一种基于R-test的五轴机床刀轴矢量误差测量方法

摘要

一种基于R‑test的五轴机床刀轴矢量误差测量方法，先设计并运行联动轨迹，将R‑test接入数控系统，同步采集指令位置、光栅反馈及R‑test位移数据，采集数控机床5个进给轴的插补指令，通过机床正运动学变换，得到工件坐标系下指令刀尖位置和指令刀轴姿态；然后提取R‑test数据，经过转换矩阵变换，得到工件坐标系下的检测球球心坐标，即为实际刀尖位置，通过旋转轴光栅，得到实际刀轴姿态；最后计算刀轴矢量误差，刀尖位置轨迹误差为指令刀尖位置和实际刀尖位置的距离，刀轴姿态轨迹误差为指令刀轴姿态和实际刀轴姿态的夹角；本发明可以实现对刀轴矢量误差快速测量。

权利要求

1.一种基于R‑test的五轴机床刀轴矢量误差测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)设计并联动轨迹，采集数据：

设计五轴数控机床联动轨迹，需满足以下两个条件：A.轨迹在R‑test量程之内；B.各进给轴的行程需要充分反映刀轴矢量误差在机床工作空间内的变化；

运行联动轨迹，将R‑test接入数控系统，同步采集指令位置、光栅反馈及R‑test位移数据；

2)利用五轴指令位置数据计算指令刀轴矢量：

指令刀轴矢量包括指令刀尖位置和指令刀轴姿态；采集数控机床5个进给轴的插补指令，通过机床正运动学变换，得到工件坐标系下指令刀尖位置和指令刀轴姿态，对于AC转台机床，经过正运动学变换，理论刀尖点坐标(XPc，YPc，ZPc)如式(1)；

式中：XPc,YPc,ZPc——工件坐标系下球心坐标；X(t),Y(t),Z(t),α0,γ0——X，Y，Z，A，C轴插补指令；LYAx,LYAy,LYAz——机床坐标系原点到A轴控制点矢量分量(‑RTCP)；LACx,LACy,LACz——A轴控制点到C轴控制点矢量分量(RTCP)；LCWx,LCWy,LCWz——C轴控制点到工件坐标系原点矢量分量(G54)；

指令刀轴姿态Oc(XOc，YOc，ZOc)如式(2)，

进而得到指令刀轴矢量；

3)利用光栅及R‑test位置数据计算实际刀轴矢量：

刀尖点实际位置由R‑test测量得到，提取R‑test数据，经过转换矩阵变换到工件坐标系下的检测球球心坐标，检测球球心坐标为实际刀尖位置(XPa，YPa，ZPa)，如式(3)所示，[XPa,YPa,ZPa]＝SenS·T   (3)式中，Sens为三传感器数值，T为标定得到的转换矩阵；

通过旋转轴光栅，得到A轴实际角度α，与C轴实际角度γ，则实际刀轴姿态Oa(XOa，YOa，ZOa)如式(4)，结合刀尖实际位置与刀轴姿态，得到实际刀轴矢量；

4)刀轴矢量误差求解：

刀尖位置轨迹误差δP为指令刀尖位置和实际刀尖位置的距离，其计算公式如式(5)，刀轴姿态轨迹误差为指令刀轴姿态和实际刀轴姿态的夹角，根据弧度的定义规则，在圆半径为1时，弧长为1对应的角度为1rad，刀轴姿态模长为1时，理论刀轴姿态Oc和实际刀轴姿态Oa的差的模长等于夹角，即刀轴姿态误差角度εO，如式(6)，εO≈||Oc‑Oa||   (6)

计算刀尖位置误差和刀轴矢量误差。

说明书

一种基于R‑test的五轴机床刀轴矢量误差测量方法

技术领域

[0001] 本发明属于五轴数控机床技术领域，具体涉及一种基于R‑test的五轴机床刀轴矢量误差测量方法。

背景技术

[0002] 五轴加工以其多轴联动的优势，在船舶螺旋桨等曲面造型产品的高精度加工中处于优势地位。对于五轴机床而言，刀轴矢量直接影响零件轮廓精度。刀轴矢量包括刀尖点位置和刀轴姿态两个要素，刀尖点位置与机床的几何误差有关，刀轴姿态与A轴和C轴的转动角度有关。因此，研究刀轴矢量的测量方法，对于机床加工精度的评估以及零件轮廓误差的预测具有实际意义。

