一种五轴数控机床平动轴和旋转轴同步误差检测方法与流程

本发明涉及五轴数控机床误差检测领域，具体是一种五轴数控机床平动轴和旋转轴同步误差检测方法。

背景技术：

数控机床的动态误差广义上指机床运动过程中实际位置与理论位置之间的偏差，是机械结构几何误差、伺服系统控制误差、环境热变形误差、数控系统插补误差等所有误差的综合反映。实际加工过程中，造成五轴联动加工工件质量缺陷的机床动态误差主要是伺服不匹配和动态反向误差，尤其是高速加工，伺服同步误差会造成加工表面的轮廓误差。

伺服不匹配误差是由于参与联动的轴之间伺服环的增益不匹配，导致运动过程中，各轴存在不同的跟随误差，某些轴运动超前，某些轴运动滞后，合成到刀具上的运动轨迹就会产生偏差，随着进给速度的提高，误差也会放大。与静态误差相比，动态误差由于需要在运动过程中进行测量，常规的大理石尺、千分表、水平仪、激光干涉仪等工具难以应用，对于三轴数控机床，目前国内外制造厂商已开始应用球杆仪、二维光学码盘等对两直线轴的联动精度进行检测，目前两平动轴之间的伺服匹配通过球杆仪测量两轴联动插补圆轨迹精度可有效识别伺服不匹配误差。但对于五轴机床，还缺少成熟稳定的联动动态精度检测与分析方法，近年来，国内外学者开始对旋转轴动态精度开展研究，发明了包括应用球杆仪、R-test、CapBall、激光跟踪仪等检测工具进行测量和误差辨识的新方法。

例如，Masaomi Tsutsumi等在论文analysis of circular trajectory equivalent to cone-frustum milling in five-axis machining centers using motion simulator , international journal of machine tools & manufacture 64 (2013) 1-11中提出的通过五轴联动基于球杆仪模拟斜圆锥运动的方法测量五轴联动运动的综合动态精度，但该方法综合了五个轴的误差项，不便于对平动轴和旋转轴的同步误差进行分离。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种五轴数控机床平动轴和旋转轴同步误差检测方法，采用球杆仪作为检测仪器，通过一个平动轴与一个旋转轴的联动运动获得运动过程中球杆仪测量数据，进而分析出两轴之间联动的同步误差，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种五轴数控机床平动轴和旋转轴同步误差检测方法，包括以下步骤：

（1）根据五轴机床结构行程特点，确定测量行程，计算测量轨迹NC程序；

（2）根据球杆仪测量路径和误差几何原理，获得球杆仪测得的数据与旋转轴和平动轴同步误差的关系，进而确定旋转轴与平动轴同步误差的评价指标；

（3）按照球杆仪的常规安装要求和所设计的初始安装位置安装球杆仪，开启五轴机床的刀尖点旋转跟随功能，运动测量程序，获得球杆仪的测量数据；

（4）根据测量数据和旋转轴与平动轴的同步误差评价指标的关系，计算出当前的旋转轴与平动轴之间的同步误差；

（5）根据所测得的同步误差情况，调整所测旋转轴与平动轴的伺服位置比例增益和速度前馈增益伺服参数，再进行误差测量，直到误差达到机床精度要求水平。

作为本发明进一步的方案：步骤（1）中根据五轴机床结构行程特点，确定测量行程，计算测量轨迹NC程序的具体方法是：O代表旋转轴C轴中心，Ot代表路径圆中心，R代表球杆仪直径，Rc代表球杆仪旋转轴一侧的小球距离旋转轴轴心的距离，球杆仪两端球初始位置分别在P0和Ot位置，一侧球随旋转轴C转动角度θi到达Pi位置，另一侧球则随平动轴X移动Xi距离到达Oti位置；设计检测轨迹使P0球绕Ot做匀速圆轨迹运动，φi为P0绕Ot转动的角度，由图中几何关系可知：

根据上述几何关系式，通过让φi从0°到360°每隔一定的角度取值，即可计算出NC程序旋转轴和平动轴的坐标值。

作为本发明再进一步的方案：步骤（2）中根据球杆仪测量路径和误差几何原理，获得球杆仪测得的数据与旋转轴和平动轴同步误差的关系，进而确定旋转轴与平动轴同步误差的评价指标，具体方法是：

设C轴跟随误差为△θ，X轴跟随误差为△X，球杆仪的伸缩测量误差为△R，则得到球杆仪误差轨迹方程：

其中Fc代表旋转轴C轴的运动速度，Fx代表平动轴X轴的运动速度，Kcp代表旋转轴C轴的位置比例增益，Kxp代表平动轴X轴的位置比例增益，Fc和Fx可以到过对θi和Xi求导数获得，即：

将△R的最大最小值相减取绝对值作为旋转轴和平行轴同步误差的评价指标。

作为本发明再进一步的方案：步骤（3）中按照所设计的初始安装位置安装球杆仪，具体步骤是：先将球杆仪一测小球工具杯安装在主轴刀柄上，使主轴与旋转轴轴线重合，再移动待测的平动轴到距离旋转轴中心Rc的位置，放置球杆仪安装座，使安装座与工具杯同轴，锁定安装座，再移动平动轴到距离旋转轴中心Rc+R的位置，将球杆仪两侧小球分别吸在工具杯和安装座上。

