CN105643362A - 一种基于AxiSet的五轴机床测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于数控技术领域，具体说是一种基于AxiSet的五轴机床测量方法的设计。本发明根据五轴机床的运动学模型，确定五轴机床的结构误差对刀位点的影响，建立五轴机床运动学误差模型；分析误差模型，确定机床的误差项的来源；分析三类机床的模型特点，确定各机床的测量方案；根据使用AxiSet^TMCheck-up组件中的硬件设备，使用触发式探头对标准球进行数据采集；将采集数据代入误差模型，计算出的误差项后，对机床的运动学模型进行修正；本发明不仅可以提高现有数控机床的加工精度，而且为以后多轴机床的测量提供了测量基础。

Description

一种基于AxiSet的五轴机床测量方法

技术领域

本发明属于数控技术领域，具体的说是一种基于AxiSet的五轴机床测量方法。

背景技术

众所周知，机床装配制造过程中存在着机床初始误差，而且机床长时间、高负载的运行，会造成机床相关部件的磨损，导致实际参数和理论参数之间存在着一定的偏差。具体反映到运动学上就是机床存在着一定的平移误差和旋转误差，使得旋转轴和主轴偏离本来的位置，从而在使用机床进行加工时，影响加工工件的精度。

许多设备可用于测量五轴机床的结构误差，如千分表和测试棒、双球杆等。千分表和测试棒适用于刀具旋转型机床，对于混合型和工作台旋转型机床则不利于控制，而且是人工测量，费时且效率低。双球杆仪也可被用来测量机床误差，测量时每两轴联动，因此对多轴机床的完全测量需要多次联动。激光干涉仪可对多轴机床快速精确的测量，但是价格高昂。而相对较便宜的AxiSet^TMCheck-up组件可在三维空间内精确测量，高效省时且对三类五轴机床都适用，只是它的测量宏程序仅对多轴机床进行快速精确的状态检查，没有提供误差补偿功能。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种基于AxiSet的五轴机床测量方法，根据测量数据和五轴运动学误差模型计算机床结构误差，从而实现对机床结构参数的标定。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是一种基于AxiSet的五轴机床测量方法，其主要步骤有：

建立五轴机床的运动学模型和误差模型，确定五轴机床的四项结构误差，即，两个旋转轴轴向误差以及与两个旋转轴相关的刀具坐标系到旋转轴的位置偏移误差；

确定测量方案：将AxiSet^TMCheck-up组件安装在数控机床上，通过触发式测头标定标准球的球心；

根据机床误差模型，计算五轴机床的四项结构误差；

将计算出的四项结构误差代入到运动学模型中，对运动学模型进行修正，从而实现对五轴机床的误差补偿。

本发明具有以下优点及有益效果：

1.实用性。相较于多种测量工具，比如千分表和测试棒适用于刀具旋转型机床，对于混合型和工作台旋转型机床则不利于控制，费时且效率低。双球杆仪测量时每两轴联动，因此对多轴机床的完全测量需要多次联动。激光干涉仪价格高昂。AxiSet^TMCheck-up组件相对较便宜，可在三维空间内精确测量，对各类五轴机床都适用。

2.高效性。对五轴机床的测量，一般分为单项误差直接测量法和综合误差测量参数法。直接测量法直接测量影响机床精度的主要零件，需要分步测量，要求专业的技术人员，测量时间较长。AxiSet工具使用综合误差测量参数法，能够直接测量五轴机床的整体位置误差，从而缩短了获取测量值的时间，提高了测量速度。

3.通用性。所采用的测量方法对建立的各类误差模型具有较好的一致性，通过对五轴运动误差的补偿不仅可以提高现有数控机床的加工精度，而且为以后多轴机床的测量提供了统一的测量基础。

附图说明

图1为工作台旋转型机床结构误差示意图；

图2为混合型机床结构误差示意图；

图3为刀具旋转型结构误差示意图；

图4为AxiSet测量标准球球心位置示意图；

图5为循环测量流程图。

具体实施方式

一种基于AxiSet的五轴机床测量方法，主要过程有：建立五轴机床的运动学模型和误差模型，确定五轴机床的四项结构误差，即，两个旋转轴轴向误差以及与两个旋转轴相关的刀具坐标系到旋转轴的位置偏移误差；确定测量方案：将AxiSet^TMCheck-up组件安装在数控机床上，通过触发式测头标定标准球的球心；根据机床误差模型，计算五轴机床的四项结构误差；将计算出的四项结构误差代入到运动学模型中，对运动学模型进行修正，从而实现对五轴机床的误差补偿。

