五軸聯(lián)動數(shù)控機床旋轉軸幾何誤差的檢測與分離

五軸聯(lián)動數(shù)控機床旋轉軸幾何誤差的檢測與分離

1旋轉軸幾何誤差補償方法五軸在線數(shù)控機械結構主要包括三種形式：tttrr、rtttr和rrttt，由三個直線軸和兩個旋轉軸組成。它具有許多普通機床無法比擬的優(yōu)點,但其加工精度往往低于普通機床,主要由于2個旋轉軸存在許多幾何誤差沒有補償。補償?shù)年P鍵是對旋轉軸誤差進行檢定。五軸聯(lián)動數(shù)控機床旋轉軸誤差的檢定一直是國內外學者研究的熱點和難點。文獻[1~5]采用激光干涉儀、旋轉坐標校準儀等專用檢定裝置,測試快速、便捷、準確,但價格過于昂貴;若采用基于價格低廉的球桿儀針對上述問題,本文提出一種新穎、快速的五軸數(shù)控機床旋轉軸幾何誤差測量與分離方法,它基于球桿儀,選擇合適的測試路徑,采用單旋轉軸運動或1個旋轉軸和2個直線軸聯(lián)動方式,進行圓周誤差測試;并對測試結果進行解耦,實現(xiàn)了旋轉軸幾何誤差的辨識和精確測量。2測量和識別旋轉軸的幾何誤差2.1軸聯(lián)動數(shù)控機床精度的幾何誤差本文以TTTRR結構五軸聯(lián)動數(shù)控機床為研究對象。文獻[6]指出影響五軸聯(lián)動數(shù)控機床精度的幾何誤差主要有13個,其中5個是直線軸誤差,可以借助直線尺或千分尺等傳統(tǒng)測量裝置獲取;另外8個與旋轉軸關聯(lián),如圖1所示,旋轉軸A的6自由度幾何誤差δ2.2旋轉軸幾何誤差測試實驗如圖2所示,旋轉軸A和旋轉軸C的誤差測試過程中,球桿儀都采用軸向和徑向安裝的方式。圖2(a)和圖2(b)中,工作臺繞A軸從0度等速度運轉到90度,工作臺面上的球桿儀一端通過機床主軸、Y軸以及Z軸在YZ平面上做同步運動,球桿儀測得值將反映旋轉軸A的誤差值。圖2(c)中,球桿儀安裝時,使主軸安裝一端與C軸中心線重合,當球桿儀作360度圓周運動時,只需繞C軸旋轉即可,消除了機床X、Y線性軸耦合誤差。圖2(d)中,球桿儀和工作臺相對靜止,繞C軸作360度圓度測試。在安裝球桿儀時,只有直線軸配合運動,旋轉軸幾何誤差不對球桿儀初始狀態(tài)造成影響。測試運動時,誤差使中心軸線物理狀態(tài)發(fā)生變化如產生偏角和位移,而球桿儀主軸一端仍然按照預定的軌跡運行,兩者之間形成偏差,此偏差值即是旋轉軸幾何誤差綜合作用的結果。表1給出旋轉軸幾何誤差與球桿儀各測試路徑的關聯(lián)圖,其中R為球桿儀的測試半徑,H為球桿儀安裝磁座球心到旋轉軸A或C中心軸線的距離,虛線為球桿儀理想測試軌跡,實線為球桿儀實際工作軌跡。2.3虛擬偏心誤差測試在圓周運動測試中,在過象限點的測試值是極值,即是反映旋轉軸誤差,如表1軸A軸向ε球桿儀虛擬偏心誤差與實際安裝偏心求解原理相似。球桿儀測試過程如圖3所示。其中O對球桿儀i時刻位置點P求解方程:其中:θ其中,x則球桿儀虛擬安裝偏心與旋轉軸幾何誤差的數(shù)學關聯(lián)模型為:其中,s2.4直線軸不同步誤差產生原因旋轉軸幾何誤差測量影響因素主要有2個:(1)測試過程中,為保證球桿儀對工作臺的相對靜止,直線軸擬合與旋轉軸運動的同步圓,必然會存在不同步誤差。主要表現(xiàn)為兩種形式:軸A或軸C徑向測試時,其擬合圓不同步誤差產生原理如圖4(a)所示,其中R為球桿儀測試半徑,α為直線軸擬合圓相對于旋轉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,當軸A軸向測試時,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,對球桿儀測試值作用比較小。(2)由于測試路徑采用旋轉軸和直線軸聯(lián)動方式,直線軸誤差耦合到測試結果中。直線軸耦合誤差分為兩種:一是切向作用誤差(圖4(c)):2.5旋轉軸誤差分離(1)旋轉軸A軸向測試(2)旋轉軸A徑向測試(3)旋轉軸C軸向測試(4)旋轉軸C徑向測試E在軸A徑向測試時,采用精準量塊調整H值,連續(xù)兩次測試,然后聯(lián)立式(8)~(15),即可精確分離旋轉軸8個誤差。3球桿儀測量原理及優(yōu)化(1)提出一種基于球桿儀的新穎、快速、經濟、準確的五軸聯(lián)動數(shù)控機床旋轉軸幾何誤差測量與分離方法,它對于國產五軸聯(lián)動數(shù)控機床的精密化和工作中的機床精度保優(yōu),提高產品的加工質量,具有重要的科學理論意義和工程應用價值。(2)結合五軸聯(lián)動數(shù)控機床的控制特性和球桿儀工作原理,給出4種球桿儀測試路徑,并建立了測試路徑與待測幾何誤差的關聯(lián)。(3)深入研究了球桿儀虛擬安裝偏心技術,簡化了球桿儀測試值與旋轉軸幾何誤差的數(shù)學關聯(lián)模型;并考察了影響旋轉軸幾何誤差測量結果的主要因素,采用球桿儀二次測量方法,對直線軸聯(lián)動引起的耦合誤差進行解耦,提高測試值的準確度。(4)給出了旋轉軸誤差的分離公式,通過5次球桿儀安裝測試,實現(xiàn)了8個幾何誤差的準確測量。(5)在本文研究的