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数控
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数控铣床二维精密工作台设计含13张CAD图,数控,铣床,二维,精密,工作台,设计,13,CAD
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报告用纸 第10页 共10页用三维探头球测量5轴数控机床的误差W. T. Lei and Y. Y. Hsu摘要本文对五坐标数控机床提出了一种新的测量装置和相应的精确度测试的方法。这种装置名为探头球，包括一个三维探头，一个延长块和一方带有测量头的底板。三维探头有一个标准锥度，并有能力完成三自由度位移测量。延长块的自由端有一个插口。一个永磁体集成在插口上以致于延长块和测量球可在磁力作用下连接在一起。在安装完探头球设备以后，五轴机床的该运动链就关闭了。为了5轴机床测量的准确性，球测试表面曲线被定义为工具的路径。该工具的取向是指在表面正常的方向。该球形表面的中心恰好测试检测球的中心。随着这条路径和方向投入数控控制器，三维探头相对测量球的球形测试表面动作。相对运动的整体定位误差被三维测量探头检测出来，用来证明5轴机床的容积准确性。1 引言五轴数控机床广泛用于加工工件的自由曲面。除了传统的三线性定位轴， 5轴机床一般还有两个旋转轴。所有五个轴是可以同时控制来最优化调整刀具对工件表面的路径。5轴机床的技术优势的包括更高的金属去除率，改善表面光洁度，并显著降低切削时间。在过去几十年里，许多工作的重点放在几何误差或热变形对机床精度的影响上。许多测量设备已开发来衡量个别的错误部分，并把一个多轴机床作为一个整体来测精度。最强大，最节省时间的设备是六自由度激光测量装置，可用于在同一时间测量直线运动马车六个运动误差的组成部分。此外，双球杆（ DBB ）常被用来确定了饲料驱动系统的动态误差，如增益不匹配，空转和粘滑。为了扩大DBB测量范围，所谓的激光球杆已经开发为能测量三维工作空间定位误差的装置。另一方面，网格编码特别适合于测量锐角转角的动态路径错误。虽然这些测量装置已成功地用来测量三轴数控机床精度，没有测量装置可用来测试五轴数控机床体积准确性。本文提出了一种新的测量装置，探头球，即能够测量5轴机床的总体定位误差。2 探头测量装置2.1设计特点探头球如图1所示。它包括一个三维探头，一个延长块和一方带有测量头的底板。三维探头有标准锥度的刀柄，并能够测量三自由度偏差。三维探头采用光电编码器的位移传感器。其他位移传感器，如线性可变位移传感器（LVDT型 ）或电容传感器也是可以的。伸长杆的自由端有个孔，它和测量球形成了球窝接头。一个永磁体和孔结合在一起使伸长杆和测量球在磁力的作用下连接在了一起。底板被固定在5轴机床的转盘上用来调整方向。图1 探头球测量装置为了测量工具和工件之间的定位误差，探头安在刀架上，底板固定在转盘上。在安装完探头球测量装置，该5轴机床的运动链就因此关闭了。测试路径可能是球测试表面的任何曲线。刀具方向是以曲面法线的方向定义的。该球形测试表面的中心和测量球的中心重合。球面半径为三维探头球的原点和测量球中心之间的距离。伸长杆根据测试范围有不同的长度。把方向和路径输入到数控控制器，三维探头就以测量球为中心在球形测试表面上运动。总体定位误差就这样被三维探头球测量出来了。由于球面对称性质，它有利于装入测量球，因此，测试表面的中心和转盘轴就有一个偏差。考虑到这点，在测量观察中测量球应该跟底盘一起旋转，这样5轴才能同时被驱动。因此，测量误差包括了来自所有轴的误差。测量球的偏移和伸长杆的长度决定了驱动轴的测试范围。为了确保探头球装置本身并不是一个部分误差来源，有必要在它的使用之前进行精确的校准。这些程序包括初始化三维探头传感器和在坐标测量机上对测量球准确定位测试。在精度测试中，三维探头的输出代表了测量球相对于球形测试表面的偏差。强调一点，探头球装置并不能在工件坐标系中测量定位误差，虽然似乎能。2.2测试路径如上文所说，测试表面可能是球形面上的任何曲面。图2表示了一些测试路径。路径A沿着测试表面的经线。在这个路径上，只有A,Y和Z轴动了。A轴是唯一的主动轴，而Y和Z轴是从动轴。换句话说，A轴动了，Y和Z轴才跟着动的。这个路径适合测试A轴的静态和动态误差。路径C沿着球形测试表面的赤道方向。这个情况下，C轴是主动轴，X和Z为从动轴。同样，路径C适合测C轴的误差。路径F是测试球形表面的螺旋样曲线，它涵盖整个球形体积。所有机器轴可同时在这种情况下驱动。测量误差提供足够的信息来描述目标5轴机床的总体体积误差。路径S是上球面测试表面上的一个圆圈。在这种情况下，所有轴往复驱动。因此路径S很适合测试旋转A和C轴的动态误差。图2 测试路径测量球有很多用途。如果测总体定位误差，那么选路径F。如果它是用来识别或估算单轴错误组成部分，最好是选择简单的测试路径，如路径A或C ，因为只有有限的主要组成部分影响测量结果。下面，将得出测试路径和目标5轴机床的运动之间的详细关系。3 运动变换由于测试路径是在工件坐标系中，数控输入三维探头球的准确性测量与5轴机床运动学是独立的。该机器结构的特点是对X和Y表两自由度一体化，如图3所示。坐标系如图4所示。图3 5轴铣床图4 5轴铣床坐标系机器坐标系到工件坐标系的转变是传统所谓的先进转变。另一方面，工件坐标系到机器坐标系的转变称为落后转变。5轴机床的先进转变总是可以解决的而且只有一个解决办法。