一种基于球杆仪测量的机床回转轴几何误差辨识方法与流程

本发明涉及多轴数控机床误差测量技术领域，特别涉及一种基于球杆仪测量的机床回转轴几何误差辨识方法。

技术背景

五轴数控加工可以有效地提高加工零件的表面光洁度，且具有更好的材料去除率，因此被广泛应用于现代制造业。五轴机床大多数的优点是因为其具有两个回转轴，可以使工件相对于刀具定向，所以在进行数控加工时较三轴机床更加灵活。但是，两个回转轴也为机床引入了更多的误差源。现有的测量三轴机床误差的方法已不能满足五轴机床误差测量的需要，因此，为了保持机床的精度，需要对回转轴的误差进行测量。

广泛采用球杆仪进行xy，yz，和xz平面圆弧测试，以评估三轴机床的几何误差性能。但是，使用球杆仪对回转轴进行简捷，快速且有效的检测的研究较少。因此，提出一种能够快速且有效地检测回转轴的方法是十分有必要的。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种基于球杆仪测量的机床回转轴几何误差辨识方法，利用球杆仪对回转轴的与位置无关的几何误差进行辨识。该发明可以快速且有效的辨识几何误差，进而极大地提高了测量效率。

一种基于球杆仪测量的回转轴几何误差辨识方法，包括如下步骤：

步骤1、根据机床结构和回转轴位置，进行球杆仪的安装，并对主轴工具杯与基座工具杯进行校准。

步骤2、利用相应机床代码，控制机床仅有一回转轴进行回转运动。利用球杆仪对回转轴的与位置无关的几何误差进行初步辨识。

步骤3、改变球杆仪基座的安装位置，利用球杆仪对回转轴的与位置无关的几何误差进行高精度辨识，得到机床回转轴的8项与位置无关的几何误差。

步骤1中根据机床结构和回转轴位置，进行球杆仪的安装，并对主轴工具杯与基座工具杯进行校准，包括步骤：

步骤1.1、定义参考坐标系，参考坐标系的原点位于a轴轴轴线与c轴轴线的交点，同时，以a轴轴线与a轴转台交点为原点建立a轴局部坐标系，并以c轴轴线与c轴转台交点为原点建立c轴局部坐标系。球杆仪的主轴工具杯位于a轴回转中心上；球杆仪基座安装在c轴转台上，与c轴回转中心距离为100mm。

步骤1.2、利用千分表对主轴工具杯进行校准，确保其中心线与主轴轴线重合。利用球杆仪在基座的xy与yz平面上进行常规的误差测量，以获得基座理想位置与实际位置之间的误差，如图3所示；并对球杆仪基座位置进行校准。

进一步地，步骤2中利用相应机床代码，控制机床仅有一回转轴进行回转运动。利用球杆仪测量回转轴的与位置无关的几何误差，包括步骤：

步骤2.1、两个回转轴(a轴与c轴)分四步检测。球杆仪的主轴工具杯位于a轴回转中心上；球杆仪基座安装在c轴转台上，与c轴回转中心距离为100mm。利用相应机床代码，使得a轴在-20°-+70°的范围内进行回转运动，以检测a轴。

步骤2.2、利用加长杆将球杆仪延长50mm，检测a轴。安装150mm球杆仪时，应控制主轴在负x方向上位移，球杆仪基座的位置不变。a轴的回转角度同样为-20°-+70°。球杆仪运动过的轨迹为圆锥曲面的四分之一。

步骤2.3、在没有加长杆的情况下检测c轴。主轴工具杯位于c轴回转中心上，球杆仪基座位置不变，c轴进行0°-360°的回转运动。但是，由于c轴回转工作台位于a轴工作台的顶部，因此a轴沿y轴方向上的位置误差会影响c轴检测的精度。因此，需要在c轴的测量结果中去除a轴这一位置误差。

步骤2.4、将球杆仪延长50mm，球杆仪基座位置不变，c轴进行0°-360°的回转运动，利用球杆仪测量c轴几何误差，并去除a轴沿y轴方向上的位置误差。每一步可测得与位置无关的几何误差如下：

