CN116810483A - 基于加工测试的五轴机床旋转轴几何误差辨识方法 - Google Patents
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Abstract
基于加工测试的五轴机床旋转轴几何误差辨识方法，它包含：一、特征工件的设计；二、特征工件的加工：在工件上分别加工出位于同一侧的两个相同的圆弧面和位于同一侧的两个相同的矩形槽；三、工件在机测量，特征工件加工完成后，对机床进行冷却至室温，利用机床的在机测量系统测得室温温度下工件的各个圆弧面和各个矩形槽的数据；四、机床旋转轴几何误差辨识，将步骤三检测得到的数据处理获得三个位置误差模型与三个方向误差模型，从而辨识出旋转轴与位置无关的几何误差。本发明辨识模式简易，辨识效率高，提高了五轴数控机床的加工精度。
Description
技术领域
本发明属于数控机床加工精度技术领域，涉及一种基于加工测试的五轴机床旋转轴几何误差辨识方法。
背景技术
随着制造业的不断发展与进步，五轴机床作为现代制造业的“工业母机”，拥有很高的生产率和灵活性等优点，广泛应用于航空航天领域。
与传统的三轴机床相比，五轴机床增多了两个旋转轴，增多的两个旋转轴误差元素涉及较多且相互影响，这在很大程度上增加了相应的技术难题。其中由于机床生产过程中由于零部件装配问题、施加的载荷变化问题以及热漂移等产生的安装误差称为位置无关的几何误差(PIGEs)。
目前对旋转轴PIGEs的研究大多基于一些高成本的测量设备，如光学位移传感器、球杆仪等。这些方法虽然精度高，但其前期准备复杂，成本高，对操作人员有一定的经验要求，而且没有考虑机床的实际加工情况。
发明内容
本发明为克服现有技术不足，提供一种基于加工测试的五轴机床旋转轴几何误差辨识方法。该发明基于特征工件来对耦合的五轴机床旋转轴几何误差进行辨识并补偿，对特征工件的每个加工面在加工和测量时，刀具和测头的行程路径一致，通过在机测量获得成品工件的几何参数，采用工件自标定，排除了线性轴误差对旋转轴误差的影响。
基于加工测试的五轴机床旋转轴几何误差辨识方法包含以下步骤：
一、特征工件的设计：设计一个一定尺寸的特征工件，主体为立方体块，切除二个大小相同的圆弧面和二个大小相同的矩形槽；
二、特征工件的加工：在机床所有轴均静止且B轴和C轴都为0°的情况下将工件安装在工作台上，并将线性轴X、Y和Z调整至初始位置，在工件上分别加工出位于同一侧的两个相同的圆弧面和位于同一侧的两个相同的矩形槽，一对圆弧面和一对矩形槽各自切削过程中，线性轴的移动轨迹相同；
三、工件在机测量，特征工件加工完成后，对机床进行冷却至室温，利用机床的在机测量系统测得室温温度下工件的各个圆弧面和各个矩形槽的数据，将旋转轴B轴和C轴都回归到0°后保持静止，利用X轴、Y轴和Z运动，测得两个圆弧面各自的拟合圆心线，测得两个矩形槽中相同加工面的长度方向的拟合直线；
四、机床旋转轴几何误差辨识
首先，将步骤三检测得到的数据处理获得三个位置误差模型与三个方向误差模型；然后对获得的误差模型做旋转变换，将B轴和C轴的转动角度代入误差模型中；获得在B轴和C轴都为0°的情况下，基于圆弧面在机测量下的旋转轴与位置无关的三个几何误差，以及基于矩形槽在机测量下的旋转轴与位置无关的剩余两个几何误差，完成旋转轴几何误差辨识。
本发明相比现有技术的有益效果是：
本发明基于特征工件的设计对耦合的五轴机床旋转轴几何误差进行辨识并补偿，设计两种加工模式，采用工件自标定的方法，正确设置机床坐标系，可使辨识的误差完整但不冗余。通过机床的在机测量系统对两种加工模式(圆弧面和矩形槽)下的特征展开测量，并结合解析法辨识出双旋转轴的几何误差。在工件的加工过程中，两种加工模式内所设定线性轴的加工轨迹分别保持一致，以避免线性轴相关误差的影响。从而达到提高五轴数控机床的整体加工精度的目的。既在排除线性轴误差影响的情况下辨识了机床旋转轴的几何误差，又极大节约了成本，所设计的辨识模式更加简易，辨识效率高，从根本上提高了五轴数控机床的加工精度。
