[发明专利]一种关于五轴数控机床双回转轴位置无关误差的检测方法

权利要求书

1.一种关于五轴数控机床双回转轴位置无关误差的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、根据五轴数控机床的具体结构以及摆动轴B轴和旋转轴C轴的位置，搭建实验测量装置：

步骤1.1、设定测量的坐标系，Z轴与机床的原始Z轴重合，测量坐标系的X轴和Y轴平行于机床X轴和Y轴的运动方向；

步骤1.2、旋转轴C轴工具杯安装在旋转台顶部的夹具上，测量坐标系的XOY平面在旋转台上被抬起，设定摆动轴B轴与原点之间的距离O-XYZ的尺寸为400mm，使用触摸探头将主轴工具杯到摆动轴B轴的中心调整为400mm，同时位于旋转台上的工件工具杯距离旋转轴C轴中心400mm，球杆仪使用加长杆进行扩展，将其标称长度转换为400mm，并对实验工具进行校准；

步骤2、结合实验测量装置，提出测量五轴数控机床摆动轴B轴和旋转轴C轴的8项与位置无关几何误差的轨迹：

步骤2.1、测量路径中首先使球杆仪的轴与O-XYZ的Y轴对齐，球杆仪的一端设置在O-XYZ的原点，另一端设置在距离Y轴的位置400mm处，摆动轴B轴从0°旋转到-90°，与此同时旋转轴C轴旋转从90°到0°；

步骤2.2、主轴和旋转台中两个工具杯之间的距离不是恒定的，会导致球杆仪从磁性中心座上掉下来，因此摆动轴B轴和旋转轴C轴的协调运动应保证球杆仪两基座的距离保持恒定为400mm；

步骤2.3、将测量轨迹投影到XOY平面，以获得摆动轴B轴和旋转轴C轴的旋转角度之间的关系：

根据毕达格拉斯定理：

在XOY平面根据余弦定律：

由实验测量装置R_B＝R_C＝L_DBB＝400mm，公式(1)和公式(2)，能够得到旋转角度之间的关系：

步骤3、解决摆动轴B轴和旋转轴C轴协调运动时的合成速度与球杆仪捕获速度之间的异步性：

步骤3.1、摆动轴B轴从0°旋转到-90°，同时旋转轴C轴旋转从90°到0°，摆动轴B轴以恒定速度旋转，步长为0.1°对应的旋转轴C轴角的位置为：

并且B轴和C轴的角度位置是：

步骤3.2、实验测量的每个步长表示出发现会形成半圆形轨迹，形成的半圆形轨迹相邻步长并不是等距离，沿着轨迹的步长的波动将导致机床运动和球杆仪采样不同步的问题，由于球杆仪的采集速率是恒定的，因此确保运动是匀速的也十分重要，分析也才能有效；

步骤3.3、轨迹代表工具杯中心位置，主轴工具杯安装在B轴摆动轴的主轴壳体上，因此工具杯轴线与工具杯中心形成一个半直圆锥，能够获得锥体的参数，锥体的底部圆半径是锥体的孔径是90°，锥体的母线长度是400mm；

步骤3.4、为了确保相邻步长之间的距离恒定，将锥体展开在二维平面上，如果距离||OO′||为r，能够在展开平面获得故展开角：

步骤3.5、由OB和BP′包围的中心角表示为φ，故得出：

步骤3.6、由OO′和O′P′包围的中心角为Θ，在锥体的底部圆中给出：

步骤3.7、其中N是||OP′||的中点，基于三角关系，得出以下等式：

步骤3.8、因此θ_B和Θ的关系基于等式(5)-等式(9)获得：

步骤3.9、只要工具杯中心位置均匀分布在Φ中，就能够实现匀速运动，在中间选择相等距离的900步，代入等式(5)-等式(10)，形成均匀分布的运动轨迹；

步骤4、结合机床多体运动系统理论与齐次坐标变换进行误差辨识：

步骤4.1、旋转轴C轴的PIGE根据ISO230-1，每个旋转轴有4个PIGE，考虑到CNC的零位补偿功能忽略一个零位误差，故4个PIGE是XOY平面中X轴和Y轴上的两个线性位置误差分量E_XOC和E_YOC，以及分别围绕X轴和Y轴的两个定向误差分量E_AOC和E_BOC，摆动轴B轴的误差组成也能够基于IOS230-1获得；

步骤4.2、通过齐次变换矩阵的顺序乘法来评估运动轴的总误差，根据多体系统理论，从工件坐标系到参考坐标系的特征变换矩阵给出如下：

切削刀具分支的特征变换矩阵给出如下：

从刀具中心点到工件坐标系的理想变换矩阵如下：

受联系中PIGE的影响，转换矩阵的实际姿势表示为：

其中E是4×4阶单位矩阵，由于存在几何误差，表示给定的偏差矩阵：

从切削刀具中心点到工件的实际变换表示为：

其中字母R，W，T和i表示目标机床的运动链中的参考坐标系，工件坐标系，切削工具坐标系和第i刚体的坐标系，D_ideal和D_actual表示理想和实际的齐次变换矩阵，表示从其左下标的坐标系到其左上标之一的变换，Rot和Trans分别描述了齐次变换矩阵中旋转和平移从其左下标坐标系到其左上角之一的转换；

步骤4.3、结合实验测量数据以及步骤4中提出的模型运用伪逆方法得出五轴数控机床双回转轴的八项与几何位置无关误差。