五轴数控机床空间误差辨识方法技术

本发明专利技术属于数控机床测量技术研究领域，由其涉及一种五轴数控机床空间误差辨识方法；通过搭建一个一端固定在五轴数控机床主轴，另一端固定在回转工作台中心的球杆仪误差测量装置；建立空间误差测量模型；并建立模型实验，通过球杆仪在不同角度的补差工作，读取数控车床的球杆仪理论杆长和球杆仪显示的实际杆长，并将数据带入所述空间误差测量模型中，对五轴数控机床旋转轴角度误差因素及旋转误差因素进行辨识，使球杆仪从XOY单一平面运动变为空间多平面运动，将球杆仪的辨识范围从平面旋转转变为空间旋转。

Spatial error identification method for five axis NC machine tools

The invention belongs to the research field of measurement technology of NC machine tools, and relates to a method for spatial error identification of five-axis NC machine tools. In the experiment, the theoretical rod length and the actual rod length displayed by the club meter of the NC lathe are read through the complementary work of the club meter at different angles, and the data are brought into the space error measurement model to identify the angle error factors and the rotation error factors of the rotating shaft of the five-axis NC lathe, so that the club meter is single from XOY. Planar motion is changed into spatial multi-plane motion, and the identification range of the club instrument is changed from planar rotation to spatial rotation.

