CN113977352A - 双摆头龙门机床c轴误差参数辨识方法 - Google Patents

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CN113977352A CN202111426708.XA CN202111426708A CN113977352A CN 113977352 A CN113977352 A CN 113977352A CN 202111426708 A CN202111426708 A CN 202111426708A CN 113977352 A CN113977352 A CN 113977352A
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范晋伟
王培桐
陶浩浩
任行飞
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    • 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

本发明公开了双摆头龙门机床C轴误差参数辨识方法，实现该方法的球杆仪是由两个球，一个可伸长和两个磁力碗座杆组成。两个球分别为工件球和刀具球。两个精密磁力碗座，一个磁力碗座连接在机床工作台上，另一个连接在机床主轴或主轴箱上。伸长杆由传感其测量得到实际数值。本方法首先运用多体理论建立工件球和刀具球位置关系。其次通过参数化建模，推导出球杆仪杆长增量与C轴几何误差参数线性模型。然后根据给定的五种测量路径来获取不同转角下杆长增量。最后通过最小二乘法来计算出C轴5项几何误差参数。本发明采用单轴驱动形式，探索出一中简单、快速、准确的旋转轴几何误差参数辨识方法。

Description

双摆头龙门机床C轴误差参数辨识方法
技术领域
本发明涉及一种基于球杆仪测量原理对双摆头龙门机床C轴几何误差辨识方法，属于机床精度设计技术领域。
背景技术
近年来，随着我国数控机床关键技术和设计方法的突破，我国的机床行业整体有了显著发展和长足进步，但与世界先进水平相比还有很大的差距，尤其是在机床的精度控制上。随着对具有几何复杂性的高效加工部件需求的增加，五轴机床被广泛应用于要求更高加工精度的各种制造应用中。几何误差是影响五轴机床精度的关键因素,其中几何误差占机床总误差的25％～30％。近年来，国内外学者提出了很多基于球杆仪辨识空间误差方法，主要针对机床平动轴的误差辨识而对旋转轴误差辨识研究乏完善的测量方法。因此，目前需要一个简单准确的测量方法来对C轴的几何误差参数进行辨识。
发明内容
本发明采用单轴驱动形式，探索有一种简单、快速、准确的旋转轴误差参数辨识方法。鉴于多轴机床的旋转轴类似性，本发明以C轴为例进行辨识分析。
本发明采用的技术方案为双摆头龙门机床C轴误差参数辨识方法，实现该方法的球杆仪是由两个球，一个可伸长和两个磁力碗座杆组成。两个球分别为工件球和刀具球。两个精密磁力碗座，一个磁力碗座连接在机床工作台上，另一个连接在机床主轴或主轴箱上。伸长杆由传感其测量得到实际数值。
首先运用多体理论建立工件球和刀具球位置关系。其次通过参数化建模，推导出球杆仪杆长增量与C轴几何误差参数线性模型。然后根据给定的五种测量路径来获取不同转角下杆长增量。最后通过最小二乘法来计算出C轴5项几何误差参数(δx(c),δy(c),δz(c),εx(c),εy(c))。其中δx(c),δy(c),δz(c)为C轴在X,Y,Z方向线性误差；εx(c),εy(c)为C轴在绕X和Y方向的角度误差。c为C轴的转角。
工件球的位置和刀具球的初始位置坐标分别为M＝(xm,ym,zm,0)，Q0＝(x0,y0,z0,0)。刀具球的理想位置坐标Qi表示为
Figure BDA0003378904180000021
工具球的实际位置坐标Qa表示为
Figure BDA0003378904180000022
Figure BDA0003378904180000023
因此，根据公式1和公式2获得工具球的空间误差△E
ΔE＝[Δx Δy Δz 1]＝Qa-Qi (3)
Figure BDA0003378904180000024
此外，实际杆长和理想杆长分别计算如下
Figure BDA0003378904180000025
双球杆的球杆长度增量可表示为
Figure BDA0003378904180000026
通过忽略高阶项，等式(5)作为
Figure BDA0003378904180000031
为了定量分析几何误差对杆长增量的贡献，杆长增量
ΔL＝k*Ge (8)
其中k＝[k1,k2,k3,k4,k5,k6],Ge＝[δx(c),δy(c),δz(c),εx(c),εy(c),εz(c)]
根据公式(3)-(7)，计算系数k
Figure BDA0003378904180000032
通过旋转轴校准装置，直接检测C轴角度定位误差，在使用双球杆进行测试时，杆长等于杆的初始长度。因此，根据公式(5)推导出
Figure BDA0003378904180000033
从公式(10)看出，关于参数c的多项式是恒等式。因此，
-2x0xmcos(c)-2y0ymcos(c)-2x0ymsin(c)+2y0xmsin(c)＝const (11)
a和b的常数分别表示为
Figure BDA0003378904180000034
根据公式11和公式12计算为
Figure BDA0003378904180000035
k6＝xmy0cos(c)-x0ymcos(c)+x0xmsin(c)+y0ymsin(c)＝0 (14)
