一种五轴机床旋转轴动态运动误差检测方法
技术领域
本发明属于数控机床加工精度
技术领域
，特别涉及一种五轴机床旋转轴动态运动误差检测方法。背景技术
五轴数控机床能够加工复杂曲面零件，在航空航天、汽车制造等领域都具有广泛应用。旋转轴作为五轴数控机床的关键运动部件，其运动精度由准静态运动误差与动态运动误差共同决定。在高速、高精度加工中，动态运动误差对旋转轴的运动精度影响较大，因此有必要对其进行溯源与分析。
虽然有大量关于旋转轴准静态运动误差的研究，但关于其动态运动误差研究仍较少。目前对于旋转轴动态运动误差方面的研究，多采用仪器测量、建立运动轴动力学模型等非切削测试方式对其进行溯源分析，然而尽管非切削测试方式必不可少，但在实际加工中考虑更多的还是工件切削精度。同时机床的动态精度往往与实际加工条件有关，故从试件切削出发对动态运动误差进行溯源分析是必要的。
发明内容
本发明为克服现有技术，提供一种五轴机床旋转轴动态运动误差检测方法。该方法用于检测在进给速度的影响下，伺服回路内外动态运动误差的变化情况，能实现旋转轴伺服回路内外动态运动误差的有效检测。
一种五轴机床旋转轴动态运动误差检测方法，包含如下步骤：
一、动态运动误差分类：根据旋转轴C轴动态运动误差的来源与表现形式，分为伺服回路内动态运动误差与伺服回路外动态运动误差；
二、动态运动误差辨识：
(1)、在不同的进给速度下：由旋转轴C轴运动加工圆试件，由旋转轴C轴与平动轴X轴联动加工椭圆试件；
(2)、分别对圆与椭圆试件依次进行在线测量与三坐标测量机标定；
(3)、基于圆和椭圆试件切削加工的动静态运动误差分离，辨识出相应的动态运动误差。
进一步地，基于圆和椭圆试件切削加工的动静态运动误差分离过程如下：
首先获得加工总误差：PCMM-Pideal＝Et
Et表示加工总误差，Pidea表示三坐标下的理论值，PCMM表示三坐标下的标定值；
然后获得准静态运动误差Eqs：
PCMM-Pon-machine＝Eqs
其中，Pon-machine表示在线测量值；
加工总误差由准静态运动误差与动态运动误差组成，最终实现动静态误差分离，辨识出动态运动误差Ed；Et-Eqs＝Ed
本发明相比现有技术的有益效果是：。
现有的动态运动误差非切削测试方式多考虑运动轴的轴向运动误差，将运动轴的输入与轴向运动输出作为研究对象，但是动态运动误差不仅包括轴向运动误差，也包括其他位置、角度上的误差，同时，由于没有经过实际切削测试，无法反映由铣削力部分引起的动态运动误差，因此，现有的动态运动误差非切削测试方式不够全面。
本发明将动态运动误差分为了伺服回路内与伺服回路外两部分，前者反映了轴向的运动误差，后者反映了由铣削力部分引起的误差，并通过椭圆与圆试件进行切削测试分别反映。对于试件加工误差中包含几何误差的问题，通过动静态误差分离原理，辨识动态运动误差。本发明从实际试件切削出发，提供的五轴数控机床旋转轴动态运动误差检测方法，可用于检测在进给速度的影响下，伺服回路内外动态运动误差的变化情况，能实现旋转轴伺服回路内外动态运动误差的有效检测，评估其伺服回路内外的动态精度。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：
附图说明
图1是本发明基于圆与椭圆试件切削的五轴机床旋转轴动态运动误差检测过程图；
图2是旋转轴的伺服内外动态运动误差示意图；
图3是实施例中的圆试件及试件切削过程图；
图4是实施例中的椭圆试件及试件切削过程图；
图5是动静态误差分离原理图；
图6是实施例中的圆试件的加工总误差、准静态运动误差和动态运动误差曲线图；
图7是实施例中的椭圆试件包含加工总误差、准静态运动误差和动态运动误差曲线图；
图8是实施例中的球杆仪测量模式与测量结果图；
图9是实施例中搭建的旋转轴动力学模型；
图10是实施例中动力学模型在椭圆运动轨迹下的运动误差曲线图。
具体实施方式
参见图1和图2所示，本实施方式的一种五轴机床旋转轴动态运动误差检测方法包含如下步骤：
