CN113587870A - 五轴机床旋转轴几何误差在机检测装置及误差场预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机床误差检测设备技术领域，提出了五轴机床旋转轴几何误差在机检测装置及误差场预测方法。包含接触式测头在线测量系统，测头安装在机床主轴上，能够对标准球及标准S形试件上的测量点进行X、Y和Z三个方向实时测量并记录。四个相同尺寸的标准球以圆形分布在工作台上，圆的中心和工作台的中心重合，标准球及标准S形试件的空间位置误差反映了两个旋转轴的几何误差；根据得出的各项几何误差，建立五轴机床旋转轴几何误差空间误差场，可以预测机床加工空间内各位置点的误差值。

Description

五轴机床旋转轴几何误差在机检测装置及误差场预测方法

技术领域

本发明涉及五轴数控机床误差检测领域，尤其涉及五轴机床旋转轴几何误差在机检测装置及误差场预测方法。

背景技术

五轴联动数控机床作为最基本的加工制造单元之一，是实现智能切削加工的基础。而几何精度是衡量五轴机床精度的重要参数之一，它不仅能为机床交付过程提供很好的技术参考，而且能对机床性能的改进提供有效的评估依据。目前有两种提高五轴机床加工精度方法，一种是提高机床各部件的制造装配精度的硬件补偿方法，另一种是通过检测机床本体几何误差进行数控补偿的软件补偿方法。后者不需要过高的机床零件生产精度，补偿成本低，效率高，目前应用广泛。由于软件补偿的前提是得到精确的机床几何误差，因此，五轴机床的几何误差检测显得尤为突出和重要。

目前用于五轴机床旋转轴误差检测的设备主要有激光干涉仪、激光跟踪仪、球杆仪、平面光栅等，R-Test测试仪等。这类检测仪器通过五轴机床的多轴联动运动可以准确的检测机床五轴联动过程中刀具的运动误差，评估机床实际加工过程中的性能。使用激光干涉仪的测量过程较为复杂和精密，如果测量不够精准会导致误差较大；而使用R-test法识别五轴机床旋转轴的12个几何误差的建模过程复杂，且会引入其它误差影响仿真结果；球杆仪只能检测五轴机床刀尖点的X、Y、Z方向的位移误差，不能准确反映五轴机床的刀具姿态，使得检测误差结果不便于对应误差位置，导致误差检测结果不够精确。

因此，需要一种测量设备简单、成本较低、检测结果准确且检测时间较短的五轴联动数控机床的误差检测设备和检测方法，可以用来检测机床在不同旋转角度下的旋转轴各项几何误差分布情况。

发明内容

本发明提出了五轴机床旋转轴几何误差在机检测装置及误差场预测方法，本发明的几何误差检测装置，其特征在于，该装置包含接触式触发测头在线测量系统，测头安装在机床主轴上，能够对标准球及标准S形试件上的测量点进行X、Y和Z三个方向实时测量并记录。四个相同尺寸的标准球以圆形分布在工作台上，圆的中心和工作台的中心重合，标准球及标准S形试件的空间位置误差反映了两个旋转轴的几何误差。

相较于激光干涉仪和球杆仪等测量仪器，本发明可以检测多个点在不同A、C轴旋转角度下的直线度误差和角度误差，该方法明确了A、C轴旋转过程中的各项几何误差，所建立的几何误差模型考虑了A轴旋转一定角度后对C轴产生的影响。本发明的创新之处为：(1)提供了一组旋转轴几何误差快速测量的检测仪器，即标准球和标准S形试件的组合样件；(2)提供了一种基于标准球和标准S形试件组合样件的旋转轴各项几何误差辨识的新方法；(3)将本机床加工后的S形试件，进行在机测量，根据测量点进行曲面重构，重构后的S形试件与标准S形试件进行轮廓误差比对，据此对加工空间各位置点的旋转轴误差进行反馈、补偿等；(4)建立了五轴机床旋转轴的加工空间几何误差场，可以预测加工空间各位置的几何误差大小。整体流程如图1所示。

本发明的技术方案是：五轴机床旋转轴几何误差在机检测装置及误差场预测方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤1.建立A、C两旋转轴的12项几何误差数学模型并辨识求解。其中包括A轴绕X、Y、Z轴转动的角位移误差ε_αA、ε_βA、ε_γA以及沿X、Y、Z方向的线位移误差δ_xA、δ_yA、δ_zA；C轴绕X、Y、Z轴转动的角位移误差ε_αC、ε_βC、ε_γC以及沿X、Y、Z方向的线位移误差δ_xC、δ_yC、δ_zC；