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

所述的建立五轴机床运动学模型和误差模型是指：按照图1，图2，图3所示的三种机床分别建立对应的运动学模型。图1描述了工作台旋转型机床坐标系的结构，其中工作台上的第一、第二旋转轴定义为N_s1，N_s2，分别绕X、Y、Z中任意两轴旋转，旋转角度为φ_s1、φ_s2，则^wA_t可表示为：

^wA_t＝Trans(L_ws2)Rot(N_s2,-φ_s2)Trans(L_s2s1)Rot(N_s1,-φ_s1)Trans(X₀,Y₀,Z₀)(1)

其中的工件坐标系w到N_s1轴的距离偏移矢量表示为L_ws2，两旋转轴之间的距离偏移矢量表示为L_s2s1。

图2描述了混合型机床坐标系的结构，其中工件端上的第一转轴定义为N_s1，主轴端第二旋转轴定义为N_s2，分别绕X、Y、Z中任意两轴旋转，旋转角度为φ_s1、φ_s2，则^wA_t可表示为：

^wA_t＝Trans(L_ws1)Rot(N_s1,-φ_s1)Trans(X₀,Y₀,Z₀)Rot(N_s2,φ_s2)Trans(L_s2t)(2)

其中的工件坐标系w到N_s1的距离偏移矢量表示为L_ws1，N_s2与主轴端点之间的距离偏移矢量表示为L_s2t。

图3描述了刀具旋转型机床坐标系的结构，主轴端上的第一、第二旋转轴为N_s1，N_s2，分别绕X、Y、Z中任意两轴旋转，旋转角度为φ_s1、φ_s2，则^wA_t可表示为：

^wA_t＝Trans(X₀,Y₀,Z₀)Rot(N_s1,φ_s1)Trans(L_s1s2)Rot(N_s2,φ_s2)Trans(L_s2t)(3)

其中两旋转轴之间的偏移矢量表示为L_s1s2，N_s2与主轴端点之间的距离偏移矢量表示为L_s2t。

将AxiSet^TMCheck-up组件中的标准球和触发式测头分别固定在工作台和主轴刀具卡座上。使用触发式测头对标准球进行三次接触式采集，根据球面三点和球半径可以确定标准球的球心位置；驱动机床绕某一个轴转动，重复上述过程三次。根据采集到的三个球心点可以确定出一个平面，该平面的法向量即为机床的旋转轴。

所述的测量方案是指，将AxiSet^TMCheck-up组件中的标准球和触发式测头分别固定在工作台和主轴刀具卡座上。由于所有测头在使用前或者安装新的测针后都必须经过标定，将主轴测头定位到标准球上方某个使测头能安全无碰撞地开始向下移动或绕行的位置，沿与轴平行的直线轨迹逼近球心为坐标，得到球体表面的三个位置，如图4所示，这三个位置产生的球面位置应形成一个尽可能大的三角形，若形成的三角形过小，可能会导致计算结果不够精确。标定结束后，测头回到标准球中心上方，经过标定后可确定标准球的球心坐标为O_b(O_b.x,O_b.y,O_b.z)。

将测针定位到参考点r，第一旋转轴旋转角度α_i(i＝1,2,3)，保持第二旋转轴角度φ_s2不变，测针逼近标准球球心，线性轴进给为P_i(X_i,Y_i,Z_i)，测得标准球表面位置为Q_i(Q_i.x,Q_i.y,Q_i.z)，以CA旋转轴为例Q_i可表示为：

$\left[\begin{array}{c}{Q}_{i.x}\\ Q_{i.y}\\ Q_{i.z}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{O}_{b.x}+R\cos {\mathrm{\φ}}_{s2}\cos {\mathrm{\α}}_i\\ O_{b.y}+R\cos {\mathrm{\φ}}_{s2}\sin {\mathrm{\α}}_i\\ O_{b.z}+R\sin {\mathrm{\φ}}_{s2}\end{array}\right]$

