五轴联动机床动态与静态误差综合检测方法技术

本发明专利技术公开了一种五轴联动机床动态与静态误差综合检测方法，其特征是在五轴联动机床加工精度检测试件进行精度检测时，通过监测分析加工过程中机床各进给轴实际运动位置，得到动态误差；对精度检测试件实际成型轮廓面进行检测分析，得到实际误差；实际误差是动态误差和静态误差的耦合，对实际误差解耦，得到检测试件加工空间范围内的静态误差分布。本发明专利技术通过对一个精度检测试件的加工与检测，可以同时得到沿加工轨迹的动态误差和静态误差分布，实现对五轴联动机床动态误差与静态误差的综合检测，也可为误差综合补偿提供参考和依据。

Comprehensive Detection Method for Dynamic and Static Errors of Five-Axis Linkage Machine Tool

The invention discloses a comprehensive detection method for dynamic and static errors of a five-axis linkage machine tool, which is characterized in that the dynamic errors are obtained by monitoring and analyzing the actual movement positions of each feed axis of the machine tool in the process of processing, and the actual errors are obtained by testing and analyzing the actual formed contour surface of the precision detection sample. The error is the coupling of dynamic error and static error. The actual error is decoupled to obtain the static error distribution in the processing space of the test sample. By processing and testing a precision testing specimen, the dynamic error and static error distribution along the processing trajectory can be obtained simultaneously, and the comprehensive detection of dynamic error and static error of a five-axis linkage machine tool can be realized, and the reference and basis for comprehensive error compensation can also be provided.

