一种基于球杆仪测量数控机床垂直度误差的快速辨识方法技术

本发明专利技术公开了一种基于球杆仪测量数控机床垂直度误差的快速辨识方法，属于数控机床精密检测领域。针对以往垂直度误差检测方法中存在的实验装置安装困难、检测程序复杂、检测时间长等问题，本发明专利技术采用机床三轴联动的方式，设计一条球杆仪球面运动轨迹测得垂直度误差。本发明专利技术利用指数积公式解释数控机床误差分布几何特征。同时，本方法优化了检测路径，缩短检测时间，提高了检测效率。

A fast identification method for measuring the Perpendicularity Error of CNC machine tools based on ball and bar instrument

【技术实现步骤摘要】
一种基于球杆仪测量数控机床垂直度误差的快速辨识方法
本专利技术涉及数控机床精度检测领域，特别涉及一种基于球杆仪测量数控机床垂直度误差的快速辨识方法。技术背景随着社会的发展，数控机床在制造领域所占比重越来越大，这对于数控机床的精度提出了更高的要求。目前，针对检测数控机床制造精度的仪器有很多，例如球杆仪、R-test、激光干涉仪等仪器。其中，由于成本低，检测时间短，操作简单等优势，球杆仪被视为精度检测的理想工具。现有利用球杆仪检测机床精度的方法存在操作过程繁琐、检测时间长等问题，因此，提出一种操作简单、检测时间短且仪器安装简单的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种基于球杆仪测量数控机床垂直度误差的快速辨识方法，利用球杆仪来实现数控机床中三个两两正交线性轴垂直度误差的辨识。本专利技术具有仅需一次安装定位，检测程序简单等优点，在很大程度上缩短了检测时间，提高了检测效率。一种基于球杆仪测量数控机床垂直度误差的快速辨识方法，包括如下步骤：步骤1、根据五轴数控机床结构，确定球杆仪的安装位置，采用三轴联动的方式沿预设路径进行精度检测。步骤2、根据五轴数控机床的拓扑结构，建立五轴数控机床与垂直度误差有关的指数积公式，进行误差解耦，得到垂直度误差。步骤1中根据五轴数控机床结构，确定球杆仪的安装位置，采用三轴联动的方式沿预设路径进行精度检测，包括步骤：步骤1.1、首先，将夹具基座安装在工作台上，磁性底座安装在夹具基座上。然后，使用机床探针把工件工具杯中心确定为工件坐标系的原点。最后，把主轴工具杯移动到X轴负方向100mm的位置，将杆长为100mm的球杆仪一端安装在工件工具杯上，另一端安装在主轴工具杯上。步骤1.2、由于球杆仪的采集速度是恒定的，所以球杆仪的检测点需均匀分布。首先，在斜侧45°xy轴坐标系下将半径为圆的周长平均分为1000份，先取该坐标系中位于x轴负方向范围内对应圆弧的500个点，所得的500个点坐标表达式如下所示：然后，再取该坐标系中位于x轴正方向范围内对应圆弧的500个点，所得的500个点坐标表达式如下所示：步骤1.3、根据计算得到2组检测点分别使用相应的旋转变换矩阵，使1000个二维坐标变换成1000个三维坐标，旋转变换矩阵如下所示：步骤1.4、根据坐标变换得到的1000个检测点，使用G代码生成检测路径。步骤1.5、球杆仪沿已生成的检测路径，以300mm/min的运行速度进行检测。在检测过程中，采用三轴联动的方式进行检测，当球杆仪运动到第1000个点的位置时，再沿原路径反向运动，完成2000个检测点的数据采集。进一步地，步骤2中根据五轴数控机床的拓扑结构，建立机床与垂直度误差有关的指数积公式，进行误差解耦，包括步骤：步骤2.1、以五轴数控机床X轴为基准建立机床的简易模型，依据机床拓扑结构Y→X→R→Z，建立指数积公式：T0＝[0001]T；将上述各项带入公式(3)中，可以得到理论检测点坐标与实际检测点坐标之间关于垂直度误差关系，如下所示：Xen＝Xin+Yin*sinθxy+Zin*sinθxz(4)Yen＝Yin-Zin*sinθyz(5)Zen＝-Zin(6)步骤2.2、构建球杆仪长度与实际检测点的关系，如下所示：M＝Xen2+Yen2+Zen2(7)将公式(4-6)带入公式(7)中得到球杆仪长度与垂直度误差关系式，如下所示：M＝Yin2*sinθxy2+Zin2*sinθxz2+Zin2*sinθyz2+Xin2+Yin2+Zin2+2*Xin*Yin*sinθxy+2*Xin*Zin*sinθxz-2*Yin*Zin*sinθyz+2*Yin*Zin*sinθxy*sinθxz(8)步骤2.3、将球杆仪测量得到的2000个检测点数据带入公式(8)中组成2000个方程，生成2000个伪逆矩阵，用伪逆函数的方法即可求出三项垂直度误差。本专利技术使用指数积公式建立数控机床垂直度误差数学模型，通过使用球杆仪检测数据，可以求解出数控机床垂直度误差。本专利技术通过一次安装检测装置，检测程序简单等优点，在很大程度上缩短了检测时间，提高了检测效率，为数控机床快速检测垂直度误差提供了新的方法。附图说明图1为摇篮式五轴数控机床结构示意图。图2为本专利技术方法实施例中球杆仪安装图与机床坐标系示意图。图3为本专利技术方法实施例中二维均分圆示意图。图4为本专利技术方法实施例中二维坐标系向为三维坐标系变换示意图。图5为本专利技术方法实施例中检测路径MATLAB模拟图。图6为本专利技术方法实施例中三维检测路径示意图。图7为本专利技术方法实施例中球杆仪正向检测数据图。图8为本专利技术方法实施例中球杆仪反向检测数据图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明。附图1所示为摇篮式五轴数控机床结构示意图，以该摇篮式五轴数控机床为例，对本专利技术方法进行阐述。步骤1中根据五轴数控机床结构，确定球杆仪的安装位置，采用三轴联动的方式沿预设路径进行精度检测，包括步骤：步骤1.1、首先，将夹具基座安装在工作台上，磁性底座安装在夹具基座上。然后，用机床探针将工件工具杯中心确定为工件坐标系的原点。最后，把主轴工具杯移动到X轴负方向100mm的位置，将杆长为100mm的球杆仪一端安装在工件工具杯上，另一端安装在主轴工具杯上，如图2所示。步骤1.2、由于球杆仪的采集速度是恒定的，所以球杆仪的检测点需均匀分布。首先，在斜侧45°xy轴坐标系下将半径为圆的周长平均分为1000份，取该坐标系中位于x轴负方向范围内对应圆弧的500个点，如图3所示，所得的500个点坐标表达式如下所示：然后，再取该坐标系中位于x轴正方向范围内对应圆弧的500个点，所得的500个点坐标表达式如下所示：步骤1.3、根据计算得到2组检测点分别使用相应的旋转变换矩阵，使1000个二维坐标变换成1000个三维坐标。图4为二维坐标系向三维坐标系变换的示意图，其中(a)为第一组500个坐标的坐标变换示意图，(b)为第二组500个坐标的坐标变换示意图，分别对应的旋转变换矩阵如下所示：步骤1.4、根据坐标变换得到的1000个检测点，使用G代码生成检测路径，检测路径在MATLAB中模拟图如图5所示，三维检测路径模拟图如图6所示。步骤1.5、球杆仪沿已生成的检测路径，以300mm/min的运行速度进行检测。在检测过程中，采用三轴联动的方式进行检测，当球杆仪运动到第1000个点时，再沿原路径反向运动，完成2000个检测点的数据采集。其中，球杆仪正向检测误差结果图如图7所示，球杆仪反向检测误差结果图如图8所示。进一步地，步骤2中根据本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于球杆仪测量数控机床垂直度误差的快速辨识方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1、根据五轴数控机床结构，确定球杆仪的安装位置，采用三轴联动的方式沿预设路径进行精度检测；/n步骤2、根据五轴数控机床的拓扑结构，建立五轴数控机床与垂直度误差有关的指数积公式，进行误差解耦，得到垂直度误差。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于球杆仪测量数控机床垂直度误差的快速辨识方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、根据五轴数控机床结构，确定球杆仪的安装位置，采用三轴联动的方式沿预设路径进行精度检测；
步骤2、根据五轴数控机床的拓扑结构，建立五轴数控机床与垂直度误差有关的指数积公式，进行误差解耦，得到垂直度误差。


