[發明專利]一種五軸混聯機床主軸頭標定方法及裝置

有效

• 申請號: 202011288644.7
• 申請日: 2020-11-17
• 公開（公告）號: CN112487615B
• 公開（公告）日: 2022-07-22
• 發明（設計）人: 王立平;于廣;李夢宇
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/17;B23Q1/70;G06F17/16;G06F17/11;G06F17/15
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司 11327
• 代理人: 董永輝;曹素云

本發明公開了一種五軸混聯機床主軸頭標定方法及裝置，包括：建立五軸混聯機床主軸頭帶誤差項的運動學模型；建立刀具中心點的運動學正解方程，通過差分替代微分法求得刀具中心點的位置誤差在對應輸入下的誤差辨識矩陣；通過RTCP功能驅動五軸混聯機床，使刀具中心點理論位置不變時，主軸頭運動到不同的姿態，測量各姿態下對應的刀具中心點位置誤差以及對應的主軸頭輸入向量；根據測得的主軸頭輸入向量求得誤差辨識矩陣，結合刀具中心點位置誤差，辨識出五軸混聯機床并聯主軸頭的幾何誤差參數；5)將辨識得到的幾何誤差參數代入到帶誤差項的運動學模型，完成標定。本發明解決了標定過程中測量成本高，耗時大的問題，降低了測量成本，提高了標定效率。

技術領域

本發明屬于機床制造領域，特別涉及一種五軸混聯機床主軸頭標定方法及裝置。

背景技術

21世紀以來，并聯機構由于其高剛度、高精度、承載能力等優點在工業界得到越來越廣泛的應用。混聯機床作為機床結構的創新，結合了并聯機構和串聯機構的優點，理論上相較傳統機床在精度、剛度方面表現良好，并且重量輕、加工靈活性好，在國內外得到了廣泛關注。但縱觀國內外現有的混聯機床，可實用化和產業化的產品非常有限，尤其在精度方面，混聯機床的實際精度遠低于理論分析和仿真模擬得到的精度，不能達到精度要求。因此，如何保證混聯機床的幾何精度是目前需要解決的關鍵技術。

對于混聯機床，其并聯主軸頭中存在大量的被動關節，在制造和裝配過程中會帶來大量的幾何誤差，導致機床主軸頭的終端(并聯機構動平臺)會偏離原來設計的終端位置，機床精度大大降低。運動學標定技術是在機床制造完成后，通過測量到的機床實際誤差，辨識得到機床運動學中的誤差參數來修正控制模型，進而補償機床終端誤差，提高機床終端精度的技術。因此，有必要對混聯機床主軸頭進行運動學標定，來提高機床的終端精度。

運動學標定主要分為以下四個步驟：誤差建模、誤差測量、參數辨識、誤差補償。其中，誤差測量是辨識和補償的基礎，測量精度越高，測量信息越多，辨識結果越準確，補償后精度越高。

目前對于五軸混聯機床的運動學標定，由于終端繞刀軸旋轉的角度不影響加工精度，需要對三個位置和兩個姿態角進行測量，位置測量比較容易實施，但姿態測量較為困難。若采用商用測量儀器進行姿態測量，測量成本較高，并且測量精度達不到運動學標定所需精度，若采用自制量具進行測量時步驟繁瑣，效率極低，并且可測量的姿態有限。同時使用測得的位置和姿態誤差進行辨識時，由于位置和姿態量綱不同，也會給辨識結果帶來影響。

發明內容

本發明針對以上姿態測量困難以及辨識過程中位置和姿態量綱不統一的問題，結合五軸混聯機床結構形式，提出了一種五軸混聯機床主軸頭標定方法，引入刀具長度，通過刀具中心點位置來反映并聯主軸頭的位置和姿態，無需進行姿態測量，結合少量的裝置和簡單的操作步驟，只通過測量RTCP運動時各姿態的位置偏差便可實現標定，并且避免了辨識過程中量綱不統一的問題，提高了辨識精度，大大降低了測量成本。

本發明的技術方案如下：

一種混聯機床主軸頭標定方法，包括以下步驟：

1)建立五軸混聯機床主軸頭的運動學模型和幾何誤差模型，形成帶誤差項的運動學模型；

2)根據刀具長度，建立刀具中心點位置的運動學正解方程，通過差分替代微分的方法獲得刀具中心點的位置誤差在對應主軸頭輸入向量下的誤差辨識矩陣；

3)通過RTCP功能驅動五軸混聯機床，使刀具中心點理論位置不變時，主軸頭運動到不同的姿態，測量各個姿態下對應的刀具中心點位置誤差以及對應的主軸頭輸入向量；

4)將測得的主軸頭輸入向量代入誤差辨識矩陣，結合測得的刀具中心點位置誤差，辨識出五軸混聯機床并聯主軸頭的幾何誤差參數；

5)將辨識得到的所述幾何誤差參數代入到所述帶誤差項的運動學模型，實現誤差補償，完成運動學標定。