CN117862958A - 超精密五轴车床y轴垂直度误差检测试件及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超精密五轴车床Y轴垂直度误差检测试件及其检测方法，其中检测试件包括基座和设于所述基座上表面中心处的圆柱，所述基座呈正多边形，所述圆柱的上端面设置有一个圆锥孔和十二个圆形加工点位，所述圆柱的中心轴与所述基座的中心轴同轴，所述圆锥孔的中心轴与所述基座的中心轴同轴，所述十二个圆形加工点位的中心轴与所述基座的中心轴同轴。该检测试件构型简单且能够正确反映超精密五轴车床Y轴垂直度误差，相比较现有的激光干涉仪等对车床进行直接测量的技术，检测方法简便，检测精度高，可以更真实地反映车床加工状态下垂直度误差对工件加工造成的影响。

Description

超精密五轴车床Y轴垂直度误差检测试件及其检测方法

技术领域

本发明涉及超精密数控车床技术领域，具体涉及一种超精密五轴车床Y轴垂直度误差检测试件及其检测方法。

背景技术

超精密车床主要应用于航空航天关键制造装备、船用曲轴加工、光学镜头组等高精度元件的加工制造，超精密车床的加工误差直接影响零件的加工精度，通过对车床的误差分析可以确定加工误差产生的原因，对提升零件加工精度具有重要意义。垂直度误差是车床几何误差项中的重要组成部分，通常被视为平动轴转角误差而被引入到零件加工当中，随着平动轴加工行程的变化，从而对加工造成影响。

现有垂直度误差的检测主要采用激光干涉仪等仪器直接对车床进行检测的方法，检测过程为非切削状态下的检测，不能真实地反映加工精度，且检测精度主要取决于仪器精度，现有仪器很难检测亚微米级垂直度误差，因此基于仪器检测方法很难满足超精密车床误差检测。

对于通过加工试件检测车床几何误差的方法，目前已有的标准检测试件如美国国家航天局70年代制定的NAS979试件和中国成都飞机工业(集团)有限责任公司制定的“S”型试件。由于试件形状及加工特点，上述试件主要面向铣床的精度检测，并不能很好地适用于车床的垂直度误差检测当中。另外，NAS979试件和S试件的检测项目的准确性也达不到超精密检测级别。因此，已有的检测试件不适用于超精密五轴车床垂直度误差检测。

发明内容

本发明目的在于：为了更好地检测超精密五轴车床Y轴垂直度误差，提供一种超精密五轴车床Y轴垂直度误差检测试件及其检测方法，该检测试件构型简单且能够正确反映超精密五轴车床Y轴垂直度误差，且检测方法简便，检测精度高，可以更真实地反映车床加工状态下垂直度误差对工件加工造成的影响。

本发明通过下述技术方案实现：

第一方面，本发明提供了一种超精密五轴车床Y轴垂直度误差检测试件，包括基座和设于所述基座上表面中心处的圆柱，所述基座呈正多边形，所述圆柱的上端面设置有一个圆锥孔和十二个圆形加工点位，所述圆柱的中心轴与所述基座的中心轴同轴，所述圆锥孔的中心轴与所述基座的中心轴同轴，所述十二个圆形加工点位的中心轴与所述基座的中心轴同轴。

在上述方案中，通过设置正多边形基座和圆柱，并在圆柱端面上形成十二个圆形加工点位，由于Y轴垂直度误差的存在，当Y轴高度产生变化时，工件产生X方向的偏移，进而导致加工半径出现误差，因此可以通过对试件加工圆进行检测以考查Y轴垂直度误差对车床加工精度的影响，该检测试件构型简单且能够正确反映超精密五轴车床Y轴垂直度误差，相比较现有的激光干涉仪等对车床进行直接测量的技术，检测方法简便，检测精度高，可以更真实地反映车床加工状态下垂直度误差对工件加工造成的影响。

在一些实施例中，所述十二个圆形加工点位的直径分布在50-120mm之间。

在一些实施例中，所述十二个圆形加工点位分为三组，每组四个圆，每组中的相邻圆之间的直径差值为0.1-2mm。

在一些实施例中，所述基座的厚度为10-30mm。

在一些实施例中，所述基座的各边长为60-80mm。

在一些实施例中，所述圆柱的高度为50-70mm。

在一些实施例中，所述圆柱的直径为100-120mm。

在一些实施例中，所述圆锥孔的口部直径为1mm，深度为1mm。

在一些实施例中，所述基座呈正六边形。

第二方面，本发明提供了一种使用第一方面所述的超精密五轴车床Y轴垂直度误差检测试件的检测方法，包括以下步骤：

步骤一、结合车床平动轴运动性质，根据平动轴垂直度误差几何定义分析Y轴垂直度误差对加工的影响；

步骤二、建立Y轴垂直度误差影响下的加工半径公式，表现形式为：

其中，re表示实际加工半径，S_xy表示Y轴相较于X轴的垂直度误差，drx表示X方向的对刀误差，dry表示Y方向的对刀误差，y₀表示C轴相较于床身的初始高度，x_m表示车床X轴控制坐标，y_m表示车床Y轴控制坐标；

