五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差的檢測(cè)與分離

五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差的檢測(cè)與分離

1旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差補(bǔ)償方法五軸在線數(shù)控機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括三種形式：tttrr、rtttr和rrttt，由三個(gè)直線軸和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸組成。它具有許多普通機(jī)床無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn),但其加工精度往往低于普通機(jī)床,主要由于2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸存在許多幾何誤差沒(méi)有補(bǔ)償。補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵是對(duì)旋轉(zhuǎn)軸誤差進(jìn)行檢定。五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸誤差的檢定一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。文獻(xiàn)[1~5]采用激光干涉儀、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)校準(zhǔn)儀等專(zhuān)用檢定裝置,測(cè)試快速、便捷、準(zhǔn)確,但價(jià)格過(guò)于昂貴;若采用基于價(jià)格低廉的球桿儀針對(duì)上述問(wèn)題,本文提出一種新穎、快速的五軸數(shù)控機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差測(cè)量與分離方法,它基于球桿儀,選擇合適的測(cè)試路徑,采用單旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)或1個(gè)旋轉(zhuǎn)軸和2個(gè)直線軸聯(lián)動(dòng)方式,進(jìn)行圓周誤差測(cè)試;并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行解耦,實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差的辨識(shí)和精確測(cè)量。2測(cè)量和識(shí)別旋轉(zhuǎn)軸的幾何誤差2.1軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床精度的幾何誤差本文以TTTRR結(jié)構(gòu)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床為研究對(duì)象。文獻(xiàn)[6]指出影響五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床精度的幾何誤差主要有13個(gè),其中5個(gè)是直線軸誤差,可以借助直線尺或千分尺等傳統(tǒng)測(cè)量裝置獲取;另外8個(gè)與旋轉(zhuǎn)軸關(guān)聯(lián),如圖1所示,旋轉(zhuǎn)軸A的6自由度幾何誤差δ2.2旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差測(cè)試實(shí)驗(yàn)如圖2所示,旋轉(zhuǎn)軸A和旋轉(zhuǎn)軸C的誤差測(cè)試過(guò)程中,球桿儀都采用軸向和徑向安裝的方式。圖2(a)和圖2(b)中,工作臺(tái)繞A軸從0度等速度運(yùn)轉(zhuǎn)到90度,工作臺(tái)面上的球桿儀一端通過(guò)機(jī)床主軸、Y軸以及Z軸在YZ平面上做同步運(yùn)動(dòng),球桿儀測(cè)得值將反映旋轉(zhuǎn)軸A的誤差值。圖2(c)中,球桿儀安裝時(shí),使主軸安裝一端與C軸中心線重合,當(dāng)球桿儀作360度圓周運(yùn)動(dòng)時(shí),只需繞C軸旋轉(zhuǎn)即可,消除了機(jī)床X、Y線性軸耦合誤差。圖2(d)中,球桿儀和工作臺(tái)相對(duì)靜止,繞C軸作360度圓度測(cè)試。在安裝球桿儀時(shí),只有直線軸配合運(yùn)動(dòng),旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差不對(duì)球桿儀初始狀態(tài)造成影響。測(cè)試運(yùn)動(dòng)時(shí),誤差使中心軸線物理狀態(tài)發(fā)生變化如產(chǎn)生偏角和位移,而球桿儀主軸一端仍然按照預(yù)定的軌跡運(yùn)行,兩者之間形成偏差,此偏差值即是旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差綜合作用的結(jié)果。表1給出旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差與球桿儀各測(cè)試路徑的關(guān)聯(lián)圖,其中R為球桿儀的測(cè)試半徑,H為球桿儀安裝磁座球心到旋轉(zhuǎn)軸A或C中心軸線的距離,虛線為球桿儀理想測(cè)試軌跡,實(shí)線為球桿儀實(shí)際工作軌跡。2.3虛擬偏心誤差測(cè)試在圓周運(yùn)動(dòng)測(cè)試中,在過(guò)象限點(diǎn)的測(cè)試值是極值,即是反映旋轉(zhuǎn)軸誤差,如表1軸A軸向ε球桿儀虛擬偏心誤差與實(shí)際安裝偏心求解原理相似。球桿儀測(cè)試過(guò)程如圖3所示。其中O對(duì)球桿儀i時(shí)刻位置點(diǎn)P求解方程:其中:θ其中,x則球桿儀虛擬安裝偏心與旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)模型為:其中,s2.4直線軸不同步誤差產(chǎn)生原因旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差測(cè)量影響因素主要有2個(gè):(1)測(cè)試過(guò)程中,為保證球桿儀對(duì)工作臺(tái)的相對(duì)靜止,直線軸擬合與旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)的同步圓,必然會(huì)存在不同步誤差。主要表現(xiàn)為兩種形式:軸A或軸C徑向測(cè)試時(shí),其擬合圓不同步誤差產(chǎn)生原理如圖4(a)所示,其中R為球桿儀測(cè)試半徑,α為直線軸擬合圓相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸圓周滯后或超前角度,H為擬合圓半徑,則不同步誤差為:同理,當(dāng)軸A軸向測(cè)試時(shí),擬合圓不同步誤差如圖4(b)所示,則不同步誤差為:由式(8)~(9)可得,擬合圓超前或滯后一定角度,對(duì)球桿儀測(cè)試值作用比較小。(2)由于測(cè)試路徑采用旋轉(zhuǎn)軸和直線軸聯(lián)動(dòng)方式,直線軸誤差耦合到測(cè)試結(jié)果中。直線軸耦合誤差分為兩種:一是切向作用誤差(圖4(c)):2.5旋轉(zhuǎn)軸誤差分離(1)旋轉(zhuǎn)軸A軸向測(cè)試(2)旋轉(zhuǎn)軸A徑向測(cè)試(3)旋轉(zhuǎn)軸C軸向測(cè)試(4)旋轉(zhuǎn)軸C徑向測(cè)試E在軸A徑向測(cè)試時(shí),采用精準(zhǔn)量塊調(diào)整H值,連續(xù)兩次測(cè)試,然后聯(lián)立式(8)~(15),即可精確分離旋轉(zhuǎn)軸8個(gè)誤差。3球桿儀測(cè)量原理及優(yōu)化(1)提出一種基于球桿儀的新穎、快速、經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差測(cè)量與分離方法,它對(duì)于國(guó)產(chǎn)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的精密化和工作中的機(jī)床精度保優(yōu),提高產(chǎn)品的加工質(zhì)量,具有重要的科學(xué)理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。(2)結(jié)合五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的控制特性和球桿儀工作原理,給出4種球桿儀測(cè)試路徑,并建立了測(cè)試路徑與待測(cè)幾何誤差的關(guān)聯(lián)。(3)深入研究了球桿儀虛擬安裝偏心技術(shù),簡(jiǎn)化了球桿儀測(cè)試值與旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)模型;并考察了影響旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差測(cè)量結(jié)果的主要因素,采用球桿儀二次測(cè)量方法,對(duì)直線軸聯(lián)動(dòng)引起的耦合誤差進(jìn)行解耦,提高測(cè)試值的準(zhǔn)確度。(4)給出了旋轉(zhuǎn)軸誤差的分離公式,通過(guò)5次球桿儀安裝測(cè)試,實(shí)現(xiàn)了8個(gè)幾何誤差的準(zhǔn)確測(cè)量。(5)在本文研究的