基于“s”形检验试件的五轴联动数控机床动态误差检验方法
【专利摘要】本发明公开了基于“S”形检验试件的五轴联动数控机床动态误差检验方法，包括以下步骤：(1)将测头安装在主轴上，并把“S”件装夹在工作台上；(2)测头的探针先贴合“S”件的直纹加工面，以与数控加工“S”件时相同的进给速度和其中一刀具轨迹相同的运动轨迹，沿“S”件的外轮廓扫描测量一周圈，采集刀位点的实际位置及测头探针的偏移量；(3)把数据通过处理还原成工件坐标系下的理论刀位轨迹，获得实际刀位轨迹，从而获得理论刀位轨迹和实际刀位轨迹的误差，该误差即为五轴联动数控机床的动态误差。本发明所述的五轴机床动态精度的检验方法检验的五轴机床，在使用过程中其动态性能良好。
【专利说明】
基于"S"形检验试件的五轴联动数控机床动态误差检验方法
技术领域
[0001 ]本发明属于数控机床技术领域，更具体地，涉及一种五轴联动数控机床的动态误 差检验方法。
【背景技术】
[0002] 随着制造业对数控机床加工效率和精度要求的提高，需要五轴机床具备各伺服轴 系统联动配合的动态性能，而动态性能的优劣将对加工工件的质量和加工效率产生显著影 响。
[0003] 为了验证五轴机床的动态性能是否满足要求，需要检验五轴机床的动态精度。对 于五轴机床动态精度的检验，国内外学者做了大量研究，目前仍缺乏系统的机理分析和权 威的评价标准。基于检验试件切削的样件法能部分地反映机床的动态精度。目前国际上比 较有名的机床检验试件，如美国的NAS979检验试件、日本的四角锥台检验试件和德国的梅 赛德斯检验试件等，仅能检验机床静止或低速状态下的各项精度，对于机床在高速工作状 态下的检测无能为力。而且，通过上述试件检测的一些机床，在实际应用中仍然会出现精度 达不到期望要求的现象。
[0004] 专利CN200710048269.7公开了一种"综合检测数控铣床精度的"S"形检测试件及 其检测方法"提出了一种对五坐标数控铣床五轴联动机床精度进行检测的试件，并且还涉 及使用检测试件检测五坐标数控铣床多坐标轴联动精度的方法，如图1所示。该检测试件在 试件型面中融入了航空薄壁的特征，不仅能够反映五轴机床的静态精度，而且重点关注了 五轴机床的动态精度。试件型面曲率随表面形状变化而变化，在拐角处具有开闭角转换特 征，通过切削"S"件可以在一定程度上反映出五轴机床的动态误差。
[0005] 依据现有的五轴机床动态精度的检验方法，其检验流程如图5所示。每进行一次检 验都需要五轴机床加工一次"S"件，包括从制备毛坯、粗加工以及精加工的整个过程;然后 将加工好的"S"件用三坐标测量仪检测其轮廓误差;如果"S"件的轮廓误差不合格，需要找 到造成五轴机床动态误差的机床因素，并调整机床相关参数;然后，再完整地加工一次"S" 件，直到加工的"S"件满足精度要求为止。这样一台五轴机床动态精度的检验的时间大约为 一到两天，有的时间会更长。这在很大程度上造成了时间和试件毛坯材料、电能等资源的浪 费，而且这种方法不便于五轴机床动态精度的定期检验和动态性能的修正与调整。这种方 法在验证加工的"S"件是否合格时，还需要用三坐标测量仪等仪器，变向地增加了五轴机床 动态精度检验的成本。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了基于"S"形检验试件的五轴 联动数控机床动态误差检验方法，通过测头沿着刀具轨迹贴合"S"件直纹加工面的扫描运 动代替刀具的进给运动获得五轴机床的动态误差，来检验五轴机床的动态精度。
[0007] 为实现上述目的，按照本发明，提供了基于"S"形检验试件的五轴联动数控机床动 态误差检验方法，所述"S"形检验试件通过数控加工形成，其由一个呈"S"形状的直纹面等 厚缘条和一个矩形基座组合而成，分别在两个不同平面内生成的两条"S"形曲线在基座平 面的投影互相交叉，并具有在交汇处转换变化弯曲形成的开、闭角形态，所述直纹面与基座 平面夹角角度沿其"S"线的运动轨迹呈非均匀变化走向，其特征在于，该动态误差检验方法 包括以下步骤：
[0008] (1)将测头安装在五轴联动数控机床的主轴上，并把已经所述数控加工完成，且满 足设定精度要求的"S"件装夹在五轴联动数控机床的工作台上；
[0009] (2)测头的探针先贴合"S"件的直纹加工面，然后以与数控加工"S"件时相同的进 给速度和与数据加工"S"件时其中一刀具轨迹相同的运动轨迹，沿"S"件的外轮廓扫描测量 一周圈，与此同时，同步采集五轴联动数控机床的刀位点的实际位置以及测头探针的偏移 量；