C轴定位误差对杆长增量没有贡献。因此，只需测量和识别C轴的5项几何误差参数。根据公式(8)中确定的杆长增量和C轴几何误差参数之间的线性关系，需要五组方程来确定C轴的几何误差参数。杆长的增量△L在不同的轨迹上测量表示为
ΔL＝[ΔL1 ΔL2 ΔL3 ΔL4 ΔL5]T (15)
因此，根据公式(8)中给出的杆长增量和C轴几何误差参数之间的线性关系，可以识别C轴的5项几何误差参数。
与现有技术相比较，本发明具有哪些技术优势。请结合现有技术充分什么下。
目前，数控机床旋转轴测量仪器有很多如激光探针、球杆仪等。随着科学技术发展，新型测量设备如六自由度测量仪等等。然而，这些设备成本造价很高，一般的机床企业很难承受，这就造成这些测量技术很难推广。此外，就目前数控机床旋转轴几何误差测量而言，多采用多轴联动形式。这就造成在误差辨识中，误差参数高度耦合，误差分离难度较大。针对上述局限性，本发明采用单轴驱动形式，探索出一中简单、快速、准确的旋转轴几何误差参数辨识方法。
附图说明
图1球杆仪装置图。
图2球杆仪测量原理图。
图3C轴几何误差测量模型；(a)、(b)为不同高度X方向误差测量；(c)、(d)为不同高度Y方向误差测量；(e)为Z方向误差测量。
具体实施方式
由于龙门五轴数控机床增加旋转轴，相应的几何误差参数也会增加。几何误差参数的高度耦合性对误差辨识带来极大困难。此外以往的旋转轴的几何误差辨识多采用多轴联动形式，这样会造成辨识结果大大失真。针对上述局限性，本发明采用单轴驱动形式，探索有一种简单、快速、准确的旋转轴误差参数辨识方法。鉴于多轴机床的旋转轴类似性，本发明以C轴为例进行辨识分析。
本发明采用的技术方案为双摆头龙门机床C轴误差参数辨识方法，实现该方法的球杆仪中的具体结构如图1所示，球杆仪是由两个球，一个可伸长和两个磁力碗座杆组成。两个球分别为工件球和刀具球。两个精密磁力碗座，一个磁力碗座连接在机床工作台上，另一个连接在机床主轴或主轴箱上。伸长杆可有传感其测量得到实际数值。
本发明首先运用多体理论建立工件球和刀具球位置关系。其次通过参数化建模，推导出球杆仪杆长增量与C轴几何误差参数线性模型。然后根据给定的五种测量路径来获取不同转角下杆长增量。最后通过最小二乘法来计算出C轴5项几何误差参数(δx(c),δy(c),δz(c),εx(c),εy(c))。其中δx(c),δy(c),δz(c)为C轴在X,Y,Z方向线性误差；εx(c),εy(c)为C轴在绕X和Y方向的角度误差。c为C轴的转角。
第一步：
如图2所示，假设工件球的位置和刀具球的初始位置坐标分别为M＝(xm,ym,zm,0)，Q0＝(x0,y0,z0,0)。，刀具球的理想位置坐标Qi可以表示为
Figure BDA0003378904180000051
工具球的实际位置坐标Qa可以表示为
Figure BDA0003378904180000052
Figure BDA0003378904180000053
因此，根据公式1和公式2可以获得工具球的空间误差△E
ΔE＝[Δx Δy Δz 1]＝Qa-Qi (3)
Figure BDA0003378904180000061
此外，实际杆长和理想杆长可分别计算如下
Figure BDA0003378904180000062
双球杆的球杆长度增量可表示为
Figure BDA0003378904180000063
通过忽略高阶项，等式(5)可以作为
Figure BDA0003378904180000064
第二步：
为了定量分析几何误差对杆长增量的贡献，这里假设杆长增量
ΔL＝k*Ge (8)
其中k＝[k1,k2,k3,k4,k5,k6],Ge＝[δx(c),δy(c),δz(c),εx(c),εy(c),εz(c)]
根据公式(3-7)，可计算系数k
Figure BDA0003378904180000071
通过Renishaw XR20-W旋转轴校准装置，可直接检测C轴角度定位误差，无需识别。为了证明这一点，根据双球杆的测量原理进行了以下推导。在使用双球杆进行测试时，理想的杆长应等于杆的初始长度。因此，根据公式(5)可以推导出
Figure BDA0003378904180000072
从公式(10)可以看出，关于参数c的多项式是恒等式。因此，可以这样写
-2x0xmcos(c)-2y0ymcos(c)-2x0ymsin(c)+2y0xmsin(c)＝const (11)
假设a和b的常数分别表示为
Figure BDA0003378904180000073
根据公式11和公式12可计算为
Figure BDA0003378904180000074
k6＝xmy0cos(c)-x0ymcos(c)+x0xmsin(c)+y0ymsin(c)＝0 (14)
总之，可以合理地得出结论，C轴定位误差对杆长增量没有贡献。因此，只需测量和识别C轴的5项几何误差参数。
根据公式8中确定的杆长增量和C轴几何误差参数之间的线性关系，需要五组方程来确定C轴的几何误差参数。从图3可以看出，双球杆的五条测量路径用于测量C轴的几何误差。图3(a)(b)轴C以不同高度旋转时，X方向杆长的测量误差增量。类似地，图3(c)(d)适用于在Y方向上测量的杆长度增量。图3(e)中的测量轨迹用于确定Z方向上的误差增量。因此，杆长的增量△L在不同的轨迹上测量可表示为
ΔL＝[ΔL1 ΔL2 ΔL3 ΔL4 ΔL5]T (15)
因此，根据公式(8)中给出的杆长增量和C轴几何误差参数之间的线性关系，可以识别C轴的5项几何误差参数。

