[发明专利]一种五轴机床旋转轴几何误差一次装卡测量方法

说明书

技术领域

本发明属于机床标定技术，尤其是五轴联动机床几何误差测量技术领域。

背景技术

五轴联动数控机床是目前解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等复杂零件加工的唯一手段。机床的几何误差是产生零件加工误差的主要原因之一。

我国在五轴联动数控关键技术方面取得了长足进步，并在工业领域得到一定范围的应用。然而国产五轴联动数控机床在高速、高精、智能等性能方面与国外先进水平还存在一定差距。特别是在加工精度上的差距更为明显，国外五轴加工早已实现了纳米级精度，而国内五轴加工精度仍停留在微米级水平上。

机床的几何误差是产生零件加工误差的主要原因之一。几何误差为系统误差，具有良好的重复性，可以通过软件补偿而大大减小。因此几何误差的测量及补偿技术是一种弥补机床本身制造缺陷、提高机床加工精度的一种简便而可行的方法。三轴联动数控铣床(直线轴)的几何误差测量和补偿方法已经成熟，而五轴联动机床由于引入了旋转轴，结构更为复杂，几何误差分量更多。五轴联动机床除了三个直线轴的21项误差外，还包括两个旋转轴引入的12项误差、两个旋转轴和空间平面之间的4项平行度误差以及由主轴运动引入的5项误差。因此五轴联动机床的几何误差测量和补偿更加困难，特别是两个旋转轴的几何误差测量方法一直是国内外的研究热点。

根据公开的文献，目前针对五轴联动机床旋转轴几何误差测量主要有以下几种代表性的方法：1、针对双转台五轴联动机床提出，在旋转轴的不同位姿处，使用触发式测头采集转台上测点的坐标值，进而利用机床的空间误差模型求解旋转轴的几何误差值，实现一次装卡标定。2、以双转台五轴联动机床为对象，同样采用了离散式测量仪器——触发式测头进行测坐标值的采集，整个过程也同样是以一次装卡为前提完成的，不同的是该方法的机床空间误差模型是基于微分运动方程及雅可比矩阵建立的。3、以双转台五轴联动机床为对象，采用了一种连续式测量设备——接触式跟踪球，多次装卡完成了整个测量流程，进而利用机床空间误差模型求解出旋转轴几何误差值。4、以双转台五轴联动机床为对象，采用了一种连续式测量设备——非接触式跟踪球，多次装卡完成了整个测量流程，进而利用机床空间误差模型求解出旋转轴几何误差值。5、以双转台五轴联动机床为对象，使用了一种广泛用于机床标定的连续式测量仪器——双球杆仪，通过在转台上三个不共线的位置上多次装卡测量仪器，完成了单个旋转轴六项几何误差的测量流程。6、以双转台五轴联动机床为对象，采用了一种连续式测量仪器——多普勒激光干涉仪，通过多次装卡，完成了三个直线轴和两个旋转轴的几何误差测量。

以上六种方法为双转台结构五轴联动机床几何误差测量上的代表性应用，其他类似公开文献的基本原理与以上公开文献类似。虽然六种方法分别采用不同类型的测量仪器和测量轨迹完成了两个旋转轴的几何误差测量，但均以待测几何误差集中于一条运动链上的双转台结构为对象，无一涉及待测几何误差分布于两条运动链上的单摆头—单转台结构。要获取一个刚体的空间位姿至少需要测得该刚体上三个不共线测点的坐标，当待测几何误差集中于一条运动链的某运动副时(单运动链几何误差)，仅需在该运动副某相邻刚体上布局三个不共线测点，即具备了一次装卡测量的条件。然而对于几何误差分布于两条运动链不同运动副上的情况(双运动链几何误差)，若仍按照已公开文献的测点布局及测量方式，则无法在一次装卡的前提下同时为两条运动链提供足够数量的测点。因此适用于单运动链几何误差的一次装卡测量方法并不适用于双运动链几何误差的测量。另一方面，已公开文献针对双转台结构的测量方法中，也仅有Ibaraki和Mayer分别提出过一次装卡测量方法，而其他方法均需多次装卡测量仪器，即在测量过程中临时布局测点，才能在不同的位置获得足够数量的测点坐标，由此可见即使是单运动链几何误差的测量效率问题也还未得到广泛关注，而双运动链几何误差一次装卡测量方面更无相关成果。

发明内容

鉴于现有技术具有以上不足，本发明的目的是针对几何误差分布在两条运动链不同运动副上的机构提出一种几何误差测量方法，该方法可应用于单摆头—单转台结构五轴联动机床两个旋转轴几何误差的测量。该方法在保证测量精度的前提下，以提高测量效率为目的，以测点的预布局及测量基准的变换为手段，使整个测量过程仅需一次装卡测量仪器及相关配件。