本发明与传统方法相比：以往的研究对PIGEs的辨识注重于使用双球杆仪(DBB)、光学位移传感器、R-test等测量仪器对机床误差进行测量，但是这些测量仪器价格昂贵且前期准备复杂，对操作人员有一定的经验要求，而且没有考虑机床的实际加工情况，不适用于大多数机床用户；目前也有研究者通过切削测试来辨识旋转轴的PIGEs，但能够将两个旋转轴的PIGEs同时辨识出来，且辨识的误差完整但不冗余，而且可以排除线性轴误差对旋转轴误差的影响，并且辨识方法简单快捷的目前没有。
本发明所设计的特征工件来辨识误差的方法所需成本低，不仅可以让一般的机床用户对提高机床精度这一问题得到解决，而且在辨识过程中可以避免线性轴误差的干扰，所得到的结果更贴近机床工作时的真实情况，对于提高五轴数控机床的补偿效率以及加工精度的提升有着重大的意义。本发明提出目的在于能够实现低成本、无需特定复杂的测量设置就能简单快速的辨识旋转轴的PIGEs。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：
附图说明
图1为本发明基于加工测试的五轴机床旋转轴几何误差辨识方法流程图；
图2为特征工件的轴侧图；
图3为工件尺寸图；
图4为B轴和C轴所需简化的几何误差示意图；
图5为B轴和C轴要辨识的几何误差示意图；
图6为工件加工面命名标记图；
图7为成品工件的加工面U1和U2上的测头轨迹及测点分布图；
图8为成品工件的加工面U1和U2上的测点拟合示意图；
图9为加工圆弧面的成品工件几何误差示例图；
图10为加工矩形槽的成品工件几何误差示例图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
如图1所示，基于加工测试的五轴机床旋转轴几何误差辨识方法包含以下步骤：
一、特征工件的设计：设计一个一定尺寸的特征工件，主体为立方体块，切除二个大小相同的圆弧面和二个大小相同的矩形槽，如图2所示；
二、特征工件的加工：在机床所有轴均静止且B轴和C轴都为0°的情况下将工件安装在工作台上，并将线性轴X、Y和Z调整至初始位置，在工件上分别加工出位于同一侧的两个相同的圆弧面和位于同一侧的两个相同的矩形槽，一对圆弧面和一对矩形槽各自切削过程中，线性轴的移动轨迹相同；
三、工件在机测量：特征工件加工完成后，对机床进行冷却至室温，利用机床的在机测量系统测得室温温度下工件的各个圆弧面和各个矩形槽的数据，将旋转轴B轴和C轴都回归到0°后保持静止，利用X轴、Y轴和Z运动，测得两个圆弧面各自的拟合圆心线，测得两个矩形槽中相同加工面的长度方向的拟合直线；
四、机床旋转轴几何误差辨识
首先，将步骤三检测得到的数据处理获得三个位置误差模型与三个方向误差模型；然后对获得的误差模型做旋转变换，将B轴和C轴的转动角度代入误差模型中；获得在B轴和C轴都为0°的情况下，基于圆弧面在机测量下的旋转轴与位置无关的三个几何误差，以及基于矩形槽在机测量下的旋转轴与位置无关的剩余两个几何误差，完成旋转轴几何误差辨识。
具体加工步骤如下：
加工例如毛坯尺寸为100×100×100mm3立方体工件，主体为立方体块，切出两个大小相同，直径都为φ106的圆弧面，其圆心线理论上都与立方体的中心重合，如图2、图3、图5和图6所示；
将毛坯置于机床工作台上并夹紧，在五轴数控机床上将预先编写好的程序和优化后的工艺参数输入到数控面板中，将机床B轴、C轴调整到0°，X轴、Y轴、Z轴调整至一个初始位置；
利用X轴、Y轴和Z轴的运动，由直立铣刀加工一个直径为φ106，深度为35mm的圆弧面，作为参考面，然后三个线性轴X、Y和Z轴返回到初始位置。
进一步地，结合图4和图5说明，步骤二的圆弧面加工过程为：步骤1，工件的初始位置在C轴中心位置上，在旋转轴B轴和C轴都为0°的情况下，利用线性轴X、Y和Z的运动，由直立铣刀加工一定直径的圆弧面，作为该加工模式下的测量参考面，在测量参考面切削完成后，线性轴X、Y和Z回到初始位置；步骤2，B轴保持静止，转动C轴至90°，利用线性轴与步骤1相同的行程轨迹，进行第二次切削，加工一个与步骤1相同尺寸的圆弧面。
