數(shù)控銑床二維精密工作臺設(shè)計含13張CAD圖,數(shù)控,銑床,二維,精密,工作臺,設(shè)計,13,cad 報告用紙 第10頁 共10頁 用三維探頭球測量5軸數(shù)控機(jī)床的誤差 W. T. Lei and Y. Y. Hsu 摘要 本文對五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床提出了一種新的測量裝置和相應(yīng)的精確度測試的方法。這種裝置名為探頭球，包括一個三維探頭，一個延長塊和一方帶有測量頭的底板。三維探頭有一個標(biāo)準(zhǔn)錐度，并有能力完成三自由度位移測量。延長塊的自由端有一個插口。一個永磁體集成在插口上以致于延長塊和測量球可在磁力作用下連接在一起。在安裝完探頭球設(shè)備以后，五軸機(jī)床的該運(yùn)動鏈就關(guān)閉了。為了5軸機(jī)床測量的準(zhǔn)確性，球測試表面曲線被定義為工具的路徑。該工具的取向是指在表面正常的方向。該球形表面的中心恰好測試檢測球的中心。隨著這條路徑和方向投入數(shù)控控制器，三維探頭相對測量球的球形測試表面動作。相對運(yùn)動的整體定位誤差被三維測量探頭檢測出來，用來證明5軸機(jī)床的容積準(zhǔn)確性。 1 引言 五軸數(shù)控機(jī)床廣泛用于加工工件的自由曲面。除了傳統(tǒng)的三線性定位軸， 5軸機(jī)床一般還有兩個旋轉(zhuǎn)軸。所有五個軸是可以同時控制來最優(yōu)化調(diào)整刀具對工件表面的路徑。5軸機(jī)床的技術(shù)優(yōu)勢的包括更高的金屬去除率，改善表面光潔度，并顯著降低切削時間。 在過去幾十年里，許多工作的重點放在幾何誤差或熱變形對機(jī)床精度的影響上。許多測量設(shè)備已開發(fā)來衡量個別的錯誤部分，并把一個多軸機(jī)床作為一個整體來測精度。最強(qiáng)大，最節(jié)省時間的設(shè)備是六自由度激光測量裝置，可用于在同一時間測量直線運(yùn)動馬車六個運(yùn)動誤差的組成部分。此外，雙球桿（ DBB ）常被用來確定了飼料驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)誤差，如增益不匹配，空轉(zhuǎn)和粘滑。為了擴(kuò)大DBB測量范圍，所謂的激光球桿已經(jīng)開發(fā)為能測量三維工作空間定位誤差的裝置。另一方面，網(wǎng)格編碼特別適合于測量銳角轉(zhuǎn)角的動態(tài)路徑錯誤。雖然這些測量裝置已成功地用來測量三軸數(shù)控機(jī)床精度，沒有測量裝置可用來測試五軸數(shù)控機(jī)床體積準(zhǔn)確性。本文提出了一種新的測量裝置，探頭球，即能夠測量5軸機(jī)床的總體定位誤差。 2 探頭測量裝置 2.1設(shè)計特點 探頭球如圖1所示。它包括一個三維探頭，一個延長塊和一方帶有測量頭的底板。三維探頭有標(biāo)準(zhǔn)錐度的刀柄，并能夠測量三自由度偏差。三維探頭采用光電編碼器的位移傳感器。其他位移傳感器，如線性可變位移傳感器（LVDT型 ）或電容傳感器也是可以的。伸長桿的自由端有個孔，它和測量球形成了球窩接頭。一個永磁體和孔結(jié)合在一起使伸長桿和測量球在磁力的作用下連接在了一起。底板被固定在5軸機(jī)床的轉(zhuǎn)盤上用來調(diào)整方向。 圖1 探頭球測量裝置 為了測量工具和工件之間的定位誤差，探頭安在刀架上，底板固定在轉(zhuǎn)盤上。在安裝完探頭球測量裝置，該5軸機(jī)床的運(yùn)動鏈就因此關(guān)閉了。測試路徑可能是球測試表面的任何曲線。刀具方向是以曲面法線的方向定義的。該球形測試表面的中心和測量球的中心重合。球面半徑為三維探頭球的原點和測量球中心之間的距離。伸長桿根據(jù)測試范圍有不同的長度。把方向和路徑輸入到數(shù)控控制器，三維探頭就以測量球為中心在球形測試表面上運(yùn)動。總體定位誤差就這樣被三維探頭球測量出來了。 由于球面對稱性質(zhì)，它有利于裝入測量球，因此，測試表面的中心和轉(zhuǎn)盤軸就有一個偏差?？紤]到這點，在測量觀察中測量球應(yīng)該跟底盤一起旋轉(zhuǎn)，這樣5軸才能同時被驅(qū)動。因此，測量誤差包括了來自所有軸的誤差。