一种双转台五轴数控机床回转轴位置相关误差测量装置及辨识方法

本发明属于误差测量相关，更具体地，涉及一种双转台五轴数控机床回转轴位置相关误差测量装置及辨识方法。

背景技术：

1、双转台型五轴数控机床包含两个旋转轴和三个线性轴，旋转轴的功能在于可在工艺阶段调整工件姿态以自适应各种复杂的曲面加工，使得五轴加工具有切削率高、加工时间少等优点。但受机床零部件本身加工装配等精度影响，机床实际加工时被引入了更多的几何误差项，导致机床在开启rtcp联动功能后刀具中心点在工件坐标系中位姿发生变化，最终导致加工零件表面质量降低，影响加工产品质量和性能。通常旋转轴在空间六个自由度方向上的误差难以全部通过检测工具直接获得，以检测数据为基础的基于误差模型的间接辨识成为解析旋转轴几何误差的主要方式。

2、目前主流的辨识方法主要有两种：基于加工试件精度的辨识和基于检测仪器的辨识。基于加工试件的精度辨识方法主要是在平动轴误差预先补偿的基础上，利用五轴数控机床加工具有特殊几何特征的试件，再通过坐标测量机检测测试件特征点的位置和实际位置的偏差及机床的几何误差模型来辨识旋转轴的几何误差项，经典的测试试件有方形台阶件、nas979圆锥台件、“s”型试件等，但试件加工通常反映的是机床的综合性能，难以有效辨识出旋转轴的各项几何误差项。基于检测仪器的几何误差辨识方法主要是通过特定的仪器，结合标准件和特制工装夹具，获取直接的误差检测信息，利用这些直接信息结合机床几何误差模型，来对旋转轴的各项几何误差进行辨识。常用的检测仪器有激光干涉仪、球杆仪以及r-test仪器等。这种检测方法具有检测精度高且效率不俗的优势，但是通常面临工装设计繁杂、测试设备需多次安装引入装夹误差、全项几何误差辨识难度大等困境。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种双转台五轴数控机床回转轴位置相关误差测量装置及辨识方法，其目的在于提供一种可以测量双转台机床两个旋转轴12项位置相关误差的测量装置，避免多次安装引入的装夹误差、全项几何误差辨识难度大的问题。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种双转台五轴数控机床回转轴位置相关误差测量装置，包括r-test测量单元、第一标准球、第二标准球、标准球工装夹具、连接杆、第一支撑杆、第二支撑杆以及两个磁座，r-test测量单元包括万分表夹具和三个万分表，其中：三个万分表固定在所述万分表夹具上，所述万分表夹具固定数控机床主轴上；所述第一标准球和第二标准球固定在所述连接杆的两端；所述连接杆通过两个标准球工装夹具分别与所述第一支撑杆和第二支撑杆连接；第一支撑杆和第二支撑杆分别固定在两个磁座上，两个磁座固定在水平转台上；所述第一支撑杆的长度大于所述第二支撑杆，且所述第一标准球设置在第一支撑杆端。

3、优选地，三个所述万分表均布在所述万分表夹具的外围。

4、优选地，三个所述万分表活动连接与所述万分表夹具的外围。

5、优选地，三个所述万分表的平测头与所述第一标准球或第二标准球相切。

6、优选地，第一标准球和第二标准球的直径相同。

7、按照本发明的另一方面，提供了一种基于上述双转台五轴数控机床回转轴位置相关误差测量装置的辨识方法，包括：s1：驱动主轴带动r-test测量单元移动直至三个万分表读数相同，确定此时对应位置为测量零位；s2：再次驱动主轴带动r-test测量单元在x、y和z方向上以定步长移动，获得每个点位三个万分表的读数，构建万分表读数到第一标准球和第二标准球球心坐标的解析求解关系，将所述读数转换至r-test测量单元测量坐标系下；s3：将三个所述万分表依次与第一标准球和第二标准球相切，并驱动主轴运动获得不同位置处的原始数据；s4：基于所述解析求解关系将所述原始数据转换为转台在不同位置处的第一标准球和第二标准球球心坐标变化，获得目标数据；s5：通过五轴机床运动学模型结合转台位置相关误差项性质建立第一标准球或第二标准球球心坐标偏差与位置相关误差之间的相关关系，基于所述相关关系将所述目标数据辨识为每个转台的六项位置相关误差。

