【CN109732401A】一种关于五轴数控机床双回转轴位置无关误差的检测方法【专利】
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
( 19 )中华人民 共和国国家知识产权局
( 12 )发明专利申请
(21)申请号 201910010087 .3 (22)申请日 2019 .01 .02 (71)申请人 天津工业大学
地址 300387 天津市西青区宾水西道399号 (72)发明人 蒋晓耕 贾经纬 王量 姚思涵
王浩 李晨阳 (51Biblioteka BaiduInt .Cl .
步骤3 .7、其中N是||OP ′||的中点，基于三角关系，可以给出以下等式：
步骤3 .8、因此θB和Θ的关系可以基于等式5-9获得：
步骤3 .9、只要工具杯中心位置均匀分布在Φ中，就可以实现匀速运动，在中间选择相 等距离的900步，代入公式等式5-10，形成均匀分布的运动轨迹。
5 .根据权利要求书1所述的关于五轴数控机床双回转轴误差的检测方法，其特征在于， 所述步骤4中，结合机床多体运动系统理论与齐次坐标变换进行误差辨识，包括步骤：
步长并不是等距离 ，沿着轨迹的 步长的 波动将导致机床运动和球杆仪采样不同 步的问 题 ，
由于球杆仪的采集速率是恒定的 ，因此确保运动是匀速的也十分重要 ，分析也才能有效。
步骤3 .3、轨迹代表工具杯中心位置。主轴工具杯安装在B轴摆动轴的主轴壳体上，因此
工具杯轴线与工具杯中心形成一个半直圆 锥 ，因此可以 获得锥体的 参数 ，锥体的 底部圆半
径是
锥体的孔径是90 °，锥体的母线长度是400mm。
步骤3 .4、为了确保相邻步长之间的距离恒定，将椎体展开在二维平面上，如果距离||
OO ′||为r，
也可在展开平面获得
可得展开角：
步骤3 .5、由OB和BP ′包围的中心角表示为φ，可以给出为： 步骤3 .6、由OO ′和O ′P′包围的中心角可以给出为Θ，在锥体的底部圆圈中，可以给出：
权 利 要 求 书
2/3 页
速度之间的异步性，包括步骤： 步骤3 .1、摆动轴B轴和旋转轴C轴分别从0 °旋转到-90 °和90 °旋转到0 °，摆动轴B轴以恒
定速度旋转，步长为0 .1 °对应的旋转轴C轴角的位置可以给出为：
并且B轴和C轴的角度位置是：
步骤3 .2、实验测量的每个步长表示出发现会形成半圆形轨迹，形成的半圆形轨迹相邻
步骤3、解决摆动轴B轴和旋转轴C轴协调运动时的合成速度与球杆仪捕获速度之间的 异步性
步骤4、结合机床多体运动系统理论与齐次坐标变换进行误差辨识。 2 .根据权利要求1所述的关于五轴数控机床双回转轴位置无关误差的检测方法，其特 征在于 ，在步骤1当中 ，依据五 轴数控机床的结构和摆动轴B轴和旋转轴C轴的 类型 ，搭建实 验装置，例如球杆仪的位置和工具杯的校准，包括步骤： 步骤1 .1、设定测量的坐标系，Z轴与机床的原始Z轴重合，测量坐标系的X轴和Y轴平行 于机床X轴和Y轴的运动方向。 步骤1 .2、旋转轴C轴工具杯安装在旋转台顶部的夹具上，测量坐标系的XOY平面在旋转 台上被抬起，设定摆动轴B轴与原点之间的距离O-XYZ的尺寸为400mm，使用触摸探头将主轴 工具杯到摆动轴B轴的中心调整为400mm ，同时位于旋转台上的 工件工具杯距离旋转轴C轴 中心400mm，球杆仪使用加长杆进行扩展，将其标称长度转换为400mm，并对实验工具进行校 准。 3 .根据权利要求书1所述的关于五轴数控机床双回转轴位置无关误差的检测方法，其 特征在于 ，所述步骤2中 ，结合实验装置 ，提出测量五轴数控机床摆动轴B轴和旋转轴C轴的 8 项与位置无关几何误差的轨迹，包括步骤： 步骤2 .1、测量路径中首先使球杆仪的轴与O-XYZ的Y轴对齐，球杆仪的一端设置在OXYZ的原点，另一端设置在距离Y轴的位置400mm处。摆动轴B轴和旋转轴C轴分别从0 °旋转 到-90 °和90 °到0 °。 步骤2 .2、主轴和旋转台中两个工具杯之间的距离不是恒定的，会导致球杆仪从磁性中 心座上掉下来，因此摆动轴B轴和旋转轴C轴的协调运动应保证球杆仪两基座的距离保持恒 定为400mm。 步骤2 .3、将测量轨迹投影到XOY平面，以获得摆动轴B轴和旋转轴C轴的旋转角度之间 的关系： 根据毕达格拉斯定理：