Claims (1)

1.双摆头龙门机床C轴误差参数辨识方法，其特征在于：实现该方法的球杆仪是由两个球，一个可伸长和两个磁力碗座杆组成；两个球分别为工件球和刀具球；两个精密磁力碗座，一个磁力碗座连接在机床工作台上，另一个连接在机床主轴或主轴箱上；伸长杆由传感其测量得到实际数值；
首先运用多体理论建立工件球和刀具球位置关系；其次通过参数化建模，推导出球杆仪杆长增量与C轴几何误差参数线性模型；然后根据给定的五种测量路径来获取不同转角下杆长增量；最后通过最小二乘法来计算出C轴5项几何误差参数(δx(c),δy(c),δz(c),εx(c),εy(c))；其中δx(c),δy(c),δz(c)为C轴在X,Y,Z方向线性误差；εx(c),εy(c)为C轴在绕X和Y方向的角度误差；c为C轴的转角；
工件球的位置和刀具球的初始位置坐标分别为M＝(xm,ym,zm,0)，Q0＝(x0,y0,z0,0)；刀具球的理想位置坐标Qi表示为
Figure FDA0003378904170000011
工具球的实际位置坐标Qa表示为
Figure FDA0003378904170000012
Figure FDA0003378904170000013
因此，根据公式1和公式2获得工具球的空间误差△E
ΔE＝[Δx Δy Δz 1]＝Qa-Qi (3)
Figure FDA0003378904170000021
实际杆长和理想杆长分别计算如下
Figure FDA0003378904170000022
双球杆的球杆长度增量表示为
Figure FDA0003378904170000023
通过忽略高阶项，等式(5)作为
Figure FDA0003378904170000024
为了定量分析几何误差对杆长增量的贡献，杆长增量
ΔL＝k*Ge (8)
其中k＝[k1,k2,k3,k4,k5,k6],Ge＝[δx(c),δy(c),δz(c),εx(c),εy(c),εz(c)]
根据公式(3)-(7)，计算系数k
Figure FDA0003378904170000031
通过旋转轴校准装置，直接检测C轴角度定位误差，在使用双球杆进行测试时，杆长等于杆的初始长度；因此，根据公式(5)推导出
Figure FDA0003378904170000032
从公式(10)看出，关于参数c的多项式是恒等式；因此，
-2x0xmcos(c)-2y0ymcos(c)-2x0ymsin(c)+2y0xmsin(c)＝const (11)
a和b的常数分别表示为
Figure FDA0003378904170000033
根据公式11和公式12计算为
Figure FDA0003378904170000034
k6＝xmy0cos(c)-x0ymcos(c)+x0xmsin(c)+y0ymsin(c)＝0 (14)
根据公式(8)中确定的杆长增量和C轴几何误差参数之间的线性关系，需要五组方程来确定C轴的几何误差参数；杆长的增量△L在不同的轨迹上测量表示为
ΔL＝[ΔL1 ΔL2 ΔL3 ΔL4 ΔL5]T (15)
因此，根据公式(8)中给出的杆长增量和C轴几何误差参数之间的线性关系，识别C轴的5项几何误差参数。
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