例如：如图3所示，工件的初始位置在C轴中心位置上，在机床旋转轴B轴和C轴都为0°的情况下，利用线性轴X、Y和Z轴的运动，由直立铣刀加工一个Φ106的圆弧面，作为该加工模式下的测量参考面，在测量参考面切削完成后，三个线性轴回到初始位置P0处，该加工过程记为步骤1；然后旋转轴B轴保持静止，转动C轴至90°，利用线性轴以与步骤1相同的行程轨迹，进行第二次切削，同样加工一个Φ106的圆弧面，该加工过程记为步骤2。因此，步骤1和2加工的这两个圆弧面所对应的中心线在理论上是重合的。
进一步地，步骤二的矩形槽加工过程为：步骤1-1，首先将旋转轴B轴和C轴都回到0°，线性轴X、Y和Z轴都回到初始位置处，然后旋转轴C轴保持静止，转动B轴至90°，利用线性轴X、Y和Z轴的运动，由直立铣刀加工一个一定尺寸的矩形槽，作为该加工模式下的测量参考面，待切削完成后，线性轴X、Y和Z回到初始位置处；步骤1-2，随后旋转轴B轴保持静止，转动C轴至90°，利用与步骤2相同的线性轴行程轨迹进行第二次切削，加工一个与步骤1)相同尺寸的矩形槽。例如深度70mm，宽度和厚度均为20mm的矩形槽。
例如，结合图3说明，首先，将机床旋转轴B轴和C轴都回到0°，线性轴X、Y和Z轴都回到初始位置P0处。然后机床旋转轴C轴保持静止，转动B轴至90°，利用线性轴的运动，由直立铣刀加工一个尺寸如图3所示的矩形槽，作为该加工模式下的测量参考面，待切削完成后，三个线性轴回到初始位置P0处，该加工过程记为步骤1-1；随后，旋转轴B轴保持静止，转动C轴至90°，利用与步骤3相同的线性轴行程轨迹进行第二次切削，加工一个矩形槽，尺寸如图5所示，该加工过程记为步骤1-2。因此，步骤1-1和1-2加工的两个矩形槽的所对应的底面和侧面的大小和方向理论上是相同的。
在加工模式一和二中，模式内所设定线性轴的加工轨迹分别保持一致，以避免线性轴相关误差的影响。
在进行在机测量时，成品工件的四个加工面以Ui(i＝0,1,2,3)进行命名，如图6所示，其中U表示工件的加工面，i用以区分不同的加工面，将机床旋转轴B轴和C轴都为0°的情况下，即步骤1所加工的参考面记为U0，同理，将步骤2、步骤1-1和步骤1-2所加工的圆弧面和矩形面分别记为U1、U2和U3。
更进一步地，步骤三的在机测量中，圆弧面的测量策略为：将旋转轴B轴和C轴都回归到0°后保持静止，对加工圆弧面进行在机测量，选取N组测点，在第1组测点中，机床的Z轴保持静止，只有X轴和Y轴移动到不同的测量位置，在第2至N组测点中，Z轴的移动距离均匀，且在每组测点测量的过程中，X轴和Y轴的移动轨迹和第1组测量时相同；矩形槽的测量策略为，将旋转轴B轴和C轴都为0°的情况下测量的，对加工侧面进行在机测量。
具体来说：在图6中，成品工件的加工面U0和U1所对应的圆心线理论上是重合的，加工面U2和U3分别所对应的底面和侧面的大小和方向理论上是相同的。因此，在测量方案中，以加工面U0、U2的测量数据分别作为加工模式一、二其他测量的参考。成品工件的加工面U0、U1、U2和U3的数据都是在旋转轴B轴和C轴都为0°的情况下测量的。
加工圆弧面的测量策略，以成品工件的加工面U1上的测量方案为例。如图7所示，将旋转轴B轴和C轴都回归到0°后保持静止，利用接触式触发探头对加工面U1进行在机测量。在第1组测点中，机床的Z轴保持静止，只有X轴和Y轴移动到不同的测量位置；在第2…5组测点中，Z轴的移动距离均匀，且在每组测点测量的过程中，X轴和Y轴的移动轨迹和第1组的测点相同。同理，旋转轴B轴和C轴都为0°的情况下，利用接触式触发探头对加工面U0进行在机测量。
加工矩形槽的测量策略，以成品工件的加工面U2上的测量方案为例。加工面U2的测量也是B轴和C轴都为0°的情况下测量的，利用接触式触发探头对加工面U2进行在机测量，如图7所示。同理，旋转轴B轴和C轴都为0°且保持静止，利用接触式触发探头对加工面U3进行在机测量。
在测量方案中，以加工面U0和U1上的测点所对应的圆心线理论上是重合的原则，以加工面U2和U3的测点所拟合的直线在加工过程中是重合的原则，进行布置测点，再进行在机测量。