其中eya，bot，eza，bot，exc，bot，eyc，bot分别为球杆仪运行轨迹中心与对应回转轴局部坐标系原点的距离。

步骤2.5、利用之前所测得位置误差值，对回转轴的方向误差进行计算。以a轴有加长杆的测量方式测得几何误差为例：

如图5所示，其中so为主轴球s到理想回转中心o的距离，se与a轴实际回转轴线平行，yoe与zoe分别为理想回转中心o与点e的距离在y轴与z轴方向上的分量。

进一步地，步骤3中改变球杆仪基座的安装位置，利用球杆仪对回转轴的与位置无关的几何误差进行高精度辨识，得到机床回转轴的8项与位置无关的几何误差，包含步骤：

步骤3.1、选择位置1与位置2安装球杆仪基座，两位置尽可能靠近a轴转台的两侧，且关于参考坐标系的yz平面对称。主轴工具杯与基座工具杯相对于参考系具有相同的x坐标，且主轴工具杯中心位于a轴轴线上。当球杆仪基座位于位置1时，校准两工具杯后，令a轴在-20°-+70°的范围内进行回转运动，以测量a轴。

步骤3.2、改变基座位置，将其置于位置2处。主轴工具杯与基座工具杯相对于参考系具有相同的x坐标，且主轴工具杯中心位于a轴轴线上。两工具杯进行校准后，a轴在-20°-+70°的范围内进行回转运动，进行测量。

步骤3.3、将球杆仪基座安装在c轴转台上，改变其相对于参考坐标系的z坐标，进行两次试验以测量c轴。第一次实验将球杆仪基座安装在c轴回转工作台上一位置，该安装位置记为位置3，主轴工具杯中心位于c轴轴线上，且球杆仪两精密球中心的高度相同。两工具杯进行校准后，c轴回转360°，进行测量。

步骤3.4、第二次实验中，在c轴工作台上加装一平整光滑的铁块，选定一位置4，其具有与位置3相对于参考坐标系相同的x坐标与y坐标，仅改变球杆仪基座相对于参考坐标系的z坐标；同时，移动主轴至接近其移动上限处，保证其中心仍位于c轴轴线上，且球杆仪两精密球中心的高度相同。两工具杯进行校准后，c轴回转360°，进行测量。每一步可测得与位置无关的几何误差如下：

步骤3.5、利用之前所测得位置误差值，对回转轴的方向误差进行计算，求得θya，θza，θxc，θyc的值：

其中，da为位置1与参考坐标系原点之间沿参考坐标系x轴方向上的距离，dc为位置3和位置4之间沿参考坐标系z轴方向上的距离。

本发明是基于球杆仪测量的机床回转轴几何误差辨识方法，具体的有益效果是：

本发明中，实验过程仅需一回转轴运动，简化了对与位置无关的几何误差的分析，同时，不需要额外的夹具，简化了安装过程；同时，对主轴工具杯与基座工具杯进行了校准，保证了辨识精度。第一组实验仅需安装一次实验设备，操作简洁，可实现对机床几何误差的快速检测。同时，若需提高测量精度，则需再进行第二组实验。第二组实验避免了机床线性导轨中磨损严重的部分，提高了测量精度。本发明可以快速且有效的辨识几何误差，辨识精度高，实用性好。

附图说明

图1为某五轴数控机床结构示意图。

图2为c轴与位置无关的几何误差。

图3为本发明方法实施例中球杆仪基座的误差示意图。

图4为本发明方法实施例中第一组实验示意图。

图5为本发明方法实施例中第一组实验有加长杆时a轴几何误差示意图。

图6为本发明方法实施例中第二组实验示意图。

图7为本发明方法实施例中第一组实验测量与补偿结果比较图。

图8为本发明方法实施例中第二组实验测量与补偿结果比较图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

附图1所示为某五轴数控机床结构示意图，以该机床为例，对本发明方法进行阐述。

步骤1中根据机床结构和回转轴位置，进行球杆仪的安装，并对主轴工具杯与基座工具杯进行校准，包括步骤：

步骤1.1、定义参考坐标系，参考坐标系的原点位于a轴轴轴线与c轴轴线的交点，同时，以a轴轴线与a轴转台交点为原点建立a轴局部坐标系，并以c轴轴线与c轴转台交点为原点建立c轴局部坐标系。球杆仪的主轴工具杯位于a轴回转中心上；球杆仪基座安装在c轴转台上，与c轴回转中心距离为100mm。

步骤1.2、利用千分表对主轴工具杯进行校准，确保其中心线与主轴轴线重合。利用球杆仪在基座的xy与yz平面上进行常规的误差测量，以获得基座理想位置与实际位置之间的误差，如图3所示；并对球杆仪基座位置进行校准。