[0010] (3)把同步采集来的数据通过数据处理还原成工件坐标系下的理论刀位轨迹，并 通过理论刀位轨迹和测头探针偏移数据获得实际刀位轨迹，从而获得理论刀位轨迹和实际 刀位轨迹的误差，该误差即为五轴联动数控机床的动态误差。
[0011] 优选地，步骤(2)中所述刀具轨迹是"S"件精加工中的一条与基座底面平行的闭合 的刀具轨迹。
[0012] 优选地，当步骤(2)的检验过程中出现"S"形检验试件的直纹面上未扫描到的部位 时，则采用测头的探针对该部位进行局部扫描测量，或者采用测头的探针触碰该部位进行 一次检验测量。
[0013] 优选地，当发现扫描测量过的部位已经不满足五轴联动数控机床的动态精度的要 求，则终止对其它未扫描部位的进一步检验测量。
[0014] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有 益效果：
[0015] 1)本发明提出的方法不需要实际加工"S"件，也就不需要用到三坐标测量仪等仪 器，检验环节方便快捷，有效地节约了检验过程中的时间和资源成本。
[0016] 2)动态精度检验过程中测头的走刀轨迹是"S"件精加工中刀具的轨迹，测头探针 与"S"件型面贴合，由于"S"件是已经数控加工好的检验试件，用测头替代刀具以与刀具精 加工相同的进给速度沿着这种"S"件的直纹加工面进行贴合扫描测量所得到的误差值能够 有效地反映五轴机床各坐标轴、伺服驱动控制系统以及各伺服电机的联动性能，把同步采 集来的机床坐标系下的数据通过数据处理还原成工件坐标系下指令刀轨和加上测头偏移 数据的实际刀轨，方便有效地分析五轴机床的动态误差，验证五轴机床的动态精度是否满 足要求，为调节五轴机床联动性能提供依据。
[0017] 3)试验证明，通过用本发明所述的五轴机床动态精度的检验方法检验的五轴机 床，在使用过程中其动态性能良好。
【附图说明】
[0018] 图1是本发明中使用的"S"形检验试件的结构示意图；
[0019] 图2是五轴机床动态精度检验示意图；
[0020] 图3是本发明的主流程图；
[0021 ]图4是本发明中测头的示意图；
[0022]图5是检验五轴机床动态精度现有方法的流程图。
【具体实施方式】
[0023]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0024]参照图1~图4,基于"S"形检验试件的五轴联动数控机床动态误差检验方法，本发 明所使用的"S"形检验试件1是专利CN200710048269.7所加工形成的试件，所述"S"形检验 试件1通过数控加工形成，其由一个呈"S"形状的直纹面等厚缘条11和一个矩形基座12组合 而成，分别在两个不同平面内生成的两条"S"形曲线在基座平面的投影互相交叉，并具有在 交汇处转换变化弯曲形成的开、闭角形态，所述直纹面与基座平面夹角角度沿其"S"线的运 动轨迹呈非均匀变化走向，该动态误差检验方法包括以下步骤：
[0025] 1、将测头2安装在五轴联动数控机床的主轴上，并把已经所述数控加工完成，且满 足设定精度要求的"S"件装夹在五轴联动数控机床的工作台上；
[0026]本发明中的测头2为接触式三维扫描测头，优选采用Renishaw SP2-1接触式三维 扫描测头，Renishaw SP2-1接触式三维扫描测头主要由四部分组成，包括运动子系统、测量 子系统、超程保护单元以及探针21组成，测头2主体的示意图如图4所示。超程保护单元能在 测头2的位移超过量程之后发出超程信号，防止测头2损坏或者机器故障。超程的临界条件 如表1所示。
[0027]表1测头超程的临界值
[0028]
'[0029]~对于重量^0-10g的探针21来说，测头2每个轴的量^呈都为定值，但是不同的安装1 方式量程又有所不同，如表2所示。
[0030] 表2测头量程
[0031]
[0032] 本实施例中待检测动态精度的五轴机床和数控系统为华中8型数控系统，该系统 中根据测头2的量程制配了测头2超程保护软件模块和主轴锁死机制。
[0033]测头2经数据连接线连接到基于STM32的模拟量高速数据采集I/O模块，该模块再 和数控系统总线相连。因为测头2输出的信号是正余弦模拟信号，需要经过上述I/O模块进 行模数转换，把模拟信号转换成数字信号由总线传送给数控系统。
[0034] 2、测头2的探针21先贴合"S"件的直纹加工面，然后以与数控加工"S"件时相同的 进给速度和与数据加工"S"件时其中一刀具轨迹相同的运动轨迹，沿"S"件的外轮廓扫描测 量一周圈，与此同时，同步采集五轴联动数控机床的刀位点的实际位置以及测头2探针21的 偏移量；
