五轴机床运动轴几何误差贡献值计算及影响评估方法技术

本发明专利技术公开了一种五轴机床运动轴几何误差贡献值计算及影响评估方法，包括S1、根据五轴机床结构设定各个运动轴的结构参数q；S2、得到三个平动轴和三个旋转轴的几何误差旋量；S3、计算得到刀具坐标系下各个运动轴的几何误差分量；S4、构建刀具坐标系下运动轴误差矩阵，得到各个运动轴几何误差贡献值；S5、将五轴机床各个所述运动轴几何误差贡献值相加得到五轴机床综合刀具位置误差和刀具姿态误差；S6、评估运动轴对五轴机床各个方向上误差的影响，选取五轴机床各个方向上误差影响较大的运动轴；S7、计算运动轴位置误差影响系数和姿态误差影响系数，评估运动轴对五轴机床加工精度影响，选取五轴机床关键运动轴。

【技术实现步骤摘要】
五轴机床运动轴几何误差贡献值计算及影响评估方法
本专利技术属于数控机床的
，具体涉及一种五轴机床运动轴几何误差贡献值计算及影响评估方法。
技术介绍
高精度成为包括五轴数控机床在内的高档数控机床发展的必然趋势。在影响数控机床加工精度的众多因素中，几何误差和热误差是高档数控机床的主要误差源，占总制造误差的60％左右。几何误差的重复性好、长时间内稳定的特点使得几何误差补偿技术成为一种经济有效的重要手段。热误差与几何误差不同之处在于其具有温变特性，在某种温度氛围下热误差就是几何误差，所以几何误差的补偿技术研究能够为五轴机床热误差的测量、建模及补偿技术研究奠定基础。误差建模及误差敏感性是误差补偿技术的核心部分，现有技术多以多体系统理论为基础建立机床综合误差模型描述机床整个加工范围内误差分布，并采用Sobol、蒙特卡洛等方法对误差元素进行灵敏度分析。但是针对误差元素的灵敏度分析很难在前期设计阶段和制造阶段发挥重大作用，也与误差补偿过程脱节，无法为误差补偿的闭环模式提供反馈指标。现有的误差建模方法无法获得每个运动轴几何误差引起的刀具综合误差，另外目前也没有针对运动轴进行灵敏度分析，没有分析运动轴对机床加工精度的影响程度，使得误差建模与分析与后期误差补偿脱节，也无法在前期结构设计阶段提供支持。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种五轴机床运动轴几何误差贡献值计算及影响评估方法，以解决或改善上述问题。为达到上述目的，本专利技术采取的技术方案是：一种五轴机床运动轴几何误差贡献值计算及影响评估方法，其包括：S1、根据五轴机床结构设定各个运动轴的结构参数q；S2、根据位置不相关几何误差项对运动轴运动的影响以及位置相关几何误差项的定义，得到三个平动轴和三个旋转轴的几何误差旋量；S3、根据所述运动轴的几何误差旋量和构建的各个运动轴微分运动矩阵，计算得到刀具坐标系下各个运动轴的几何误差分量；S4、构建刀具坐标系下运动轴误差矩阵，结合刀具相对于工作台的指数积矩阵，建立各个运动轴几何误差贡献值表达式，包括运动轴位置误差贡献值表达式和运动轴姿态误差贡献值表达式；S5、将五轴机床各个所述运动轴几何误差贡献值相加，建立五轴机床综合几何误差模型，得到五轴机床综合刀具位置误差和刀具姿态误差；S6、根据五轴机床几何误差数据和工件加工代码中五轴机床运动量，计算运动轴各个方向上位置误差权重系数和姿态误差权重系数，评估运动轴对五轴机床各个方向上误差的影响，选取五轴机床各个方向上误差影响较大的运动轴；S7、根据五轴机床几何误差数据和工件加工代码中五轴机床运动量计算运动轴位置误差影响系数和姿态误差影响系数，评估运动轴对五轴机床加工精度影响，选取五轴机床关键运动轴。优选地，步骤S1中设定各个运动轴的结构参数q的方法为：S1.1、设定X轴、Y轴、C轴三个平动轴和A轴、B轴、C轴三个旋转轴的结构参数q为0；S1.2、根据五轴机床结构确定各个运动轴相对于刀具、工作台和床身的位置；S1.3、寻找位于刀具和床身之间的运动轴，并将运动轴的结构参数q设置为1；S1.4、寻找位于工作台和床身之间的运动轴，并将所述运动轴的结构参数q设置为-1。优选地，步骤S2中得到三个平动轴和三个旋转轴的几何误差旋量ΔEi为：其中，i＝x,y,z,a,b,c；δki表示运动轴i在k方向上的线性几何误差，εki表示运动轴i在k方向上的角度几何误差，k＝x,y,z；α,β和γ分别表示A轴、B轴和C轴的旋转角度，Sik和oik表示位置不相关几何误差项。优选地，步骤S3中计算得到刀具坐标系下各个运动轴的几何误差分量的方法为：S3.1、建立刀具相对于各个运动轴的指数积矩阵Tti，根据直角坐标系微分运动关系理论获得各个运动轴的微分运动矩阵Di；其中S3.2、根据直角坐标系微分运动关系理论得到刀具坐标下运动轴误差分量：代入运动轴几何误差旋量和运动轴微分运动矩阵，获得刀具坐标下各个运动轴误差分量。