【技术实现步骤摘要】
五轴数控机床空间误差辨识方法
本专利技术属于数控机床测量技术研究领域，由其涉及一种五轴数控机床空间误差辨识方法。
技术介绍
原有的数控机床误差辨识方法是将球杆仪一端安装在工具杯中，另一端安装在中心座上。通过调整球杆仪的长度和中心座的高度，运行程序后，再根据相应算法，可以得到关于XOY平面内的各误差元素；这种方法多用于三轴机床的测量，对于五轴机床由其是进行曲面加工的机床误差测量适用性差性；而对于五轴数控机床而言，多轴插补存在着大量的耦合现象，空间误差主要存在着进给轴直线误差与旋转轴旋转误差；原有的辨识方法，大多采用改变球杆仪安装高度与球杆仪长度方法为主，该方法容易在调整过程中加入干扰误差，导致求解的结果不不够准确；同时，传统方法需要多次拆卸球杆仪，由于拆、装过程很难在同一个坐标基准上，因此得出的数据可参考性差，而且，拆卸重新安装的过程耗时较长，不利于自动化补偿，尤其不利于后期进行机器学习的研究及宏程序编制。
技术实现思路
本专利技术为了有效的解决上述
技术介绍
中的问题，提出了一种五轴数控机床空间误差辨识方法，具体技术方案如下：一种五轴数控机床空间误差辨识方法，包括如下步骤：步骤1.搭建一个一端固定在五轴数控机床主轴，另一端固定在回转工作台中心的球杆仪误差测量装置；步骤2.根据所述的球杆仪测量装置建立空间误差测量模型；步骤3.建立模型实验，通过球杆仪在不同角度的补差工作，读取数控车床的球杆仪理论杆长和球杆仪显示的实际杆长，并将数据带入所述空间误差测量模型中，对五轴数控机床旋转轴角度误差因素及旋转误差因素进行辨识。优选地，所述空间误差测量模型的建立步骤如下：步骤1.根据多体理论进行机床坐标系建模；所述坐标系包括：与地面固定的机床坐标系MCS、刀具坐标系TCS、工件坐标系WCS、主轴的三个进给坐标系XCS、YCS、ZCS、带动刀具坐标旋转的旋转轴坐标系ACS、带动工件坐标系旋转的旋转轴坐标系CCS,所述球杆仪固定在TCS与WCS中，且与TCS固定端为浮动端O2，与WCS固定端为固定端O1；步骤2.根据空间勾股定理得到球杆仪的长度与坐标理论位置关系：(L+ΔR)2＝(x’1-x’2)2+(y’1-y’2)2+(z’1-Z’2)2(2)结合上式(1)、(2)求出关于球杆仪半径变化与各进给轴误差分量的关系；ΔR是球杆仪杆长的随机变量，ΔX、ΔY、ΔZ为球杆仪测得ΔR在X、Y、Z三个方向上可分解的误差变量；步骤3.以O1为原点建立坐标系，设球杆仪浮动端中心O2在WCS下齐次坐标为P，设球杆仪沿杆方向与X轴夹角为θ，杆长为一固定数值L，求出P点的齐次坐标Pi＝[cosαcosθL，sinαL，sinθL+h，1]T，和XCS、YCS联动误差传递矩阵为求出的P点坐标在考虑误差影响情况下的实际坐标Pa：式中εxx′、εyx′、εxy′、εyy′、εxz′、εyz′为X轴和Y轴运动分别对X、Y、Z三个进给轴产生的角度误差；δxx′、δxy′、δxz′为X轴运动对X、Y、Z三个进给轴产生的位置误差；α为X、Y轴进行圆弧插补工作时，设在X-Y平面内旋转角度；步骤4.从齐次坐标矩阵中提取X、Y、Z三个方向上的分量即为ΔX、ΔY、ΔZ，代入式可得出ΔR关于各误差分量的方程：ΔR’＝{[cosαcosθL+sinαL(-εxz’+εyz’)+(εxy’-εyy’)(sinθL+h)](x2-x1)+[cosαcosθL(εyz’+εxz’)+sinαL+(sinθL+h)(-εxx’+εyx’)](y2-y1)+[cosαcosθL(εxy’-εyy’)+sinαL(-εyx’+εxx’)+sinθL+h](z2-z1)}/L该方程式表达球坐标下TCS坐标系相对于WCS坐标系6个旋转误差分量产生导致的球杆仪长度变化。优选地，在安装球杆仪前，使用激光干涉仪对直线度误差进行辨识与补偿，消除X、Y、Z三个方向直线度误差对机床坐标系的影响。优选地，其特征在于，所述的模型实验不受限于球杆仪特定角度的补差工作。本专利技术的有益效果在于：1.能够避免频繁调整球杆仪安装尺寸对最终检测结果的影响，建立五轴机床空间误差模型。并在该模型基础上，组合使用球杆仪和激光干涉仪，针对工件坐标系及刀具坐标系间的联动插补开展辨识研究；2.使球杆仪从XOY单一平面运动变为空间多平面运动，将球杆仪的辨识范围从平面旋转转变为空间旋转；3.由于过去频繁拆卸球杆仪，导致定位基准偏差不可控。本专利技术在不用拆卸球杆仪的情况下，仅通过调整空间角度即可满足测量要求，为机床误差补偿中机器学习领域研究打下研究基础。附图说明图1为本专利技术五轴机床拓扑图；图2为本专利技术中五轴机床机械结构及各轴定义；图3为本专利技术球杆仪工作状态图：表1表示XOY平面顺时针旋转圆弧插补数据：表2表示XOY平面逆时针旋转圆弧插补数据；表3表示XOY平面顺时针旋转角度误差；表4表示XOY平面逆时针旋转角度误差。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明；一种五轴数控机床空间误差辨识方法，包括如下步骤：步骤1.搭建一个一端固定在五轴数控机床主轴，另一端固定在回转工作台中心的球杆仪误差测量装置；球杆仪中心球2通过工具杯1与主轴连接，球杆仪传感器球5通过中心杯6与回转台中心的中心座7相连，所述传感器球5可以实时测出球杆仪的实时长度。步骤2.根据所述的球杆仪测量装置建立空间误差测量模型；步骤3.建立模型实验，通过球杆仪在不同角度的补差工作，读取数控车床的球杆仪理论杆长和球杆仪显示的实际杆长，并将数据带入所述空间误差测量模型中，对五轴数控机床旋转轴角度误差因素及旋转误差因素进行辨识。所述空间误差测量模型的建立步骤如下：步骤1.根据多体理论进行机床坐标系建模；所述坐标系包括：与地面固定的机床坐标系MCS、刀具坐标系TCS、工件坐标系WCS、主轴的三个进给坐标系XCS、YCS、ZCS、带动刀具坐标旋转的旋转轴坐标系ACS、带动工件坐标系旋转的旋转轴坐标系CCS,所述球杆仪固定在TCS与WCS中，且与TCS固定端为浮动端O2，与WCS固定端为固定端O1；其中，球杆仪在图1中标记为DDB，直接工作在机床摆头与回转工作台所两个坐标系之间，反映由MCS—>YCS—>ZCS—>ACS—>TCS和MCS—>XCS—>CCS—>WCS两条运动支链形成的综合误差；步骤2.根据空间勾股定理得到球杆仪的长度与坐标理论位置关系：(L+ΔR)2＝(x’1-x’2)2+(y’1-y’2)2+(z’1-z’2)2(2)结合上式(1)、(2)求出关于球杆仪半径变化与各进给轴误差分量的关系；ΔR是球杆仪杆长的随机变量，ΔX、ΔY、ΔZ为球杆仪测得ΔR在X、Y、Z三个方向上可分解的误差变量；只要得到浮动端球体圆心在空间中的理论点与杆长变化数值，即可求得该圆心在空间中的实际位置。步骤3.以O1为原点建立坐标系，设球杆仪浮动端中心O2在WCS下齐次坐标为P,设球杆仪沿杆方向与X轴夹角为θ，杆长为一固定数值L,，通过X轴与Y轴进行圆弧插补工作，此时两个旋转轴及垂直位移轴为静止状态，ACS、CCS、ZCS矩阵的误差传递矩阵退化为单位矩阵求出P点的齐次坐标；Pi＝本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.五轴数控机床空间误差辨识方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1.搭建一个一端固定在五轴数控机床主轴，另一端固定在回转工作台中心的球杆仪误差测量装置；步骤2.根据所述的球杆仪测量装置建立空间误差测量模型；步骤3.建立模型实验，通过球杆仪在不同角度的补差工作，读取数控车床的球杆仪理论杆长和球杆仪显示的实际杆长，并将数据带入所述空间误差测量模型中，对五轴数控机床旋转轴角度误差因素及旋转误差因素进行辨识。