[0003] 目前对于刀轴矢量的研究，主要集中在机械加工过程中的刀轴矢量优化方面。Fu等人为降低五轴球头铣削加工纹理的影响，在《Geometric error compensation of five‑axis ball‑end milling based on tool orientation optimization and tool path smoothing》中，提出了一种几何误差补偿方法，包括单刀位姿的优化和整体刀轨的光滑化。对于刀轴矢量误差的测量，有研究通过试切零件如S试件，并使用三坐标测量仪来检测轮廓误差，进而分析刀轴矢量对于轮廓误差的影响。该方法的影响因素较多，无法直接、快速对刀轴矢量误差进行检测。

发明内容

[0004] 为了克服上述现有技术存在的缺点，本发明的目的在于提供一种基于R‑test的五轴机床刀轴矢量误差测量方法，可以实现对刀轴矢量误差快速测量。

[0005] 为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

[0006] 一种基于R‑test的五轴机床刀轴矢量误差测量方法，包括以下步骤：

[0007] 1)设计并联动轨迹，采集数据：

[0008] 设计五轴数控机床联动轨迹，需满足以下两个条件：A.轨迹在R‑test量程之内；B.各进给轴的行程需要尽可能大，以充分反映刀轴矢量误差在机床工作空间内的变化；

[0009] 运行联动轨迹，将R‑test接入数控系统，同步采集指令位置、光栅反馈及R‑test位移数据；

[0010] 2)利用五轴指令位置数据计算指令刀轴矢量：

[0011] 指令刀轴矢量包括指令刀尖位置和指令刀轴姿态；采集数控机床5个进给轴的插补指令，通过机床正运动学变换，得到工件坐标系下指令刀尖位置和指令刀轴姿态，对于AC转台机床，经过正运动学变换，理论刀尖点坐标(XPc，YPc，ZPc)如式(1)；

[0012]

[0013] 式中：XPc,YPc,ZPc——工件坐标系下球心坐标；X(t),Y(t),Z(t),α0, γ0——X，Y，Z，A，C轴插补指令；LYAx,LYAy,LYAz——机床坐标系原点到A轴控制点矢量分量(‑RTCP)；LACx,LACy,LACz——A轴控制点到C轴控制点矢量分量(RTCP)；LCWx,LCWy,LCWz——C轴控制点到工件坐标系原点矢量分量(G54)；

[0014] 指令刀轴姿态Oc(XOc，YOc，ZOc)如式(2)，

[0015]

[0016] 进而得到指令刀轴矢量；

[0017] 3)利用光栅及R‑test位置数据计算实际刀轴矢量：

[0018] 刀尖点实际位置由R‑test测量得到，提取R‑test数据，经过转换矩阵变换到工件坐标系下的检测球球心坐标，检测球球心坐标为实际刀尖位置(XPa，YPa，ZPa)，如式(3)所示，[0019] [XPa,YPa,ZPa]＝SenS·T                      (3)

[0020] 式中，Sens为三传感器数值，T为标定得到的转换矩阵；

[0021] 通过旋转轴光栅，得到A轴实际角度α，与C轴实际角度γ，则实际刀轴姿态Oa(XOa，YOa，ZOa)如式(4)，

[0022]

[0023] 结合刀尖实际位置与刀轴姿态，得到实际刀轴矢量；

[0024] 4)刀轴矢量误差求解：

[0025] 刀尖位置轨迹误差δP为指令刀尖位置和实际刀尖位置的距离，其计算公式如式(5)，

[0026]

[0027] 刀轴姿态轨迹误差为指令刀轴姿态和实际刀轴姿态的夹角，根据弧度的定义规则，在圆半径为1时，弧长为1对应的角度为1rad，刀轴姿态模长为1时，理论刀轴姿态Oc和实际刀轴姿态Oa的差的模长约等于夹角，即刀轴姿态误差角度εO，如式(6)，

[0028] εO≈||Oc‑Oa||                       (6)

[0029] 计算刀尖位置误差和刀轴矢量误差。

[0030] 本发明具有以下有益效果：

[0031] 本发明设计并运行联动轨迹，将R‑test接入数控系统，同步采集指令位置、光栅反馈及R‑test位移数据，实现对五轴机床刀轴矢量误差进行测量。本发明适用于所有机床，可直接、快速得到测量结果，对于机床加工精度的评估以及零件轮廓误差的预测具有实际意义。