步骤2.定位标准球及S形试件：将4个直径为30mm的标准球固定在高度为70mm的磁力表座上，分别摆放在位于工作台坐标系上的-X、+Y、+X、-Y方向上，且以工作台表面的中心点为圆心；标准S形试件位于工作台中心位置。所使用的标准球的精度达到G20及以上，标准S形试件的表面加工误差不超过15μm；

步骤3.设定A轴和C轴的旋转角度：根据五轴机床的运动情况，将A轴的旋转设定4个角度，C轴旋转设定11个角度，两旋转轴在不同角度组合下产生的空间几何误差即可看成A、C轴联动产生的几何误差，A轴的4个角度分别为：A_i＝0°，30°，60°，90°(i＝1～4)，C轴的11个角度分别为C_j＝0°，30°，60°，90°，120°，150°，180°，210°，240°，270°，300°，330°(j＝1～12)，工作台在不同AC旋转角度组合下的空间位置(A_i，C_j)共有4×12＝48个；

步骤4.确定每个空间位置下标准球和S形试件上测量点的数量和位置：在测量点的测量过程中，要求对标准S形试件和4个标准球上规划的各个测量点进行在机接触测量，从A_i＝0°，C_j＝0°开始，依次测量工作台在每个A轴和C轴不同旋转角度下形成的加工空间中标准S形试件和4个标准球上的n个测量点，例如：当A_i＝0°，C_j＝0°时，共有n＝24个测试点，其中4个标准球上各有4个测量点，标准S形试件上有8个测量点。为了避免测头和标准球以及S形试件之间产生干涉，各角度下的测量点数目和位置会产生一定变化，但每个标准球上至少需要测量三个点以确定其球心坐标。此外，测头的方向垂直于待测标准球和标准S形试件的表面；

步骤5.得出12项旋转轴几何误差的具体数值：利用测得的各测量点实际坐标P，计算两旋转轴的12项几何误差，得出各项几何误差的具体数值。同时对本机床加工后的S形试件进行在机测量，根据各测量点进行曲面重构，重构后的S形试件与标准S形试件进行轮廓误差比对，据此对加工空间各位置点的旋转轴几何误差进行补偿等；

步骤6.建立五轴机床旋转轴几何误差空间误差场：根据建立的A、C两旋转轴几何误差元素之间的数学模型和步骤5中得到的两旋转轴转动过程中各项几何误差具体数值，建立五轴机床旋转轴几何误差空间误差场ΔE。

本发明的有益效果：与激光干涉仪以及球杆仪等传统的检测方法相比，本发明所提供的检测装置和辨识方法不仅结构简单、经济实用，而且可以达到检测精度的要求。面对小型数控机床结构紧凑工作台空间狭小的特点，复杂昂贵的激光检测设备不能很好的安装布置，给误差检测过程带来了很大的困难，本发明设计的标准球和标准S形试件在各种体积大小的工作空间内都可以方便快速的安装和定位，大大缩短了检测过程，提高了检测效率，降低了检测成本，具有广阔的市场应用前景。

附图说明

图1是五轴机床旋转轴几何误差检测流程图；

图2是五轴机床旋转轴几何误差测量步骤流程图；

图3是在A_i＝0°，C_j＝0°时4个标准球及标准S形试件的安装布置示意图；

图4是在A_i＝90°，C_j＝0°时4个标准球及标准S形试件的安装布置示意图；

图5是工作台在A_i＝0°，C_j＝0°时，标准球测量顺序和测量点空间布置简图；

图6是工作台在A_i＝45°，C_j＝0°时，标准球测量顺序和测量点空间布置简图；

图7是工作台在A_i＝90°，C_j＝0°时，标准球测量顺序和测量点空间布置简图；

图8是A_i＝0°，C_j＝0°时五轴机床旋转轴几何误差空间误差场；

图9是A_i＝90°，C_j＝0°时五轴机床旋转轴几何误差空间误差场。

具体实施方式

本发明通过对工作台上的4个标准球以及标准S形试件进行不同A、C轴旋转角度下的表面坐标的测量，得到两旋转轴的空间几何误差场：首先求解两旋转轴的12项几何误差数学模型，其次测得在不同A、C轴旋转角度下的S形试件和4个标准球上n个探测点的实际坐标P(i，j，n)，然后求解出各项平均几何误差的具体数值，最后建立旋转轴加工空间综合误差场ΔE，完成误差辨识过程。

下面结合附图对本发明实施步骤做进一步说明：如图3所示，本发明提出的五轴机床旋转轴几何误差在机检测装置及误差场预测方法包括标准球1、2、3和4，标准S形试件5，S形试件底座6，主轴7，接触式测量测头8，4个相同的支撑标准球的磁力表座9以及信号接收与处理系统。在A_i＝90°，C_j＝0°时4个标准球及标准S形试件的安装布置如图4所示。