例如：如图8所示，整个成品工件共布测点(2×5×3+2×12)个，对加工面U0、U1的测点进行拟合圆心线，用符号Ni,j,m、Sk,i和Li(i＝0,1；j＝1,2,3,4,5；k＝1,2,3,4,5；m＝1,2,3)分别对测点、每组测点对应的圆心点以及每组圆心点拟合圆心线进行命名，其中N、S和L分别表示测点、每组测点拟合的圆心以及每组圆心点拟合后的圆心线，i和j分别用以区分不同的加工面和加工面上不同的测点组数，k表示拟合后的圆心点数，m表示每组测点的个数。因此，加工面测点记为Ni,j,m，每组测点拟合的圆心记为Sk,i，每组圆心点拟合圆心所拟合的圆心线记为Li。在图8中，以成品工件的加工面U1上的测点为例，图中共有5组测点，每组测点为3个，分别记为N1,1,1…N1,5,3，以三点确定圆心的原理求得5组测点对应的圆心点，记为S1,1…S5,1，再以最小二乘法对5个圆心点进行拟合，拟合最佳的圆心线记为L1。类似的，对成品工件的加工面U0上的测点数据进行处理分析，可以得到5个圆心点分别记为S1,0…S5,0，以及1条圆心线记为L0。对加工面U2、U3的测点进行拟合直线，用符号Xm,i和Yi(m＝1,2,3…12；i＝2,3；)分别对测点以及拟合的直线进行命名，其中X和Y分别表示测点以及拟合的直线，i和m分别用以区分不同的加工面和加工面上不同的测点。因此，加工面测点记为Xm,i，通过测点拟合的直线记为Yi。在图8中，以成品工件的加工面U2上的测点为例，图中共有12个测点，分别记为X1,2…X12,2，通过最小二乘法对12个测点进行拟合，拟合最佳的直线记为Y2。同理，对成品工件的加工面U3上的测点数据进行处理分析，可以得到12个测点分别记为X1,3…X12,3，以及1条最佳拟合直线记为Y3。
在介绍机床双旋转轴几何误差辨识之前，图4为B轴和C轴所需简化的几何误差示意图；图5为B轴和C轴要辨识的几何误差示意图；
表1旋转轴的与位置无关的几何误差(PIGEs)
| 符号 | 名称 |
| EXOB | B轴轴线在X轴方向上的线性误差 |
| EAOC | C轴轴线绕X轴方向的角度误差 |
| EBOC | C轴轴线绕Y轴方向的角度误差 |
| EAOB | B轴轴线绕X轴方向的角度误差 |
| ECOB | B轴轴线绕Z轴方向的角度误差 |
本实施方案通过使用ISO230-1:2012的方法正确设置机床坐标系，可以确保本方案所辨识的双旋转轴的5项PIGEs完整且不冗余。基于通过测点求得的圆心点Sk,i和拟合的圆心线Li，以及通过最小二乘法寻找最佳拟合直线Yi来辨识双旋转轴的PIGEs。
为了辨识旋转轴的PIGEs，基于上述在机测量策略对成品工件进行在机测量。辨识原理如图9和图10所示，将在机测量所得的数据结合成品工件的几何误差的运动学关系，即可求得旋转轴的几何误差。
成品工件的几何误差的运动学关系如式(2)所示；
步骤四中将步骤三检测得到的数据处理获得三个位置误差模型与三个方向误差模型：
其中，PX表示刀具切削工件的实际切削点相对理想切削点在X方向上的位置误差，
PX表示刀具切削工件的实际切削点相对理想切削点在Y方向上的位置误差，PZ表示刀具切削工件的实际切削点相对理想切削点在Z方向上的位置误差，OX表示刀具切削工件的实际切削点相对理想切削点在X方向上的方向误差，OY表示刀具切削工件的实际切削点相对理想切削点在Y方向上的位置误差，OZ表示刀具切削工件的实际切削点相对理想切削点在Z方向上的位置误差，x、y与z分别表示为机床在加工与测量时机床线性轴X轴、Y轴和Z轴的运动量，b与c分别表示机床在加工与测量时B轴和C轴所转动的角度。
旋转轴的几何误差如表1所示。从成品工件的几何形状中，可以辨识表1中与旋转轴B轴和C轴相关的5项PIGEs，设计了两种加工模式(加工圆弧面和加工矩形槽)来辨识这5项PIGEs，其中加工面U0和U2作为辨识方案的测量基准，通过圆弧面加工模式可辨识旋转轴B轴和C轴的几何误差EBOC、EXOB和ECOB；通过矩形槽加工模式可辨识旋转轴B轴和C轴的几何误差EAOB和EAOC。