一、动态运动误差分类：根据旋转轴C轴动态运动误差的来源与表现形式，分为伺服回路内动态运动误差与伺服回路外动态运动误差；其中，伺服回路内动态运动误差来源于伺服系统带宽不足，表现为轴向跟随误差；伺服回路外动态运动误差来源于机械结构的弹性变形，表现为位置与角度误差；图2是图1中的动态运动误差分类示意图；
二、动态运动误差辨识：
(1)、在不同的进给速度下：由旋转轴C轴运动加工圆试件，由旋转轴C轴与平动轴X轴联动加工椭圆试件；通常，针对伺服内外两类动态运动误差，可由圆与椭圆试件的加工误差分别反映。由于圆试件切削时仅有C轴运动，其加工精度不受轴向跟随误差的影响，因此仅反映伺服回路外动态运动误差；椭圆试件由C轴与X轴联动加工，轴向跟随误差会影响其加工精度，因此可通过椭圆试件反映伺服回路内动态运动误差。
(2)、分别对圆与椭圆试件依次进行在线测量与三坐标测量机标定；
(3)、基于圆和椭圆试件切削加工的动静态运动误差分离，辨识出相应的动态运动误差。
如图5所示，动静态运动误差分离原理如下，从试件的加工误差中辨识出动态运动误差由于准静态运动误差与动态运动误差共同决定了试件的加工精度，因此为了辨识动态运动误差，需要分离准静态运动误差与动态运动误差。
基于圆和椭圆试件切削加工的动静态运动误差分离过程如下：
首先获得加工总误差：PCMM-Pideal＝Et
Et表示加工总误差，Pidea表示三坐标下的理论值，PCMM表示三坐标下的标定值；
而在线测量过程中包含几何误差，因此，CMM标定值PCMM与在线测量值Pon-machine之间的偏差为准静态运动误差Eqs，然后获得准静态运动误差Eqs：
PCMM-Pon-machine＝Eqs
Pon-machine表示在线测量值；
加工总误差由准静态运动误差与动态运动误差组成，最终实现动静态误差分离，辨识出动态运动误差Ed；Et-Eqs＝Ed
为了更好地，检验本发明基于圆和椭圆试件切削加工的动静态运动误差分离，辨识出相应的动态运动误差，对此，设计非切削下的圆试件和椭圆试件测试；
在不同的进给速度下，利用球杆仪进行圆测试，通过球杆仪杆长变化来反映圆轨迹下的C轴动态运动误差；将主轴侧圆球放置于C轴轴线上，与X轴平行。球杆仪的测试结果仅受几何误差与伺服、机械系统参数引起的动态运动误差的影响，无法反映实际圆试件加工时受到的铣削力引起的动态运动误差。
建立旋转轴动力学模型，在不同的进给速度下进行椭圆轨迹动力学分析，得到在不同的进给速度影响下的椭圆运动轨迹的运动误差曲线，以反映伺服回路内动态运动误差。由于动力学模型不含准静态误差，且仅以轴向运动作为模型输出，因此运动误差曲线仅反映了伺服回路内动态运动误差。
进一步地，在上述测试基础上，对比圆试件切削与球杆仪圆测试结果，可溯源伺服回路外动态运动误差，测试不同进给速度对伺服回路外动态误差的影响，得出利用圆试件切削来检验旋转轴C轴的伺服回路外动态运动精度；对比椭圆试件切削与椭圆轨迹下的动力学分析结果，可溯源伺服回路内动态运动误差，测试不同进给速度对伺服回路内动态误差的影响，得出利用椭圆试件切削来检验旋转轴C轴的伺服回路内动态运动精度。
下面以实施例进一步描述本发明：
本实施案例在一台JDGR400五轴数控机床上进行操作。根据图1所示的技术路线，对其旋转轴C轴的伺服回路内外动态运动误差进行检测和溯源分析。
第一步，以旋转轴C轴作为研究对象，如图2所示，根据旋转轴动态运动误差的来源与表现形式，将其分为伺服回路内动态运动误差与伺服回路外动态运动误差；其中，伺服回路内动态运动误差来源于伺服系统带宽不足，表现为轴向跟随误差；伺服回路外动态运动误差来源于机械结构的弹性变形，表现为位置与角度误差；
第二步，如图3和图4所示，在不同的进给速度下，分别由旋转轴C轴运动加工圆试件，由旋转轴C轴与平动轴X轴联动加工椭圆试件。其中，进给速度分别为200mm/min、300mm/min、400mm/min、500mm/min。加工过程中，主轴转速5000r/min，切削深度为5mm，除进给速度变化外，其他加工条件保持相同。在圆试件切削中，图3a表示圆试件，圆试件半径为100mm，采用的毛坯材料的长宽高分别为205mm、205mm、25mm，图3b表示圆试件加工过程。在椭圆试件切削中，图4a表示椭圆试件，椭圆试件长径100mm，短径50mm，图4b表示椭圆试件加工过程，采用的毛坯材料的长宽高分别为205mm、105mm、25mm。
