一種雙轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)五軸機(jī)床空間誤差影響的評(píng)估方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種空間誤差評(píng)估方法，特別是涉及一種雙轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)五軸機(jī)床空間誤差 影響的評(píng)估方法，屬于機(jī)床精度設(shè)計(jì)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床對(duì)于復(fù)雜零件的加工具有明顯的效率優(yōu)勢(shì)，大量應(yīng)用于航空航天、 精密模具工業(yè)?？臻g誤差是多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，特別是五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的重要性能指標(biāo)。五軸聯(lián) 動(dòng)機(jī)床結(jié)構(gòu)形式多樣，目前工業(yè)上應(yīng)用的有三種類型。一種是主軸頭旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)結(jié)構(gòu)，主要應(yīng) 用來(lái)加工大型零件；一種是雙轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用來(lái)加工中小型精密零件；還有一種是主 軸頭擺動(dòng)、工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。其中，雙轉(zhuǎn)臺(tái)目前已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)床附件，在市場(chǎng)上有 大量的商業(yè)化產(chǎn)品，因此雙轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的五軸機(jī)床制造相對(duì)比較簡(jiǎn)單，只需要在傳統(tǒng)的三個(gè) 線性軸機(jī)床結(jié)構(gòu)上增加一套雙轉(zhuǎn)臺(tái)裝置，這使雙轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的五軸機(jī)床在工業(yè)上應(yīng)用最為廣 泛，也是本發(fā)明的應(yīng)用對(duì)象。
[0003] 針對(duì)三個(gè)線性軸的機(jī)床，國(guó)內(nèi)外的眾多學(xué)者研究用多體運(yùn)動(dòng)學(xué)理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模 型來(lái)評(píng)估包括幾何誤差和熱誤差在內(nèi)的空間誤差。2013年，Slamani等研究用幾何誤差 和動(dòng)態(tài)誤差來(lái)預(yù)測(cè)五軸高速機(jī)床的空間誤差，其中用四次多項(xiàng)式函數(shù)來(lái)表示和預(yù)測(cè)幾何誤 差，用二階傳遞函數(shù)來(lái)建模和預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)誤差。但是，這個(gè)理論僅是應(yīng)用在XYC兩個(gè)線性軸和 一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸聯(lián)動(dòng)的模型上，而且其中的幾何誤差是一個(gè)綜合項(xiàng)，籠統(tǒng)包含了運(yùn)動(dòng)誤差、聯(lián)結(jié) 誤差和反向間隙等，不具備明確獨(dú)立的物理意義，難以直接應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的評(píng)估中；而且 多數(shù)五軸機(jī)床的聯(lián)動(dòng)中旋轉(zhuǎn)軸的速度不是很高，因此旋轉(zhuǎn)軸的動(dòng)態(tài)誤差影響相對(duì)很弱，反 而是伺服誤差的影響比較重要。
[0004] 當(dāng)前，直線軸機(jī)床的設(shè)計(jì)比較成熟，空間誤差的補(bǔ)償和控制已經(jīng)得到了較好的應(yīng) 用，影響五軸機(jī)床空間誤差的主要因素在于雙轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)中的旋轉(zhuǎn)軸。