8、优选地，基于点到平面的距离公式构建第一标准球和第二标准球球心与万分表的相切约束获得所述解析求解关系。

9、优选地，所述解析求解关系为：

10、

11、其中，x,y,z为第一标准球或第二标准球球心在万分表坐标系下的坐标，θ为万分表与安装底座平面倾角，l,m,n为三个万分表底面中心到万分表测头中心的距离，r为万分表下底面外接圆半径，r为第一标准球或第二标准球的半径。

12、优选地，步骤s3具体包括：s31：测量c轴误差时，将a轴回零，将三个万分表测头与第一标准球相切，调节主轴使得三个万分表读数相同，将此位置视为零点，记录此时机床实际坐标；s32：以预设角度步长转动c轴，获取每次转动下万分表数据；s33：将万分表测头调至于所述第二标准球7相切，重复步骤s31和s32，获得第一数据集；测量a轴误差时，将c轴回零，重复步骤s31～s33，获得第二数据集，第一数据集和第二数据集均为原始数据。

13、优选的，还包括重复步骤s3～s5获得位置相关误差的平均值。

14、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的一种双转台五轴数控机床回转轴位置相关误差测量装置及辨识方法主要具有以下有益效果：

15、1.本申请设计了成套的辅助工装夹具，避免了测试过程中的多次装夹，从而避免引入更多装夹误差，可以在不拆装工具的情况下实现双转台机床两个旋转轴的12项位置相关误差，测试过程简单高效，避免多次安装引入的装夹误差，解决了全项几何误差辨识难度大的问题。

16、2.本申请的r-test测量单元采用三个万分表和对应工装夹具制备而成，成本低，原料易得，适用性强，便于工业化应用。

17、3.辨识过程中，基于万分表与第一标准球和第二标准球的位置调整，以及各坐标系间的转换关系即可实现每个转台六项位置相关误差的辨识，无需装拆零件，避免了装夹误差，同时可以实现12项位置相关误差的辨识。

技术特征：

1.一种双转台五轴数控机床回转轴位置相关误差测量装置，其特征在于，包括r-test测量单元、第一标准球(3)、第二标准球(7)、标准球工装夹具(5)、连接杆(6)、第一支撑杆(8)、第二支撑杆(9)以及两个磁座(4)，r-test测量单元包括万分表夹具(1)和三个万分表(2)，其中：

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，三个所述万分表(2)均布在所述万分表夹具(1)的外围。

3.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，三个所述万分表(2)活动连接与所述万分表夹具(1)的外围。

4.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，三个所述万分表(2)的平测头与所述第一标准球(3)或第二标准球(7)相切。

5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，第一标准球(3)和第二标准球(7)的直径相同。

6.一种基于权利要求1～5任意一项所述双转台五轴数控机床回转轴位置相关误差测量装置的辨识方法，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的辨识方法，其特征在于，步骤s2中，基于点到平面的距离公式构建第一标准球(3)和第二标准球(7)球心与万分表(2)的相切约束获得所述解析求解关系。

8.根据权利要求6或7所述的辨识方法，其特征在于，所述解析求解关系为：

9.根据权利要求6所述的辨识方法，其特征在于，步骤s3具体包括：

10.根据权利要求6所述的辨识方法，其特征在于，还包括重复步骤s3～s5获得位置相关误差的平均值。

技术总结本发明属于误差测量相关技术领域，其公开了一种双转台五轴数控机床回转轴位置相关误差测量装置及辨识方法，装置包括R‑test测量单元、第一标准球、第二标准球、标准球工装夹具、连接杆、第一支撑杆、第二支撑杆以及两个磁座，R‑test测量单元包括万分表夹具和三个万分表，其中：三个万分表固定在万分表夹具上；第一标准球和第二标准球固定在连接杆的两端；连接杆通过两个标准球工装夹具分别与第一支撑杆和第二支撑杆连接；第一支撑杆和第二支撑杆分别固定在两个磁座上，两个磁座固定在水平转台上；第一支撑杆的长度大于第二支撑杆，且第一标准球设置在第一支撑杆端。本申请避免多次安装引入的装夹误差，解决了全项几何误差辨识难度大的问题。技术研发人员：杨建中,李辰,黄余彬,周晶,向华,王新贵受保护的技术使用者：华中科技大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11