本发明专利技术公开了一种双转台对五轴机床空间误差影响的评估方法，包括步骤有：构建测试零件模型；测量五轴机床上双转台的几何误差参数，测量五轴机床上三个直线轴的垂直度误差参数；利用齐次坐标变换矩阵计算由双转台几何误差引起的空间误差；利用刀具轴的方向矢量计算由双转台伺服误差引起的轮廓误差；以及计算集成双转台几何误差和伺服误差的五轴机床空间误差。本发明专利技术提供的空间误差评估方法，可用来评估由双转台单独引起的五轴机床空间误差，通过预先评估，为五轴机床的结构设计阶段合理调整双转台的结构参数提供科学依据。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种空间误差评估方法，特别是涉及一种双转台对五轴机床空间误差 影响的评估方法，属于机床精度设计领域。
技术介绍
五轴联动机床对于复杂零件的加工具有明显的效率优势，大量应用于航空航天、 精密模具工业。空间误差是多轴联动机床，特别是五轴联动机床的重要性能指标。五轴联 动机床结构形式多样，目前工业上应用的有三种类型。一种是主轴头旋转摆动结构，主要应 用来加工大型零件；一种是双转台结构，主要应用来加工中小型精密零件；还有一种是主 轴头摆动、工作台旋转结构。其中，双转台目前已经成为一种标准的机床附件，在市场上有 大量的商业化产品，因此双转台结构的五轴机床制造相对比较简单，只需要在传统的三个 线性轴机床结构上增加一套双转台装置，这使双转台结构的五轴机床在工业上应用最为广 泛，也是本专利技术的应用对象。 针对三个线性轴的机床，国内外的众多学者研究用多体运动学理论、神经网络模 型来评估包括几何误差和热误差在内的空间误差。2013年，Slamani等研究用几何误差 和动态误差来预测五轴高速机床的空间误差，其中用四次多项式函数来表示和预测几何误 差，用二阶传递函数来建模和预测动态误差。但是，这个理论仅是应用在XYC两个线性轴和 一个转动轴联动的模型上，而且其中的几何误差是一个综合项，笼统包含了运动误差、联结 误差和反向间隙等，不具备明确独立的物理意义，难以直接应用到工业现场的评估中；而且 多数五轴机床的联动中旋转轴的速度不是很高，因此旋转轴的动态误差影响相对很弱，反 而是伺服误差的影响比较重要。 当前，直线轴机床的设计比较成熟，空间误差的补偿和控制已经得到了较好的应 用，影响五轴机床空间误差的主要因素在于双转台结构中的旋转轴。因此，在双转台五轴机 床的结构设计过程中，预先评估双转台对五轴机床空间误差的影响对五轴机床的设计具有 重要意义，可以有效缩短双转台五轴机床的设计周期，保证机床的空间精度。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种双转台对五轴机床空 间误差影响的评估方法，不仅提供一种测试零件模型来评估由双转台单独引起的五轴机床 空间误差，而且可实现对集成了双转台几何误差和伺服误差的五轴机床空间误差的计算， 特别适用于五轴机床的结构设计阶段；可通过预先的空间误差评估，来避免由于双转台的 结构参数设计不当而影响五轴机床的整体空间误差，极具有产业上的利用价值。 为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案是： -种双转台对五轴机床空间误差影响的评估方法，包括以下步骤： 1)构建测试零件模型； 所述测试零件模型自下而上包括圆柱底座和倾斜圆锥台；所述圆柱底座用来装夹 零件，在圆柱底面中心建立X-Y-Z直角坐标系；所述倾斜圆锥台用来测试双转台联动加工 性能，在倾斜圆锥台底面也建立Xl-Yl-Zl直角坐标系； 所述测试零件模型通过同轴设置的圆柱和圆锥台旋转变化而来，处于初始状态的 圆柱和圆锥台呈叠加分布，旋转变化依次通过圆锥台绕其Xl轴旋转第一角度〃.