因此，在雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī) 床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，預(yù)先評(píng)估雙轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)五軸機(jī)床空間誤差的影響對(duì)五軸機(jī)床的設(shè)計(jì)具有 重要意義，可以有效縮短雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床的設(shè)計(jì)周期，保證機(jī)床的空間精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的主要目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種雙轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)五軸機(jī)床空 間誤差影響的評(píng)估方法，不僅提供一種測(cè)試零件模型來(lái)評(píng)估由雙轉(zhuǎn)臺(tái)單獨(dú)引起的五軸機(jī)床 空間誤差，而且可實(shí)現(xiàn)對(duì)集成了雙轉(zhuǎn)臺(tái)幾何誤差和伺服誤差的五軸機(jī)床空間誤差的計(jì)算， 特別適用于五軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段；可通過(guò)預(yù)先的空間誤差評(píng)估，來(lái)避免由于雙轉(zhuǎn)臺(tái)的 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)而影響五軸機(jī)床的整體空間誤差，極具有產(chǎn)業(yè)上的利用價(jià)值。
[0006] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0007] -種雙轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)五軸機(jī)床空間誤差影響的評(píng)估方法，包括以下步驟：
[0008] 1)構(gòu)建測(cè)試零件模型；
[0009] 所述測(cè)試零件模型自下而上包括圓柱底座和傾斜圓錐臺(tái)；所述圓柱底座用來(lái)裝夾 零件，在圓柱底面中心建立X-Y-Z直角坐標(biāo)系；所述傾斜圓錐臺(tái)用來(lái)測(cè)試雙轉(zhuǎn)臺(tái)聯(lián)動(dòng)加工 性能，在傾斜圓錐臺(tái)底面也建立Xl-Yl-Zl直角坐標(biāo)系；
[0010] 所述測(cè)試零件模型通過(guò)同軸設(shè)置的圓柱和圓錐臺(tái)旋轉(zhuǎn)變化而來(lái)，處于初始狀態(tài)的 圓柱和圓錐臺(tái)呈疊加分布，旋轉(zhuǎn)變化依次通過(guò)圓錐臺(tái)繞其Xl軸旋轉(zhuǎn)第一角度〃.*、圓錐臺(tái)繞 其Yl軸旋轉(zhuǎn)第二角度％從而形成位于圓柱底座上的傾斜圓錐臺(tái)；
[0011] 2)測(cè)量五軸機(jī)床上雙轉(zhuǎn)臺(tái)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸A軸和C軸共8個(gè)幾何誤差參數(shù)，分別是 ^ αχ、丫 αχ、5 χΑΧ、δ yAX、δ ζΑχ、a CA、β CA矛口 δ yCA;
[0012] 其中，β Αχ表示A軸相對(duì)于X軸繞Y軸的角度誤差，γ Αχ表示A軸相對(duì)于X軸繞Z 軸的角度誤差，S χΑΧ、δ yAX和δ zAX分別表示A軸相對(duì)于X軸在X、Y和Z方向的線性誤差， α ω表示C軸相對(duì)于A軸繞X軸的角度誤差，β ω表示C軸相對(duì)于A軸繞Y軸的角度誤差， δ yCA表示C軸相對(duì)于A軸在Y方向的線性誤差；
[0013] 3)測(cè)量五軸機(jī)床上三個(gè)直線軸共3個(gè)垂直度誤差參數(shù)，分別是α ΖΥ、β zx和γ XY;
[0014] 其中，α ΖΥ表示Z軸和Y軸的垂直度誤差，β ζχ表示Z軸和X軸的垂直度誤差，γ ΧΥ表示X軸和Y軸的垂直度誤差；
[0015] 4)根據(jù)雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床的運(yùn)動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)，利用齊次坐標(biāo)變換矩陣計(jì)算由雙轉(zhuǎn)臺(tái)幾何 誤差引起的刀具實(shí)際空間坐標(biāo)，計(jì)算公式如式（1):
[0017] 其中，乍^^表示刀具在工件坐標(biāo)系中的理想空間坐標(biāo)；zTw表示工件坐標(biāo)系到Z軸 坐標(biāo)系包含幾何誤差的齊次坐標(biāo)變換矩陣；yTz表示Z軸坐標(biāo)系到Y(jié)軸坐標(biāo)系包含幾何誤差 的齊次坐標(biāo)變換矩陣；xTy表示Y軸坐標(biāo)系到X軸坐標(biāo)系包含幾何誤差的齊次坐標(biāo)變換矩 陣;aTx表示X軸坐標(biāo)系到A軸坐標(biāo)系包含幾何誤差的齊次坐標(biāo)變換矩陣，Ta表示A軸坐標(biāo) 系到C軸坐標(biāo)系包含幾何誤差的齊次坐標(biāo)變換矩陣；wTe表示C軸坐標(biāo)系到工件坐標(biāo)系包含 幾何誤差的齊次坐標(biāo)變換矩陣:^^^表示刀具在工件坐標(biāo)系中的實(shí)際空間坐標(biāo)；
[0018] 5)根據(jù)式⑵計(jì)算幾何誤差引起的空間誤差：
[0020] 其中，為幾何誤差引起的空間誤差，可以表示成三個(gè)方向分量的向量形式，即
[0021] 6)從測(cè)試零件模型中獲取傾斜圓錐臺(tái)上將被評(píng)估的任一圓弧的半徑理論值為R ; 從五軸機(jī)床參數(shù)中獲取立銑刀具的有效長(zhǎng)度為L(zhǎng)，以及A軸、C軸的速度環(huán)增益分別為KAv、 KCv，C軸的旋轉(zhuǎn)編程速度為ω ;
