本發(fā)明涉及五軸數(shù)控機(jī)床誤差檢測(cè)領(lǐng)域，具體是一種五軸數(shù)控機(jī)床平動(dòng)軸和旋轉(zhuǎn)軸同步誤差檢測(cè)方法。

背景技術(shù)：

數(shù)控機(jī)床的動(dòng)態(tài)誤差廣義上指機(jī)床運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)際位置與理論位置之間的偏差，是機(jī)械結(jié)構(gòu)幾何誤差、伺服系統(tǒng)控制誤差、環(huán)境熱變形誤差、數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)誤差等所有誤差的綜合反映。實(shí)際加工過(guò)程中，造成五軸聯(lián)動(dòng)加工工件質(zhì)量缺陷的機(jī)床動(dòng)態(tài)誤差主要是伺服不匹配和動(dòng)態(tài)反向誤差，尤其是高速加工，伺服同步誤差會(huì)造成加工表面的輪廓誤差。

伺服不匹配誤差是由于參與聯(lián)動(dòng)的軸之間伺服環(huán)的增益不匹配，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，各軸存在不同的跟隨誤差，某些軸運(yùn)動(dòng)超前，某些軸運(yùn)動(dòng)滯后，合成到刀具上的運(yùn)動(dòng)軌跡就會(huì)產(chǎn)生偏差，隨著進(jìn)給速度的提高，誤差也會(huì)放大。與靜態(tài)誤差相比，動(dòng)態(tài)誤差由于需要在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行測(cè)量，常規(guī)的大理石尺、千分表、水平儀、激光干涉儀等工具難以應(yīng)用，對(duì)于三軸數(shù)控機(jī)床，目前國(guó)內(nèi)外制造廠商已開(kāi)始應(yīng)用球桿儀、二維光學(xué)碼盤等對(duì)兩直線軸的聯(lián)動(dòng)精度進(jìn)行檢測(cè)，目前兩平動(dòng)軸之間的伺服匹配通過(guò)球桿儀測(cè)量?jī)奢S聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)圓軌跡精度可有效識(shí)別伺服不匹配誤差。但對(duì)于五軸機(jī)床，還缺少成熟穩(wěn)定的聯(lián)動(dòng)動(dòng)態(tài)精度檢測(cè)與分析方法，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始對(duì)旋轉(zhuǎn)軸動(dòng)態(tài)精度開(kāi)展研究，發(fā)明了包括應(yīng)用球桿儀、R-test、CapBall、激光跟蹤儀等檢測(cè)工具進(jìn)行測(cè)量和誤差辨識(shí)的新方法。

例如，Masaomi Tsutsumi等在論文analysis of circular trajectory equivalent to cone-frustum milling in five-axis machining centers using motion simulator , international journal of machine tools & manufacture 64 (2013) 1-11中提出的通過(guò)五軸聯(lián)動(dòng)基于球桿儀模擬斜圓錐運(yùn)動(dòng)的方法測(cè)量五軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的綜合動(dòng)態(tài)精度，但該方法綜合了五個(gè)軸的誤差項(xiàng)，不便于對(duì)平動(dòng)軸和旋轉(zhuǎn)軸的同步誤差進(jìn)行分離。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種五軸數(shù)控機(jī)床平動(dòng)軸和旋轉(zhuǎn)軸同步誤差檢測(cè)方法，采用球桿儀作為檢測(cè)儀器，通過(guò)一個(gè)平動(dòng)軸與一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)獲得運(yùn)動(dòng)過(guò)程中球桿儀測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析出兩軸之間聯(lián)動(dòng)的同步誤差，以解決上述背景技術(shù)中提出的問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種五軸數(shù)控機(jī)床平動(dòng)軸和旋轉(zhuǎn)軸同步誤差檢測(cè)方法，包括以下步驟：

（1）根據(jù)五軸機(jī)床結(jié)構(gòu)行程特點(diǎn)，確定測(cè)量行程，計(jì)算測(cè)量軌跡NC程序；

（2）根據(jù)球桿儀測(cè)量路徑和誤差幾何原理，獲得球桿儀測(cè)得的數(shù)據(jù)與旋轉(zhuǎn)軸和平動(dòng)軸同步誤差的關(guān)系，進(jìn)而確定旋轉(zhuǎn)軸與平動(dòng)軸同步誤差的評(píng)價(jià)指標(biāo)；

