；2)采集的刀尖点误差序列是综合误差项，不仅仅包含了机床旋转轴结构误差，测量结果的准确性有待进一步提高。
综上，现有技术存在操作繁琐、自动化程度低、效率低下、不具备通用性、需进一步提高准确性等缺点，目前亟需一种具有通用性好、高效、准确、简便的五轴机床RTCP参数标定方法。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于R-test的五轴机床RTCP参数标定方法，具有通用性好、高效、准确、简便的优点。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于R-test的五轴机床RTCP参数标定方法，包括以下步骤：
1)对影响RTCP参数的误差项进行定义，以机床坐标系为参考，将A轴和C轴看作相互独立的单元，定义第四轴A轴控制点相对于床身在Y轴方向和Z轴方向的两项位移误差为δyA和δzA，定义第五轴C轴控制点相对于A轴在X轴方向和Y轴方向的两项位移误差为δxC和δyC；
2)基于R-test测量仪，对A轴控制点相对于床身在Y轴方向和Z轴方向上的误差分量进行测量与计算，采用AYZ三轴联动的方法，在A轴行程范围内，以一定角度为间隔进行测量，记录所得N组数据，计算出工件坐标系下球心坐标，采用最小二乘法对N个采样点进行圆拟合，将拟合得到的球心坐标沿法向量投影到YOZ平面，得到两项误差；
3)基于R-test测量仪，对C轴控制点相对于A轴在X轴方向和Y轴方向上的误差分量进行测量与计算，采用CXY三轴联动的方法，在C轴行程范围内，以一定角度为间隔进行测量，记录所得M组数据，计算出工件坐标系下球心坐标，采用最小二乘法对M个采样点进行圆拟合，将拟合得到的球心坐标沿法向量投影到XOY平面，得到两项误差；
4)RTCP参数计算，基于A轴控制点相对于床身在Y轴方向和Z轴方向上的误差分量与C轴控制点相对于A轴在X轴方向和Y轴方向上的误差分量，共四项误差分量，进而得出A、C轴控制点坐标分别为(0,δyA,δzA)、(δxC,δyC,0)，根据RTCP定义，进而得到RTCP参数误差。
所述的步骤2)中得到A轴控制点相对于床身在Y轴方向和Z轴方向上的误差分量的具体过程为；
求N个测量点拟合圆圆心，需先建立工件坐标系下位置点的球面方程(1)，
(x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2＝R2 (1)
式中，x0,y0,z0为拟合圆圆心坐标，R为拟合圆半径；
代入N个测量点坐标，其满足式(2)，
Figure BDA0003179202280000041
式中，xi,yi,zi为第i个测试点坐标；
计算N个测量点的拟合平面的法向量，建立平面方程如式(3)，
A·x+B·y+C·z+D＝0 (3)
式中，A,B,C分别为拟合平面的法向量在X,Y,Z方向的分量，D为常数；
代入N个测量点，计算得到拟合平面法向量，如式(4)，
Figure BDA0003179202280000042
通过矩阵运算，求解得到空间球心坐标(x0,y0,z0)，计算A轴控制点在Y轴方向和Z轴方向上的位移误差，需要将球心坐标沿拟合平面的法向量投影到YOZ平面上，得到投影圆心坐标(xP,yP,zP)，如式(5)，
Figure BDA0003179202280000043
式中，(xP,yP,zP)为投影圆心坐标；
对R-test测得的AYZ三轴联动位置点坐标进行圆拟合，求解其拟合圆圆心坐标，并在YOZ平面上计算圆心坐标的投影；投影坐标在Y轴和Z轴方向的分量，即为A轴相对于床身在Y轴和Z轴方向的位置偏差δyA和δzA，如式(6)，
Figure BDA0003179202280000051
所述的步骤3中得到C轴控制点相对于A轴在X轴方向和Y轴方向上的误差分量具体过程为：当C轴转动到每个预设的角度时，需停止转动几秒，采集每个C轴停止点的R-test位移数据，通过转换矩阵，得到工件坐标系下检测球球心的坐标值；
R-test测出的位置点构成一个圆形；对所测M个位置点进行圆拟合，求出圆心坐标，圆心坐标在XOY平面上的投影，即CXY三轴联动中C轴控制点的实际位置，该圆心坐标在X轴方向的分量δxC和Y轴方向的分量δyC，即为C轴回转中心的位置偏差，参考公式(1)-(6)中的位移误差计算方法，计算C轴控制点在X轴方向的位移偏差δxC和在Y轴方向的位移偏差δyC如式(7)，
Figure BDA0003179202280000052
所述的步骤4中RTCP参数计算具体为：RTCP参数误差δRTCP的计算过程如式(8)所示，
Figure BDA0003179202280000053
本发明具有以下有益效果：
本发明基于R-test测量仪，实现对五轴机床RTCP参数的标定，为RTCP补偿提供依据；本发明可以实现自动采集数据，不需要人工操作读数，避免了人为误差的引入；本发明直接求解第四轴与第五轴控制点坐标，进而计算RTCP参数值，方法的几何特征明显，直观，易于检测人员学习并使用；另外，本发明适用于所有机床，操作流程与操作方法具有通用性，可以准确、快速、简便地对RTCP参数进行测量。
