基于球杆仪的五轴数控机床误差快速检测方法

几何误差是五轴数控机床重要误差源,针对传统测量方法仪器昂贵、测量周期长问题,提出基于球杆仪的五轴数控机床几何误差快速检测方法。对于机床的平动轴误差,利用多体系统理论及齐次坐标变换法,建立平动轴空间误差模型,通过球杆仪在同一平面不同位置进行两次圆轨迹,辨识出4项平动轴关键线性误差;针对五轴机床的转台和摆动轴,设计基于球杆仪的多条空间测试轨迹,完整求解出旋转轴12项几何误差。实验结果显示,所提方法获得转角定位误差与激光干涉仪法最大误差为0.001 8°,利用检测结果进行机床空间误差补偿,测试轨迹偏差由16μm降至4μm,为补偿前的25%,验证了方法的有效性。提出的五轴机床几何误差检测方法方便、便捷,适用于工业现场。     

数控机床旋转轴误差辨识研究

以多体系统理论为基础建立了包含旋转轴几何误差的DMP60U型机床运动模型,并利用某公司的QC10球杆仪对DMP60U型的C轴和斜转轴B轴各4项位置误差分别进行测量和辨识。在对球杆仪测量点的在坐标系中的位置坐标表达分析后,得出了球杆仪测量圆的偏心率与位置误差间数学关系。通过运用机床RTCP功能控制多轴同步运动,设计进行不同高度下的4次测量,可辨识出这8项位置误差,快速高效。经实验验证,这种辨识方法测量结果精确,可用于五轴加工中心误差辨识。     

五轴数控机床摆动轴几何误差的测量与辨识

提出一种基于球杆仪的摆动轴几何误差测量和辨识的新方法。通过圆弧测量轨迹测量球杆仪球心在回转工作台上3个安装位置的球心偏差,并利用齐次坐标变换理论建立其几何误差的辨识模型,分两步从球杆仪测量结果中辨识出4项轴线位置误差和6项运动误差。在转摆台式五轴数控机床上采用球杆仪进行实验验证,通过比较误差补偿前后球杆仪的测量值来验证辨识方法的有效性。     

五轴联动龙门铣床误差分析与检测辨识研究

对某五轴联动龙门铣床进行几何误差分析,并结合机床拓扑结构和多体系统理论的理想的位置、运动矩阵、位置、运动误差矩阵,利用激光干涉仪进行机床仅沿三坐标轴方向运动的误差检测,辨识滚角误差;平动轴的各项几何误差经补偿后,使用雷尼绍球杆仪分别与三坐标轴的方向平行,进行C回转轴误差检测,再使得球杆仪安装沿Y轴有一偏移量,进行B轴的误差检测,辨识线位移误差和角位移误差。最终,得到五轴联动龙门铣床的37项几何误差参数,为后续的误差补偿奠定基础。     

五轴联动数控机床旋转轴几何误差测量与分离方法

提出一种基于球杆仪的新颖、快速的五轴联动数控机床旋转轴几何误差测量与分离方法,它选择径向和轴向安装测试路径,采用单旋转袖运动或1个旋转轴和2个直线轴联动方式,进行圆度误差测试,给出了旋转轴几何误差与各测试路径的关联图谱.并深入研究了球杆仪虚拟安装偏心技术.简化了旋转轴误差与球杆仪测试值的数学关联模型,并对影响测试结果的因素进行分析,提出采用球杆仪二次测量方法,对直线轴径向耦合误差进行解耦,实现了旋转轴几何误差的辨识和精确测量.     

五轴数控机床转动轴误差元素的球杆仪检测方法

提出一种立式高速精密五轴加工中心转动轴C轴误差元素的球杆仪检测方法。建立了影响加工精度较大的C轴4项误差的球杆仪检测模式。通过机床多轴联动使球杆仪完成一圆弧轨迹运动,此过程中,采集球杆仪的杆长变化量,由数学建模及轨迹仿真,结合误差敏感方向分析,最终分离得到各误差元素值。通过对比球杆仪检测误差值与预设误差值,证明球杆仪检测法是一种高效准确的转动轴误差检测方法。     

五轴数控机床回转轴的误差检测技术研究

针对多轴机床回转轴误差难于直接测量的问题,设计了一种利用球杆仪进行回转轴几何运动误差测量的方法,并推导了辨识公式.此检测模型可以得到回转轴6个运动误差中的5项,剩余一项可以利用激光干涉仪回转测量组件获得.这种检测模型可以避免利用标准芯棒进行间接测量而增加误差,解决了一部分回转轴由于无法安装标准棒而难于检测误差的问题,为多轴机床的回转轴几何运动误差测量提供了理论参考.     