优选地，步骤S4中得到各个运动轴几何误差贡献值表达式的方法为：S4.1、建立刀具坐标系下运动轴误差矩阵，根据刀具相对于工作台的指数积矩阵将刀具坐标系下运动轴误差矩阵转换到工作台上，建立运动轴误差贡献值：S4.2、代入刀具坐标下各个运动轴误差分量表达式，建立并获得各个运动轴几何误差贡献值表达式，包括运动轴位置误差贡献值表达式和运动轴姿态误差贡献值表达式，表达式形式为：其中，pxi，pyi和pzi为三个方向上的运动轴位置误差贡献值，vxi，vyi和vzi为三个方向上的运动轴姿态误差贡献值；Sik和oik表示属于运动轴i的位置不相关几何误差项，i＝x,y,z,a,b,c。优选地，步骤S5中五轴机床综合刀具位置误差和刀具姿态误差为：其中，pex，pey和pez分别为三个方向上的五轴机床综合刀具位置误差，vex，vey和vez为三个方向上的五轴机床综合刀具姿态误差。优选地，步骤S6中选取五轴机床各个方向上误差影响较大的运动轴的方法为：S6.1、根据各个运动轴位置误差贡献值构建运动轴各个方向上位置误差权重系数：其中，wPki为运动轴i在k方向上的位置误差权重系数；S6.2、根据各个运动轴姿态误差贡献值构建运动轴各个方向上姿态误差权重系数：其中，wOki为运动轴i在k方向上的姿态误差权重系数；S6.3、将五轴机床几何误差数据和工件加工代码中五轴机床运动量代入运动轴各个方向上姿态误差权重系数计算公式和各个方向上姿态误差权重系数计算公式得到五轴机床加工工件时整个工件表面的运动轴各个方向上位置误差权重系数和姿态误差权重系数；S6.4、计算五轴机床加工工件时所有运动轴每个方向上位置误差权重系数平均值和每个方向上姿态误差权重系数平均值并进行比较，选择每个方向上位置误差影响系数平均值的最大值对应的运动轴为该方向上位置误差影响较大的运动轴，选择每个方向上姿态误差影响系数平均值的最大值对应的运动轴为该方向上姿态误差影响较大的运动轴。优选地，步骤7中五轴机床几何误差数据通过激光干涉仪、球杆仪测量获得。优选地，步骤S7中根据五轴机床几何误差数据和工件加工代码中五轴机床运动量计算运动轴位置误差影响系数和姿态误差影响系数，评估运动轴对五轴机床加工精度影响，选取五轴机床关键运动轴的方法为：S7.1、根据各个运动轴位置误差贡献值建立运动轴位置误差影响系数，计算公式为：其中，wPi表示运动轴i的位置误差影响系数；S7.2、根据各个运动轴姿态误差贡献值建立运动轴姿态误差影响系数，计算公式为：其中，wOi表示运动轴i的姿态误差影响系数；S7.3、将五轴机床几何误差数据和工件加工代码中五轴机床运动量代入运动轴位置误差影响系数计算公式和运动轴姿态误差影响系数计算公式得到五轴机床加工工件时整个工件表面的所有运动轴位置误差影响系数和姿态误差影响系数；S7.4、计算五轴机床加工工件时各个运动轴位置误差影响系数平均值和各个运动轴姿态误差影响系数平均值并进行比较，选择位置误差影响系数平均值的最大值对应的运动轴和姿态误差影响系数平均值的最大值对应的运动轴为五轴机床关键运动轴。本专利技术提供的五轴机床运动轴几何误差贡献值计算及影响评估方法，具有以下有益效果：本专利技术选取各个方向上误差影响较大的运动轴；并评估运动轴对机床精度影响，选取五轴机床关键运动轴本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种五轴机床运动轴几何误差贡献值计算及影响评估方法，其特征在于，包括：S1、根据五轴机床结构设定各个运动轴的结构参数q；S2、根据位置不相关几何误差项对运动轴运动的影响以及位置相关几何误差项的定义，得到三个平动轴和三个旋转轴的几何误差旋量；S3、根据所述运动轴的几何误差旋量和构建的各个运动轴微分运动矩阵，计算得到刀具坐标系下各个运动轴的几何误差分量；S4、构建刀具坐标系下运动轴误差矩阵，结合刀具相对于工作台的指数积矩阵，建立各个运动轴几何误差贡献值表达式，包括运动轴位置误差贡献值表达式和运动轴姿态误差贡献值表达式；S5、将五轴机床各个所述运动轴几何误差贡献值相加，建立五轴机床综合几何误差模型，得到五轴机床综合刀具位置误差和刀具姿态误差；S6、根据五轴机床几何误差数据和工件加工代码中五轴机床运动量，计算运动轴各个方向上位置误差权重系数和姿态误差权重系数，评估运动轴对五轴机床各个方向上误差的影响，选取五轴机床各个方向上误差影响较大的运动轴；S7、根据五轴机床几何误差数据和工件加工代码中五轴机床运动量计算运动轴位置误差影响系数和姿态误差影响系数，评估运动轴对五轴机床加工精度影响，选取五轴机床关键运动轴。...