步骤4 .1、旋转轴C轴的PIGE根据ISO230-1，每个旋转轴有4个PIGE，考虑到CNC的零位补 偿功能可以忽略一个零位误差。4个PIGE是XOY平面中X轴和Y轴上的两个线性位置误差分量 EXOC 和EYOC ，以 及分 别围绕X 轴和Y轴的 两个定向误差分量EAOC 和EBOC。可以 基于IOS230-1获得 摆动轴B轴的类似误差组成。
在XOY平面根据余弦定律：
由测量装置RB＝RC＝LDBB＝400mm ，公式 (1) 和公式 (2) ，可以得到旋转角度之间的关系：
4 .根据权利要求书1所述的关于五轴数控机床双回转轴位置无关误差的检测方法，其 特征在于所述步骤3中 ，解决摆动轴B轴和旋转轴C轴协调运动时的合成速度与球杆仪捕获
2
CN 109732401 A
权利要求书3页 说明书7页 附图7页
CN 109732401 A
CN 109732401 A
权 利 要 求 书
1/3 页
1 .一种关于五轴数控机床双回转轴位置无关误差的检测方法，其特征在于，包括如下 步骤：
步骤1、根据五轴数控机床的具体结构以及摆动轴B轴和旋转轴C轴的位置，搭建实验测 量装置。
步骤2、结合实验装置 ，提出 测量五 轴数控机床摆动轴B轴和旋转 轴C 轴的 8项与位置无 关几何误差的轨迹。
B23Q 17/00(2006 .01)
(10)申请公布号 CN 109732401 A (43)申请公布日 2019.05.10
( 54 )发明 名称 一种关于五轴数控机床双回转轴位置无关
误差的检测方法 ( 57 )摘要
本发明公开了一种关于五轴数控机床双回 转 轴位置无关误差的 检 测方法 ，其特征在于 ，利 用球杆仪作为实验设备识别五轴数控机床中摆 动轴B轴和旋转轴C轴中与位置无关几何误差 ( PIGEs )，提出了一种新的测量轨迹 ，解决摆动轴 B轴和旋转轴C轴协调运动时的合成速度与球杆 仪捕获速度之间的异步性，结合刚体运动学中的 齐次变换矩阵 ，建立仿真模型，将仿真模型与实 验相结合，实现对五轴数控机床双回转轴与位置 无关几何误差的辨识测量，本发明方法可以快速 且有效的检测五轴数控机床双回转轴与位置无 关几何误差 ，精度高 ，实 用性好。
( 12 )发明专利申请
(21)申请号 201910010087 .3 (22)申请日 2019 .01 .02 (71)申请人 天津工业大学
地址 300387 天津市西青区宾水西道399号 (72)发明人 蒋晓耕 贾经纬 王量 姚思涵
王浩 李晨阳 (51Biblioteka BaiduInt .Cl .
步骤3 .7、其中N是||OP ′||的中点，基于三角关系，可以给出以下等式：
步骤3 .8、因此θB和Θ的关系可以基于等式5-9获得：
步骤3 .9、只要工具杯中心位置均匀分布在Φ中，就可以实现匀速运动，在中间选择相 等距离的900步，代入公式等式5-10，形成均匀分布的运动轨迹。
5 .根据权利要求书1所述的关于五轴数控机床双回转轴误差的检测方法，其特征在于， 所述步骤4中，结合机床多体运动系统理论与齐次坐标变换进行误差辨识，包括步骤：
步长并不是等距离 ，沿着轨迹的 步长的 波动将导致机床运动和球杆仪采样不同 步的问 题 ，
由于球杆仪的采集速率是恒定的 ，因此确保运动是匀速的也十分重要 ，分析也才能有效。
步骤3 .3、轨迹代表工具杯中心位置。主轴工具杯安装在B轴摆动轴的主轴壳体上，因此
工具杯轴线与工具杯中心形成一个半直圆 锥 ，因此可以 获得锥体的 参数 ，锥体的 底部圆半
径是
锥体的孔径是90 °，锥体的母线长度是400mm。
步骤3 .4、为了确保相邻步长之间的距离恒定，将椎体展开在二维平面上，如果距离||
OO ′||为r，
也可在展开平面获得
可得展开角：
步骤3 .5、由OB和BP ′包围的中心角表示为φ，可以给出为： 步骤3 .6、由OO ′和O ′P′包围的中心角可以给出为Θ，在锥体的底部圆圈中，可以给出：
权 利 要 求 书
2/3 页
速度之间的异步性，包括步骤： 步骤3 .1、摆动轴B轴和旋转轴C轴分别从0 °旋转到-90 °和90 °旋转到0 °，摆动轴B轴以恒
定速度旋转，步长为0 .1 °对应的旋转轴C轴角的位置可以给出为：
