[发明专利]一种五轴AC转摆头龙门机床几何误差建模及分离方法

说明书

一种五轴AC转摆头龙门机床几何误差建模及分离方法，首先建立机床从刀具坐标系到工件坐标系的运动学模型，再分别建立仅考虑直线轴、仅考虑旋转轴以及同时考虑直线轴和旋转轴的刀尖点空间误差模型，然后设计直线轴空间测量轨迹，测量刀尖点在测量轨迹下的实际空间坐标，进而实现直线轴21项几何误差的分离计算；最后设计A、C轴独立的测量轨迹，测得轴向、径向、切向模式下全行程的杆长变化量，建立8项PIGE误差敏感方向与杆长变化量的相互关系，实现8项PIGE误差的分离；再建立12项PDGE误差与球杆仪杆长变化量的相互关系，实现12项PDGE误差的分离；本发明具有较好的通用性和准确性。

技术领域

本发明属于五轴机床几何误差技术领域，特别涉及一种五轴AC转摆头龙门机床几何误差建模及分离方法。

背景技术

加工精度是衡量数控机床性能的关键指标，用于表征工件理想加工形状与实际加工形状之间的偏差程度。机床在生产过程中，零部件的加工误差以及机床装配和标定过程的误差最终都表现为机床的几何误差，所有几何误差的综合影响形成了机床的空间误差，即刀尖点相对于零件在空间位置上的偏差值，导致零件在加工过程中存在加工误差，因此一种减小甚至消除几何误差影响的方法对于提高零件加工精度至关重要，考虑到机床机械系统的原始几何误差在机床服役期间相对稳定，因此可通过几何误差补偿的方式减小甚至消除其在加工过程中对加工精度的影响。

针对机床直线轴几何误差的测量有直接测量和间接测量两种方法，ISO-230-1标准中采用不同的激光干涉仪镜组直接测量直线轴的几何误差，由于激光干涉仪在准直光路时需要反复调整仪器，存在测量周期较长的缺点，而且直接测量直线轴几何误差忽略了各进给轴之间的相互影响和运动学特性，存在一定的局限性。间接测量方法即利用相应算法分离直线轴各项几何误差，常用的有9线法和12线法，可通过激光干涉仪测量结果间接分离21项几何误差。

针对机床回转轴的几何误差，众多学者提出了不同的测量和分离方法，有学者利用探针在机测量机床工作空间内不同参考点的位移误差，通过相应算法分离旋转轴PIGE误差并进行补偿。也有学者利用R-test测量不同转角处测量球在不同方向的位移变化量进而分离旋转轴的几何误差。还有学者通过球杆仪不同测量模式下的杆长变化量，利用最小二乘法拟合球杆仪的圆形轨迹，建立含有旋转轴PIGE误差的球杆仪杆长变化量模型，进而分离回转轴PIGE误差中的转动角度误差和位置偏差。

针对五轴机床几何误差的相关研究中，学者们就常见的五轴AC、BC摇篮机床几何误差开展了大量的研究工作，此类机床旋转轴与直线轴相互独立，刀具坐标系在机床坐标系下的误差只受到直线轴几何误差影响，工件坐标系在机床坐标系下的误差只受旋转轴几何误差影响。但五轴机床不仅限于这两种结构形式，以AC转摆头龙门机床为例，AC转摆头直接挂在Z轴下端，刀具固定在A轴摆头上，X轴单独运动，其结构形式和运动方式与五轴摇篮机床有明显差异，但关于五轴AC转摆头龙门机床几何误差的研究却少有人涉及。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种五轴AC转摆头龙门机床几何误差建模及分离方法，能够实现五轴AC转摆头龙门机床几何误差的建模和快速分离求解，具有较好的通用性和准确性，便于在企业测试现场进行使用。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种五轴AC转摆头龙门机床几何误差建模及分离方法，包括以下步骤：

步骤1)针对五轴AC转摆头龙门机床的结构和传动形式，根据多体运动学理论和齐次坐标变换理论，得到轴间的相对运动转换矩阵，建立机床从刀具坐标系到工件坐标系的运动学模型；

步骤2)首先定义机床直线轴21项几何误差和旋转轴20项几何误差的物理意义，其次根据机床不同的运动组合形式，分别建立仅考虑直线轴、仅考虑旋转轴以及同时考虑直线轴和旋转轴几何误差影响的刀尖点空间误差模型；