[发明专利]面向五轴数控机床旋转轴空间定位误差快速优化补偿方法

权利要求书

1.面向五轴数控机床旋转轴空间定位误差快速优化补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）基于旋转轴几何误差建立五轴数控机床的旋转轴空间定位误差模型；

（2）基于仪器检测数据完成对旋转轴12项几何误差的辨识，形成包含旋转轴12项几何误差向量的误差数据库；

基于步骤（1）建立的五轴机床空间定位误差模型，利用检测仪器，采取相关辨识算法进行旋转轴几何误差的辨识，得到旋转轴几何误差辨识结果；

所述12项几何误差向量为针对每个旋转轴辨识出的6项几何误差，组合成一个误差向量的形式：

由于旋转轴几何误差是与运动位置相互关联的，在整个运动行程中，每个误差元素将变成一个与位置相关的向量，即当运动行程划分为N等份时，不同旋转角度位置下的同一误差元素均略有不同，记为：

式中，Ebase为N行12列的矩阵，代表了五轴机床旋转轴几何误差数据库；

（3）分解旋转轴空间定位误差为线性相关和非线性相关，结合数控系统垂度误差补偿功能，构建数控系统旋转轴空间定位误差补偿表；

（4）对步骤（2）得到的误差数据库添加修正系数k、d，并与旋转轴空间定位误差模型关联，建立五轴数控机床空间定位误差的补偿数据优化模型；

（5）基于NSGAII算法对由修正系数k、d组成的向量K、D进行补偿质量控制，完成补偿数据的迭代优化，实现对修正系数的优化选择；

（6）以步骤（5）得到的修正系数和包含旋转轴12项几何误差向量的误差数据库，生成数控系统空间定位误差补偿文件，完成对五轴数控机床旋转轴几何误差的补偿；

（7）更新几何误差修正数据至误差数据库中，并定检测周期检测旋转轴联动轨迹，设置联动轨迹定位误差阈值，循环实施检测、优化、补偿三步操作实现五轴数控机床空间精度保障。

2.根据权利要求1所述的面向五轴数控机床旋转轴空间定位误差快速优化补偿方法，其特征在于，所述步骤（1）中，建立由五轴数控机床旋转轴几何误差引起的刀具中心点空间定位误差模型的具体过程为：

对于任意类型旋转轴而言，由于受自身几何误差的影响，使得旋转轴的实际运动矩阵为：

式中表示i轴实际运动变换矩阵，表示i轴理论运动变换矩阵，表示几何误差矩阵，具体形式为：

，，

，，

式中，A、B、C表示数控指令中的旋转角度，分别表示沿X、Y、Z向的位移误差；分别表示绕X、Y、Z轴的转角误差；

由于五轴数控机床仅有两个旋转轴参与运动，得到C轴、A轴联动运行时存在误差情况下刀具中心点的运动学关系：

式中表示刀具中心点在工件坐标系下的实际坐标，；

对上式忽略几何误差矩阵即为理论运动模式，可得到理想情况下的刀具中心点运动学关系：

式中表示刀具中心点在工件坐标系下的理论坐标；

可进一步得到五轴数控机床旋转轴的空间定位误差数学模型为：

代入运动矩阵和误差矩阵并化简得到：

。

3.根据权利要求2所述的面向五轴数控机床旋转轴空间定位误差快速优化补偿方法，其特征在于，所述步骤（2.1）中的检测仪器为R-TEST或球杆仪。

4.根据权利要求3所述的面向五轴数控机床旋转轴空间定位误差快速优化补偿方法，其特征在于，所述步骤（3）中构建数控系统空间定位误差补偿表的具体过程为：

（3.1）通过分析刀具中心点空间定位误差与旋转轴几何误差之间的数学模型，将空间定位误差划分成线性相关和非线性相关两部分；

（3.2）对于非线性相关误差项的补偿，必须借助数控系统垂度误差补偿表的功能进行实现；

（3.3）结合步骤（3.1）和（3.2），对线性和非线性相关项的所有组成元素均建立补偿表，即可构建数控系统对整个旋转轴空间定位误差补偿的误差补偿文件。