測量球的偏移和伸長桿的長度決定了驅(qū)動軸的測試范圍。 為了確保探頭球裝置本身并不是一個部分誤差來源，有必要在它的使用之前進(jìn)行精確的校準(zhǔn)。這些程序包括初始化三維探頭傳感器和在坐標(biāo)測量機(jī)上對測量球準(zhǔn)確定位測試。在精度測試中，三維探頭的輸出代表了測量球相對于球形測試表面的偏差。強(qiáng)調(diào)一點，探頭球裝置并不能在工件坐標(biāo)系中測量定位誤差，雖然似乎能。 2.2測試路徑 如上文所說，測試表面可能是球形面上的任何曲面。圖2表示了一些測試路徑。路徑A沿著測試表面的經(jīng)線。在這個路徑上，只有A,Y和Z軸動了。A 軸是唯一的主動軸，而Y和Z軸是從動軸。換句話說，A軸動了，Y和Z軸才跟著動的。這個路徑適合測試A軸的靜態(tài)和動態(tài)誤差。路徑C沿著球形測試表面的赤道方向。這個情況下，C軸是主動軸，X和Z為從動軸。同樣，路徑C適合測C軸的誤差。路徑F是測試球形表面的螺旋樣曲線，它涵蓋整個球形體積。所有機(jī)器軸可同時在這種情況下驅(qū)動。測量誤差提供足夠的信息來描述目標(biāo)5軸機(jī)床的總體體積誤差。路徑S是上球面測試表面上的一個圓圈。在這種情況下，所有軸往復(fù)驅(qū)動。因此路徑S很適合測試旋轉(zhuǎn)A和C軸的動態(tài)誤差。 圖2 測試路徑 測量球有很多用途。如果測總體定位誤差，那么選路徑F。如果它是用來識別或估算單軸錯誤組成部分，最好是選擇簡單的測試路徑，如路徑A或C ，因為只有有限的主要組成部分影響測量結(jié)果。下面，將得出測試路徑和目標(biāo)5軸機(jī)床的運(yùn)動之間的詳細(xì)關(guān)系。 3 運(yùn)動變換 由于測試路徑是在工件坐標(biāo)系中，數(shù)控輸入三維探頭球的準(zhǔn)確性測量與5軸機(jī)床運(yùn)動學(xué)是獨立的。該機(jī)器結(jié)構(gòu)的特點是對X和Y表兩自由度一體化，如圖3所示。坐標(biāo)系如圖4所示。 圖3 5軸銑床 圖4 5軸銑床坐標(biāo)系 機(jī)器坐標(biāo)系到工件坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)變是傳統(tǒng)所謂的先進(jìn)轉(zhuǎn)變。另一方面，工件坐標(biāo)系到機(jī)器坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)變稱為落后轉(zhuǎn)變。5軸機(jī)床的先進(jìn)轉(zhuǎn)變總是可以解決的而且只有一個解決辦法。相反，考慮到旋轉(zhuǎn)軸的定位落后轉(zhuǎn)變有兩種解決方法。下面，在均勻變換矩陣的幫助下我們將得出機(jī)器坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系的關(guān)系。 假設(shè)(Xm,Ym,Zm)為機(jī)器坐標(biāo)系中的一點，而這點在工件坐標(biāo)系這坐標(biāo)為(Xw,Yw,Zw)。為了實現(xiàn)先進(jìn)轉(zhuǎn)變，首先機(jī)器坐標(biāo)系的原點以矢量(X1,Y1,Z1)移動到兩轉(zhuǎn)軸的交點上，接著A軸以θa轉(zhuǎn)動C軸以θc轉(zhuǎn)動使轉(zhuǎn)盤垂直。最后，機(jī)床坐標(biāo)系以矢量(X0,Y0,Z0)移動到工件坐標(biāo)系上。變換過程可表示為 因為總會有兩種解決辦法后，落后的轉(zhuǎn)變，是必要的戰(zhàn)略選擇一個合適的一個。一個簡單的標(biāo)準(zhǔn)是推動能源需要。一個與移動距離較小，將被選中。當(dāng)然碰撞的可能性，必須予以考慮。 4 測試路徑和誤差模型 4.1在工件坐標(biāo)系中的測試路徑 如上所述，探頭球設(shè)備使用球形測試表面上的任何路徑測試5軸機(jī)床的精度，下面將得出工件坐標(biāo)系中測試路徑的描述。 圖5表示了定義路徑F的參數(shù)，為了盡量減少測試時間，路徑F上升角度設(shè)定為90 °大意是，該工具到達(dá)頂端的位置后，C軸旋轉(zhuǎn)360 °。工件坐標(biāo)系中的路徑描述是這樣的： 其中Rw是球形測試表面的半徑，θ是圓形角。