在圆弧面加工模式中，成品工件的几何误差如图9所示，以S1,0为基准点，圆心点S1,1和S1,0理论上是重合的，但由于几何误差的影响，使其在X、Y和Z方向上出现了线性偏差和角度偏差。可结合式(2)成品工件几何误差的运动学关系推导得到：
为了对应不同工件坐标系中的测点数据，需要对空间误差模型做出旋转变换，WTT是工件相对于机床的HTM矩阵，即将B轴和C轴的转动角度代入式(2)，可得圆弧面在机测量下的线性位移、角度误差及几何误差关系式为：
其中，x、y与z分别表示为机床在加工与测量时机床线性轴X轴、Y轴和Z轴的运动量，表示其中一个圆弧面的圆心线为基准，另一个圆弧面拟合的圆心线相对于所述其中一个圆弧面拟合的圆心线在X轴方向上的实测距离与理论距离的差，/>表示其中一个圆弧面的圆心线为基准，另一个圆弧面拟合的圆心线相对于所述其中一个圆弧面拟合的圆心线在Y轴方向上的实测距离与理论距离的差，/>表示其中一个圆弧面的圆心线为基准，另一个圆弧面拟合的圆心线相对于所述其中一个圆弧面拟合的圆心线在Z轴方向上的实测距离与理论距离的差，/>表示在YZ平面中，以其中一个圆弧面拟合的圆心线为基准，另一个圆弧面拟合的圆心线相对于所述其中一个拟合的圆心线在X轴方向角度偏差，/>表示XZ平面中，以其中一个圆弧面拟合的圆心线为基准，另一个圆弧面拟合的圆心线相对于所述其中一个圆弧面拟合的圆心线在Y轴方向角度偏差，/>表示在XY平面中，以其中一个圆弧面拟合的圆心线为基准，另一个圆弧面拟合的圆心线相对于所述其中一个圆弧面拟合的圆心线在Z轴方向角度偏差，EAOB表示B轴轴线绕X轴方向的角度误差，ECOB表示B轴轴线绕Z轴方向的角度误差，EAOC表示C轴轴线绕X轴方向的角度误差，EXOB表示B轴轴线在X轴方向上的线性误差，EBOC表示C轴轴线绕Y轴方向的角度误差。
得到旋转轴B轴和C轴的几何误差EBOC、EXOB和ECOB辨识方程如式(4)所示：
式(3)中的线性偏移和/>可根据两点间的实测距离拟合得到。如图9(a)所示，在XY和YZ平面上，以S1,0为基准点，S1,1相对于S1,0在X、Y和Z轴上的实测距离分别为|S1,1-S1,0|X、|S1,1-S1,0|Y和|S1,1-S1,0|Z；依次类推，以S2,0…S5,0为基准点，可得在X、Y和Z轴上的实测距离分别为|S2,1-S2,0|X…|S5,1-S5,0|X、|S2,1-S2,0|Y…|S5,1-S5,0|Y和|S2,1-S2,0|Z…|S5,1-S5,0|Z；通过最小二乘法分别可得在X、Y和Z轴上的最佳拟合距离，记为|L1-L0|X、|L1-L0|Y和|L1-L0|Z。
式(3)中的角度偏差和/>可通过圆心点拟合的两圆心线所成的实测角度得到。如图9(c)所示，在YZ平面上，以L0为基准，L1相对于L0在X方向角度偏差为∠<L1L0>YZ，同理，如图9(a)和图9(b)中，在XY平面和XZ平面中，L1相对于L0在Z和Y方向上的角度偏差为∠<L1|L0>XY和∠<L1L0>XZ；
其中，x、y与z分别表示为机床在加工与测量时X轴、Y轴和Z轴的运动量。
∠<L1|L0>YZ表示在YZ平面上，以其中一个圆弧面拟合的圆心线L0为基准，另一个圆弧面拟合的圆心线L1相对于所述其中一个拟合的圆心线L0在X轴方向角度偏差，∠<L1|L0>XY表示在XZ平面上，以其中一个圆弧面拟合的圆心线L0为基准，另一个圆弧面拟合的圆心线L1相对于所述其中一个拟合的圆心线L0在Y轴方向角度偏差，|L1-L0|X表示其中一个圆弧面拟合的圆心线L0为基准，另一个圆弧面拟合的圆心线L1相对于所述其中一个拟合的圆心线L0在X轴上的最佳拟合距离，|L1-L0|Y表示其中一个圆弧面拟合的圆心线L0为基准，另一个圆弧面拟合的圆心线L1相对于所述其中一个拟合的圆心线L0在Y轴上的拟合距离。