并且B轴和C轴的角度位置是：
步骤3 .2、实验测量的每个步长表示出发现会形成半圆形轨迹，形成的半圆形轨迹相邻
步骤3、解决摆动轴B轴和旋转轴C轴协调运动时的合成速度与球杆仪捕获速度之间的 异步性
步骤4、结合机床多体运动系统理论与齐次坐标变换进行误差辨识。 2 .根据权利要求1所述的关于五轴数控机床双回转轴位置无关误差的检测方法，其特 征在于 ，在步骤1当中 ，依据五 轴数控机床的结构和摆动轴B轴和旋转轴C轴的 类型 ，搭建实 验装置，例如球杆仪的位置和工具杯的校准，包括步骤： 步骤1 .1、设定测量的坐标系，Z轴与机床的原始Z轴重合，测量坐标系的X轴和Y轴平行 于机床X轴和Y轴的运动方向。 步骤1 .2、旋转轴C轴工具杯安装在旋转台顶部的夹具上，测量坐标系的XOY平面在旋转 台上被抬起，设定摆动轴B轴与原点之间的距离O-XYZ的尺寸为400mm，使用触摸探头将主轴 工具杯到摆动轴B轴的中心调整为400mm ，同时位于旋转台上的 工件工具杯距离旋转轴C轴 中心400mm，球杆仪使用加长杆进行扩展，将其标称长度转换为400mm，并对实验工具进行校 准。 3 .根据权利要求书1所述的关于五轴数控机床双回转轴位置无关误差的检测方法，其 特征在于 ，所述步骤2中 ，结合实验装置 ，提出测量五轴数控机床摆动轴B轴和旋转轴C轴的 8 项与位置无关几何误差的轨迹，包括步骤： 步骤2 .1、测量路径中首先使球杆仪的轴与O-XYZ的Y轴对齐，球杆仪的一端设置在OXYZ的原点，另一端设置在距离Y轴的位置400mm处。摆动轴B轴和旋转轴C轴分别从0 °旋转 到-90 °和90 °到0 °。 步骤2 .2、主轴和旋转台中两个工具杯之间的距离不是恒定的，会导致球杆仪从磁性中 心座上掉下来，因此摆动轴B轴和旋转轴C轴的协调运动应保证球杆仪两基座的距离保持恒 定为400mm。 步骤2 .3、将测量轨迹投影到XOY平面，以获得摆动轴B轴和旋转轴C轴的旋转角度之间 的关系： 根据毕达格拉斯定理：
步骤4 .1、旋转轴C轴的PIGE根据ISO230-1，每个旋转轴有4个PIGE，考虑到CNC的零位补 偿功能可以忽略一个零位误差。4个PIGE是XOY平面中X轴和Y轴上的两个线性位置误差分量 EXOC 和EYOC ，以 及分 别围绕X 轴和Y轴的 两个定向误差分量EAOC 和EBOC。可以 基于IOS230-1获得 摆动轴B轴的类似误差组成。
在XOY平面根据余弦定律：
由测量装置RB＝RC＝LDBB＝400mm ，公式 (1) 和公式 (2) ，可以得到旋转角度之间的关系：
4 .根据权利要求书1所述的关于五轴数控机床双回转轴位置无关误差的检测方法，其 特征在于所述步骤3中 ，解决摆动轴B轴和旋转轴C轴协调运动时的合成速度与球杆仪捕获
2
CN 109732401 A
权利要求书3页 说明书7页 附图7页
CN 109732401 A
CN 109732401 A
权 利 要 求 书
1/3 页
1 .一种关于五轴数控机床双回转轴位置无关误差的检测方法，其特征在于，包括如下 步骤：
步骤1、根据五轴数控机床的具体结构以及摆动轴B轴和旋转轴C轴的位置，搭建实验测 量装置。
步骤2、结合实验装置 ，提出 测量五 轴数控机床摆动轴B轴和旋转 轴C 轴的 8项与位置无 关几何误差的轨迹。
B23Q 17/00(2006 .01)
(10)申请公布号 CN 109732401 A (43)申请公布日 2019.05.10
( 54 )发明 名称 一种关于五轴数控机床双回转轴位置无关
误差的检测方法 ( 57 )摘要
本发明公开了一种关于五轴数控机床双回 转 轴位置无关误差的 检 测方法 ，其特征在于 ，利 用球杆仪作为实验设备识别五轴数控机床中摆 动轴B轴和旋转轴C轴中与位置无关几何误差 ( PIGEs )，提出了一种新的测量轨迹 ，解决摆动轴 B轴和旋转轴C轴协调运动时的合成速度与球杆 仪捕获速度之间的异步性，结合刚体运动学中的 齐次变换矩阵 ，建立仿真模型，将仿真模型与实 验相结合，实现对五轴数控机床双回转轴与位置 无关几何误差的辨识测量，本发明方法可以快速 且有效的检测五轴数控机床双回转轴与位置无 关几何误差 ，精度高 ，实 用性好。