類似的，別的上升角的路徑描述也能同樣得到。 圖5路徑F的參數(shù) 4.2在軸坐標(biāo)系中的測試路徑 由于落后的運(yùn)動轉(zhuǎn)變，工件坐標(biāo)系的測試路徑和方向轉(zhuǎn)化為機(jī)器或軸坐標(biāo)。圖 6和圖7顯示軸命令值路徑S和f。在案件路徑F中，旋轉(zhuǎn)軸C和A線性驅(qū)動，而其他軸之后從動保持運(yùn)動鏈關(guān)閉。在路徑S上，所有的軸來回動，最后回到起點。反轉(zhuǎn)點的速度可以查明清楚。正如人們所知的雙球桿測量技術(shù)，這些速度反轉(zhuǎn)點提供必要的條件，顯示動態(tài)運(yùn)動的錯誤，如粘滑，空轉(zhuǎn)和反彈。圖8中，速度反轉(zhuǎn)點出現(xiàn)在A軸的180°和C 軸的120°和210°?？梢钥闯觯行┹S也有其速度扭轉(zhuǎn)在同一時間，例如軸C和X。你還可以使用雙球桿查明動態(tài)誤差的線性軸頭。從探頭球裝置的測試結(jié)果，可確定以后旋轉(zhuǎn)軸A或C的動態(tài)誤差。 圖6 測試路徑F命令值 圖7 測試路徑S命令值 4.3誤差模型 解釋探頭球的測量結(jié)果，有必要建立一個探頭球測量的誤差模型。模型描述的錯誤之間的關(guān)系總體定位誤差測量的誤差來源的是5軸機(jī)床運(yùn)動鏈每個組成部分。在同質(zhì)變換矩陣的方法為這一理論的任務(wù)提供了一個很好的方法。幾何組成部分可分為兩類。第一個是與一個不正確的運(yùn)動伺服控制軸。第二個是有關(guān)錯誤的鏈接組成部分。對于每一個線性或旋轉(zhuǎn)軸，有一般6運(yùn)動中的錯誤熱媒。錯誤的鏈接部分包括軸垂直度誤差和偏移誤差塊部件，如主軸和旋轉(zhuǎn)塊。坐標(biāo)框架中定義圖3 。錯誤模型可通過連續(xù)的產(chǎn)品的所有HTMs每個運(yùn)動的組成部分。工件坐標(biāo)系和參考坐標(biāo)系的關(guān)系是 rTw=rTyyTxxTaaTccTttTw 其中指數(shù)w, t, c, a, x, y, r分別代表工件，轉(zhuǎn)盤，C軸，A軸， X軸， Y軸和參考系的縮寫。 同樣，探頭坐標(biāo)系和參考坐標(biāo)系的關(guān)系是 rTp=rTzzTssThhTp 其中p, h, s, z分別代表探頭，刀柄，主軸塊和Z軸的縮寫。 5 實驗結(jié)果 圖8表示用三維探頭球測量目標(biāo)5軸銑床的精度。圖9，10，11表示幾個測試結(jié)果。圖10顯示靜力試驗的結(jié)果，當(dāng)預(yù)先確定好的點位置確定后進(jìn)行誤差采樣。圖11和圖12顯示動態(tài)試驗的結(jié)果，當(dāng)軸按輸入的進(jìn)給量運(yùn)動時進(jìn)行誤差采樣。由于A軸不正常的動態(tài)旋轉(zhuǎn)，隨著進(jìn)給速度的增加，Y方向誤差急劇增加。 圖8 探頭球裝置在測量 圖9 路徑F的靜態(tài)測量誤差 圖10 進(jìn)給量為30 mm/min時，路徑F的動態(tài)測量誤差 圖11 進(jìn)給量為150 mm/min時，路徑F的動態(tài)測量誤差 在另一項研究開展旨在確定和估計所有的誤差項，三維探頭球的測量數(shù)據(jù)結(jié)果表明，5軸銑床的主要誤差來源是兩個旋轉(zhuǎn)軸的垂直度誤差。 6 總結(jié) 本文提出了一種新的測量裝置稱為三維探頭球。它能夠測量五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床的總體定位誤差。誤差測量的原則是閉鏈測量。在測試的準(zhǔn)確性，三維探頭球目標(biāo)5軸機(jī)床運(yùn)動鏈的關(guān)閉。由于運(yùn)動的限制，適合測試路徑的路徑為球形測試表面。測量定位誤差是指在調(diào)查坐標(biāo)系和可轉(zhuǎn)化為參考坐標(biāo)系，目標(biāo)5軸機(jī)床預(yù)測的準(zhǔn)確性。隨著三維探頭球可用，進(jìn)一步的調(diào)查，目的是提高機(jī)床的精度，包括估計和補(bǔ)償?shù)膸缀握`差。 References [1] E.E. 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