第三步，分别对圆与椭圆试件依次进行在线测量与三坐标(CoordinateMeasuring Machine，CMM)标定。
第四步，如图5所示，根据动静态运动误差分离原理，从试件的加工误差中辨识出动态运动误差。圆试件和椭圆试件的误差分别如图6和图7所示，圆试件的加工总误差(图6a所示)、准静态运动误差(图6b所示)和动态运动误差(图6c所示)，椭圆试件的加工总误差如图7a所示、准静态运动误差如图7b所示和动态运动误差如图7c所示。其中，动态运动误差随进给速度提高而增加，准静态运动误差保持不变；图6和图7分别显示进给速度为200mm/min、300mm/min、400mm/min和500mm/min的对应误差。
下面基于上述辨识出的动态运动误差，进行溯源分析。
第五步，如图8a所示，在不同的进给速度下，利用球杆仪进行圆测试，通过球杆仪杆长变化来反映圆轨迹下的C轴运动误差；在测试过程中，C轴分别以200mm/min、300mm/min、400mm/min和500mm/min进给速度转动一周，共进行4组测试，将主轴侧圆球放置于C轴轴线上，球杆仪杆长100mm，与X轴平行，球杆仪圆测试结果显示如图8b所示，球杆仪杆长变化情况并未随不同进给速度发生改变；
第六步，如图9所示，搭建旋转轴C轴动力学模型，机床旋转轴C轴的动力学模型如图9所示。其主要由电机驱动、齿轮、蜗轮蜗杆和执行部件组成，将电机的输出转矩转化为C轴的转角。该动力学模型有三个自由度，分别为电机转角θm，蜗轮蜗杆转角θw和转台转角θt，动力学微分方程如下式所示：
式中，电机驱动部分：Tm为输出转矩，Jm为转动惯量，cm为粘性阻尼系数，fm为库伦摩擦转矩，θm为转动角度。齿轮传动部分：Tg为输出转矩，cg为粘性阻尼系数，Rg为传动比，cig为内部阻尼系数。蜗轮蜗杆部分：Tw为转动惯量，Jw为转动惯量，cw为粘性阻尼系数，fw为库伦摩擦转矩，Rw为传动比，ciw为内部阻尼系数，θw为蜗轮蜗杆转动角度。执行部分：Jt为惯量，ct为粘性阻尼系数，ft为库伦摩擦转矩，θt为转台转动角度。
在不同的进给速度下进行椭圆轨迹动力学分析，其中，进给速度分别为200mm/min、300mm/min、400mm/min、500mm/min。得到在不同进给速度影响下，椭圆运动轨迹的运动误差曲线，如图10所示，图中波峰由下至下分别对应进给速度为200mm/min、300mm/min、400mm/min、500mm/min的误差曲线。
第七步，对比圆试件切削与球杆仪圆测试结果，随着进给速度提高，圆试件的动态运动误差增加，而球杆仪杆长并未发生变化。这是由于球杆仪无法反映实际圆试件加工时受到的铣削力引起的动态运动误差。不同进给速度下加工的圆试件动态误差的变化主要来自于铣削力的变化，即不同进给速度对伺服回路外动态误差的影响主要来自于铣削力的变化。随进给速度的提高，铣削力增加，其作用在旋转轴C轴的运动上，导致机械结构发生弹性变形，最终引起其伺服回路外动态误差增加。因此，可以用圆试件切削来检验旋转轴C轴的伺服回路外动态运动精度。
椭圆轨迹下的动力学分析结果显示，随进给速度提高，运动误差增加的幅度远小于实际加工误差的增加幅度。因此，进给速度对伺服回路外动态误差的影响远大于其对伺服回路内动态误差的影响。与球杆仪圆轨迹测试相比，圆轨迹仅由旋转轴C轴单独转动实现，而椭圆轨迹由旋转轴C轴与X轴联动实现。两者的区别在于，在椭圆轨迹下，进给轴的轴向跟随滞后性会引起运动误差。因此可以认为，在多轴联动运动下，进给速度主要通过进给轴的轴向跟随滞后性这一特性，对运动精度产生影响。因此，可以用椭圆试件切削来检验旋转轴C轴的伺服回路内动态运动精度。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。