*、圆锥台绕 其Yl轴旋转第二角度％从而形成位于圆柱底座上的倾斜圆锥台； 2)测量五轴机床上双转台两个旋转轴A轴和C轴共8个几何误差参数，分别是 ^ αχ、丫 αχ、5 χΑΧ、δ yAX、δ ζΑχ、a CA、β CA矛口 δ yCA; 其中，β Αχ表示A轴相对于X轴绕Y轴的角度误差，γ Αχ表示A轴相对于X轴绕Z 轴的角度误差，S χΑΧ、δ yAX和δ zAX分别表示A轴相对于X轴在X、Y和Z方向的线性误差， α ω表示C轴相对于A轴绕X轴的角度误差，β ω表示C轴相对于A轴绕Y轴的角度误差， δ yCA表示C轴相对于A轴在Y方向的线性误差； 3)测量五轴机床上三个直线轴共3个垂直度误差参数，分别是α ΖΥ、β zx和γ XY; 其中，α ΖΥ表示Z轴和Y轴的垂直度误差，β ζχ表示Z轴和X轴的垂直度误差，γ ΧΥ表示X轴和Y轴的垂直度误差； 4)根据双转台五轴机床的运动链结构，利用齐次坐标变换矩阵计算由双转台几何 误差引起的刀具实际空间坐标，计算公式如式（1): 其中，乍^^表示刀具在工件坐标系中的理想空间坐标；zTw表示工件坐标系到Z轴 坐标系包含几何误差的齐次坐标变换矩阵；yTz表示Z轴坐标系到Y轴坐标系包含几何误差 的齐次坐标变换矩阵；xTy表示Y轴坐标系到X轴坐标系包含几何误差的齐次坐标变换矩 阵;aTx表示X轴坐标系到A轴坐标系包含几何误差的齐次坐标变换矩阵，Ta表示A轴坐标 系到C轴坐标系包含几何误差的齐次坐标变换矩阵；wTe表示C轴坐标系到工件坐标系包含 几何误差的齐次坐标变换矩阵:^^^表示刀具在工件坐标系中的实际空间坐标； 5)根据式⑵计算几何误差引起的空间误差： 其中，为几何误差引起的空间误差，可以表示成三个方向分量的向量形式，即 6)从测试零件模型中获取倾斜圆锥台上将被评估的任一圆弧的半径理论值为R ; 从五轴机床参数中获取立铣刀具的有效长度为L，以及A轴、C轴的速度环增益分别为KAv、 KCv，C轴的旋转编程速度为ω ; 7)根据式（3)计算出刀具轴的理想单位方向矢量： 其中，Op 0种0及别表示刀具轴理想单位方向矢量在工件坐标系中X、Y和Z三 个方向的分量； 8)根据式（4)计算旋转轴的理想旋转角度： LlN 丄UO丄丄4 Λ 、" ^ ?3/0 JA 其中，θ Α和Θ ￡分别表示A轴和C轴的理想旋转角度； 9)根据式（5)计算旋转轴的实际角度： 其中，QAa。和Θ ea。分别表示A轴和C轴的实际角度； 10)根据式（6)计算刀具轴的实际单位方向矢量： 其中，0_、0ja。和0 ka。分别表示刀具轴实际单位方向矢量在工件坐标系中X、Y和Z 三个方向的分量； 11)利用刀具轴的实际单位方向矢量根据式（7)计算倾斜圆锥台上将被评估的任 一圆弧因双转台旋转轴伺服误差引起的轮廓误差： 其中，为伺服误差引起的轮廓误差； 12)根据式⑶计算伺服误差引起的轮廓误差在X、Y和Z三个方向的分量： 13)根据式（9)计算集成双转台几何误差和伺服误差的五轴机床空间误差： etotal= e con+egeo (9) 其中，etotal为双转台对五轴机床空间误差总影响。 本专利技术进一步设置为：所述步骤4)中的YTZ、XT Y、aTxZta依次具体为CN 105184014 A 说明书 4/5 页 所述步骤4)中的zTw和wTc均为单位方阵。 本专利技术进一步设置为：所述几何误差参数采用球杆仪测量。 本专利技术进一步设置为：所述垂直度误差参数采用激光干涉仪测量。 与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果是： 与现有的五轴机床空间误差评估方法相比较，本专利技术提供的空间误差评估方法， 主要针对双转台结构的五轴机床，评估由双转台单独引起的五轴机床空间误差，从而为在 五轴机床结构设计阶段合理调整双转台的结构参数提供科学依据，确保双转台的结构参数 设计合理、精确，提高五轴机床的空间精度。 上述内容仅是本专利技术技术方案的概述，为了更清楚的了解本专利技术的技术手段，下 面结合附图对本专利技术作进一步的描述。