步骤三、对加工半径公式进行变形与简化

-2·x_m·y_m·S_xy-2·x_m·drx-2·y_m·dry＝(2*ri+dr)*dr

其中，x_m、y_m、S_xyy、drx、dry与步骤二定义相同，ri表示理论加工半径，其值等于dr表示实际加工半径与理论加工半径之差；

步骤四、建立垂直度误差与加工半径的计算矩阵，表现形式为：

其中，x_mn为加工第n个圆时的车床X轴控制坐标，y_mn为加工第n个圆时的车床Y轴控制坐标，ri_n为第n个圆的理论加工半径，为第n个圆的实际加工半径与理论加工半径之差；

步骤五、将工件安装在车床C轴上，正多边形基座的一侧面与X轴平行，并完成对刀，车床X、Y轴置零；

步骤六、将Y轴置零、X轴运动到第一组第一个加工圆的特定坐标处，固定X、Y轴坐标，转动C轴，完成第一个圆的加工，并以此为参考圆；

步骤七、将X、Y轴移动到第一组其他特定的加工坐标，进给Z轴并转动C轴，依次加工该组后三个圆；

步骤八、重复步骤六、七完成后两组圆的加工；

步骤九、对每组的各加工圆之间的距离进行测量，以此计算三个圆的实际加工半径，并计算出车床Y轴沿X轴的垂直度误差S_xy，与本次加工存在的对刀误差drx、dry。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明能够检测超精密五轴车床Y轴垂直度误差，相比较现有的激光干涉仪等对车床进行直接测量的技术，通过加工工件可以更真实地反映车床加工状态下垂直度误差对工件加工造成的影响；

2、相较于现有的NAS979试件与“S”形检验试件，本发明更适用于车床检测当中；

3、本发明结构简易，便于推广应用，且测量结果直观可靠；

4、本发明型面特性简单，可灵活组合至其他工件的加工当中，具有很好地扩展性；

5、本发明对计算进行了优化，以两圆间距作为测量因素，可完成在较低测量仪器精度下的较高精度结果输出；

6、本发明在检测超精密五轴车床Y轴垂直度误差的同时，还可检测出本次加工中的对刀误差，以便后续分析。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：

图1是本发明中的检测试件的结构立体图；

图2是本发明中的检测试件的正视图；

图3是本发明的加工点位与加工圆示意图；

图4是某超精密五轴车床的结构示意图；

图5是本发明Y轴垂直度误差对加工半径的影响示意图；

图6是本发明圆形加工半径的加工误差曲线图；

图7是本发明的垂直度误差曲线图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-基座，2-圆柱，3-圆形加工点位，4-车床，41-床身，42-X轴，43-Y轴，44-Z轴，45-C轴，46-B轴，47-刀具。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

在本申请实施例的描述中，技术术语“第一”“第二”等仅用于区别不同对象，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量、特定顺序或主次关系。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

在本申请实施例的描述中，术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如A和/或B，可以表示：存在A，同时存在A和B，存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

在本申请的实施例中，相同的附图标记表示相同的部件，并且为了简洁，在不同实施例中，省略对相同部件的详细说明。应理解，附图示出的本申请实施例中的各种部件的厚度、长宽等尺寸，以及集成装置的整体厚度、长宽等尺寸仅为示例性说明，而不应对本申请构成任何限定。

在本申请实施例的描述中，术语“多个”指的是两个以上(包括两个)，同理，“多组”指的是两组以上(包括两组)，“多片”指的是两片以上(包括两片)，除非另有明确具体的限定。

在本申请实施例的描述中，技术术语“中心”“纵向”“横向”“长度”“宽度”“厚度”“上”“下”“前”“后”“左”“右”“竖直”“水平”“顶”“底”“内”“外”“顺时针”“逆时针”“轴向”“径向”“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。

在本申请实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，技术术语“安装”“相连”“连接”“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；也可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