【技术特征摘要】
1.五轴数控机床空间误差辨识方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1.搭建一个一端固定在五轴数控机床主轴，另一端固定在回转工作台中心的球杆仪误差测量装置；步骤2.根据所述的球杆仪测量装置建立空间误差测量模型；步骤3.建立模型实验，通过球杆仪在不同角度的补差工作，读取数控车床的球杆仪理论杆长和球杆仪显示的实际杆长，并将数据带入所述空间误差测量模型中，对五轴数控机床旋转轴角度误差因素及旋转误差因素进行辨识。2.权利要求1所述的五轴数控机床空间误差辨识方法，其特征在于，所述空间误差测量模型的建立步骤如下：步骤1.根据多体理论进行机床坐标系建模；所述坐标系包括：与地面固定的机床坐标系MCS、刀具坐标系TCS、工件坐标系WCS、主轴的三个进给坐标系XCS、YCS、ZCS、带动刀具坐标旋转的旋转轴坐标系ACS、带动工件坐标系旋转的旋转轴坐标系CCS,所述球杆仪固定在TCS与WCS中，且与TCS固定端为浮动端O2，与WCS固定端为固定端O1；步骤2.根据空间勾股定理得到球杆仪的长度与坐标理论位置关系：(L+ΔR)2＝(x’1-x’2)2+(y’1-y’2)2+(z’1-z’2)2(2)结合上式(1)、(2)求出关于球杆仪半径变化与各进给轴误差分量的关系；ΔR是球杆仪杆长的随机变量，ΔX、ΔY、ΔZ为球杆仪测得ΔR在X、Y、Z三个方向上可分解的误差变量；步骤3.以O1为原点建立坐标系，设球杆仪浮动端中心O2在WCS下齐次坐标为P,设球杆仪沿杆方向与X轴夹角为θ，杆长为一固定数值...

【专利技术属性】
技术研发人员：李巍，左维，骆鸣，孟祥懿，李文，马林旭，杜慧起，毕彦，龚勋，
申请(专利权)人：天津中德应用技术大学，
类型：发明
国别省市：天津,12