五轴数控机床在线测量分析方法与流程

本发明涉及机床的测量方法技术领域，尤其涉及一种五轴数控机床在线测量分析方法。

背景技术：

数控机床的在线测量系统主要分为硬件部分和软件部分，硬件部分以机床为本体外接测头系统，软件部分主要由计算机系统组成。而五轴数控机床结构总体来说由三个移动轴和两个旋转轴组成。早在国外，这种以集计算机控制、高性能伺服系统、和精密加工、检测技术于一体测量方式被投入使用。由于我国技术落后，核心技术还是严重缺乏，尤其是硬件方面。在五轴机床上开发在线测量系统更是艰难，每一关键部位精度偏差对工件测量都将引发一连串的误差。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是如何提供一种测量精度高的轴数控机床在线测量分析方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种五轴数控机床在线测量分析方法，其特征在于包括如下步骤：

围绕多体系统的基础理论，分析多体系统的基本描述方法，构建多体系统实际运动的位置和姿态描述方程；

对五轴数控机床的误差源进行分析，在内外误差源中，占主要误差来源的是机床几何误差和热误差，去除误差因素，推导出相关的具体模型。

进一步的技术方案在于：所述的构建多体系统实际运动的位置和姿态描述方程的方法如下：

根据拓扑结构描述法，利用低序体阵列对开环多体系统进行分析，得出基本低序体阵列表；

利用空间描述法，建立广义坐标系，使用平移、旋转、变换算子构成齐次特征矩阵，利用齐次特征矩阵描述空间点和矢量在坐标系间的位置和姿态；

分析两典型体间相对运动的6项基本误差，推导出典型体实际合成运动的零级运动学方程。

进一步的技术方案在于：所述的对五轴数控机床的误差源进行分析的方法如下：

对通用多轴机床的运动误差建模，推导出通用机床刀具成形点的实际位置误差方程和姿态偏离方程式；

基于多体系统运动学理论，建立起l形桥架型五轴机床的低序体阵列及推导出各相邻体间的齐次特征矩阵，通过综合空间误差、几何空间误差的建模过程，并且推导出具体的模型表达式。

进一步的技术方案在于：所述方法还包括对建立的模型进行校验的步骤。

进一步的技术方案在于：所述校验方法包括标准量块校验法：将机床测头运动到标准量块两侧，对平行侧面取点采样，由两点间的相对坐标值计算测头真实值和误差。

进一步的技术方案在于：所述校验方法包括标准环规校验法：环规校验法是利用标准环规固定在机座上，测头运动，碰触内环或者外环，在一个平面内取点并计算坐标值。

进一步的技术方案在于：所述校验方法包括标准球规校验法，测头碰触标准球的方位可以是整个球面，用最小二乘法评定法可以拟合出一个包络球面，使用标准球规校验测头，可以在标准球上进行5点法校正或者9点法。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述方法通过消除误差构建模型，并使用校正方法进行校正，提高了所述方法测量的准确度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例所述方法中标准量块校验的原理图；

图2是本发明实施例所述方法中标准环规校验的原理图；

图3是本发明实施例所述方法中标准球规校验的原理图；

图4是本发明实施例所述方法中标准球的误差值的一种原理图；

图5是本发明实施例所述方法中标准球的误差值的第二种原理图；

图6是本发明实施例所述方法中常规5点法标准球直径不同的误差比较图；

图7是本发明实施例所述方法中分中找正5点法标准球直径不同的比较图；

图8是本发明实施例所述方法的主流程图。

具体实施方式

下面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的一部分实施例，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。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