【附图说明】 图1是本专利技术实施例的双转台五轴机床的结构示意图； 图2是本专利技术实施例中测试零件模型的设计过程图； 图3是本专利技术实施例的五轴机床坐标系变换示本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种双转台对五轴机床空间误差影响的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：1)构建测试零件模型；所述测试零件模型自下而上包括圆柱底座和倾斜圆锥台；所述圆柱底座用来装夹零件，在圆柱底面中心建立X‑Y‑Z直角坐标系；所述倾斜圆锥台用来测试双转台联动加工性能，在倾斜圆锥台底面也建立X1‑Y1‑Z1直角坐标系；所述测试零件模型通过同轴设置的圆柱和圆锥台旋转变化而来，处于初始状态的圆柱和圆锥台呈叠加分布，旋转变化依次通过圆锥台绕其X1轴旋转第一角度圆锥台绕其Y1轴旋转第二角度从而形成位于圆柱底座上的倾斜圆锥台；2)测量五轴机床上双转台两个旋转轴A轴和C轴共8个几何误差参数，分别是βAX、γAX、δxAX、δyAX、δzAX、αCA、βCA和δyCA；其中，βAX表示A轴相对于X轴绕Y轴的角度误差，γAX表示A轴相对于X轴绕Z轴的角度误差，δxAX、δyAX和δzAX分别表示A轴相对于X轴在X、Y和Z方向的线性误差，αCA表示C轴相对于A轴绕X轴的角度误差，βCA表示C轴相对于A轴绕Y轴的角度误差，δyCA表示C轴相对于A轴在Y方向的线性误差；3)测量五轴机床上三个直线轴共3个垂直度误差参数，分别是αZY、βZX和γXY；其中，αZY表示Z轴和Y轴的垂直度误差，βZX表示Z轴和X轴的垂直度误差，γXY表示X轴和Y轴的垂直度误差；4)根据双转台五轴机床的运动链结构，利用齐次坐标变换矩阵计算由双转台几何误差引起的刀具实际空间坐标，计算公式如式(1)：WPtact＝WTCCTAATXXTYYTZZTWWPtnom (1)其中，WPtnom表示刀具在工件坐标系中的理想空间坐标；ZTW表示工件坐标系到Z轴坐标系包含几何误差的齐次坐标变换矩阵；YTZ表示Z轴坐标系到Y轴坐标系包含几何误差的齐次坐标变换矩阵；XTY表示Y轴坐标系到X轴坐标系包含几何误差的齐次坐标变换矩阵；ATX表示X轴坐标系到A轴坐标系包含几何误差的齐次坐标变换矩阵；CTA表示A轴坐标系到C轴坐标系包含几何误差的齐次坐标变换矩阵；WTC表示C轴坐标系到工件坐标系包含几何误差的齐次坐标变换矩阵；WPtact表示刀具在工件坐标系中的实际空间坐标；5)根据式(2)计算几何误差引起的空间误差：egeo＝WPtnom‑WPtact (2)其中，egeo为几何误差引起的空间误差，可以表示成三个方向分量的向量形式，即egeo＝[egeo,x egeo,y egeo,z]T；6)从测试零件模型中获取倾斜圆锥台上将被评估的任一圆弧的半径理论值为R；从五轴机床参数中获取立铣刀具的有效长度为L，以及A轴、C轴的速度环增益分别为KAv、KCv，C轴的旋转编程速度为ω；7)根据式(3)计算出刀具轴的理想单位方向矢量：其中，Oi、Oj和Ok分别表示刀具轴理想单位方向矢量在工件坐标系中X、Y和Z三个方向的分量；8)根据式(4)计算旋转轴的理想旋转角度：θA=arccos(Ok)θC=arctan(Oi/Oj)---(4)]]>其中，θA和θC分别表示A轴和C轴的理想旋转角度；9)根据式(5)计算旋转轴的实际角度：θAac=θA-θ·A/KAvθCac=θC-θ·C/KCv---(5)]]>其中，θAac和θCac分别表示A轴和C轴的实际角度；10)根据式(6)计算刀具轴的实际单位方向矢量：OiacOjacOkac=sinθAacsinθCacsinθAaccosθCaccosθAac---(6)]]>其中，Oiac、Ojac和Okac分别表示刀具轴实际单位方向矢量在工件坐标系中X、Y和Z三个方向的分量；11)利用刀具轴的实际单位方向矢量根据式(7)计算倾斜圆锥台上将被评估的任一圆弧因双转台旋转轴伺服误差引起的轮廓误差：其中，econ为伺服误差引起的轮廓误差；12)根据式(8)计算伺服误差引起的轮廓误差econ在X、Y和Z三个方向的分量：13)根据式(9)计算集成双转台几何误差和伺服误差的五轴机床空间误差：etotal＝econ+egeo (9)其中，etotal为双转台对五轴机床空间误差总影响。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：丁文政，朱晓春，汪木兰，高海涛，郝飞，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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