[0035]本发明中五轴机床运行的检验程序为加工"S"件的标准程序中精加工程序中的如 图2所示的一条闭合的与"S"件基座底平面平行的轨迹程序，并修改了主轴转速等辅助代 码，保证测头2扫描测量时的进给速度和加工该"S"件时刀具的进给速度一致。在数控系统 开始运行检验程序的，使用采样分析软件同步采集五轴机床的刀位点的实际位置与测头2 的偏移量。
[0036]本发明中使用的采样分析软件具有数据采集、数据保存、数据处理、数据分析等功 能。将采样分析软件安装在PC机上，数控系统与PC机用网线连通，并设置IP地址例如，通过 通信协议设置界面等，建立数控系统与分析软件的正确连接。
[0037] 3、把同步采集来的数据通过数据处理还原成工件坐标系下的理论刀位轨迹3,并 通过理论刀位轨迹3和测头2探针21偏移数据获得实际刀位轨迹3,从而获得理论刀位轨迹3 和实际刀位轨迹3的误差，该误差即为五轴联动数控机床的动态误差。
[0038]本发明实时采集检验过程中的机床指令位置和测头2探针21偏移的数据，采集结 束后将数据保存到本地。该软件可以将采集的机床坐标系下的机床指令位置数据和测头2 坐标系下的探针21偏移数据还原成工件坐标系下的机床指令刀轨和加上测头2偏移数据的 实际刀轨。通过机床指令刀轨和实际刀轨的对比，发现扫描测量"S"件时有一些地方测头2 的探针21没有碰到"S"件，对于这样的地方就需要采用局部扫描测量或者触碰的方式再一 次检验测量，如果发现已经扫描测量过的地方已经不满足动态精度的要求，就可以终止进 一步的检验测量，直到把"S"件一条闭合的曲线轨迹上的误差都测量出来。整个检验过程只 需要一到两个小时，大大缩短了检验时间，节约了资源成本。
[0039]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以 限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 基于"S"形检验试件的五轴联动数控机床动态误差检验方法，所述"S"形检验试件 (1)通过数控加工形成，其由一个呈"S"形状的直纹面等厚缘条（11)和一个矩形基座（12)组 合而成，分别在两个不同平面内生成的两条"S"形曲线在基座平面的投影互相交叉，并具有 在交汇处转换变化弯曲形成的开、闭角形态，所述直纹面与基座平面夹角角度沿其"S"线的 运动轨迹呈非均匀变化走向，其特征在于，该动态误差检验方法包括以下步骤： (1) 将测头(2)安装在五轴联动数控机床的主轴上，并把已经所述数控加工完成，且满 足设定精度要求的"S"件装夹在五轴联动数控机床的工作台上； (2) 测头(2)的探针(21)先贴合"S"件的直纹加工面，然后以与数控加工"S"件时相同的 进给速度和与数据加工"S"件时其中一刀具轨迹相同的运动轨迹，沿"S"件的外轮廓扫描测 量一周圈，与此同时，同步采集五轴联动数控机床的刀位点的实际位置以及测头（2)探针 (21)的偏移量； (3) 把同步采集来的数据通过数据处理还原成工件坐标系下的理论刀位轨迹(3)，并通 过理论刀位轨迹(3)和测头（2)探针（21)偏移数据获得实际刀位轨迹(3)，从而获得理论刀 位轨迹(3)和实际刀位轨迹(3)的误差，该误差即为五轴联动数控机床的动态误差。2. 根据权利要求1所述的基于"S"形检验试件的五轴联动数控机床动态误差检验方法， 其特征在于，步骤(2)中所述刀具轨迹是"S"件精加工中的一条与基座底面平行的闭合的刀 具轨迹。3. 根据权利要求1所述的基于"S"形检验试件的五轴联动数控机床动态误差检验方法， 其特征在于，当步骤(2)的检验过程中出现"S"形检验试件（1)的直纹面上未扫描到的部位 时，则采用测头(2)的探针(21)对该部位进行局部扫描测量，或者采用测头(2)的探针(21) 触碰该部位进行一次检验测量。4. 根据权利要求1所述的基于"S"形检验试件的五轴联动数控机床动态误差检验方法， 其特征在于，当发现扫描测量过的部位已经不满足五轴联动数控机床的动态精度的要求， 则终止对其它未扫描部位的进一步检验测量。
【文档编号】B23Q17/00GK105945649SQ201610407659
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月12日
【发明人】陈吉红, 周会成, 李雷
【申请人】华中科技大学