一種基于聯(lián)動誤差分析的非正交回轉(zhuǎn)軸軸心偏差測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基準(zhǔn)坐標(biāo)系的軸心偏差測量方法，尤其是涉及一種基于聯(lián)動誤差 分析的非正交回轉(zhuǎn)軸軸心偏差測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對用于生產(chǎn)加工的機(jī)床性能要求越來越高，同時對 加工生產(chǎn)的產(chǎn)品精度、品質(zhì)隨之提高，非正交旋轉(zhuǎn)軸的應(yīng)用越來越廣泛。非正交回轉(zhuǎn)軸的數(shù) 控機(jī)床多用于加工高精度的復(fù)雜曲面，非正交回轉(zhuǎn)軸在加工過程中需要保證軸心的偏移盡 量小。如果旋轉(zhuǎn)軸軸心偏移過大，將導(dǎo)致加工生產(chǎn)的產(chǎn)品性能不符合實際要求，甚至報廢， 造成不必要的損失。
[0003] 在數(shù)控機(jī)床操作過程中，是通過機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)給定的指令進(jìn)行加工操作，由于非 正交回轉(zhuǎn)軸軸心偏差，會導(dǎo)致機(jī)床運動位置存在精度誤差的問題。
[0004] 由于回轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)精度測試對機(jī)床性能、加工質(zhì)量等方面都具有重要的現(xiàn)實意義， 國內(nèi)外學(xué)者針對回轉(zhuǎn)軸誤差的測量方法做了大量的研宄工作，其中日本的MTsutsumi和 A.Saito等采用球桿儀測量轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)式五軸機(jī)床，提出用球桿儀模擬五軸聯(lián)動加工圓錐臺 的檢驗，并研宄了球桿儀代替加工精度檢測的實現(xiàn)方案。日本的S.Ibaraki等依據(jù)美國宇 航標(biāo)準(zhǔn)NAS979,重新研宄了五軸機(jī)床聯(lián)動加工圓錐臺的精度檢驗方法，對每個轉(zhuǎn)臺的6個 運動誤差項進(jìn)行建模和仿真，使用蒙特卡洛仿真的方式，分析了運動誤差項對圓錐臺精度 的影響程度。通過不同測量路徑來實現(xiàn)對正交回轉(zhuǎn)軸的誤差分析，從中分離出正交回轉(zhuǎn)軸 軸心的偏差值。同時，現(xiàn)有測量方法存在不足之處。對不同路徑下的回轉(zhuǎn)軸進(jìn)行測量時，首 先，要多次安裝定位球桿儀的位置；其次，需要調(diào)整主軸座處在合適的測量位置；最后，球 桿儀的固定端回轉(zhuǎn)中心與理想坐標(biāo)原點的重合很難得到保證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供可解決由于加工過程回轉(zhuǎn)軸的軸心偏差，導(dǎo)致機(jī)床運動位 置存在精度誤差等問題的一種基于聯(lián)動誤差分析的非正交回轉(zhuǎn)軸軸心偏差測量方法。
[0006] 本發(fā)明包括如下步驟：
[0007] 1)測量元件球桿儀在工作平臺上的安裝
[0008] 首先，將球桿儀的固定端安裝在工作平臺上，通過指令調(diào)整機(jī)床使2個回轉(zhuǎn)軸A 和B的軸心位置與球桿儀的固定端位置重合；然后，將球桿儀的移動端安裝在主軸座上；最 后，將球桿儀的伸縮桿分別與球桿儀的移動端和固定端相連；
[0009] 2)回轉(zhuǎn)軸理想基準(zhǔn)坐標(biāo)系的建立
[0010] 假定回轉(zhuǎn)軸A的旋轉(zhuǎn)測量平面為理想基準(zhǔn)坐標(biāo)系，令基準(zhǔn)坐標(biāo)系的原點坐標(biāo) 〇(〇, 〇, 〇)，即為回轉(zhuǎn)軸A的理想旋轉(zhuǎn)軸心坐標(biāo)；回轉(zhuǎn)軸A與B在Z0X平面夾角為45°，回轉(zhuǎn) 軸A的旋轉(zhuǎn)測量平面X0Y為理想基準(zhǔn)直角坐標(biāo)系，沿橫軸方向定義為X軸，縱軸方向定義為 Y軸；
[0011] 3)回轉(zhuǎn)軸A的軸心測量
[0012] 保證球桿儀的固定端與理想基準(zhǔn)坐標(biāo)系原點重合；調(diào)整主軸座于合適的位置，將 球桿儀的移動端安裝在主軸座上，使球桿儀的伸縮桿的回轉(zhuǎn)路徑與坐標(biāo)系中的XOY平面平 行；設(shè)定指令使回轉(zhuǎn)軸A旋轉(zhuǎn)，在球桿儀采樣頻率為f?下，采集到數(shù)據(jù)M:{SpS2，…，SM}，對 采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法圓擬合出回轉(zhuǎn)軸A的實際軸心坐標(biāo)0A(XA，YA，ZA);