（3）按照球桿儀的常規(guī)安裝要求和所設(shè)計(jì)的初始安裝位置安裝球桿儀，開(kāi)啟五軸機(jī)床的刀尖點(diǎn)旋轉(zhuǎn)跟隨功能，運(yùn)動(dòng)測(cè)量程序，獲得球桿儀的測(cè)量數(shù)據(jù)；

（4）根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)和旋轉(zhuǎn)軸與平動(dòng)軸的同步誤差評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)系，計(jì)算出當(dāng)前的旋轉(zhuǎn)軸與平動(dòng)軸之間的同步誤差；

（5）根據(jù)所測(cè)得的同步誤差情況，調(diào)整所測(cè)旋轉(zhuǎn)軸與平動(dòng)軸的伺服位置比例增益和速度前饋增益伺服參數(shù)，再進(jìn)行誤差測(cè)量，直到誤差達(dá)到機(jī)床精度要求水平。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：步驟（1）中根據(jù)五軸機(jī)床結(jié)構(gòu)行程特點(diǎn)，確定測(cè)量行程，計(jì)算測(cè)量軌跡NC程序的具體方法是：O代表旋轉(zhuǎn)軸C軸中心，Ot代表路徑圓中心，R代表球桿儀直徑，Rc代表球桿儀旋轉(zhuǎn)軸一側(cè)的小球距離旋轉(zhuǎn)軸軸心的距離，球桿儀兩端球初始位置分別在P0和Ot位置，一側(cè)球隨旋轉(zhuǎn)軸C轉(zhuǎn)動(dòng)角度θi到達(dá)Pi位置，另一側(cè)球則隨平動(dòng)軸X移動(dòng)Xi距離到達(dá)Oti位置；設(shè)計(jì)檢測(cè)軌跡使P0球繞Ot做勻速圓軌跡運(yùn)動(dòng)，φi為P0繞Ot轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，由圖中幾何關(guān)系可知：

根據(jù)上述幾何關(guān)系式，通過(guò)讓?duì)読從0°到360°每隔一定的角度取值，即可計(jì)算出NC程序旋轉(zhuǎn)軸和平動(dòng)軸的坐標(biāo)值。

作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：步驟（2）中根據(jù)球桿儀測(cè)量路徑和誤差幾何原理，獲得球桿儀測(cè)得的數(shù)據(jù)與旋轉(zhuǎn)軸和平動(dòng)軸同步誤差的關(guān)系，進(jìn)而確定旋轉(zhuǎn)軸與平動(dòng)軸同步誤差的評(píng)價(jià)指標(biāo)，具體方法是：

設(shè)C軸跟隨誤差為△θ，X軸跟隨誤差為△X，球桿儀的伸縮測(cè)量誤差為△R，則得到球桿儀誤差軌跡方程：

其中Fc代表旋轉(zhuǎn)軸C軸的運(yùn)動(dòng)速度，F(xiàn)x代表平動(dòng)軸X軸的運(yùn)動(dòng)速度，Kcp代表旋轉(zhuǎn)軸C軸的位置比例增益，Kxp代表平動(dòng)軸X軸的位置比例增益，F(xiàn)c和Fx可以到過(guò)對(duì)θi和Xi求導(dǎo)數(shù)獲得，即：

將△R的最大最小值相減取絕對(duì)值作為旋轉(zhuǎn)軸和平行軸同步誤差的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：步驟（3）中按照所設(shè)計(jì)的初始安裝位置安裝球桿儀，具體步驟是：先將球桿儀一測(cè)小球工具杯安裝在主軸刀柄上，使主軸與旋轉(zhuǎn)軸軸線重合，再移動(dòng)待測(cè)的平動(dòng)軸到距離旋轉(zhuǎn)軸中心Rc的位置，放置球桿儀安裝座，使安裝座與工具杯同軸，鎖定安裝座，再移動(dòng)平動(dòng)軸到距離旋轉(zhuǎn)軸中心Rc+R的位置，將球桿儀兩側(cè)小球分別吸在工具杯和安裝座上。