【技术实现步骤摘要】
五轴联动机床动态与静态误差综合检测方法
本专利技术属于数控机床
，尤其涉及一种飞行器、精密模具类高端装备中自由曲面和复杂型腔的加工技术，具体涉及一种五轴联动机床动态与静态误差综合检测方法。
技术介绍
五轴联动机床以其加工复杂自由曲面和复杂型腔时的优异性能，广泛应用于航空航天、精密模具等高端制造领域。机床误差可根据其时变特性，区分为动态误差和静态误差。当机床在稳定条件下(温度、载荷等)运行时，动态误差以单轴跟随误差耦合引起的轨迹误差为主，静态误差主要是指机床部件制造和装配误差引起的几何误差。机床精度是影响加工质量的关键因素，因此，对五轴联动机床进行动态与静态误差综合检测，具有十分重要的意义。专利《综合检测数控铣床精度的“S”形检测试件及其检测方法》公开了一种用于五轴联动机床精度检测的试切件，论文《Anewtestparttoidentifyperformanceoffive-axismachinetool》对该试件的检测效果进行分析，指出其可以较好地综合复现出五轴联动加工时机床的动态误差。“S”形检测试件在五轴联动机床精度检测方面得到了广泛认可，但该方法现有的分析技术选择性忽略静态几何误差，静态几何误差项可能对分析结果产生较大影响。专利《一种基于球杆仪测量的多轴机床几何误差辨识方法》、《基于坐标变换的导轨滑台运动的几何误差辨识方法》等给出了利用专用检测设备测量机床静态几何误差的方法，但这些方法只针对机床静态误差的检测，机床动态精度测试需要另外进行。针对现有机床误差检测方法主要针对静态或动态单一误差源的问题，本专利提出一种五轴联动机床动态与静态误差综合检测方法，该方法通过对一个精度检测试件的加工与检测，即可同时得到沿加工轨迹的动态误差和静态误差分布，完成对五轴联动机床动态误差与静态误差的综合检测，也可为误差综合补偿提供参考和依据。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有机床误差检测方法主要针对静态或动态单一误差源的问题，专利技术一种五轴联动机床动态与静态误差综合检测方法，通过对一个精度检测试件的加工与检测，即可同时得到沿加工轨迹的动态误差和静态误差分布，完成对五轴联动机床动态误差与静态误差的综合检测。本专利技术的技术方案是：一种五轴联动机床动态与静态误差综合检测方法，其特征在于：五轴联动机床加工精度检测试件进行精度检测时，对数控系统位置环进行监测，结合理论轨迹计算得到加工过程中动态误差引起的刀具位置误差和方向误差；对精度检测试件成型轮廓面进行检测分析，得到沿加工轨迹的实际刀具位置误差和方向误差；对实际误差解耦后利用机床结构对应的逆雅克比矩阵，得到检测试件加工空间范围内的静态误差分布。所述的对数控系统位置环进行监测，结合理论轨迹计算得到加工过程中动态误差引起的刀具位置误差和方向误差是指：对位置环进行监测，采集得到实际加工过程中机床各轴的离散位置坐标序列集合：CMdy＝{Pi|Pi＝(Xi,Yi,Zi,Bi,Ci),i＝1,2,…,n}其中，n为为加工过程中采集得到的有效离散点位个数，Pi为离散点坐标，Xi、Yi、Zi、Bi、Ci为X、Y、Z、B、C轴机床坐标系下的位置坐标；同时，为保证轨迹信息的完备性，采集频率应高于或等于插补频率；对每一个Pi进行正向运动学变换，得到工件坐标系下只受动态误差影响的刀具位置和刀轴矢量的离散序列集合：CWdy＝{pi|pi＝(xi,yi,zi,ii,ji,ki),i＝1,2,…,n}式中：pi为Pi经过运动变换后的工件坐标系下的离散点刀具位姿，(xi,yi,zi)为刀位点坐标，(ii,ji,ki)为刀轴矢量。将CWdy中刀轴矢量转换为角度量，得到：CWAdy＝{piA|piA＝(xiA,yiA,ziA,βiA,γiA),i＝1,2,…,n}式中：(xiA,yiA,ziA)与(xi,yi,zi)相同，(βiA,γiA)为表示刀具方向的前倾角和侧倾角。分析计算得到pi在理论加工轨迹上的对应点位p′i，进而建立CWdy在理论加工轨迹上的映射集：C′Wtheo＝{p′i|p′i＝(x′i,y′i,z′i,i′i,j′i,k′i),i＝1,2,…,n}式中：(x′i,y′i,z′i)为pi在理论轨迹上的对应坐标，(i′i,j′i,k′i)为pi在理论轨迹上的对应刀轴矢量。将C′Wtheo中刀轴矢量转换为角度量，得到：C′WAtheo＝{p′iA|p′iA＝(x′iA,y′iA,z′iA,β′iA,γ′iA),i＝1,2,…,n}式中：(x′iA,y′iA,z′iA)与(x′i,y′i,z′i)相同，(β′iA,γ′iA)为表示刀具方向的前倾角和侧倾角。计算CWAdy和C′WAtheo两集合中对应元素的差值，即可得到工件坐标系下动态误差离散序列集合：将机床结构对应的逆雅克比矩阵J-1乘上EWAdy中每一项，得到实际加工过程中机床各轴动态误差引起的单轴误差离散序列集合：所述的对精度检测试件成型轮廓面进行检测分析，得到沿加工轨迹的实际刀具位置误差和方向误差，是指精度检测试件成型轮廓面进行检测分析的目的是计算实际刀具位置误差和方向误差，具体检测方法和误差计算方法与成型面几何特性和刀具类型相关。其基本方法是：步骤1、通过三坐标测量机、线激光扫描等检测手段检测实际成型轮廓面，结合成型面几何特性，以工件坐标系为基准，将其重构为双参数曲面形式Sreal(u,v)，其中u参数方向为走刀方向，u∈[umin,umax],v∈[vmin,vmax]；步骤2、以刀位点为原点，平行于工件坐标系方向构造刀具局部坐标系，依据刀具几何参数构造刀具表面参数方程Stool(q,θ)，其中q为刀具截面线参数，θ为转角参数，且q∈[0,1],θ∈[0,2π]；步骤3、利用上述计算所得的C′Wtheo，记x′0＝0,y′0＝0,z′0＝0，由：得到参数序列集合：U＝{ui|i＝1,2,…,n}将Sreal(u,v)按照参数序列集合U中的u参数进行离散，得到以v参数为单变量的参数曲线构成的曲线集合；其中每条曲线可视为刀具扫描体的实际特征线。将单条曲线离散为点集：其中m为单条曲线离散点的个数，进而构造所有实际特征线离散点集的集合：步骤4、对于单条特征线记其工件坐标系下对应的实际刀具位姿为并以p′iA为初值。是一个五维矢量，五个变量的确定采用离散分布变量抽样的方法在初值附近寻解，过程如下：计算各点到对应位姿的刀具表面距离di，并计算平均距离以两个方向参数为变量，根据判定条件f1，确定实际刀具方向；确定方向变量后，根据判定条件f2，确定实际刀具位置。重复上述过程，得到整个加工过程的刀具实际位姿离散序列集合：计算CWreal和C′WAtheo两集合中对应项的差值，即可得到工件坐标系下实际误差离散序列集合：所述的对实际误差解耦后进行逆运动学变换，得到检测试件加工空间范围内的静态误差分布，是指：计算计算前述所得EW和EWAdy两集合中对应项的差值，即可得到工件坐标系下静态误差矢量离散序列集合：将机床结构对应的逆雅克比矩阵J-1与EWgeo中每一项相乘，得到实际加工过程中机床静态几何误差在单轴方向的耦合误差的离散序列集合：本专利技术的有益效果是：1、本专利技术通过对一个精度检测试件的加工与检测，即可同时得到沿加工轨迹的动态误差和静态误差分布，完成对五本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种五轴联动机床动态与静态误差综合检测方法，其特征在于：首先在五轴联动机床加工精度检测试件的过程中，对数控系统位置环进行监测获取机床各进给轴实际运动位置，结合理论轨迹计算分析得到加工过程中动态误差引起的刀具位置误差和方向误差；然后再对精度检测试件成型轮廓面进行检测分析，得到实际误差，求得沿加工轨迹的实际刀具位置误差和方向误差；实际误差是动态误差和静态误差的耦合，最终通过对实际误差的解耦，并利用机床结构对应的逆雅克比矩阵，得到检测试件加工空间范围内的静态误差分布。