实施例1

请参照图1-图3，本申请实施例中提供的一种超精密五轴车床Y轴垂直度误差检测试件，包括基座1和设于所述基座1上表面中心处的圆柱2，所述基座1呈正六边形，所述圆柱2的上端面设置有一个圆锥孔和十二个圆形加工点位3，所述圆柱2的中心轴与所述基座1的中心轴同轴，所述圆锥孔的中心轴与所述基座1的中心轴同轴，所述十二个圆形加工点位3的中心轴与所述基座1的中心轴同轴。

通过设置正多边形基座和圆柱，并在圆柱端面上形成十二个圆形加工点位，由于Y轴垂直度误差的存在，当Y轴高度产生变化时，工件产生X方向的偏移，进而导致加工半径出现误差，因此可以通过对试件加工圆进行检测以考查Y轴垂直度误差对车床加工精度的影响，该检测试件构型简单且能够正确反映超精密五轴车床Y轴垂直度误差，相比较现有的激光干涉仪等对车床进行直接测量的技术，检测方法简便，检测精度高，可以更真实地反映车床加工状态下垂直度误差对工件加工造成的影响。

根据本申请的一些实施例，所述十二个圆形加工点位3的直径分布在50-120mm之间。

根据本申请的一些实施例，所述十二个圆形加工点位3分为三组，每组四个圆，每组中的相邻圆之间的直径差值为0.1-2mm。

根据本申请的一些实施例，所述基座1的厚度为10-30mm。

根据本申请的一些实施例，所述基座1的各边长为60-80mm。由于基座1呈正多边形、且具有一定厚度的板状构造，此处的边长是指基座投影所形成的正多边形的边长。

根据本申请的一些实施例，所述圆柱2的高度为50-70mm。

根据本申请的一些实施例，所述圆柱2的直径为100-120mm。

根据本申请的一些实施例，所述圆锥孔的口部直径为1mm，深度为1mm，圆锥孔顶面与圆柱2上端面重合。圆锥孔位于圆柱2上端面中心位置，且位于十二个圆形加工点位3的内侧。

实施例2

请参照图4-图7，本申请实施例中提供的一种超精密五轴车床Y轴垂直度误差检测方法，使用实施例1所述的超精密五轴车床Y轴垂直度误差检测试件。该检测试件中六边形基座1的厚度为10mm，圆柱2的高度为60mm。六边形基座1的各边长80mm，圆柱2的直径为120mm，圆锥孔的口部直径为1mm，深度为1mm，圆锥孔顶面与圆柱上端面重合。十二个圆形加工点位3刀尖坐标具体情况如下表所示：

具体的，该超精密五轴车床Y轴垂直度误差检测方法，包括以下步骤：

步骤一、结合车床平动轴运动性质，根据平动轴垂直度误差几何定义分析Y轴垂直度误差对加工的影响。以图4中所示车床为例，该车床4包括床身41、X轴42、Y轴43、Z轴44、C轴45、B轴46和刀具47等。由于Y轴垂直度误差的存在，当Y轴高度产生变化时，工件产生X方向的偏移，进而导致加工半径出现误差。因此，可以通过对试件加工圆进行检测以考查Y轴垂直度误差对车床加工精度的影响。Y轴沿X轴的垂直度误差对Y轴的影响是使得实际刀尖点运动轴线与Y轴轴线不平行，改变了Y轴的运动方向，使之沿X轴发生偏移。图5所示为Y轴垂直度误差对刀尖点位置产生的影响。

步骤二、建立Y轴垂直度误差影响下的加工半径公式，表现形式为：

其中，re表示实际加工半径，S_xy表示Y轴相较于X轴的垂直度误差，drx表示X方向的对刀误差，dry表示Y方向的对刀误差，y₀表示C轴相较于床身的初始高度，x_m表示车床X轴控制坐标，y_m表示车床Y轴控制坐标。

步骤三、对加工半径公式进行变形与简化

-2·x_m·y_m·S_xy-2·x_m·drx-2·y_m·dry＝(2*ri+dr)*dr

其中，x_m、y_m、S_xy、drx、dry与步骤二定义相同，ri表示理论加工半径，其值等于dr表示实际加工半径与理论加工半径之差。

步骤四、建立垂直度误差与加工半径的计算矩阵，表现形式为：

其中，x_mn为加工第n个圆时的车床X轴控制坐标，y_mn为加工第n个圆时的车床Y轴控制坐标，ri_n为第n个圆的理论加工半径，为第n个圆的实际加工半径与理论加工半径之差。