基于球杆仪的直线轴位置相关误差辨识研究

针对多轴机床空间误差检测及辨识方法成本高、时间长等问题,提出一种新的基于球杆仪测试的直线轴位置相关几何误差辨识方法。分别建立各平面内轴运动误差模型,并采用多项式对误差元素预拟合,以常规的三平面圆弧轨迹测量获取误差数据,并基于最小二乘法求解拟合系数,替代直接对误差元素具体数值求解的传统方法,实现对各直线轴位置相关误差元素的辨识。通过实验验证了辨识结果的正确性和有效性,该方法对机床直线轴误差辨识、补偿具有参考价值。     

虚拟观测法在球杆仪估算机床平动轴 几何误差中的应用

在利用球杆仪辨识数控机床平动轴的几何误差过程中,由于建立的辨识模型中任意位置的参数矢量矩阵为病态矩阵, 致使在求解辨识模型时存在不精确解或者无解的现象。 针对上述问题,提出了一种基于虚拟观测法的岭估计求解辨识模型解 的方法。 以机床的平动轴为研究对象,基于球杆仪测量的杆长数据,将其代入所建立的误差元素与球杆仪杆长变化量之间的映 射关系,并基于虚拟观测法求解出几何误差项的多项式系数。 该方法从病态矩阵的病因来改善辨识矩阵的病态性,进而实现对 各轴相关误差元素的辨识。 仿真以及实验结果验证了辨识方法的正确性,并改善了辨识矩阵的病态性,研究结果为准确辨识机 床几何误差提供了理论依据。     

数控机床圆轨迹运动误差测试仪器和方法的研究

介绍一种新的可用于数控机床圆轨迹运动误差测试的二雏球杆仪。该二维球杆仪包括一根两端与精密小球相连的测量杆和一台高精度的旋转编码器，测量杆内置有可用于测量位移的高精度传感器，旋转编码器用来精确测量杆的转动角度。分析了测量仪器的误差，并进行了校正。试验表明，该仪器不仅可测量出机床圆周运动轨迹精度，用于机床的精度评价，还可以测出机床圆周运动任意指令位置的定位误差值，为进一步用于对圆轨迹的误差补偿打下基础。     

二维球杆仪测量装置的研制

提出一种用于测量数控机床圆运动轨迹误差的新装置———二维球杆仪 ,讨论了该仪器的误差分析和补偿。理论分析和测量试验证明 ,该仪器不仅可以测量圆轨迹点的径向误差 ,而且可以测量角度误差。     

基于轴承及导轨接触刚度的混联机床静刚度研究及优化

针对新型重型混联机床XNZH2430的构型,建立该机床的有限元模型,分析兼顾部件连接处轴承刚度及直线导轨与滑块接触刚度的机床静刚度特性.计算在一定载荷条件下,加载荷处的变形位移,由此得出机床各方向静刚度,并与静刚度试验结果进行了对比.有限元仿真结果与试验结果的相对偏差较小,证明仿真结果是可信的.以有限元仿真为依据对整机静刚度进行优化.对轴承进行优选和更加严格的预紧,使轴承刚度得到提高,对整机重新加载进行计算,整机静刚度得到明显提高.     

数控机床空间误差球杆仪识别和补偿

提出了多轴机床空间误差的球杆仪识别方法和补偿技术。建立了机床刀尖相对工件的空间误差的误差参数模型;给出了在机床工作空间中三个互相垂直的平面内,用球杆仪测量圆周运动的半径误差结合机床的空间误差模型识别定位、直线度、角度、垂直度和反向间隙等误差参数的方法。补偿试验结果证明该误差识别与补偿方法省时有效。     

Spindle thermal drift measurement using the laser ball bar

Thermally induced errors are major contributors to the overall accuracy of machine tools. An important component of thermally induced errors is the error associated with spindle thermal drifts. In this paper, a novel method is developed to measure spindle thermal drifts in machine tools using a laser ball bar (LBB) as the calibration instrument. The method is implemented on a two-axis CNC turning center. The LBB is used to measure the coordinates of the spindle center and the direction cosines of the spindle axis at various thermal states. The axial, radial, and tilt thermal drifts of the spindle are then computed from the changes in these coordinates. The new method is verified by comparing the spindle drifts measured with the LBB to those measured by capacitance gauges. The results obtained by the new method show good agreement with the capacitance gauge technique. The primary advantage of the new method is the ability to measure the spatial coordinates of the spindle center and direction cosines of the spindle axis with the same instrument used for measurement of the geometric errors of the machine axes.     

