一种双转台结构的五轴加工中心精度检测方法.pdf

一种双转台结构的五轴加工中心精度的检测方法，所述方法包括以下步骤：设计五轴联动的机床运动曲线，并通过所述机床运动曲线获取机床理论运动曲线方程；安装检测仪器，将所述机床理论运动曲线方程转变为驱动机床运动的代码，操纵机床运行，在机床运动过程中采集球杆仪长度变化数据；获取所述球杆仪长度变化数据与机床误差之间的误差模型；根据采样数据和所述误差模型，计算双转台结构五轴加工中心的二十项误差；通过所述二十项误差对机床部件间的装配进行调整。采用本方法，仪器安装和调试操作简单，测量时间较短，使用器材简便，降低了检测成本。

权利要求书一种双转台结构的五轴加工中心精度的检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
（1）设计五轴联动的机床运动曲线，并通过所述机床运动曲线获取机床理论运动曲线方程；
（2）安装检测仪器，将所述机床理论运动曲线方程转变为驱动机床运动的代码，操纵机床运行，在机床运动过程中采集球杆仪长度变化数据；
（3）获取所述球杆仪长度变化数据与机床误差之间的误差模型；
（4）根据采样数据和所述误差模型，计算双转台结构五轴加工中心的二十项误差；
（5）通过所述二十项误差对机床部件间的装配进行调整。
根据权利要求1所述的一种双转台结构的五轴加工中心精度的检测方法，其特征在于，所述将所述机床理论运动曲线方程转变为驱动机床运动的代码，操纵机床运行，在机床运动过程中采集球杆仪长度变化数据具体为：
1）设定采样位置和采样次数，将所述机床理论运动曲线方程转变为驱动机床运动的代码；
2）获取球杆仪长度变化量ΔR、主轴侧球心在采样位置的理论位置坐标p1(t)和工作台侧球心在采样位置的理论位置坐标p2(t)。
根据权利要求2所述的一种双转台结构的五轴加工中心精度的检测方法，其特征在于，所述获取所述球杆仪长度变化数据与机床误差之间的误差模型具体为：
1)定义待检测机床的坐标系和误差项；
2）构建球杆仪球心位置变动与机床20项误差项之间的模型；
3）构建球杆仪球心位置变动与球杆仪长度变化之间的关系。
根据权利要求3所述的一种双转台结构的五轴加工中心精度的检测方法，其特征在于，所述构建球杆仪球心位置变动与机床20项误差项之间的模型具体为：
1)分别建立局部坐标系Op与参考坐标系Or间的变换矩阵rTp，Oc与参考坐标系Or间的变换矩阵rTw：
2)根据变换矩阵rTp和rTw分别计算Or坐标系下与主轴相连的球杆仪球心以及与工作台相连的球杆仪球心坐标向量：
3)计算与工作台相连的球杆仪球心在Or坐标系下的位置误差。