2.根据权利要求1所述的一种基于球杆仪测量数控机床垂直度误差的快速辨识方法，其特征在于，所述步骤1中，根据五轴数控机床结构，确定球杆仪的安装位置，采用三轴联动的方式沿预设路径进行精度检测，包括步骤：
步骤1.1、首先，将夹具基座安装在工作台上，磁性底座安装在夹具基座上。然后，使用机床探针把工件工具杯中心确定为工件坐标系的原点。最后，把主轴工具杯移动到X轴负方向100mm的位置，将杆长为100mm的球杆仪一端安装在工件工具杯上，另一端安装在主轴工具杯上；
步骤1.2、由于球杆仪的采集速度是恒定的，所以球杆仪的检测点需均匀分布。首先，在斜侧45°xy轴坐标系下将半径为圆的周长平均分为1000份，先取该坐标系中位于x轴负方向范围内对应圆弧的500个点，所得的500个点坐标表达式如下所示：



然后，再取该坐标系中位于x轴正方向范围内对应圆弧的500个点，所得的500个点坐标表达式如下所示：



步骤1.3、根据计算得到2组检测点分别使用相应的旋转变换矩阵，使1000个二维坐标变换成1000个三维坐标，旋转变换矩阵如下所示：






步骤1.4、根据坐标变换得到的1000个检测点，使用G代码生成检测路径；
步骤1.5、球杆仪沿已生成的检测路径，以300mm/min的运行速度进行检测。在检测过程中，采...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋晓耕，柴旭，贾经纬，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12