带入机床结构误差模型，得

$\left[\begin{array}{c}Q\\ 1\end{array}\right]=\mathrm{Trans}(X_i,Y_i,Z_i)\mathrm{Rot}(N_{s1},{\mathrm{\α}}_i)\mathrm{Trans}\left(L_{s1s2}\right)\mathrm{Rot}(N_{s2},{\mathrm{\φ}}_{s2})\mathrm{Trans}\left(L_{s2t}\right)\left[\begin{array}{c}r\\ 1\end{array}\right],i=\mathrm{1,2,3}---\left(4\right)$

记 $\mathrm{Trans}{(X_i,Y_i,Z_i)}^{-1}\left[\begin{array}{c}Q\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\μ}}_i\\ 1\end{array}\right],$ Trans(L_s1s2)Rot(N_s2,φ_s2)Trans(L_s2t)虽然是未知量但是值是固定的，因此可看作μ_i只与N_s1有关，则μ₁、μ₂、μ₃位于绕N_s1旋转的圆周上，通过向量差乘可得第一旋转轴轴向N_s1。

将测针定位到参考点r，保持第一旋转轴角度φ_s1不变，第二旋转轴旋转角度β_i(i＝1,2,3)，测针逼近标准球球心，线性轴进给为P_i'(X_i,Y_i,Z_i)，测得标准球表面位置为Q_i'(Q'_i.x,Q'_i.y,Q'_i.z)，以CA旋转轴为例Q_i'可表示为：

$\left[\begin{array}{c}{Q^{\′}}_{i.x}\\ {Q^{\′}}_{i.y}\\ {Q^{\′}}_{i.z}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{O}_{b.x}+R\cos {\mathrm{\φ}}_{s1}\cos {\mathrm{\α}}_i\\ O_{b.y}+R\cos {\mathrm{\φ}}_{s1}\sin {\mathrm{\β}}_i\\ O_{b.z}+R\sin {\mathrm{\φ}}_{s1}\end{array}\right]$

带入机床结构误差模型，得

$\left[\begin{array}{c}{Q}_j^{\′}\\ 1\end{array}\right]=\mathrm{Trans}({X_i}^{\′},{Y_i}^{\′},{Z_i}^{\′})\mathrm{Rot}(N_{s1},{\mathrm{\φ}}_{s1})\mathrm{Trans}\left(L_{s1s2}\right)\mathrm{Rot}(N_{s2},{\mathrm{\β}}_j)\mathrm{Trans}\left(L_{s2t}\right)\left[\begin{array}{c}r\\ 1\end{array}\right],i=\mathrm{1,2,3}---\left(5\right)$

记 $\mathrm{Trans}{({X_i}^{\′},{Y_i}^{\′},{Z_i}^{\′})}^{-1}\left[\begin{array}{c}{Q}_j^{\′}\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{v}_i\\ 1\end{array}\right],$ 根据式(2)分析，v₁,v₂,v₃位于绕N_s2旋转的圆周上，通过向量差乘可得第二旋转轴轴向N_s2。

取每次测量的任意两组五轴进给数据带入带入式(1)中，得到与L_s1s2、L_s2t有关的第一个表达式:

(R₁-R₂)^-1(P₂-P₁)＝R_s2r+R_s2L_s2t+L_s1s2(6)

若Q＝Q'，取测量N_s1的一组数据与测量N_s2的一组数据带入式(1)中，得到与L_s1s2、L_s2t有关的第二个表达式:

(R₁+R_s1)^-1(P₁'+P₁)＝R₁'r+R₁'L_s2t+L_s1s2(7)

其中R₁,R₂与α₁,α₂有关，R_s2与有关，P₁,P₂与直线轴进给有关，R_s1与有关，R₁'与β₁有关，P₁'与直线轴进给有关。联立(6)、(7)解方程组即可求得L_s2t,L_s1s2。其他结构类型的机床也可以由同样的方式进行计算。

如图5所示，若测量程序能够读取生成逼近测量点的运行方案，可实现将自动测量功能集成到测量程序中。在实际测量中可能会存在较大测量误差，使用公差验证测量结果是否在一个可接受范围内，一次测量完成后，计算机床各误差项的值，若误差err没有通过公差检验，则认为此次测量误差较大，不计入结果，重新测量，无效测量次数e超过给定值E时，停止测量并报警。为了增加精度，可循环多次测量，计算结果求平均值。循环测量可作为解决特定测量任务的通用子程序，通过参数根据具体问题加以调整。

