[發明專利]一種五軸機床旋轉軸幾何誤差一次裝卡測量方法

在審

• 申請號: 201510715780.2
• 申請日: 2015-10-29
• 公開（公告）號: CN105371793A
• 公開（公告）日: 2016-03-02
• 發明（設計）人: 周向東;唐小琦;蔣周翔;宋寶;熊爍;蔣立泉;陳天航;謝遠龍;喬文君
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01B21/00
• 分類號: G01B21/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 廖盈春

技術領域

本發明屬于機床標定技術，尤其是五軸聯動機床幾何誤差測量技術領域。

背景技術

五軸聯動數控機床是目前解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、重型發電機轉子、汽輪機轉子、大型柴油機曲軸等復雜零件加工的唯一手段。機床的幾何誤差是產生零件加工誤差的主要原因之一。

我國在五軸聯動數控關鍵技術方面取得了長足進步，并在工業領域得到一定范圍的應用。然而國產五軸聯動數控機床在高速、高精、智能等性能方面與國外先進水平還存在一定差距。特別是在加工精度上的差距更為明顯，國外五軸加工早已實現了納米級精度，而國內五軸加工精度仍停留在微米級水平上。

機床的幾何誤差是產生零件加工誤差的主要原因之一。幾何誤差為系統誤差，具有良好的重復性，可以通過軟件補償而大大減小。因此幾何誤差的測量及補償技術是一種彌補機床本身制造缺陷、提高機床加工精度的一種簡便而可行的方法。三軸聯動數控銑床(直線軸)的幾何誤差測量和補償方法已經成熟，而五軸聯動機床由于引入了旋轉軸，結構更為復雜，幾何誤差分量更多。五軸聯動機床除了三個直線軸的21項誤差外，還包括兩個旋轉軸引入的12項誤差、兩個旋轉軸和空間平面之間的4項平行度誤差以及由主軸運動引入的5項誤差。因此五軸聯動機床的幾何誤差測量和補償更加困難，特別是兩個旋轉軸的幾何誤差測量方法一直是國內外的研究熱點。

根據公開的文獻，目前針對五軸聯動機床旋轉軸幾何誤差測量主要有以下幾種代表性的方法：1、針對雙轉臺五軸聯動機床提出，在旋轉軸的不同位姿處，使用觸發式測頭采集轉臺上測點的坐標值，進而利用機床的空間誤差模型求解旋轉軸的幾何誤差值，實現一次裝卡標定。2、以雙轉臺五軸聯動機床為對象，同樣采用了離散式測量儀器——觸發式測頭進行測坐標值的采集，整個過程也同樣是以一次裝卡為前提完成的，不同的是該方法的機床空間誤差模型是基于微分運動方程及雅可比矩陣建立的。3、以雙轉臺五軸聯動機床為對象，采用了一種連續式測量設備——接觸式跟蹤球，多次裝卡完成了整個測量流程，進而利用機床空間誤差模型求解出旋轉軸幾何誤差值。4、以雙轉臺五軸聯動機床為對象，采用了一種連續式測量設備——非接觸式跟蹤球，多次裝卡完成了整個測量流程，進而利用機床空間誤差模型求解出旋轉軸幾何誤差值。5、以雙轉臺五軸聯動機床為對象，使用了一種廣泛用于機床標定的連續式測量儀器——雙球桿儀，通過在轉臺上三個不共線的位置上多次裝卡測量儀器，完成了單個旋轉軸六項幾何誤差的測量流程。6、以雙轉臺五軸聯動機床為對象，采用了一種連續式測量儀器——多普勒激光干涉儀，通過多次裝卡，完成了三個直線軸和兩個旋轉軸的幾何誤差測量。

以上六種方法為雙轉臺結構五軸聯動機床幾何誤差測量上的代表性應用，其他類似公開文獻的基本原理與以上公開文獻類似。雖然六種方法分別采用不同類型的測量儀器和測量軌跡完成了兩個旋轉軸的幾何誤差測量，但均以待測幾何誤差集中于一條運動鏈上的雙轉臺結構為對象，無一涉及待測幾何誤差分布于兩條運動鏈上的單擺頭—單轉臺結構。要獲取一個剛體的空間位姿至少需要測得該剛體上三個不共線測點的坐標，當待測幾何誤差集中于一條運動鏈的某運動副時(單運動鏈幾何誤差)，僅需在該運動副某相鄰剛體上布局三個不共線測點，即具備了一次裝卡測量的條件。然而對于幾何誤差分布于兩條運動鏈不同運動副上的情況(雙運動鏈幾何誤差)，若仍按照已公開文獻的測點布局及測量方式，則無法在一次裝卡的前提下同時為兩條運動鏈提供足夠數量的測點。因此適用于單運動鏈幾何誤差的一次裝卡測量方法并不適用于雙運動鏈幾何誤差的測量。另一方面，已公開文獻針對雙轉臺結構的測量方法中，也僅有Ibaraki和Mayer分別提出過一次裝卡測量方法，而其他方法均需多次裝卡測量儀器，即在測量過程中臨時布局測點，才能在不同的位置獲得足夠數量的測點坐標，由此可見即使是單運動鏈幾何誤差的測量效率問題也還未得到廣泛關注，而雙運動鏈幾何誤差一次裝卡測量方面更無相關成果。

發明內容

鑒于現有技術具有以上不足，本發明的目的是針對幾何誤差分布在兩條運動鏈不同運動副上的機構提出一種幾何誤差測量方法，該方法可應用于單擺頭—單轉臺結構五軸聯動機床兩個旋轉軸幾何誤差的測量。該方法在保證測量精度的前提下，以提高測量效率為目的，以測點的預布局及測量基準的變換為手段，使整個測量過程僅需一次裝卡測量儀器及相關配件。