雙轉(zhuǎn)臺五軸聯(lián)動機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸的誤差補(bǔ)償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)誤差補(bǔ)償方法，更具體地涉及雙轉(zhuǎn)臺五軸聯(lián)動機(jī) 床旋轉(zhuǎn)軸的誤差補(bǔ)償方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 五軸數(shù)控機(jī)床同時具有對刀具或工件進(jìn)行移動和轉(zhuǎn)動的能力，能對幾何形狀比較 復(fù)雜和精度要求較高的自由曲面進(jìn)行加工，對目前的制造業(yè)特別是軍事工業(yè)具有重大作 用。目前對于旋轉(zhuǎn)軸誤差測量主要采用安裝標(biāo)準(zhǔn)棒、標(biāo)準(zhǔn)球來間接測量，這種方法會引入標(biāo) 準(zhǔn)棒的輪廓誤差和卡盤的安裝及定心誤差等，降低旋轉(zhuǎn)軸誤差補(bǔ)償效果。雷尼紹公司提出 了 XR20-W無線型回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)裝置和Axiset Check-Up回轉(zhuǎn)軸心線檢查工具，雖然這些設(shè)備 檢測精度高，但價格昂貴，并且Axiset Check-Up的使用必須配合宏程序才能運(yùn)行，受到數(shù) 控系統(tǒng)類型的限制，目前只支持Siemens，F(xiàn)anuc等高檔數(shù)控系統(tǒng)。
[0003] 基于球桿儀的旋轉(zhuǎn)軸誤差檢測是一種廉價、高效的誤差檢測方法，該裝置由兩個 精密金屬球和一個高精度位移傳感器組成。在精度測量時，一個標(biāo)準(zhǔn)圓球通過磁性吸座安 裝于工作臺端，另一標(biāo)準(zhǔn)球安裝在主軸端。測量得到的球桿儀桿長變化值即為包含各種誤 差在內(nèi)的綜合誤差。
[0004] M. Tsutsumi和A. Saito等采用球桿儀測量轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)式五軸機(jī)床，針對搖籃式 轉(zhuǎn)臺的每個轉(zhuǎn)軸，提出3種球桿儀安裝方案，見"Identification and compensation of systematic deviations particular to5_axis machining centers[J]· International Journal of Machine Tools&Manufacture, 2003(43) :771_780"，該方案測量出軸向、切向和 徑向的圓軌跡偏差，根據(jù)主軸和工作臺兩端小球的坐標(biāo)點，建立球桿儀桿長變化模型，并分 離出八項誤差。但由于建立的模型較為復(fù)雜，在誤差分離時做了大量的簡化，降低了誤差精 度。并且該方法將旋轉(zhuǎn)軸不同旋轉(zhuǎn)角度對應(yīng)的六項誤差值看成相等的，而事實上不同旋轉(zhuǎn) 角度處的誤差值是不一樣的，如果對每個位置處都采用相同的誤差值進(jìn)行補(bǔ)償，勢必會降 低誤差補(bǔ)償精度，甚至有可能產(chǎn)生越補(bǔ)越大的情況。
[0005] W.T. Lei等應(yīng)用球桿儀在分析五軸機(jī)床兩轉(zhuǎn)動軸聯(lián)動下工作臺工作空間的基 礎(chǔ)上，設(shè)計球桿儀運(yùn)行軌跡，對轉(zhuǎn)動軸復(fù)合誤差進(jìn)行檢測分離，進(jìn)一步對伺服系統(tǒng)誤差 進(jìn)行仿真模擬，得到球桿儀檢測模式下各誤差表現(xiàn)形式，并提出了一套相應(yīng)的測量方 法,見 ff. T. Lei, Y. Y. Hsu. Error measurement of five - axis CNC machines with3D probe_ball[J]· Journal of Materials Processing Technology, 2003, 139:127-133。該 方法可以測出五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床回轉(zhuǎn)擺動軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動時測頭中心的X、Y、z方向的綜合幾 何誤差，但沒有分解成六個幾何誤差分量，并且需使用"3D probe-ball "專用測量裝置，使 用范圍受到限制。