作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：步驟（4）中根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)和旋轉(zhuǎn)軸與平動(dòng)軸的同步誤差評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)系，計(jì)算出當(dāng)前的旋轉(zhuǎn)軸與平動(dòng)軸之間的同步誤差，具體方法是：首先將球桿儀測(cè)得的數(shù)據(jù)去掉頭尾部分的少量啟停誤差數(shù)據(jù)后，求取誤差數(shù)據(jù)的最大最小值的差值絕對(duì)值作為同步誤差，然后將誤差數(shù)據(jù)在360°范圍內(nèi)平均分布，計(jì)算出每個(gè)角度對(duì)應(yīng)的誤差的XY坐標(biāo)，以誤差圖形的形式顯示出來(lái)。

作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：步驟（5）中根據(jù)所測(cè)得的同步誤差情況，調(diào)整伺服參數(shù)是指通過(guò)觀察步驟（4）中繪制的誤差圖形判斷調(diào)整情況，通過(guò)調(diào)整伺服參數(shù)使誤差圖形接近要求的圓度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：能夠通過(guò)簡(jiǎn)單的測(cè)量運(yùn)動(dòng)路徑實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸與平動(dòng)軸同步誤差的測(cè)量，操作簡(jiǎn)單，誤差分離清晰，便于進(jìn)行同步誤差的高效調(diào)整。

附圖說(shuō)明

圖1為五軸數(shù)控機(jī)床平動(dòng)軸和旋轉(zhuǎn)軸同步誤差檢測(cè)方法中在某典型結(jié)構(gòu)雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床上球桿儀測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸與平動(dòng)軸同步誤差運(yùn)動(dòng)示意圖。

圖2為五軸數(shù)控機(jī)床平動(dòng)軸和旋轉(zhuǎn)軸同步誤差檢測(cè)方法中球桿儀測(cè)量軌跡幾何關(guān)系示意圖。

圖3為五軸數(shù)控機(jī)床平動(dòng)軸和旋轉(zhuǎn)軸同步誤差檢測(cè)方法中旋轉(zhuǎn)軸與平動(dòng)軸同步誤差幾何關(guān)系示意圖。

圖4為五軸數(shù)控機(jī)床平動(dòng)軸和旋轉(zhuǎn)軸同步誤差檢測(cè)方法中旋轉(zhuǎn)軸與平動(dòng)軸不同伺服增益下誤差圖形變化示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

請(qǐng)參閱圖1～4，本發(fā)明實(shí)施例中，一種五軸數(shù)控機(jī)床平動(dòng)軸和旋轉(zhuǎn)軸同步誤差檢測(cè)方法，以雙轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)五軸機(jī)床的C軸旋轉(zhuǎn)軸與X軸平動(dòng)軸同步誤差檢測(cè)為例，包括以下步驟：

步驟1：根據(jù)五軸機(jī)床結(jié)構(gòu)行程特點(diǎn)，確定測(cè)量行程，計(jì)算測(cè)量軌跡NC程序，如圖1所示，O代表旋轉(zhuǎn)軸C軸中心，Ot代表路徑圓中心，R代表球桿儀直徑，Rc代表球桿儀旋轉(zhuǎn)軸一側(cè)的小球距離旋轉(zhuǎn)軸軸心的距離，球桿儀兩端球初始位置分別在P0和Ot位置，一側(cè)球隨旋轉(zhuǎn)軸C轉(zhuǎn)動(dòng)角度θi到達(dá)Pi位置，另一側(cè)球則隨平動(dòng)軸X移動(dòng)Xi距離到達(dá)Oti位置。設(shè)定該機(jī)床X軸行程為-250mm<x<250mm，C軸行程為±360?，確定球桿儀長(zhǎng)度R為100mm，球桿儀旋轉(zhuǎn)軸上的小球距離C軸中心距離Rc為100mm.