本发明提供的五轴机床旋转轴几何误差在机检测装置及误差场预测方法的测量方法，主要包括以下步骤：

步骤1.建立A、C两旋转轴的12项几何误差数学模型并辨识求解。其中包括A轴绕X、Y、Z轴转动的角位移误差ε_αA、ε_βA、ε_γA以及沿X、Y、Z方向的线位移误差δ_xA、δ_yA、δ_zA；C轴绕XYZ轴转动的角位移误差ε_αC、ε_βC、ε_γC以及沿X、Y、Z方向的线位移误差δ_xC、δ_yC、δ_zC。

其中：理想情况下刀具的位置为：

实际情况下刀具的位置为：

辨识求解出A轴和C轴各项几何误差：

此外，ε_αA与δ_zC作为定位误差测量得出；

步骤2.定位标准球及S形试件：将四个直径为30mm的标准球固定在高度为70mm的磁力表座上，然后沿着X和Y正负方向以圆形均匀分布在旋转工作台边缘上，圆心和工作台的中心重合；将S形试件固定在工作台中心位置；将测头置入主轴，连接好信号传输与处理系统。各试件分布图如图3所示；

步骤3.设定A轴和C轴的旋转角度：根据五轴机床的运动情况，将A轴的旋转设定4个角度，C轴旋转设定11个角度，两旋转轴在不同角度组合下产生的空间几何误差即可看成A、C轴联动产生的几何误差，A轴的4个角度分别为：A_i＝0°，30°，60°，90°(i＝1～4)，C轴的11个角度分别为C_j＝0°，30°，60°，90°，120°，150°，180°，210°，240°，270°，300°，330°(j＝1～12)，工作台在不同AC旋转角度组合下的空间位置(A_i，C_j)共有4×12＝48个；工作台在不同A、C轴旋转角度下的标准球测量顺序和测量点空间布置简图如图5、图6和图7所示；

步骤4.确定每个空间位置下标准球和S形试件上测量点的数量和位置：在测量点的测量过程中，要求对标准S形试件和4个标准球上规划的各个测量点进行在机接触测量，从A_i＝0°，C_j＝0°开始，依次测量工作台在每个A轴和C轴不同旋转角度下形成的加工空间中标准S形试件和4个标准球上的n个测量点，例如：当A_i＝0°，C_j＝0°时，共有n＝24个测试点，其中4个标准球上各有4个测量点，标准S形试件上有8个测量点。标准S形试件上的测量点取一侧曲面上固定的Z方向坐标，以确定所测弧形段的圆心，测量顺序由-X方向到+X方向依次对每个测量点进行测量。为了避免测头和标准球以及S形试件之间产生干涉，各角度下的测量点数目和位置会产生一定变化，但每个标准球上至少需要测量三个点以确定其球心坐标。此外，测头的方向垂直于待测标准球和标准S形试件的表面，先进行标准球的测量，后进行S形试件上连续点的测量；

规划好标准S形试件和4个标准球上的各点之后，依次进行各点的测量，得出各点的位置坐标，并进行数据处理。工作台边缘的坐标对最终球心点位置贡献度要比工作台中心的值对最终球心点位置贡献度稍小，故采样时要多在S形试件部分采样，通过大量采样可以近似表示各球心点位置。根据重要性采样法，选取适当测量点坐标，得出各角度下标准球和标准S形试件上各测量点的坐标；

步骤5.得出12项旋转轴几何误差的具体数值：利用测得的各测量点实际坐标P，计算两旋转轴的12项几何误差，得出各项几何误差的具体数值。同时对本机床加工后的S形试件进行在机测量，根据各测量点进行曲面重构，重构后的S形试件与标准S形试件进行轮廓误差比对，据此对加工空间各位置点的旋转轴几何误差进行补偿等；

步骤6.建立五轴机床旋转轴几何误差空间误差场：根据建立的A、C两旋转轴几何误差元素之间的数学模型和步骤5中得到的两旋转轴转动过程中各项几何误差具体数值，建立五轴机床旋转轴几何误差空间误差场ΔE，其中

A_i＝0°，C_j＝0°时五轴机床旋转轴几何误差空间误差场如图8所示；A_i＝90°，C_j＝0°时五轴机床旋转轴几何误差空间误差场如图9所示。

Claims (6)

1.五轴机床旋转轴几何误差在机检测装置及误差场预测方法，其特征在于：该装置包含接触式测头、标准S形试件、4个标准球以及4个用于固定标准球的磁力表座组成的A、C轴几何误差在线检测系统，该系统由标准球1-4、标准S形试件5、试件底座6、主轴7、接触式测头8、四个相同的用于固定标准球的磁力表座9以及信号接收及处理系统组成，可以很好的对标准球和标准S形试件上的测量点进行接触测量，进而辨识旋转轴各项几何误差，建立空间误差场。装夹完成后还可以避免重复定位等问题。