在矩形槽加工模式中，成品工件的几何误差如图10所示。如图10(a)所示，根据最小二乘法对实测点进行拟合得到最佳拟合直线Y2和Y3，并将其分别投影到同一个YZ平面上，分别记为Y′2和Y′3。以投影线Y′2为基准，Y′2和Y′3在理论上是平行的，但由于几何误差的影响，使其在X轴方向上产生了角度偏差。可结合式(2)成品工件几何误差的运动学关系推导得到，矩形槽在机测量下的线性位移、角度误差及几何误差关系式为：
式(5)中角度偏差可根据两投影线所成的夹角得到。如图10(b)所示，将投影在YZ平面上的投影线Y′2和Y′3分别平移到平面的中心位置使其相交，以投影线Y′2为基准，投影线Y′3相对于Y′2在X方向角度偏差为∠<Y′3|Y′2>YZ；
其中，x、y与z分别表示为机床在加工与测量时机床线性轴X轴、Y轴和Z轴的运动量，表示其中一个矩形面的拟合直线为基准，另一个矩形面拟合的直线相对于所述其中一个矩形面拟合的直线在X轴方向上的实测距离与理论距离的差，/>表示其中一个矩形面的拟合直线为基准，另一个矩形面拟合的直线相对于所述其中一个矩形面拟合的直线在Y轴方向上的实测距离与理论距离的差，/>表示其中一个矩形面的拟合直线为基准，另一个矩形面拟合的直线相对于所述其中一个矩形面拟合的直线在Z轴方向上的实测距离与理论距离的差，/>表示两条拟合直线分别投影到YZ平面中，两条投影线所成的夹角，/>表示两条拟合直线分别投影到XZ平面中，两条投影线所成的夹角；/>表示两条拟合直线分别投影到XY平面中，两条投影线所成的夹角；
可得旋转轴B轴和C轴的几何误差EAOB的辨识方程如式(6)所示；
EAOB＝∠<Y′3|Y′2>YZ (6)
其中，∠<Y′3|Y′2>YZ表示将两条拟合直线投影在YZ平面上的投影线Y′2和Y′3分别平移到平面的中心位置使其相交，以投影线Y′2为基准，投影线Y′3相对于Y′2在X方向角度偏差；
将所得的几何误差EAOB代入式即可得旋转轴B轴和C轴的几何误差EAOC；
EAOC＝∠<L1|L0>YZ-∠<Y′3|Y′2>YZ (7)。
因此，可从成品工件的加工误差中辨识出机床旋转轴B轴和C轴的上述5项PIGEs。
实施例
本实验是在一台型号为JDEGR150的五轴数控机床进行特征工件的切削加工，来验证所提出的基于加工测试的五轴机床旋转轴几何误差辨识方法的有效性。在加工前首先对机床主轴进行30min预热，加工过程采用油性切削液。刀具采用直径10mm的硬质合金平底铣刀，在机测量系统使用Marposs VOP40测头，测头直径为2mm，重复精度为2μm，取长宽高为100×100×100mm3的立方块铝合金毛坯，毛坯底面打孔通过吊装工艺固定于五轴机床的工作台上，将预先编写好的程序和优化后的工艺参数输入到数控面板中，进行特征工件的铣削加工。
待工件加工完成后，对机床进行冷机，冷却至室温，然后通过机床的测量系统对成品工件进行在机测量，四个加工面的在机测量直接接连进行，以减少热对测量结果的影响，测量共得到54个测点数据，分别记为N0,1,1…N1,5,3，X1,2…X12,3；处理所得到的数据并结合所设计的两个模式辨识得到EBOC、EXOB、ECOB、EAOB和EAOC，如表2所示。
表2PIGEs的辨识结果
| 符号 | 误差值 |
| EBOC | 0.0001rad |
| EXOB | 0.091mm |
| ECOB | 0.00018rad |
| EAOB | 0.00012rad |
| EAOC | -0.00004rad |
最后对机床进行误差补偿，通过切削实验进行验证，补偿率达到80.2％。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。
Claims (7)
1.基于加工测试的五轴机床旋转轴几何误差辨识方法，其特征在于：所述方法包含以下步骤：
一、特征工件的设计：设计一个一定尺寸的特征工件，主体为立方体块，切除二个大小相同的圆弧面和二个大小相同的矩形槽；
二、特征工件的加工：在机床所有轴均静止且B轴和C轴都为0°的情况下将工件安装在工作台上，并将线性轴X、Y和Z调整至初始位置，在工件上分别加工出位于同一侧的两个相同的圆弧面和位于同一侧的两个相同的矩形槽，一对圆弧面和一对矩形槽各自切削过程中，线性轴的移动轨迹相同；
