专利名称：一种实现夹具系统综合误差提取及确定补偿值的方法
技术领域：
本发明涉及机械加工领域，特别涉及一种实现夹具系统综合误差提取及确定补偿值的方法。
背景技术：
夹具是用来在加工过程中定位并夹紧工件的装置。它在缩短制造周期、保证加工质量等方面具有相当重要的作用，并由此而降低了生产成本。但夹具系统存在的误差成为影响加工质量的重要因素之一。夹具的定位元件用来建立基准坐标系，而刀具依据机床坐标系运动。当定位元件存在误差时，基准坐标系便产生偏移与旋转，从而出现与机床坐标系未对准的现象，导致工件产生位姿偏差，使得加工表面误差增大。以3-2-1定位方案为例，定位元件采用球形支承钉，与工件之间呈点接触。忽略夹紧误差的影响，则各支承钉的布局方式以及各自的误差都会对表面偏差造成影响。如何建立工件表面偏差与夹具系统误差之间的关系模型，而对夹具系统误差提供分析依据，已成为国内外很多学者研究的方向，并已对此开展了广泛的研究。例如<1>对于定位元件误差比较小时，定位元件的误差与工件的位置变化呈线性关系 (参见Laloum and Weil，夹具的定位误差对工件几何精度的影响，Proceedings of CIRP Conference on PE and Ms,1991，215—225.)；<2>用变分法提出了夹具布局的稳健设计方法，通过合理的安排定位元件的布局， 使工件的表面误差及夹具的安装误差达到最小，(参见W.Cai，J.Hu，and J. Yuan，三维工件中稳健性夹具布局设计的变分方法，J. Mf. Sci. Eng.，vol. 119，pp. 593-602，1997.)；<3>建立模型来分析定位元件的公差方案对基准的建立、工件线性特征的几何误差的影响，(参见S. A. Choudhuri and Ε. C. De Meter，机床夹具定位元件的公差分析，ASME， J. Mf, Sci.Engng，1999，121,273-281.)；<4>用小偏差非共面直线对的方法建立了工件的几何误差、定位元件的几何误差以及夹紧力误差的综合误差模型，从而得出工件表面加工点的补偿值。(参见J N Asante,用于工夹系统公差分析中的小偏差非共面直线对模型，Proc. ImechE Part B :J.Engineering Manufacture 223 (8) (2009) :1005-1020 DOI 10.1243/09544054JEM1337.)；<5>秦国华等分析了工件位置误差、弹性变形和基准重合误差对工件加工精度的影响，提出了一种基于线性规划法工件稳定性的建模和应用。并且利用数学算法分析了夹具定位方案的最优设计。进一步提出了基于矢量角度和优化技术的定位误差自动算法， 该方法为计算机辅助夹具设计提供了理论基础，(参见用于分析及优化夹具定位方案设计的数学方法，International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2006， 29(6) :349-359.),(参见工夹系统几何误差的系统化建模及在工件加工误差预测中的应用，Transactions of the ASME，Journal of Manufacturing Science and Engineering，2007,129(4) :789-801.),(参见基于矢量角度和优化技术的定位误差新算法[J].计算机集成制造系统，2009，12 (12，2445 2450.)；<6>建立了刀具、夹具、基准与工件加工精度的综合误差模型，(参见Xia0-Jin Wan, Cai-Hua Xiong, etc.误差评定的综合模型及加工调整，hternational Journal of Machine Tools & Manufacture,48(2008) 1198-1210.)；<7>融亦鸣等建立了定位偏差模型，将前人方法中忽略的工件与定位元件之间的滑动误差也加入到模型中，(融亦鸣，张发平，卢继芳，现代计算机辅助夹具设计，北京理工大学出版社，2010. 4.)等；发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足上述模型本质上都属于(Asada，1985)给出的模型的原型或扩展，不足之处在于， 尽管建立的误差模型都不相同，但都没有给出夹具误差的提取方法，即所有的模型都建立在夹具误差已知的基础上。众所周知，在实际加工中，每个定位元件的形状、尺寸误差都不相同，再者由于布局方式的不同以及安装误差的差异，使得造成的工件偏差也是不同的。因此夹具误差的精确提取对建立基准、计算工件偏差以及误差补偿都有重要的意义。
发明内容