步骤2中利用相应机床代码，控制机床仅有一回转轴进行回转运动。利用球杆仪对回转轴的与位置无关的几何误差进行初步辨识，包括步骤：

步骤2.1、两个回转轴(a轴与c轴)分四步检测。球杆仪的主轴工具杯位于a轴回转中心上；球杆仪基座安装在c轴转台上，与c轴回转中心距离为100mm。如图4a所示，利用相应机床代码，使得a轴在-20°-+70°的范围内进行回转运动，以检测a轴。

步骤2.2、利用加长杆将球杆仪延长50mm，检测a轴。安装150mm球杆仪时，应控制主轴在负x方向上位移，球杆仪基座的位置不变，如图4b所示。a轴的回转角度同样为-20°-+70°。球杆仪运动过的轨迹为圆锥曲面的四分之一。

步骤2.3、在没有加长杆的情况下检测c轴。如图4c所示，主轴工具杯位于c轴回转中心上，球杆仪基座位置不变，c轴进行0°-360°的回转运动。但是，由于c轴回转工作台位于a轴工作台的顶部，因此a轴沿y轴方向上的位置误差会影响c轴检测的精度。因此，需要在c轴的测量结果中去除a轴这一位置误差。

步骤2.4、将球杆仪延长50mm，球杆仪基座位置不变。如图4d所示，c轴进行0°-360°的回转运动，利用球杆仪测量c轴几何误差，并去除a轴沿y轴方向上的位置误差。每一步可测得与位置无关的几何误差如下：

其中eya，bot，eza，bot，exc，bot，eyc，bot分别为球杆仪运行轨迹中心与对应回转轴局部坐标系原点的距离。

步骤2.5、利用之前所测得位置误差值，对回转轴的方向误差进行计算。以a轴几何误差为例：

a轴与位置无关的几何误差如图5所示，其中so为主轴球s到理想回转中心o的距离，se与a轴实际回转轴线平行，yoe与zoe分别为理想回转中心o与点e的距离在y轴与z轴方向上的分量。

步骤3中改变球杆仪基座的安装位置，利用球杆仪对回转轴的与位置无关的几何误差进行高精度辨识，得到机床回转轴的8项与位置无关的几何误差，包含步骤：

步骤3.1、选择位置1与位置2安装球杆仪基座，两位置尽可能靠近a轴转台的两侧，且关于参考坐标系的yz平面对称。主轴工具杯与基座工具杯相对于参考系具有相同的x坐标，且主轴工具杯中心位于a轴轴线上。如图6a所示，当球杆仪基座位于位置1时，校准两工具杯，令a轴在-20°-+70°的范围内进行回转运动，以测量a轴。

步骤3.2、改变基座位置，将其置于位置2处。如图6b所示，主轴工具杯与基座工具杯相对于参考系具有相同的x坐标，且主轴工具杯中心位于a轴轴线上。两工具杯进行校准后，a轴在-20°-+70°的范围内进行回转运动，进行测量。

步骤3.3、将球杆仪基座安装在c轴转台上，改变其相对于参考坐标系的z坐标，进行两次试验以测量c轴。如图6c所示，第一次实验将球杆仪基座安装在c轴回转工作台上一位置，该安装位置记为位置3，主轴工具杯中心位于c轴轴线上，且球杆仪两精密球中心的高度相同。两工具杯进行校准后，c轴回转360°，进行测量。

步骤3.4、第二次实验中，在c轴工作台上加装一平整光滑的铁块，选定一位置4，其具有与位置3相对于参考坐标系相同的x坐标与y坐标，仅改变球杆仪基座相对于参考坐标系的z坐标；同时，移动主轴至接近其移动上限处，保证其中心仍位于c轴轴线上，且球杆仪两精密球中心的高度相同，具体实验过程如图6d所示。两工具杯进行校准后，c轴回转360°，进行测量。每一步可测得与位置无关的几何误差如下：

步骤3.5、利用之前所测得位置误差值，对回转轴的方向误差进行计算，求得θya，θza，θxc，θyc的值：

其中，da为位置1与参考坐标系原点之间沿参考坐标系x轴方向上的距离，dc为位置3和位置4之间沿参考坐标系z轴方向上的距离。

附图7为第一组实验的测量结果与补偿结果比较图，附图8即为第二组实验的测量结果与补偿结果比较图。可验证该发明回转轴几何误差辨识方法辨识精度高。

本发明最后得到机床回转轴的8项与位置无关的几何误差。附图只是一个优选实例，上述的实施例只是为了描述本发明，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应涵盖在本发明的保护范围之内。