相反，考虑到旋转轴的定位落后转变有两种解决方法。下面，在均匀变换矩阵的帮助下我们将得出机器坐标系和工件坐标系的关系。假设(Xm,Ym,Zm)为机器坐标系中的一点，而这点在工件坐标系这坐标为(Xw,Yw,Zw)。为了实现先进转变，首先机器坐标系的原点以矢量(X1,Y1,Z1)移动到两转轴的交点上，接着A轴以a转动C轴以c转动使转盘垂直。最后，机床坐标系以矢量(X0,Y0,Z0)移动到工件坐标系上。变换过程可表示为因为总会有两种解决办法后，落后的转变，是必要的战略选择一个合适的一个。一个简单的标准是推动能源需要。一个与移动距离较小，将被选中。当然碰撞的可能性，必须予以考虑。4 测试路径和误差模型4.1在工件坐标系中的测试路径如上所述，探头球设备使用球形测试表面上的任何路径测试5轴机床的精度，下面将得出工件坐标系中测试路径的描述。图5表示了定义路径F的参数，为了尽量减少测试时间，路径F上升角度设定为90 大意是，该工具到达顶端的位置后，C轴旋转360 。工件坐标系中的路径描述是这样的：其中Rw是球形测试表面的半径，是圆形角。类似的，别的上升角的路径描述也能同样得到。 图5路径F的参数4.2在轴坐标系中的测试路径由于落后的运动转变，工件坐标系的测试路径和方向转化为机器或轴坐标。图 6和图7显示轴命令值路径S和f。在案件路径F中，旋转轴C和A线性驱动，而其他轴之后从动保持运动链关闭。在路径S上，所有的轴来回动，最后回到起点。反转点的速度可以查明清楚。正如人们所知的双球杆测量技术，这些速度反转点提供必要的条件，显示动态运动的错误，如粘滑，空转和反弹。图8中，速度反转点出现在A轴的180和C轴的120和210。可以看出，有些轴也有其速度扭转在同一时间，例如轴C和X。你还可以使用双球杆查明动态误差的线性轴头。从探头球装置的测试结果，可确定以后旋转轴A或C的动态误差。图6 测试路径F命令值图7 测试路径S命令值4.3误差模型解释探头球的测量结果，有必要建立一个探头球测量的误差模型。模型描述的错误之间的关系总体定位误差测量的误差来源的是5轴机床运动链每个组成部分。在同质变换矩阵的方法为这一理论的任务提供了一个很好的方法。几何组成部分可分为两类。第一个是与一个不正确的运动伺服控制轴。第二个是有关错误的链接组成部分。对于每一个线性或旋转轴，有一般6运动中的错误热媒。错误的链接部分包括轴垂直度误差和偏移误差块部件，如主轴和旋转块。坐标框架中定义图3 。错误模型可通过连续的产品的所有HTMs每个运动的组成部分。工件坐标系和参考坐标系的关系是rTw=rTyyTxxTaaTccTttTw其中指数w, t, c, a, x, y, r分别代表工件，转盘，C轴，A轴， X轴， Y轴和参考系的缩写。同样，探头坐标系和参考坐标系的关系是rTp=rTzzTssThhTp其中p, h, s, z分别代表探头，刀柄，主轴块和Z轴的缩写。5 实验结果图8表示用三维探头球测量目标5轴铣床的精度。图9，10，11表示几个测试结果。图10显示静力试验的结果，当预先确定好的点位置确定后进行误差采样。图11和图12显示动态试验的结果，当轴按输入的进给量运动时进行误差采样。由于A轴不正常的动态旋转，随着进给速度的增加，Y方向误差急剧增加。图8 探头球装置在测量图9 路径F的静态测量误差图10 进给量为30 mm/min时，路径F的动态测量误差图11 进给量为150 mm/min时，路径F的动态测量误差在另一项研究开展旨在确定和估计所有的误差项，三维探头球的测量数据结果表明，5轴铣床的主要误差来源是两个旋转轴的垂直度误差。6 总结本文提出了一种新的测量装置称为三维探头球。它能够测量五坐标数控机床的总体定位误差。误差测量的原则是闭链测量。在测试的准确性，三维探头球目标5轴机床运动链的关闭。由于运动的限制，适合测试路径的路径为球形测试表面。测量定位误差是指在调查坐标系和可转化为参考坐标系，目标5轴机床预测的准确性。随着三维探头球可用，进一步的调查，目的是提高机床的精度，包括估计和补偿的几何误差。References1 E.E. Sprow, Manuf. Eng. 111 (5) (1993) 55.2 V.B. Kreng, C.R. Liu, C.N. Chu, Int. J. Adv. Manuf. Technol. 9(1994) 79.3 V.S.B. Kiridena, P.M. Ferreira, Int. J. Mach. Tools Manuf. 34 (1)(1994) 85.4 V.S.B. Kiridena, P.M. Ferreira, Int. J. Mach. Tools Manuf. 33 (3)(1993) 417.5 A.K. Srivastava, S.C. Veldhuis, M.A. Elbestawit, Int. J. Mach. ToolsManuf. 35 (9) (1995) 1321.6 K. Lau, Q. Ma, X. Chu, Y. Liu, S. Olson, Technical Reportof Automated Precision Inc., Gaithersburg, MD 20879, USA,2002.7 H. Pahk, Y.S. Kim, H.H. Moon, Int. J. Mach. Tools Manuf. 37 (11)
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