说明书一种双转台结构的五轴加工中心精度检测方法
技术领域
本发明涉及五轴加工中心精度的检测，特别涉及一种双转台结构的五轴加工中心精度的检测方法。
背景技术
五轴加工中心对于复杂型面的加工有巨大的效率优势，被广泛应用于精密模具，以及航空航天工业中精密零件的生产加工。几何精度是高精度机床，特别是多轴加工中心的重要性能指标。一台五轴加工中心从出厂到交付用户使用，往往要经过多次的精度检测与调整，才能通过验收并应用于生产。根据相关检测标准，使用传统的检测方法，需要利用直线尺、水平仪、分度台和干涉仪等多种工具，对五轴加工中心运动轴的几何精度逐个逐项进行检测，器材成本高，检测效率低，并不符合用户的实际需要。
具有双转台结构(TTTRR型)的五轴加工中心由于其结构相对简单，成本较低，是生产中使用最多的一种。针对这种加工中心，国内外学者提出了多种几何精度检测方法。
(1)W.T.Lei和Y.Y.Hsu提出了一种利用3D Probe进行五轴加工中心检测的方法（参见W.T.Lei,Y.Y.Hsu,利用3D Probe对五轴加工中心的精度检测方法（I.设计与建模，II.误差估计）,International Journal of Machine Tools &Manufacture,2002(42):1153‑1170)。
(2)Ming‑Tzong Lin和Yi‑Tsung Lee等人提出了一种利用四象限探测仪和激光干涉仪检测带有倾斜工作台的五轴加工中心几何精度的方法(参见Ming‑Tzong Lin,Yi‑Tsung Lee等，带倾斜工作台的五轴加工中心几何误差的分析与补偿，2011IEEE/ASME International Conference on Advanced IntelligentMechatronics(AIM2011)Budapest,Hungary,July 3‑7,2011)。
(3)Soichi Ibaraki，Chiaki Oyama和Hisashi Otsubo提出了一种利用R‑test进行五轴加工中心旋转轴的几何误差检测方法（参见Soichi Ibaraki，Chiaki Oyama，Hisashi Otsubo，利用静态R‑test构建五轴加工中心旋转轴的误差，InternationalJournal of Machine Tools&Manufacture,2011(51):190–200）。
(4)付璇，田怀文和朱绍维提出了多路径球杆仪误差检测的方法,使用球杆仪在多个检测路径上分别检测不同的运动轴几何精度（参见付璇，田怀文和朱绍维，五轴数控机床旋转轴几何误差测量与建模，机械设计与制造，2011(2):157‑159）。
(5)Dong‑Mok Lee等人提出了一种利用球杆仪进行误差检测的方法，需要进行多个路径和多个位置的装卡，针对的是带旋转头的五轴加工中心，效率较低（参看Dong‑Mok Lee等，Identification and Measurement of Geometric Errors for aFive‑axis Machine Tool with a Tilting Head using a Double Ball‑bar，INTERNATIONAL JOURNAL OF PRECISION ENGINEERING ANDMANUFACTURING 2011，12(2):337‑343）。
(6)Masaomi Tsutsumi和Akinori Saito采用球杆仪针对五轴加工中心其中8项误差提出了四轴联动测量五轴加工中心误差的方法。（参看Masaomi Tsutsumi，Akinori Saito，Identification of angular and positional deviations inherent to 5‑axismachining centers with a tilting‑rotary table by simultaneous four‑axis controlmovements，International Journal of Machine Tools & Manufacture2004(44):1333‑1342）。
发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足：
文献（1）中提出的使用3D Probe的检测方法，相对于球杆仪来说仪器成本较高，并且3D Probe的探头属于易破损元件，在操作失误情况下容易造成较大的经济损失。
文献（2）中提出的测量方法，需要同时使用两种测量仪器，并且需要配合使用，在仪器安装和调试时比球杆仪难度更大。
文献（3）（4）（5）中提出的检测方法，均需要在多个测量路径上进行多次测量，并且在测量路径转变时要重新对仪器进行校正，造成测量时间更长。
文献（6）中只针对8项几何误差提出了四轴联动的检测方法，没有包含五轴加工中心旋转轴所具有的全部误差。
发明内容
本发明提供了一种双转台结构的五轴加工中心精度的检测方法，仪器安装和调试操作简单，测量时间较短，使用器材简便，降低检测成本，详见下文描述：
一种双转台结构的五轴加工中心精度的检测方法，所述方法包括以下步骤：
（1）设计五轴联动的机床运动曲线，并通过所述机床运动曲线获取机床理论运动曲线方程；
（2）安装检测仪器，将所述机床理论运动曲线方程转变为驱动机床运动的代码，操纵机床运行，在机床运动过程中采集球杆仪长度变化数据；
（3）获取所述球杆仪长度变化数据与机床误差之间的误差模型；
（4）根据采样数据和所述误差模型，计算双转台结构五轴加工中心的二十项误差；
（5）通过所述二十项误差对机床部件间的装配进行调整。
所述将所述机床理论运动曲线方程转变为驱动机床运动的代码，操纵机床运行，在机床运动过程中采集球杆仪长度变化数据具体为：
1）设定采样位置和采样次数，将所述机床理论运动曲线方程转变为驱动机床运动的代码；
2）获取球杆仪长度变化量ΔR、主轴侧球心在采样位置的理论位置坐标p1(t)和工作台侧球心在采样位置的理论位置坐标p2(t)。
所述获取所述球杆仪长度变化数据与机床误差之间的误差模型具体为：
1)定义待检测机床的坐标系和误差项；
2）构建球杆仪球心位置变动与机床20项误差项之间的模型；
3）构建球杆仪球心位置变动与球杆仪长度变化之间的关系。
所述构建球杆仪球心位置变动与机床20项误差项之间的模型具体为：
1)分别建立局部坐标系Op与参考坐标系Or间的变换矩阵rTp，Oc与参考坐标系Or间的变换矩阵rTw：
2)根据变换矩阵rTp和rTw分别计算Or坐标系下与主轴相连的球杆仪球心以及与工作台相连的球杆仪球心坐标向量：
3)计算与工作台相连的球杆仪球心在Or坐标系下的位置误差。
本发明提供的技术方案的有益效果是：通过为机床设计运动曲线，在机床运动过程中采集球杆仪实际长度与理论长度之间的误差，推导球杆仪长度变化与机床误差之间的数学模型，最后经过数据处理终端的运算，得出机床误差；并对机床误差进行调整；采用本方法仪器安装和调试操作简单，测量时间较短，使用器材简便，降低了检测成本。
附图说明
图1为双转台结构的五轴加工中心示意图；
图2a为机床运动曲线示意图；
图2b为图2a在XY平面的投影；
图2c为图2a在XZ平面的投影；
图2d为图2a在YZ平面的投影；
图3为机床检测运动曲线与球杆仪相对姿态示意图；
图4为机床旋转轴C的误差示意图；
图5为机床旋转轴A的误差示意图；
图6为各局部坐标系相对位置关系示意图；
图7为五轴加工中心精度检测流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
为了简化仪器安装和调试操作，缩短测量时间，降低检测成本，本发明实施例提供了一种双转台结构的五轴加工中心精度的检测方法，参见图1和图7，详见下文描述：
101：设计五轴联动的机床运动曲线，并通过机床运动曲线获取机床理论运动曲线方程；
本方法针对具有双转台结构的五轴加工中心，结构如图1所示，直线轴分别表示为X、Y和Z，旋转轴表示为A和C。
具体实现时，根据实际应用中的需要来设定五轴联动的机床运动曲线，例如：第一段运动：A轴以‑90度为起始位置，在X轴平移过程中，A轴转过90度，C轴转过180度；第二段（调整段）运动：X轴平移，A轴不旋转，C轴转过180度；第三段运动：A轴以0度为起始位置，在X轴平移过程中，A轴转过90度，C轴转过180度。主轴包括两个直线轴Y、Z，运动方法为YZ轴联动，配合工作台侧球心位置，保证两球心理论距离保持恒定，且仪器与机床不发生干涉，根据此原理，设计的机床运动曲线如图2所示，通过机床运动曲线得到相应的机床理论运动曲线方程。
机床理论运动曲线方程是以球杆仪两个球心为参照求出的曲线，总体分为两部分，分别是球杆仪与工作台相连的球心和球杆仪与主轴相连的球心。
与工作台相连的球杆仪球心运动曲线参数方程：
第1段：