作为本发明再进一步的方案：步骤（4）中根据测量数据和旋转轴与平动轴的同步误差评价指标的关系，计算出当前的旋转轴与平动轴之间的同步误差，具体方法是：首先将球杆仪测得的数据去掉头尾部分的少量启停误差数据后，求取误差数据的最大最小值的差值绝对值作为同步误差，然后将误差数据在360°范围内平均分布，计算出每个角度对应的误差的XY坐标，以误差图形的形式显示出来。

作为本发明再进一步的方案：步骤（5）中根据所测得的同步误差情况，调整伺服参数是指通过观察步骤（4）中绘制的误差图形判断调整情况，通过调整伺服参数使误差图形接近要求的圆度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：能够通过简单的测量运动路径实现旋转轴与平动轴同步误差的测量，操作简单，误差分离清晰，便于进行同步误差的高效调整。

附图说明

图1为五轴数控机床平动轴和旋转轴同步误差检测方法中在某典型结构双转台五轴机床上球杆仪测量旋转轴与平动轴同步误差运动示意图。

图2为五轴数控机床平动轴和旋转轴同步误差检测方法中球杆仪测量轨迹几何关系示意图。

图3为五轴数控机床平动轴和旋转轴同步误差检测方法中旋转轴与平动轴同步误差几何关系示意图。

图4为五轴数控机床平动轴和旋转轴同步误差检测方法中旋转轴与平动轴不同伺服增益下误差图形变化示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1～4，本发明实施例中，一种五轴数控机床平动轴和旋转轴同步误差检测方法，以双转台结构五轴机床的C轴旋转轴与X轴平动轴同步误差检测为例，包括以下步骤：

步骤1：根据五轴机床结构行程特点，确定测量行程，计算测量轨迹NC程序，如图1所示，O代表旋转轴C轴中心，Ot代表路径圆中心，R代表球杆仪直径，Rc代表球杆仪旋转轴一侧的小球距离旋转轴轴心的距离，球杆仪两端球初始位置分别在P0和Ot位置，一侧球随旋转轴C转动角度θi到达Pi位置，另一侧球则随平动轴X移动Xi距离到达Oti位置。设定该机床X轴行程为-250mm<x<250mm，C轴行程为±360︒，确定球杆仪长度R为100mm，球杆仪旋转轴上的小球距离C轴中心距离Rc为100mm.

设计检测轨迹使P0球绕Ot做匀速圆轨迹运动，φi为P0绕Ot转动的角度，由图2中几何关系可知：

根据上述几何关系式，通过让φi从0°到360°每隔0.1°的角度取值，即可计算出NC程序旋转轴和平动轴的坐标值。

步骤2：根据球杆仪测量路径和误差几何原理，获得球杆仪测得的数据与旋转轴和平动轴同步误差的关系，进而确定旋转轴与平动轴同步误差的评价指标；如图3所示，假设C轴跟随误差为△θ，X轴跟随误差为△X，球杆仪的伸缩测量误差为△R，则得到球杆仪误差轨迹方程：

其中Fc代表旋转轴C轴的运动速度，Fx代表平动轴X轴的运动速度，Kcp代表旋转轴C轴的位置比例增益，Kxp代表平动轴X轴的位置比例增益，Fc和Fx可以到过对θi和Xi求导数获得，即：

将△R的最大最小值相减取绝对值作为旋转轴和平行轴同步误差的评价指标。

步骤3：按照球杆仪的常规安装要求和所设计的初始安装位置安装球杆仪，先将球杆仪一测小球工具杯安装在主轴刀柄上，使主轴与旋转轴轴线重合，再移动待测的平动轴到距离旋转轴中心Rc的位置，放置球杆仪安装座，使安装座与工具杯同轴，锁定安装座，再移动平动轴到距离旋转轴中心Rc+R的位置，将球杆仪两侧小球分别吸在工具杯和安装座上。开启五轴机床的刀尖点旋转跟随功能（RTCP），运动测量程序，获得球杆仪的测量数据；

步骤4：根据测量数据和旋转轴与平动轴的同步误差评价指标的关系，计算出当前的旋转轴与平动轴之间的同步误差；首先将球杆仪测得的数据去掉头尾部分的少量启停误差数据后，求取误差数据的最大最小值的差值绝对值作为同步误差，然后将误差数据在360°范围内平均分布，计算出每个角度对应的误差的XY坐标，以误差图形的形式显示出来。

步骤5：如图4所示，根据所测得的同步误差情况，调整所测旋转轴与平动轴的伺服位置比例增益和速度前馈增益等伺服参数，再进行误差测量，直到误差达到机床精度要求水平。

本发明的工作原理是：借鉴曲柄滑块机构的运动原理，设计单个旋转轴与单个平动轴之间进行联动的轨迹路径，球杆仪的一侧小球安装在旋转轴台面上随旋转轴做旋转运动，球杆仪的另一侧小球安装在主轴轴线上随平动轴做直线运动，通过两轴联动，使旋转轴上的小球绕主轴上的小球做匀速圆轨迹运动，由于旋转轴与平动轴的运动过程中有速度的不同变化，从而使之产生不同变化的跟随误差，进而利用球杆仪对运动路径的偏差进行检测。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。