[0022] 7)根據(jù)式（3)計(jì)算出刀具軸的理想單位方向矢量：
[0024] 其中，Op 0種0及別表示刀具軸理想單位方向矢量在工件坐標(biāo)系中X、Y和Z三 個(gè)方向的分量；
[0025] 8)根據(jù)式（4)計(jì)算旋轉(zhuǎn)軸的理想旋轉(zhuǎn)角度： LlN 丄UO丄丄4 Λ 、" ^ ?3/0 JA
[0027] 其中，θ Α和Θ ￡分別表示A軸和C軸的理想旋轉(zhuǎn)角度；
[0028] 9)根據(jù)式（5)計(jì)算旋轉(zhuǎn)軸的實(shí)際角度：
[0030] 其中，QAa。和Θ ea。分別表示A軸和C軸的實(shí)際角度；
[0031] 10)根據(jù)式（6)計(jì)算刀具軸的實(shí)際單位方向矢量：
[0033] 其中，0_、0ja。和0 ka。分別表示刀具軸實(shí)際單位方向矢量在工件坐標(biāo)系中X、Y和Z 三個(gè)方向的分量；
[0034] 11)利用刀具軸的實(shí)際單位方向矢量根據(jù)式（7)計(jì)算傾斜圓錐臺(tái)上將被評(píng)估的任 一圓弧因雙轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸伺服誤差引起的輪廓誤差：
[0036] 其中，為伺服誤差引起的輪廓誤差；
[0037] 12)根據(jù)式⑶計(jì)算伺服誤差引起的輪廓誤差在X、Y和Z三個(gè)方向的分量：
[0039] 13)根據(jù)式（9)計(jì)算集成雙轉(zhuǎn)臺(tái)幾何誤差和伺服誤差的五軸機(jī)床空間誤差：
[0040] etotal= e con+egeo (9)
[0041] 其中，etotal為雙轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)五軸機(jī)床空間誤差總影響。
[0042] 本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為：所述步驟4)中的YTZ、XT Y、aTxZta依次具體為
CN 105184014 A 說(shuō)明書 4/5 頁(yè)
[0047] 所述步驟4)中的zTw和wTc均為單位方陣。
[0048] 本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為：所述幾何誤差參數(shù)采用球桿儀測(cè)量。
[0049] 本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為：所述垂直度誤差參數(shù)采用激光干涉儀測(cè)量。
[0050] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果是：
[0051 ] 與現(xiàn)有的五軸機(jī)床空間誤差評(píng)估方法相比較，本發(fā)明提供的空間誤差評(píng)估方法， 主要針對(duì)雙轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的五軸機(jī)床，評(píng)估由雙轉(zhuǎn)臺(tái)單獨(dú)引起的五軸機(jī)床空間誤差，從而為在 五軸機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段合理調(diào)整雙轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)參數(shù)提供科學(xué)依據(jù)，確保雙轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)參數(shù) 設(shè)計(jì)合理、精確，提高五軸機(jī)床的空間精度。
[0052] 上述內(nèi)容僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了更清楚的了解本發(fā)明的技術(shù)手段，下 面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
【附圖說(shuō)明】
[0053] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例的雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0054] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例中測(cè)試零件模型的設(shè)計(jì)過(guò)程圖；
[0055] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例的五軸機(jī)床坐標(biāo)系變換示意圖；
[0056] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例中Kav= 100s Ucv= IOOs 1時(shí)，雙轉(zhuǎn)臺(tái)幾何誤差和伺服誤差 對(duì)五軸機(jī)床空間誤差的影響比較圖；
[0057] 圖5是本發(fā)明實(shí)施例中Kav= 70s ^Kcv= 70s 1時(shí)，雙轉(zhuǎn)臺(tái)幾何誤差和伺服誤差對(duì) 五軸機(jī)床空間誤差的影響比較圖；
[0058] 圖