附图说明

[0032] 图1为本发明实施例微型S轨迹示意图。

[0033] 图2为本发明实施例机床结构示意图。

[0034] 图3为本发明实施例指令刀轴矢量示意图。

[0035] 图4为本发明实施例实际刀轴矢量示意图。

[0036] 图5为本发明实施例刀尖位置误差示意图。

[0037] 图6为本发明实施例刀轴姿态误差示意图。

具体实施方式

[0038] 下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。

[0039] 一种基于R‑test的五轴机床刀轴矢量误差测量方法，包括以下步骤：

[0040] 1)设计并运行联动轨迹，采集数据：

[0041] 设计五轴数控机床联动轨迹，需满足以下两个条件：A.轨迹在R‑test量程之内；B.各进给轴的行程需要尽可能大，以充分反映刀轴矢量误差在机床工作空间内的变化；本实施例采用微型S轨迹，将ISO 10791‑7标准中规定的S试件等比例缩到±5mm的范围，如图1所示；

[0042] 本实施例选用AC转台五轴机床，其结构如图2所示，运行联动轨迹，将R‑test接入数控系统，同步采集指令位置、光栅反馈及R‑test位移数据；

[0043] 2)利用五轴指令位置数据计算指令刀轴矢量：

[0044] 指令刀轴矢量包括指令刀尖位置和指令刀轴姿态；采集数控机床5个进给轴的插补指令，通过机床正运动学变换，得到工件坐标系下指令刀尖位置和指令刀轴姿态；对于本实施例的AC转台机床，经过正运动学变换，理论刀尖点坐标(XPc，YPc，ZPc)如式(1)；

[0045]

[0046] 式中：XPc,YPc,ZPc——工件坐标系下球心坐标；X(t),Y(t),Z(t),α0, γ0——X，Y，Z，A，C轴插补指令；LYAx,LYAy,LYAz——机床坐标系原点到A轴控制点矢量分量(‑RTCP)；LACx,LACy,LACz——A轴控制点到C轴控制点矢量分量(RTCP)；LCWx,LCWy,LCWz——C轴控制点到工件坐标系原点矢量分量(G54)；

[0047] 指令刀轴姿态Oc(XOc，YOc，ZOc)如式(2)，

[0048]

[0049] 进而得到指令刀轴矢量，测量结果如图3所示；

[0050] 3)利用光栅及R‑test位置数据计算实际刀轴矢量：

[0051] 刀尖点实际位置由R‑test测量得到，提取R‑test数据，经过转换矩阵变换到工件坐标系下的检测球球心坐标，检测球球心坐标为实际刀尖位置(XPa，YPa，ZPa)，如式(3)所示，[0052] [XPa,YPa,ZPa]＝SenS·T                      (3)

[0053] 式中，Sens为三传感器数值，T为标定得到的转换矩阵；

[0054] 通过旋转轴光栅，可以得到旋转轴1(A轴)实际角度α，与旋转轴2(C轴)实际角度γ，则实际刀轴姿态Oa(XOa，YOa，ZOa)如式(4)，

[0055]

[0056] 结合刀尖实际位置与刀轴姿态，得到实际刀轴矢量，如4图所示；

[0057] 4)刀轴矢量误差求解：

[0058] 刀尖位置轨迹误差δP为指令刀尖位置和实际刀尖位置的距离，其计算公式如式(5)，

[0059]

[0060] 刀轴姿态轨迹误差为指令刀轴姿态和实际刀轴姿态的夹角，根据弧度的定义规则，在圆半径为1时，弧长为1对应的角度为1rad；由于理论刀轴姿态和实际刀轴姿态的夹角的数量级在角秒级别，因此，刀轴姿态模长为1时，理论刀轴姿态Oc和实际刀轴姿态Oa的差的模长约等于夹角，即刀轴姿态误差角度εO，如式(6)，

[0061] εO≈||Oc‑Oa||                    (6)

[0062] 计算刀尖位置误差和刀轴矢量误差；绘制刀尖位置误差如图5所示，从图中可以看出，刀尖位置误差先增大、后减小，再增大，测得的刀尖俯仰误差最大值为34μm；刀轴姿态误差如图6所示，在初始段和终止段刀轴姿态误差角度较大，最大为75″。