[0006] 專利CN102001021B公開了五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床回轉(zhuǎn)擺動軸幾何誤差參數(shù)值的測量 方法，以五軸機(jī)床RTCP刀具中心點運(yùn)動控制功能提供的平動軸聯(lián)動坐標(biāo)為測量基準(zhǔn)，采用 球桿儀分別測量回轉(zhuǎn)擺動軸不同轉(zhuǎn)角下至少三個位置處X、Y、Z方向的位移誤差，并根據(jù)所 述位移誤差作數(shù)據(jù)處理辨識計算出回轉(zhuǎn)擺動軸各轉(zhuǎn)角的幾何誤差。該方法的建立是基于主 軸端小球不存在誤差的前提下，并且建立的模型沒有分離出機(jī)床裝配參數(shù)（RTCP參數(shù)），一 旦機(jī)床裝配關(guān)系或誤差變化，該模型就不適用。
[0007] 以上的方法都沒有考慮球桿儀的安裝誤差，由于主軸端標(biāo)準(zhǔn)球是通過吸附桿吸附 在主軸上的，而吸附桿安裝在刀柄上，刀柄又安裝在主軸上，在這過程中存在主軸和刀柄之 間、刀柄和吸附桿之間的兩項偏心誤差。球桿儀桿長變化值也包含該安裝誤差，因此必須要 分離出該安裝誤差。
[0008] 此外，在具體補(bǔ)償旋轉(zhuǎn)軸誤差時，都沒有考慮旋轉(zhuǎn)軸和直線軸之間的運(yùn)動耦 合關(guān)系，即旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動會造成直線軸的運(yùn)動，因此，還需要對旋轉(zhuǎn)軸和直線軸進(jìn)行運(yùn) 動解稱。雖然文獻(xiàn)"Y.Y. Hsu, S.S. Wang. A new compensation method for geometry errors of five-axis machine tools[J], International Journal of Machine Tools&Manufacture2007,47:352 360"和文獻(xiàn)"任永強(qiáng)，楊建國.五軸數(shù)控機(jī)床綜合誤差 補(bǔ)償解耦研究[J]，機(jī)械工程學(xué)報，2004. 2, 40 (2): 55-59"提出了解耦方法，但這些方法只 是針對工作臺端小球進(jìn)行額外的位置補(bǔ)償。對A、C軸進(jìn)行補(bǔ)償之后，在RTCP功能的影響下 也會引起主軸端小球的位置偏移。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 針對現(xiàn)有技術(shù)中五軸聯(lián)動機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸的誤差補(bǔ)償方法中存在的上述問題，本發(fā)明 要解決的技術(shù)問題是提供一種高精度、具有較高通用性的雙轉(zhuǎn)臺五軸聯(lián)動機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸的誤 差補(bǔ)償方法。
[0010] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：
[0011] -種雙轉(zhuǎn)臺五軸聯(lián)動機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸的誤差補(bǔ)償方法，其包括以下步驟： (1) 設(shè)置刀長及當(dāng)前坐標(biāo)系； (2) 安裝球桿儀，測量并計算安裝誤差； (3) 建立包含球桿儀安裝誤差和機(jī)床裝配關(guān)系在內(nèi)的旋轉(zhuǎn)軸誤差模型； (4) 通過所述誤差模型計算A、C旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時的12項誤差補(bǔ)償值； (5) 旋轉(zhuǎn)軸和直線軸誤差補(bǔ)償解耦，修正誤差補(bǔ)償值； (6) 根據(jù)誤差補(bǔ)償值修正數(shù)控代碼，實現(xiàn)雙轉(zhuǎn)臺五軸聯(lián)動機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸的誤差補(bǔ)償。