Claims (4)

1.一种基于AxiSet的五轴机床测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立五轴机床的运动学模型和误差模型，确定五轴机床的四项结构误差，即，两个旋转轴轴向误差以及与两个旋转轴相关的刀具坐标系到旋转轴的位置偏移误差；

确定测量：将AxiSet^TMCheck-up组件安装在数控机床上，通过触发式测头标定标准球的球心；

根据机床误差模型，计算五轴机床的四项结构误差；

将计算出的四项结构误差代入到运动学模型中，对运动学模型进行修正，从而实现对五轴机床的误差补偿。

2.根据权利要求1所述的一种基于AxiSet的五轴机床测量方法，其特征在于，当五轴机床为工作台旋转型机床时，所述运动学模型为：

^wA_t＝Trans(L_ws2)Rot(N_s2,-φ_s2)Trans(L_s2s1)Rot(N_s1,-φ_s1)Trans(X₀,Y₀,Z₀)(1)

其中，^wA_t表示刀具到工件的位姿变换矩阵，L_ws2表示工件坐标系到N_s2轴距离偏移矢量，L_s2s1表示两旋转轴之间的距离偏移矢量，Rot(N_s2,-φ_s2)表示工作台绕N_s2轴旋转φ_s2角度的齐次矩阵，Rot(N_s1,-φ_s1)表示工作台绕N_s1轴旋转φ_s1角度的齐次矩阵，Trans(X₀,Y₀,Z₀)表示向工件坐标系平移矢量为L＝[X₀,Y₀,Z₀]'的齐次矩阵；

当五轴机床为混合型机床时，所述运动学模型为：

^wA_t＝Trans(L_ws1)Rot(N_s1,-φ_s1)Trans(X₀,Y₀,Z₀)Rot(N_s2,φ_s2)Trans(L_s2t)(2)

其中，各字母所代表含义和式(1)相同；

当五轴机床为刀具旋转型机床时，所述运动学模型为：

^wA_t＝Trans(X₀,Y₀,Z₀)Rot(N_s1,φ_s1)Trans(L_s1s2)Rot(N_s2,φ_s2)Trans(L_s2t)(3)

其中，各字母所代表含义和式(1)相同。

3.根据权利要求1所述的一种基于AxiSet的五轴机床测量方法，其特征在于，所述确定测量方法为：

将AxiSet^TMCheck-up组件中的标准球和触发式测头分别固定在工作台和主轴刀具卡座上；

使用触发式测头对标准球进行至少三次接触式采集，根据球面三点和球半径确定标准球的球心位置；

驱动机床绕某一个轴转动，重复上述过程至少三次，得到三个球心位置；

根据采集到的三个球心位置确定标准球球心所在的平面，该平面的法向量即为机床的旋转轴。

4.根据权利要求1所述的一种基于AxiSet的五轴机床测量方法，其特征在于，所述计算五轴机床的四项结构误差的方法为：

$\left[\begin{array}{c}Q\\ 1\end{array}\right]=\mathrm{Trans}(X_i,Y_i,Z_i)\mathrm{Rot}(N_{s1},{\mathrm{\α}}_i)\mathrm{Trans}\left(L_{\mathrm{sls}2}\right)\mathrm{Rot}(N_{s2},{\mathrm{\φ}}_{s2})\mathrm{Trans}\left(L_{s2t}\right)\left[\begin{array}{c}r\\ 1\end{array}\right],i=\mathrm{1,2,3}---\left(4\right)$

其中在单轴旋转的过程中，Trans(X_i,Y_i,Z_i)， $\mathrm{Trans}\left(L_{\mathrm{sls}2}\right)\mathrm{Rot}(N_{s2},{\mathrm{\φ}}_{s2})\mathrm{Trans}\left(L_{s2t}\right)\left[\begin{array}{c}r\\ 1\end{array}\right],$ 均固定不变，通过向量叉乘计算N_s1；同理，计算出N_s2；将(4)式取i＝1和i＝2时两式相减，得

(R₁+R₂)^-1(P₁+P₂)＝R_s2r+R_s2L_s2t+L_s1s2(6)

(R₁+R_s1)^-1(P₁'+P₁)＝R₁'r+R₁'L_s2t+L_s1s2(7)

根据式(6)(7)计算出两个距离偏移矢量。