【技术特征摘要】
1.一种五轴联动机床动态与静态误差综合检测方法，其特征在于：首先在五轴联动机床加工精度检测试件的过程中，对数控系统位置环进行监测获取机床各进给轴实际运动位置，结合理论轨迹计算分析得到加工过程中动态误差引起的刀具位置误差和方向误差；然后再对精度检测试件成型轮廓面进行检测分析，得到实际误差，求得沿加工轨迹的实际刀具位置误差和方向误差；实际误差是动态误差和静态误差的耦合，最终通过对实际误差的解耦，并利用机床结构对应的逆雅克比矩阵，得到检测试件加工空间范围内的静态误差分布。2.根据权利要求1所述的五轴联动机床动态与静态误差综合检测方法，其特征在于所述的动态误差主要是单轴跟随误差耦合引起的机床实际运动轨迹与理论指令轨迹的偏差，即轨迹误差；静态误差主要是机床部件制造和装配误差引起的几何误差在单轴方向的耦合。3.根据权利要求1所述的五轴联动机床动态与静态误差综合检测方法，其特征在于所述的对数控系统位置环进行监测，结合理论轨迹计算得到加工过程中动态误差引起的刀具位置误差和方向误差是指对位置环进行监测，采集得到实际加工过程中机床各轴的离散位置坐标序列集合：CMdy＝{Pi|Pi＝(Xi,Yi,Zi,Bi,Ci),i＝1,2,…,n}其中，n为为加工过程中采集得到的有效离散点位个数，Pi为离散点坐标，Xi、Yi、Zi、Bi、Ci为X、Y、Z、B、C轴机床坐标系下的位置坐标；同时，为保证轨迹信息的完备性，采集频率应高于或等于插补频率；对每一个Pi进行正向运动学变换，得到工件坐标系下只受动态误差影响的刀具位置和刀轴矢量的离散序列集合：CWdy＝{pi|pi＝(xi,yi,zi,ii,ji,ki),i＝1,2,…,n}式中：pi为Pi经过运动变换后的工件坐标系下的离散点刀具位姿，(xi,yi,zi)为刀位点坐标，(ii,ji,ki)为刀轴矢量。将CWdy中刀轴矢量转换为角度量，得到：CWAdy＝{piA|piA＝(xiA,yiA,ziA,βiA,γiA),i＝1,2,…,n}式中：(xiA,yiA,ziA)与(xi,yi,zi)相同，(βiA,γiA)为表示刀具方向的前倾角和侧倾角。分析计算得到pi在理论加工轨迹上的对应点位p′i，进而建立CWdy在理论加工轨迹上的映射集：C′Wtheo＝{p′i|p′i＝(x′i,y′i,z′i,i′i,j′i,k′i),i＝1,2,…,n}式中：(x′i,y′i,z′i)为pi在理论轨迹上的对应坐标，(i′i,j′i,k′i)为pi在理论轨迹上的对应刀轴矢量。将C′Wtheo中刀轴矢量转换为角度量，得到：C′WAtheo＝{p′iA|p′iA＝(x′iA,y′iA,z′iA,β′iA,γ′iA),i＝1,2,…,...

【专利技术属性】
技术研发人员：李迎光，郝小忠，程英豪，隋少春，牟文平，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32