附图说明
图1为本实施例机床(AC转台)旋转轴RTCP示意图。
图2为本发明A轴控制点在Y轴方向和Z轴方向的误差分量示意图。
图3为本发明C轴控制点在X轴方向和Y轴方向的误差分量示意图。
图4为本发明AYZ三轴联动示意图。
图5为本发明R-test测量A轴控制点位置偏差示意图。
图6为本发明CXY三轴联动示意图。
图7为本发明R-test测量C轴控制点位置偏差示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。
一种基于R-test的五轴机床RTCP参数标定方法，包括以下步骤：
1)对影响RTCP参数的误差项进行定义，参照图1，图1为本实施例机床第四轴控制点到第五轴控制点的向量，即RTCP参数示意图；第四轴为A轴，第四轴控制点为A轴回转轴线的中心点；第五轴为C轴，第五轴控制点为C轴回转轴线与工作台平面的交点；以机床坐标系为参考，将A轴和C轴看作相互独立的单元；参照图2，将第四轴A轴控制点相对于床身在Y轴方向和Z轴方向的两项位移误差定义为δyA和δzA；参照图3，将C轴控制点相对于A轴在X轴方向和Y轴方向的两项位移误差定义为δxC和δyC；
2)基于R-test测量仪，对A轴控制点相对于床身在Y轴方向和Z轴方向上的误差分量进行测量与计算，参照图4，采用AYZ三轴联动的方法，保持C轴坐标为0°，编写G代码控制A轴转动，数控系统自动插补出Y轴和Z轴的坐标，在A轴行程范围内，以一定角度为间隔进行测量，采集N组R-test位移数据；将R-test位移数据通过转换矩阵进行变换，得到工件坐标系下的球心坐标；
由于A轴回转轴线的位移偏差，R-test测出的位置点构成一个圆形，对N个位置点进行圆拟合，求出圆心坐标，圆心坐标在YOZ平面上的投影，即为AYZ三轴联动中，A轴控制点的实际位置，该圆心坐标在Y轴方向的分量δyA和Z轴方向的分量δzA，即为A轴回转中心的位置偏差，如图5所示；
求N个测量点拟合圆圆心，需先建立工件坐标系下位置点的球面方程(1)，
(x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2＝R2 (1)
式中，x0,y0,z0为拟合圆圆心坐标，R为拟合圆半径；
代入N个测量点坐标，其满足式(2)，
Figure BDA0003179202280000071
式中，xi,yi,zi为第i个测试点坐标；
计算N个测量点的拟合平面的法向量，建立平面方程如式(3)，
A·x+B·y+C·z+D＝0 (3)
式中，A,B,C分别为拟合平面的法向量在X,Y,Z方向的分量，D为常数；
代入N个测量点，计算得到拟合平面法向量，如式(4)，
Figure BDA0003179202280000081
通过矩阵运算，求解得到空间球心坐标(x0,y0,z0)，计算A轴控制点在Y轴方向和Z轴方向上的位移误差，需要将球心坐标沿拟合平面的法向量投影到YOZ平面上，得到投影圆心坐标(xP,yP,zP)，如式(5)，
Figure BDA0003179202280000082
式中，(xP,yP,zP)为投影圆心坐标；
通过上述方法，对R-test测得的AYZ三轴联动位置点坐标进行圆拟合，求解其拟合圆圆心坐标，并在YOZ平面上计算圆心坐标的投影；投影坐标在Y轴和Z轴方向的分量，即为A轴相对于床身在Y轴和Z轴方向的位置偏差δyA和δzA，如式(6)，
Figure BDA0003179202280000083
3)基于R-test测量仪，对C轴控制点相对于A轴在X轴和Y轴方向上的误差分量进行测量与计算，采用CXY三轴联动的方法，标定旋转轴C轴控制点相对于A轴在X轴方向和Y轴方向上的位置误差；在数控系统中开启机床RTCP功能，编写G代码控制C轴转动，此时数控系统自动插补出X轴和Y轴的位置，其运动过程如图6所示；在C轴行程范围内，以一定角度为间隔进行测量，当C轴转动到每个预设的角度时，需停止转动几秒，采集每个C轴停止点的R-test位移数据，通过转换矩阵，得到工件坐标系下检测球球心的坐标值；
由于C轴回转轴线的位移偏差，R-test测出的位置点构成一个圆形；对所测M个位置点进行圆拟合，求出圆心坐标，圆心坐标在XOY平面上的投影，即CXY三轴联动中C轴控制点的实际位置，该圆心坐标在X轴方向的分量δxC和Y轴方向的分量δyC，即为C轴回转中心的位置偏差，如图7所示；参考公式(1)-(6)中的位移误差计算方法，计算C轴控制点在X轴方向的位移偏差δxC和在Y轴方向的位移偏差δyC如式(7)，
Figure BDA0003179202280000091