2.根据权利要求1所述的五轴机床旋转轴几何误差在机检测装置及误差场预测方法，其特征在于：该装置采用磁力表座来进行标准球的固定和定位，S形试件固定在工作台的中央，标准球的直径为30mm，考虑到机床的实际工作范围大小，磁力表座的高度设定为70mm，它和标准球的整体高度设计为100毫米，S形试件高度为80mm。

3.根据权利要求1所述的五轴机床旋转轴几何误差在机检测装置及误差场预测方法，其特征在于：4个标准球分别摆放在位于工作台坐标系上的-X、+Y、+X、-Y方向上，且以工作台表面的中心点为圆心；标准S形试件位于工作台中心位置。

4.根据权利要求1所述的五轴机床旋转轴几何误差在机检测装置及误差场预测方法，其特征在于：测量所使用的标准球的精度达到G20及以上，标准S形试件的表面加工误差不超过15μm。

5.根据权利要求1所述的五轴机床旋转轴几何误差在机检测装置及误差场预测方法，其特征在于：本发明的创新之处为：(1)提供了一组旋转轴几何误差快速测量的检测仪器，即标准球和标准S形试件的组合样件；(2)提供了一种基于标准球和标准S形试件组合样件的旋转轴各项几何误差辨识的新方法；(3)提供了一种重构本机床加工的S形试件曲面，与标准S形试件进行轮廓误差比对，据此对机床加工空间各位置点的旋转轴几何误差进行反馈、补偿的方法；(4)建立了五轴机床旋转轴的加工空间几何误差场，可以预测加工空间各位置的几何误差大小。

6.根据权利要求1所述的五轴机床旋转轴几何误差在机检测装置及误差场预测方法，其特征在于：该五轴机床旋转轴几何误差在机检测装置及误差场预测方法包括以下步骤：

步骤1.建立A、C两旋转轴的12项几何误差数学模型并辨识求解。其中包括A轴绕X、Y、Z轴转动的角位移误差ε_αA、ε_βA、ε_γA以及沿X、Y、Z方向的线位移误差δ_xA、δ_yA、δ_zA；C轴绕X、Y、Z轴转动的角位移误差ε_αC、ε_βC、ε_γC以及沿X、Y、Z方向的线位移误差δ_xC、δ_yC、δ_zC。

步骤2.定位标准球及S形试件：将四个直径为30mm的标准球固定在高度为70mm的磁力表座上，然后以圆形均匀分布在旋转工作台边缘上，圆心和工作台的中心重合；将S形试件固定在工作台中心位置。

步骤3.设定A轴和C轴的旋转角度：根据五轴机床的运动情况，将A轴的旋转设定4个角度，C轴旋转设定11个角度，两旋转轴在不同角度组合下产生的空间几何误差即可看成A、C轴联动产生的几何误差，A轴的4个角度分别为：A_i＝0°，30°，60°，90°(i＝1～4)，C轴的11个角度分别为C_j＝0°，30°，60°，90°，120°，150°，180°，210°，240°，270°，300°，330°(j＝1～12)，工作台在不同A、C旋转角度组合下的空间位置(A_i，C_j)共有4×12＝48个；

步骤4.确定每个空间位置下标准球和S形试件上测量点的数量和位置：在测量点的测量过程中，要求对标准S形试件和4个标准球上规划的各个测量点进行在机接触测量，从A_i＝0°，C_j＝0°开始，依次测量工作台在每个A轴和C轴不同旋转角度下形成的加工空间中标准S形试件和4个标准球上的n个测量点，例如：当A_i＝0°，C_j＝0°时，共有n＝24个测试点，其中4个标准球上各有4个测量点，标准S形试件上有8个测量点。为了避免测头和标准球以及S形试件之间产生干涉，各角度下的测量点数目和位置会产生一定变化，但每个标准球上至少需要测量三个点以确定其球心坐标。此外，测头的方向垂直于待测标准球和标准S形试件的表面；

步骤5.得出12项旋转轴几何误差的具体数值:利用测得的各测量点实际坐标P，计算两旋转轴的12项几何误差，得出各项几何误差的具体数值。同时对本机床加工后的S形试件进行在机测量，根据各测量点进行曲面重构，重构后的S形试件与标准S形试件进行轮廓误差比对，据此对加工空间各位置点的旋转轴几何误差进行补偿等；

步骤6.建立五轴机床旋转轴几何误差空间误差场：根据建立的A、C两旋转轴几何误差元素之间的数学模型和步骤5中得到的两旋转轴转动过程中各项几何误差具体数值，建立五轴机床旋转轴几何误差空间误差场。

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