三、工件在机测量，特征工件加工完成后，对机床进行冷却至室温，利用机床的在机测量系统测得室温温度下工件的各个圆弧面和各个矩形槽的数据，将旋转轴B轴和C轴都回归到0°后保持静止，利用X轴、Y轴和Z运动，测得两个圆弧面各自的拟合圆心线，测得两个矩形槽中相同加工面的长度方向的拟合直线；
四、机床旋转轴几何误差辨识
首先，将步骤三检测得到的数据处理获得三个位置误差模型与三个方向误差模型；然后对获得的误差模型做旋转变换，将B轴和C轴的转动角度代入误差模型中；获得在B轴和C轴都为0°的情况下，基于圆弧面在机测量下的旋转轴的与位置无关的三个几何误差，以及基于矩形槽在机测量下的旋转轴的与位置无关的剩余两个几何误差，完成旋转轴几何误差辨识。
2.根据权利要求1所述一种基于加工测试的五轴机床旋转轴几何误差辨识方法，其特征在于：步骤二的圆弧面加工过程为：步骤1，工件的初始位置在C轴中心位置上，在旋转轴B轴和C轴都为0°的情况下，利用线性轴X、Y和Z的运动，由直立铣刀加工一定直径的圆弧面，作为该加工模式下的测量参考面，在测量参考面切削完成后，线性轴X、Y和Z回到初始位置；步骤2，B轴保持静止，转动C轴至90°，利用线性轴与步骤1相同的行程轨迹，进行第二次切削，加工一个与步骤1相同尺寸的圆弧面。
3.根据权利要求1所述一种基于加工测试的五轴机床旋转轴几何误差辨识方法，其特征在于：步骤二的矩形槽加工过程为：步骤1-1，首先将旋转轴B轴和C轴都回到0°，线性轴X、Y和Z轴都回到初始位置处，然后旋转轴C轴保持静止，转动B轴至90°，利用线性轴X、Y和Z轴的运动，由直立铣刀加工一个一定尺寸的矩形槽，作为该加工模式下的测量参考面，待切削完成后，线性轴X、Y和Z回到初始位置处；步骤1-2，随后旋转轴B轴保持静止，转动C轴至90°，利用与步骤2相同的线性轴行程轨迹进行第二次切削，加工一个与步骤1)相同尺寸的矩形槽。
4.根据权利要求1所述一种基于加工测试的五轴机床旋转轴几何误差辨识方法，其特征在于：步骤三的在机测量中，圆弧面的测量策略为：将旋转轴B轴和C轴都回归到0°后保持静止，对加工圆弧面进行在机测量，选取N组测点，在第1组测点中，机床的Z轴保持静止，只有X轴和Y轴移动到不同的测量位置，在第2至N组测点中，Z轴的移动距离均匀，且在每组测点测量的过程中，X轴和Y轴的移动轨迹和第1组测量时相同；矩形槽的测量策略为，将旋转轴B轴和C轴都为0°的情况下测量的，对加工侧面进行在机测量。
5.根据权利要求1所述一种基于加工测试的五轴机床旋转轴几何误差辨识方法，其特征在于：步骤四中将步骤三检测得到的数据处理获得三个位置误差模型与三个方向误差模型：
其中，PX表示刀具切削工件的实际切削点相对理想切削点在X方向上的位置误差，PX表示刀具切削工件的实际切削点相对理想切削点在Y方向上的位置误差，PZ表示刀具切削工件的实际切削点相对理想切削点在Z方向上的位置误差，OX表示刀具切削工件的实际切削点相对理想切削点在X方向上的方向误差，OY表示刀具切削工件的实际切削点相对理想切削点在Y方向上的位置误差，OZ表示刀具切削工件的实际切削点相对理想切削点在Z方向上的位置误差，x、y与z分别表示为机床在加工与测量时机床线性轴X轴、Y轴和Z轴的运动量，b与c分别表示机床在加工与测量时B轴和C轴所转动的角度。
6.根据权利要求1所述一种基于加工测试的五轴机床旋转轴几何误差辨识方法，其特征在于：步骤四中基于圆弧面在机测量下的线性位移、角度误差及几何误差关系式为：