[0013] 4)回轉(zhuǎn)軸B的軸心測量
[0014] 球桿儀的固定端位置保持不變；調(diào)整主軸座于合適的位置，將球桿儀的移動端安 裝在主軸座上，使球桿儀的伸縮桿的回轉(zhuǎn)路徑要與坐標(biāo)系中的\0'平面平行。設(shè)定指令使 回轉(zhuǎn)軸B旋轉(zhuǎn)，在球桿儀采樣頻率為f?下，采集到數(shù)據(jù)N:以，S2，…，SN}，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行 最小二乘法圓擬合出回轉(zhuǎn)軸B的實際軸心坐標(biāo)0B(XB，YB，ZB);
[0015] 5)回轉(zhuǎn)軸B的旋轉(zhuǎn)平面坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換
[0016] 回轉(zhuǎn)軸B的實際軸心坐標(biāo)％是坐標(biāo)系XBYBZB1的坐標(biāo)，將坐標(biāo)系XBYBZB繞Z軸正 向旋轉(zhuǎn)45°，使其與基準(zhǔn)坐標(biāo)系XYZ重合，坐標(biāo)原點0未發(fā)生改變，不存在平移運動的齊次 坐標(biāo)變換矩陣，只存在旋轉(zhuǎn)運動的齊次坐標(biāo)變換矩陣T，變換矩陣T的公式如下：
[0017]
，Y為繞Z軸旋轉(zhuǎn)角度；
[0018] 坐標(biāo)系0-XBYBZB繞Z軸轉(zhuǎn)動得到新的坐標(biāo)系0-XYZ，則點0B坐標(biāo)從坐標(biāo)系Ob-XbYbZb 到坐標(biāo)系0-XYZ的坐標(biāo)變換公式如下：
[0019]
[0020] 式中，（X'B，Y'B，Z'B)為點0B坐標(biāo)變換為點O'B后的坐標(biāo)值，則回轉(zhuǎn)軸A和B的軸心偏差A(yù)〇=(Xa-X'B，YA-Y'B，ZA-Z'B);實際上Z方向的坐標(biāo)值對結(jié)果不產(chǎn)生影 響，即回轉(zhuǎn)軸A和B的軸心偏差為AO' = (XA1B，YA1 B);
[0021] 6)同理可再測量多組數(shù)據(jù)，求出回轉(zhuǎn)軸A和B的軸心偏差的平均值，使結(jié)果更具有 科學(xué)性和參考價值。
[0022] 通過上述步驟可完成基于聯(lián)動誤差分析的非正交回轉(zhuǎn)軸軸心偏差的測量。與現(xiàn)有 技術(shù)比較，本發(fā)明的有益效果如下：
[0023] 本發(fā)明實現(xiàn)非正交回轉(zhuǎn)軸軸心的標(biāo)定，對于加工產(chǎn)品質(zhì)量和效率的提升都有很大 幫助，符合數(shù)控機(jī)床自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用需求。在實際工況中，機(jī)床中各個運動軸存在的幾 何誤差，將導(dǎo)致機(jī)床在加工過程中出現(xiàn)定位誤差，進(jìn)而產(chǎn)生加工誤差。因此全面準(zhǔn)確辨識 回轉(zhuǎn)軸的軸心偏差是實現(xiàn)機(jī)床精加工的必要條件，本發(fā)明利用球桿儀在兩種不同測量路徑 下，實現(xiàn)了對兩個不同回轉(zhuǎn)軸的軸心坐標(biāo)測定，尤其是對非正交回轉(zhuǎn)軸的研宄有一定的幫 助；同時利用空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換實現(xiàn)了對非正交回轉(zhuǎn)軸軸心偏差的比對，使機(jī)床運動位置精度 誤差的問題得到改善。
【附圖說明】
[0024] 圖1為本發(fā)明實施例中回轉(zhuǎn)軸A的軸心偏差測量方法的原理示意圖之一。
[0025] 圖2為本發(fā)明實施例中回轉(zhuǎn)軸A的軸心偏差測量方法的原理示意圖之二。
[0026] 圖3為本發(fā)明實施例中回轉(zhuǎn)軸B的軸心基準(zhǔn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的原理示意圖。
[0027] 圖4為本發(fā)明實施例中基準(zhǔn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的回轉(zhuǎn)軸B軸心和回轉(zhuǎn)軸A軸心在直角坐 標(biāo)系上的坐標(biāo)示意圖。
【具體實施方式】
[0028] 參見圖1~4,本實施例所述一種基于聯(lián)動誤差分析的非正交回轉(zhuǎn)軸軸心偏差測 量方法，包括以下步驟：
[0029] 1)測量元件球桿儀在工作平臺上的安裝
[0030] 首先，將球桿儀