为了能够精确的提取到夹具误差，本发明提供了一种实现夹具系统综合误差提取及确定补偿值的方法，详见下文描述一种实现夹具系统综合误差提取及确定补偿值的方法，所述方法包括以下步骤(1)获取夹具系统综合误差参数模型；(2)搭建在机检测平台，根据在机检测技术和所述系统综合误差参数模型确定工件在机床坐标系下的位置和姿态偏差(3)根据所述工件在机床坐标系下的位置和所述姿态偏差Δ qw建立夹具系统综合误差补偿模型，根据补偿运算确定刀具运动轨迹各点的机床三个方向的补偿值。步骤(1)中的所述夹具系统综合误差参数建模，获取夹具系统综合误差参数模型具体为接触点Pci由公式(1)和公式⑵表示
权利要求
_触点坐标矩阵，N = diag[ni L n6] e R18x6表示-工件系统的接触约束条件为
1.一种实现夹具系统综合误差提取及确定补偿值的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤(1)获取夹具系统综合误差参数模型；(2)搭建在机检测平台，根据在机检测技术和所述系统综合误差参数模型确定工件在机床坐标系下的位置和姿态偏差(3)根据所述工件在机床坐标系下的位置和姿态偏差Aqw建立夹具系统综合误差补偿模型，根据补偿运算确定刀具运动轨迹各点的机床三个方向的补偿值。
2.根据权利要求1所述的一种实现夹具系统综合误差提取及确定补偿值的方法，其特征在于，步骤(1)中的所述夹具系统综合误差参数建模，获取夹具系统综合误差参数模型具体为接触点Pa由公式⑴和公式⑵表示
3.根据权利要求1所述的一种实现夹具系统综合误差提取及确定补偿值的方法，其特征在于，步骤中的所述搭建在机检测平台具体为采用雷尼绍0MP60测头，结合SKY2001开放式数控系统搭建所述在机检测平台。
4.根据权利要求1所述的一种实现夹具系统综合误差提取及确定补偿值的方法，其特征在于，步骤中的所述根据在机检测技术和所述系统综合误差参数模型确定工件在机床坐标系下的位置和姿态偏差具体为通过所述在机检测技术在每个球形定位支承钉的球面上各测量四个点，得到各点在机床坐标系下的坐标值；通过测量点拟合出六个球面，获取六个球形定位支承钉的实际球心坐标0Γ和相应的实际半径R『；将主定位面上的三个实际球心拟合为一个平面，主定位面的单位法向向量为nm ；根据所述主定位面的单位法向向量！^和侧面的两个实际球心确定侧面的单位法向向量ns;根据所述侧面的单位法向向量ns和所述主定位面的单位法向向量nm确定止推面的单位法向矢量nt，以及接触点法向量矩阵N = diag(nm，nm，nm，ns，ns，nt)；工件与第i个球形定位支承钉的接触点Pra位于相应的实际球心0Γ沿着其单位法向向量的方向行一个半径的位置，即< =ΟΓ+R；^，获取接触点坐标矩阵H ；根据各球形定位支承钉的理论球心位置和所述实际球心位置0Γ确定定位元件位置偏差矩阵Arf ；并确定接触点Pa法向误差矩阵Arn ；根据所述接触点法向量矩阵N、所述接触点坐标矩阵H、所述定位元件位置偏差矩阵 Arf和所述法向误差矩阵ΔΓη确定所述工件在机床坐标系下的位置和所述姿态偏差Δ qw。
5.根据权利要求4所述的一种实现夹具系统综合误差提取及确定补偿值的方法，其特征在于，所述根据所述主定位面的单位法向向量nm和侧面的两个实际球心确定侧面的单位法向向量\具体为通过ns丄nm，nsl SF^z确定所述侧面的单位法向向量rV^4 5
6.根据权利要求4所述的一种实现夹具系统综合误差提取及确定补偿值的方法，其特征在于，所述根据所述侧面的单位法向向量\和所述主定位面的单位法向向量1^确定止推面的单位法向矢量nt具体为所述止推面的单位法向矢量nt，由nt = nsXnm确定。
7.根据权利要求1所述的一种实现夹具系统综合误差提取及确定补偿值的方法，其特征在于，步骤(3)中的所述根据所述工件在机床坐标系下的位置和所述姿态偏差Aqw建立夹具系统综合误差补偿模型，根据补偿运算确定刀具运动轨迹各点的机床三个方向的补偿值具体为根据坐标变换理论，切削点P与P'有如下关系
全文摘要
本发明公开了一种实现夹具系统综合误差提取及确定补偿值的方法，涉及机械加工领域，所述方法包括以下步骤获取夹具系统综合误差参数模型；搭建在机检测平台，根据在机检测技术和所述系统综合误差参数模型确定工件在机床坐标系下的位置和姿态偏差ΔqW；根据坐标变换理论建立夹具系统综合误差补偿模型，通过补偿运算确定刀具运动轨迹各点的机床三个方向的补偿值。本发明清晰而简捷地阐明了夹具系统误差与工件位姿偏差之间的映射关系，理论依据充分；提供了简洁而精确的误差提取方法；可实现夹具误差的精密测量与计算。依据本发明，可以实现实时加工补偿，从而提高加工精度。
文档编号B23Q15/007GK102225516SQ20111015424
公开日2011年10月26日 申请日期2011年6月9日 优先权日2011年6月9日
发明者丁伯慧, 何改云, 杨保龙, 胡春霞 申请人:天津大学