步骤五、将工件安装在车床C轴上，六边形基座的一侧面与X轴平行，并完成对刀，车床X、Y轴置零。

步骤六、将Y轴置零、X轴运动到第一组第一个加工圆的特定坐标处，固定X、Y轴坐标，转动C轴，完成第一个圆的加工，并以此为参考圆。

步骤七、将X、Y轴移动到第一组其他特定的加工坐标，进给Z轴并转动C轴，依次加工该组后三个圆。

步骤八、重复步骤六、七完成后两组圆的加工。

步骤九、利用光学显微镜等对每组的各加工圆之间的距离进行测量，以此计算三个圆的实际加工半径。根据光学显微镜的检测结果，将结果带入垂直度误差模型当中，计算出车床Y轴沿X轴的垂直度误差S_xy，与本次加工存在的对刀误差drx、dry，并将结果进行对比验证。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超精密五轴车床Y轴垂直度误差检测试件，其特征在于，包括基座和设于所述基座上表面中心处的圆柱，所述基座呈正多边形，所述圆柱的上端面设置有一个圆锥孔和十二个圆形加工点位，所述圆柱的中心轴与所述基座的中心轴同轴，所述圆锥孔的中心轴与所述基座的中心轴同轴，所述十二个圆形加工点位的中心轴与所述基座的中心轴同轴。

2.根据权利要求1所述的超精密五轴车床Y轴垂直度误差检测试件，其特征在于，所述十二个圆形加工点位的直径分布在50-120mm之间。

3.根据权利要求2所述的超精密五轴车床Y轴垂直度误差检测试件，其特征在于，所述十二个圆形加工点位分为三组，每组四个圆，每组中的相邻圆之间的直径差值为0.1-2mm。

4.根据权利要求1所述的超精密五轴车床Y轴垂直度误差检测试件，其特征在于，所述基座的厚度为10-30mm。

5.根据权利要求4所述的超精密五轴车床Y轴垂直度误差检测试件，其特征在于，所述基座的各边长为60-80mm。

6.根据权利要求1所述的超精密五轴车床Y轴垂直度误差检测试件，其特征在于，所述圆柱的高度为50-70mm。

7.根据权利要求6所述的超精密五轴车床Y轴垂直度误差检测试件，其特征在于，所述圆柱的直径为100-120mm。

8.根据权利要求1所述的超精密五轴车床Y轴垂直度误差检测试件，其特征在于，所述圆锥孔的口部直径为1mm，深度为1mm。

9.根据权利要求1所述的超精密五轴车床Y轴垂直度误差检测试件，其特征在于，所述基座呈正六边形。

10.一种使用权利要求1所述的超精密五轴车床Y轴垂直度误差检测试件的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、结合车床平动轴运动性质，根据平动轴垂直度误差几何定义分析Y轴垂直度误差对加工的影响；

步骤二、建立Y轴垂直度误差影响下的加工半径公式，表现形式为：

其中，re表示实际加工半径，S_xy表示Y轴相较于X轴的垂直度误差，drx表示X方向的对刀误差，dry表示Y方向的对刀误差，y₀表示C轴相较于床身的初始高度，x_m表示车床X轴控制坐标，y_m表示车床Y轴控制坐标；

步骤三、对加工半径公式进行变形与简化

-2·x_m·y_m·S_xy-2·x_m·drx-2·y_m·dry＝(2*ri+dr)*dr

其中，x_m、y_m、S_xy、drx、dry与步骤二定义相同，ri表示理论加工半径，其值等于dr表示实际加工半径与理论加工半径之差；

步骤四、建立垂直度误差与加工半径的计算矩阵，表现形式为：

其中，x_mn为加工第n个圆时的车床X轴控制坐标，y_mn为加工第n个圆时的车床Y轴控制坐标，ri_n为第n个圆的理论加工半径，为第n个圆的实际加工半径与理论加工半径之差；

步骤五、将工件安装在车床C轴上，正多边形基座的一侧面与X轴平行，并完成对刀，车床X、Y轴置零；

步骤六、将Y轴置零、X轴运动到第一组第一个加工圆的特定坐标处，固定X、Y轴坐标，转动C轴，完成第一个圆的加工，并以此为参考圆；

步骤七、将X、Y轴移动到第一组其他特定的加工坐标，进给Z轴并转动C轴，依次加工该组后三个圆；

步骤八、重复步骤六、七完成后两组圆的加工；

步骤九、对每组的各加工圆之间的距离进行测量，以此计算三个圆的实际加工半径，并计算出车床Y轴沿X轴的垂直度误差S_xy，与本次加工存在的对刀误差drx、dry。