4)RTCP参数计算，通过使用R-test对A轴相对于床身在Y轴方向和Z轴方向的位置偏差，以及C轴相对于A轴在X轴方向和Y轴方向的位置偏差进行了测量，得到了四项误差分量，进而得出A轴、C轴控制点坐标分别为(0,δyA,δzA)、(δxC,δyC,0)，根据RTCP定义，进而得到RTCP参数误差，RTCP参数误差δRTCP的计算过程如式(8)所示，
Figure BDA0003179202280000092

Claims (4)

1.一种基于R-test的五轴机床RTCP参数标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)对影响RTCP参数的误差项进行定义，以机床坐标系为参考，将A轴和C轴看作相互独立的单元，定义第四轴A轴控制点相对于床身在Y轴方向和Z轴方向的两项位移误差为δyA和δzA，定义第五轴C轴控制点相对于A轴在X轴方向和Y轴方向的两项位移误差为δxC和δyC；
2)基于R-test测量仪，对A轴控制点相对于床身在Y轴方向和Z轴方向上的误差分量进行测量与计算，采用AYZ三轴联动的方法，在A轴行程范围内，以一定角度为间隔进行测量，记录所得N组数据，计算出工件坐标系下球心坐标，采用最小二乘法对N个采样点进行圆拟合，将拟合得到的球心坐标沿法向量投影到YOZ平面，得到两项误差；
3)基于R-test测量仪，对C轴控制点相对于A轴在X轴方向和Y轴方向上的误差分量进行测量与计算，采用CXY三轴联动的方法，在C轴行程范围内，以一定角度为间隔进行测量，记录所得M组数据，计算出工件坐标系下球心坐标，采用最小二乘法对M个采样点进行圆拟合，将拟合得到的球心坐标沿法向量投影到XOY平面，得到两项误差；
4)RTCP参数计算，基于A轴控制点相对于床身在Y轴方向和Z轴方向上的误差分量与C轴控制点相对于A轴在X轴方向和Y轴方向上的误差分量，共四项误差分量，进而得出A、C轴控制点坐标分别为(0,δyA,δzA)、(δxC,δyC,0)，根据RTCP定义，进而得到RTCP参数误差。
2.根据权利要求1所述的一种基于R-test的五轴机床RTCP参数标定方法，其特征在于，所述的步骤2)中得到A轴控制点相对于床身在Y轴方向和Z轴方向上的误差分量的具体过程为；
求N个测量点拟合圆圆心，需先建立工件坐标系下位置点的球面方程(1)，
(x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2＝R2 (1)
式中，x0,y0,z0为拟合圆圆心坐标，R为拟合圆半径；
代入N个测量点坐标，其满足式(2)，
Figure FDA0003179202270000021
式中，xi,yi,zi为第i个测试点坐标；
计算N个测量点的拟合平面的法向量，建立平面方程如式(3)，
A·x+B·y+C·z+D＝0 (3)
式中，A,B,C分别为拟合平面的法向量在X,Y,Z方向的分量，D为常数；
代入N个测量点，计算得到拟合平面法向量，如式(4)，
Figure FDA0003179202270000022
通过矩阵运算，求解得到空间球心坐标(x0,y0,z0)，计算A轴控制点在Y轴方向和Z轴方向上的位移误差，需要将球心坐标沿拟合平面的法向量投影到YOZ平面上，得到投影圆心坐标(xP,yP,zP)，如式(5)，
Figure FDA0003179202270000031
式中，(xP,yP,zP)为投影圆心坐标；
对R-test测得的AYZ三轴联动位置点坐标进行圆拟合，求解其拟合圆圆心坐标，并在YOZ平面上计算圆心坐标的投影；投影坐标在Y轴和Z轴方向的分量，即为A轴相对于床身在Y轴和Z轴方向的位置偏差δyA和δzA，如式(6)，
Figure FDA0003179202270000032
3.根据权利要求2所述的一种基于R-test的五轴机床RTCP参数标定方法，其特征在于，所述的步骤3中得到C轴控制点相对于A轴在X轴方向和Y轴方向上的误差分量具体过程为：当C轴转动到每个预设的角度时，需停止转动几秒，采集每个C轴停止点的R-test位移数据，通过转换矩阵，得到工件坐标系下检测球球心的坐标值；
R-test测出的位置点构成一个圆形；对所测M个位置点进行圆拟合，求出圆心坐标，圆心坐标在XOY平面上的投影，即CXY三轴联动中C轴控制点的实际位置，该圆心坐标在X轴方向的分量δxC和Y轴方向的分量δyC，即为C轴回转中心的位置偏差，参考公式(1)-(6)中的位移误差计算方法，计算C轴控制点在X轴方向的位移偏差δxC和在Y轴方向的位移偏差δyC如式(7)，
Figure FDA0003179202270000033
4.根据权利要求3所述的一种基于R-test的五轴机床RTCP参数标定方法，其特征在于，所述的步骤4中RTCP参数计算具体为：RTCP参数误差δRTCP的计算过程如式(8)所示，
Figure FDA0003179202270000041
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