[0012] 球桿儀的安裝方法為：在當(dāng)前坐標(biāo)系下（如G58)，移動X軸到L1和H1的位置（L1 和H1的值即為當(dāng)前坐標(biāo)下的X和Z值），將磁力球座放于主軸位置下方，松動球座鎖緊手 柄，使磁力座球頭處于自由狀態(tài)，緩慢下降Z軸，當(dāng)測量中心座與球頭接近時，球頭因為磁 力自動吸附在測量中心座上，然后鎖緊球頭手柄，從而保證磁力座球頭坐標(biāo)在當(dāng)前坐標(biāo)系 下的理想位置：xwl = Lp ywl = 0。按照上述方法分別將工作臺端小球移動在L2, H2的位置 和L3，H3的位置。
[0013] 將旋轉(zhuǎn)軸和直線軸設(shè)為0度，將球桿儀軸向放置，分別記錄主軸在0度、90度、180 度和270度時的桿長值，通過以下公式計算球桿儀安裝誤差：
[0014] 包含球桿儀安裝誤差和機(jī)床裝配關(guān)系在內(nèi)的旋轉(zhuǎn)軸誤差模型的建立過程如下： 將球桿儀分別安裝在軸向、徑向和切向，根據(jù)測得的球桿儀的桿長變化值以及工作臺 端小球的位置可以通過以下計算公式進(jìn)行建模： A軸旋轉(zhuǎn)對應(yīng)的六項誤差為：
Lxa :A軸旋轉(zhuǎn)引起在X方向的線性誤差； Lya :A軸旋轉(zhuǎn)引起在Y方向的線性誤差； Lza :A軸旋轉(zhuǎn)引起在Z方向的線性誤差； Rxa :A軸旋轉(zhuǎn)引起繞X方向的轉(zhuǎn)角誤差； Rya:A軸旋轉(zhuǎn)引起繞Y方向的轉(zhuǎn)角誤差； Rza :A軸旋轉(zhuǎn)引起繞Z方向的轉(zhuǎn)角誤差； 民，Ri，Rk，Λ，Ji，Jk為描述機(jī)床裝配關(guān)系的四個參數(shù)值，分別為A軸旋轉(zhuǎn)中心在機(jī)床坐標(biāo) 系下在X、Y、Z方向的值，以及C軸旋轉(zhuǎn)中心在A軸坐標(biāo)系下在X、Y、Z方向的值。 C軸旋轉(zhuǎn)對應(yīng)的六項誤差為：

Lx。：C軸旋轉(zhuǎn)引起在X方向的線性誤差； Ly。：C軸旋轉(zhuǎn)引起在Y方向的線性誤差； Lz。：C軸旋轉(zhuǎn)引起在Z方向的線性誤差； Rx。：C軸旋轉(zhuǎn)引起繞X方向的轉(zhuǎn)角誤差； Ry。：C軸旋轉(zhuǎn)引起繞Y方向的轉(zhuǎn)角誤差； Rz。：C軸旋轉(zhuǎn)引起繞Z方向的轉(zhuǎn)角誤差；
[0015] 旋轉(zhuǎn)軸和直線軸誤差補(bǔ)償解耦的方法為：先補(bǔ)償旋轉(zhuǎn)軸誤差，再補(bǔ)償直線軸誤差； 進(jìn)行直線軸補(bǔ)償時不僅補(bǔ)償原先的直線軸誤差，而且補(bǔ)償由于補(bǔ)償旋轉(zhuǎn)軸誤差所造成的附 加直線軸誤差；該附加直線軸誤差包含主軸端小球運(yùn)動誤差（Xn?，y?，ZlJ和工作臺端小球 運(yùn)動誤差（x"，y"，z")兩部分，其中工作臺端小球運(yùn)動量為：1；仏+八六)-1；(0+八(：)，主軸端 小球的運(yùn)動量為：!'；3仏+八々-1'；3化+八(：)，其中：八4和八(：為旋轉(zhuǎn)軸和直線軸的綜合誤差補(bǔ) 償值，
[0016] 利用本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行雙轉(zhuǎn)臺五軸聯(lián)動機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸的誤差補(bǔ)償具有顯著的 優(yōu)點：建立的誤差模型包含機(jī)床裝配關(guān)系，使得該模型適用于任何雙轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的五軸機(jī)床， 具有較高的通用性；不受球桿儀安裝誤差影響，降低了球桿儀安