[误差建模及精度保证方法]几何误差贡献值影响下五轴数控机床运动轴误差灵敏度分析方法

针对现有误差元素灵敏度分析与后续误差补偿关联性不强的问题,建立运动轴几何误差贡献值模型并提出运动轴几何误差灵敏度分析方法,以获得本身几何误差对机床精度有很大影响的关键运动轴。结合指数积理论和坐标系微分运动理论建立基于误差敏感矩阵的运动轴几何误差贡献值模型,各运动轴几何误差贡献值相加得到机床综合误差模型;计算各运动轴误差权重分量和误差综合权重实现运动轴误差灵敏度分析,选择误差综合权重平均值最大的运动轴为机床关键运动轴,并对关键运动轴的误差补偿方法进行分析讨论。最后,在北京精雕集团的五轴加工中心上进行仿真实验验证。研究结果表明：所建立模型和所提出分析方法是有效的,且只补偿关键运动轴的几何误差贡献值能有效地提高五轴机床加工精度。     

Measurement and analysis of typical motion error traces from a circular test

The circular test provides a rapid and efficient way of measuring the contouring accuracy of a machine tool. To get the actual point coordinate in the work plane, an improved measurement instrument - a new ball bar test system - is presented in this paper to identify both the radial error and the rotation angle error when the machine is manipulated to move in circular traces. Based on the measured circular error, a combination of Fourier components is chosen to represent the systematic form error that fluctuates in the radial direction. The typical motion errors represented by the corresponding Fourier components can thus be identified. The values for machine compensation can be calculated and adjusted until the desired results are achieved.     

Measurement and analysis of typical motion error traces from a circular test

The circular test provides a rapid and efficient way of measuring the contouring accuracy of a machine tool. To get the actual point coordinate in the work plane, an improved measurement instrument - a new ball bar test system - is presented in this paper to identify both the radial error and the rotation angle error when the machine is manipulated to move in circular traces. Based on the measured circular error, a combination of Fourier components is chosen to represent the systematic form error that fluctuates in the radial direction. The typical motion errors represented by the corresponding Fourier components can thus be identified. The values for machine compensation can be calculated and adjusted until the desired results are achieved.     

五轴龙门数控铣床转动轴联动中的动态轨迹误差仿真分析

针对刀具两摆的五轴龙门数控铣床,对一转动轴与一平动轴联动及两转动轴联动加工圆弧时的动态轨迹误差分别进行了分析。采用D-H(Denavit-Hartenberg)法对轴的输入的进给指令位置计算公式进行了推导,并将进给指令位置输入到由动态仿真工具Simulink构建的进给伺服系统仿真模型中,得到了圆弧上动态轨迹误差的分布曲线。通过对转动轴联动加工圆弧的动态轨迹误差分析,可为五轴龙门数控铣床转动轴动态误差的检测提供指导,使得机床的检测与调整更加快速和便捷。     

五轴数控机床进给系统刚度对自由曲面轮廓误差影响机理研究

五轴数控机床进给系统组成结构复杂,特别是在复杂曲面加工过程中其动态刚度不断发生变化,成为制约其加工精度的主要因素。研究过程中以五轴机床运动产生的弹性变形为出发点,建立了A/C双摆头机床进给系统动力学模型,推导了因进给系统弹性变形导致的轮廓加工误差,并基于一种新型的自由曲面检验试件,给出了其数控加工过程的运动控制策略,分析了轮廓度误差与试件曲率间的关系,得到了数控机床进给系统刚度特性对自由曲面轮廓误差的影响机理,最后在机床上进行了切削验证。上述研究成果有助于完成复杂曲面加工过程中机床工作性能评估,为利用检验试件分析机床动态刚度特性提供了原理性支持。