設(shè)計(jì)檢測(cè)軌跡使P0球繞Ot做勻速圓軌跡運(yùn)動(dòng)，φi為P0繞Ot轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，由圖2中幾何關(guān)系可知：

根據(jù)上述幾何關(guān)系式，通過(guò)讓?duì)読從0°到360°每隔0.1°的角度取值，即可計(jì)算出NC程序旋轉(zhuǎn)軸和平動(dòng)軸的坐標(biāo)值。

步驟2：根據(jù)球桿儀測(cè)量路徑和誤差幾何原理，獲得球桿儀測(cè)得的數(shù)據(jù)與旋轉(zhuǎn)軸和平動(dòng)軸同步誤差的關(guān)系，進(jìn)而確定旋轉(zhuǎn)軸與平動(dòng)軸同步誤差的評(píng)價(jià)指標(biāo)；如圖3所示，假設(shè)C軸跟隨誤差為△θ，X軸跟隨誤差為△X，球桿儀的伸縮測(cè)量誤差為△R，則得到球桿儀誤差軌跡方程：

其中Fc代表旋轉(zhuǎn)軸C軸的運(yùn)動(dòng)速度，F(xiàn)x代表平動(dòng)軸X軸的運(yùn)動(dòng)速度，Kcp代表旋轉(zhuǎn)軸C軸的位置比例增益，Kxp代表平動(dòng)軸X軸的位置比例增益，F(xiàn)c和Fx可以到過(guò)對(duì)θi和Xi求導(dǎo)數(shù)獲得，即：

將△R的最大最小值相減取絕對(duì)值作為旋轉(zhuǎn)軸和平行軸同步誤差的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

步驟3：按照球桿儀的常規(guī)安裝要求和所設(shè)計(jì)的初始安裝位置安裝球桿儀，先將球桿儀一測(cè)小球工具杯安裝在主軸刀柄上，使主軸與旋轉(zhuǎn)軸軸線重合，再移動(dòng)待測(cè)的平動(dòng)軸到距離旋轉(zhuǎn)軸中心Rc的位置，放置球桿儀安裝座，使安裝座與工具杯同軸，鎖定安裝座，再移動(dòng)平動(dòng)軸到距離旋轉(zhuǎn)軸中心Rc+R的位置，將球桿儀兩側(cè)小球分別吸在工具杯和安裝座上。開(kāi)啟五軸機(jī)床的刀尖點(diǎn)旋轉(zhuǎn)跟隨功能（RTCP），運(yùn)動(dòng)測(cè)量程序，獲得球桿儀的測(cè)量數(shù)據(jù)；

步驟4：根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)和旋轉(zhuǎn)軸與平動(dòng)軸的同步誤差評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)系，計(jì)算出當(dāng)前的旋轉(zhuǎn)軸與平動(dòng)軸之間的同步誤差；首先將球桿儀測(cè)得的數(shù)據(jù)去掉頭尾部分的少量啟停誤差數(shù)據(jù)后，求取誤差數(shù)據(jù)的最大最小值的差值絕對(duì)值作為同步誤差，然后將誤差數(shù)據(jù)在360°范圍內(nèi)平均分布，計(jì)算出每個(gè)角度對(duì)應(yīng)的誤差的XY坐標(biāo)，以誤差圖形的形式顯示出來(lái)。

步驟5：如圖4所示，根據(jù)所測(cè)得的同步誤差情況，調(diào)整所測(cè)旋轉(zhuǎn)軸與平動(dòng)軸的伺服位置比例增益和速度前饋增益等伺服參數(shù)，再進(jìn)行誤差測(cè)量，直到誤差達(dá)到機(jī)床精度要求水平。

本發(fā)明的工作原理是：借鑒曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理，設(shè)計(jì)單個(gè)旋轉(zhuǎn)軸與單個(gè)平動(dòng)軸之間進(jìn)行聯(lián)動(dòng)的軌跡路徑，球桿儀的一側(cè)小球安裝在旋轉(zhuǎn)軸臺(tái)面上隨旋轉(zhuǎn)軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，球桿儀的另一側(cè)小球安裝在主軸軸線上隨平動(dòng)軸做直線運(yùn)動(dòng)，通過(guò)兩軸聯(lián)動(dòng)，使旋轉(zhuǎn)軸上的小球繞主軸上的小球做勻速圓軌跡運(yùn)動(dòng)，由于旋轉(zhuǎn)軸與平動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中有速度的不同變化，從而使之產(chǎn)生不同變化的跟隨誤差，進(jìn)而利用球桿儀對(duì)運(yùn)動(dòng)路徑的偏差進(jìn)行檢測(cè)。

對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無(wú)論從哪一點(diǎn)來(lái)看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說(shuō)明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。

此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說(shuō)明書(shū)按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說(shuō)明書(shū)的這種敘述方式僅僅是為清楚起見(jiàn)，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說(shuō)明書(shū)作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。