【技术特征摘要】
1.一种五轴机床运动轴几何误差贡献值计算及影响评估方法，其特征在于，包括：S1、根据五轴机床结构设定各个运动轴的结构参数q；S2、根据位置不相关几何误差项对运动轴运动的影响以及位置相关几何误差项的定义，得到三个平动轴和三个旋转轴的几何误差旋量；S3、根据所述运动轴的几何误差旋量和构建的各个运动轴微分运动矩阵，计算得到刀具坐标系下各个运动轴的几何误差分量；S4、构建刀具坐标系下运动轴误差矩阵，结合刀具相对于工作台的指数积矩阵，建立各个运动轴几何误差贡献值表达式，包括运动轴位置误差贡献值表达式和运动轴姿态误差贡献值表达式；S5、将五轴机床各个所述运动轴几何误差贡献值相加，建立五轴机床综合几何误差模型，得到五轴机床综合刀具位置误差和刀具姿态误差；S6、根据五轴机床几何误差数据和工件加工代码中五轴机床运动量，计算运动轴各个方向上位置误差权重系数和姿态误差权重系数，评估运动轴对五轴机床各个方向上误差的影响，选取五轴机床各个方向上误差影响较大的运动轴；S7、根据五轴机床几何误差数据和工件加工代码中五轴机床运动量计算运动轴位置误差影响系数和姿态误差影响系数，评估运动轴对五轴机床加工精度影响，选取五轴机床关键运动轴。2.根据权利要求1所述的五轴机床运动轴几何误差贡献值计算及影响评估方法，其特征在于，所述步骤S1中设定各个运动轴的结构参数q的方法为：S1.1、设定X轴、Y轴、C轴三个平动轴和A轴、B轴、C轴三个旋转轴的结构参数q为0；S1.2、根据五轴机床结构确定各个运动轴相对于刀具、工作台和床身的位置；S1.3、寻找位于刀具和床身之间的运动轴，并将所述运动轴的结构参数q设置为1；S1.4、寻找位于工作台和床身之间的运动轴，并将所述运动轴的结构参数q设置为-1。3.根据权利要求1所述的五轴机床运动轴几何误差贡献值计算及影响评估方法，其特征在于，所述步骤S2中得到三个平动轴和三个旋转轴的几何误差旋量ΔEi为：其中，i＝x,y,z,a,b,c；δki表示运动轴i在k方向上的线性几何误差，εki表示运动轴i在k方向上的角度几何误差，k＝x,y,z；α,β和γ分别表示A轴、B轴和C轴的旋转角度，Sik和oik表示位置不相关几何误差项。4.根据权利要求1所述的五轴机床运动轴几何误差贡献值计算及影响评估方法，其特征在于，所述步骤S3中计算得到刀具坐标系下各个运动轴的几何误差分量的方法为：S3.1、建立刀具相对于各个运动轴的指数积矩阵Tti，根据直角坐标系微分运动关系理论获得各个运动轴的微分运动矩阵Di；其中S3.2、根据直角坐标系微分运动关系理论得到刀具坐标下运动轴误差分量：代入运动轴几何误差旋量和运动轴微分运动矩阵，获得刀具坐标下各个运动轴误差分量。5.根据权利要求1所述的五轴机床运动轴几何误差贡献值计算及影响评估方法，其特征在于，所述步骤S4中得到各个运动轴几何误差贡献值表达式的方法为：S4.1、建立刀具坐标系下运动轴误差矩阵，根据刀具相对于工作台的指数积矩阵Ttw将刀具坐标系下运动轴误差矩阵转换到工作台上，建立运动轴误差贡献值：S4.2、代入刀具坐标下各个运动轴误差分量表达式，建立并获得各...

【专利技术属性】
技术研发人员：付国强，饶勇建，高宏力，鲁彩江，贡宏伟，谷腾达，施景皓，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51