总体的，如图8所示，本发明实施例公开了一种五轴数控机床在线测量分析方法，包括如下步骤：

s101：围绕多体系统的基础理论，分析多体系统的基本描述方法，构建多体系统实际运动的位置和姿态描述方程；

s102：对五轴数控机床的误差源进行分析，在内外误差源中，占主要误差来源的是机床几何误差和热误差，去除误差因素，推导出相关的具体模型。

围绕多体系统的基础理论，分析多体系统的基本描述方法，提出多体系统实际运动的位置和姿态描述方程：

1)根据拓扑结构描述法，利用低序体阵列对开环多体系统进行分析和研究，得出基本低序体阵列表。

2)研究空间描述法，建立广义坐标系，使用平移、旋转、变换等算子构成齐次特征矩阵。利用齐次特征矩阵描述空间点和矢量在坐标系间的位置和姿态。

3)分析两典型体间相对运动的6项基本误差问题，推导出典型体实际合成运动的零级运动学方程，为五轴机床运动和误差精度研究、建模奠定理论基础

然后对五轴数控机床的误差源进行分析，在内外误差源中，占主要误差来源的是机床几何误差和热误差：

1)对通用多轴机床的运动误差建模，推导出通用机床刀具成形点的实际位置误差方程和姿态偏离方程式。

2)基于多体系统运动学理论，建立起l形桥架型五轴机床的低序体阵列及推导出各相邻体间的齐次特征矩阵，是机床精度分析和建模的核心。详细阐述综合空间误差、几何空间误差的建模过程，并且推导出具体的模型表达式，为进一步研究五轴机床加工、在线测量精度奠定基础。

通过网络了解在线测量系统的结构，对比三坐标测量机和机床测量的原理、用途、特点和使用场合了解在线测量系统的结构，重点分析测头三种校验方法：

1)标准量块校验

标准量块校验是一种最简单的方式，标准量块有标准平行面的圆形或者矩形形状，结构简单，稳定性较好，易操作，还可以叠加拼凑使用，方便灵活。

量块校验是一种简单的校正测头半径的方式，如图1所示。将机床测头运动到标准量块两侧，对平行侧面取点采样，可以由两点间的相对坐标值计算测头真实值和误差。这种校验方式简易，没有复杂的运动轨迹，节省时间。但精度不高，只能在x或者y方向校核测头半径/直径。这种校验方式可用在对精度要求不高或者某些特定的测量方向的场合。相比之下，使用标准环规的校验结果会更加精确。

2)标准环规校验

校对光滑环规是一种专用来测量工件尺寸的量具，可作为尺寸基准，用于量具的比较测量，也可用于量具的校验和修正。

环规校验是利用标准环规固定在机座上，测头运动，碰触内环或者外环，在一个平面内取点并计算坐标值。如图2所示，环规校验可以精确校核球头在o-x-y平面内的偏差，可以使测量结果在一个平面内得到半径补偿。而在实际工件测量中，常常使用标准球规校验的方式。

3)标准球规校验

标准球规的直径在之间，常用于三坐标测量机的测头校验和坐标系的零位找正。测头碰触标准球的方位可以是整个球面(旋转测头)，用最小二乘法评定法可以拟合出一个包络球面，使用标准球规校验测头，可以在标准球上进行5点法校正或者9点法。其中，常用的9点法是在5点法的基础上，为保证精度误差而在球面上多取一个截平面上的4点，利用拟合最小二乘球优化算法，得出标准球球心和测头真实半径/直径。

在三维空间中，利用克拉莫法则，可以求出不在一个平面内的四点的一个球心坐标。由文献可知，在坐标测量机的测头校正时，当被测球轮廓上的四点组成正四面体时测量结果的误差最小。而在测头实际运动中，很难保证接触点正好是正四面体，在常规5点法或9点法，都是1点在顶点，其余点均匀分布在某一高度的平面上，为了减小测量误差，会将这些点分组进行多次最小二乘法，这样计算量会比较大。为此，结合球面4点法特点，本文提出一种快速找正准确4点拟合自动校验法，如图3所示。

在五轴加工机床上按照球规校验新算法，编写运动控制程序和宏程序，运动控制器选择固高公司的运动控制器guc。得出的实验结果是：

表1分中找正5点法

未经分中找正的5点法，数据结果如表2所示。

表2常规5点法

根据图4和图5可知，分中找正法测量不同球径的标准球时，结果精度都比常规法高。但由图6和图7可知，标准球直径越大，误差越小。球规校验在空间上校正半径补偿。这种方法计算简单，速度快，编程容易实现，大大提高工作效率。