其中，x、y与z分别表示为机床在加工与测量时机床线性轴X轴、Y轴和Z轴的运动量，表示其中一个圆弧面的圆心线为基准，另一个圆弧面拟合的圆心线相对于所述其中一个圆弧面拟合的圆心线在X轴方向上的实测距离与理论距离的差，/>表示其中一个圆弧面的圆心线为基准，另一个圆弧面拟合的圆心线相对于所述其中一个圆弧面拟合的圆心线在Y轴方向上的实测距离与理论距离的差，/>表示其中一个圆弧面的圆心线为基准，另一个圆弧面拟合的圆心线相对于所述其中一个圆弧面拟合的圆心线在Z轴方向上的实测距离与理论距离的差，/>表示在YZ平面中，以其中一个圆弧面拟合的圆心线为基准，另一个圆弧面拟合的圆心线相对于所述其中一个拟合的圆心线在X轴方向角度偏差，/>表示XZ平面中，以其中一个圆弧面拟合的圆心线为基准，另一个圆弧面拟合的圆心线相对于所述其中一个圆弧面拟合的圆心线在Y轴方向角度偏差，/>表示在XY平面中，以其中一个圆弧面拟合的圆心线为基准，另一个圆弧面拟合的圆心线相对于所述其中一个圆弧面拟合的圆心线在Z轴方向角度偏差，EAOB表示B轴轴线绕X轴方向的角度误差，ECOB表示B轴轴线绕Z轴方向的角度误差，EAOC表示C轴轴线绕X轴方向的角度误差，EXOB表示B轴轴线在X轴方向上的线性误差，EBOC表示C轴轴线绕Y轴方向的角度误差；
得到旋转轴B轴和C轴的几何误差EBOC、EXOB和ECOB辨识方程如式(4)所示：
其中，x、y与z分别表示为机床在加工与测量时X轴、Y轴和Z轴的运动量，
∠<L1|L0>YZ表示在YZ平面上，以其中一个圆弧面拟合的圆心线L0为基准，另一个圆弧面拟合的圆心线L1相对于所述其中一个拟合的圆心线L0在X轴方向角度偏差，∠<L1|L0>XY表示在XZ平面上，以其中一个圆弧面拟合的圆心线L0为基准，另一个圆弧面拟合的圆心线L1相对于所述其中一个拟合的圆心线L0在Y轴方向角度偏差，|L1-L0|X表示其中一个圆弧面拟合的圆心线L0为基准，另一个圆弧面拟合的圆心线L1相对于所述其中一个拟合的圆心线L0在X轴上的最佳拟合距离，|L1-L0|Y表示其中一个圆弧面拟合的圆心线L0为基准，另一个圆弧面拟合的圆心线L1相对于所述其中一个拟合的圆心线L0在Y轴上的拟合距离。
7.根据权利要求1或6所述一种基于加工测试的五轴机床旋转轴几何误差辨识方法，其特征在于：步骤四中基于矩形槽在机测量下的线性位移、角度误差及几何误差关系式为：
其中，x、y与z分别表示为机床在加工与测量时机床线性轴X轴、Y轴和Z轴的运动量，
表示其中一个矩形面的拟合直线为基准，另一个矩形面拟合的直线相对于所述其中一个矩形面拟合的直线在X轴方向上的实测距离与理论距离的差，/>表示其中一个矩形面的拟合直线为基准，另一个矩形面拟合的直线相对于所述其中一个矩形面拟合的直线在Y轴方向上的实测距离与理论距离的差，/>表示其中一个矩形面的拟合直线为基准，另一个矩形面拟合的直线相对于所述其中一个矩形面拟合的直线在Z轴方向上的实测距离与理论距离的差，/>表示两条拟合直线分别投影到YZ平面中，两条投影线所成的夹角，/>表示两条拟合直线分别投影到XZ平面中，两条投影线所成的夹角；/>表示两条拟合直线分别投影到XY平面中，两条投影线所成的夹角；
可得旋转轴B轴和C轴的几何误差EAOB的辨识方程如式(6)所示；
EAOB＝∠<Y′3|Y′2>YZ (6)
其中，∠<Y′3|Y′2>YZ表示将两条拟合直线投影在YZ平面上的投影线Y′2和Y′3分别平移到平面的中心位置使其相交，以投影线Y2′为基准，投影线Y3′相对于Y2′在X方向角度偏差；
将所得的几何误差EAOB代入式即可得旋转轴B轴和C轴的几何误差EAOC；
EAOC＝∠<L1|L0>YZ-∠<Y3′|Y′2>YZ (7)。
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| CN117020754A (zh) * | 2023-10-08 | 2023-11-10 | 成都飞机工业（集团）有限责任公司 | 一种柔性生产线数控加工中心几何精度检测工具及方法 |
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| CN117020754B (zh) * | 2023-10-08 | 2024-02-23 | 成都飞机工业（集团）有限责任公司 | 一种柔性生产线数控加工中心几何精度检测工具及方法 |
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