一种堆栈式工作台的误差补偿控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及机床误差补偿技术领域，具体涉及一种堆栈式工作台的误差补偿控制方法。
【背景技术】
[0002]目前大多数机床采用堆栈式结构，即X、Y两个方向溜板上下叠加安装在床身上，每个方向依靠两根导轨共同支撑，进行一个方向的运动。工作台安装在溜板上，工件放在工作台中间进行定位。因此每个方向两根导轨的综合误差都会直接影响工件的加工精度。
[0003]机床几何误差中的导轨系统误差不仅与导轨系统本身质量有关，在运动速度、温度、切削力等因素作用下，床身三维热变形和力变形误差也会耦合到导轨系统上，使导轨系统各误差分量增大或减小。某一方向导轨系统误差的影响是二维的，它不仅会产生本方向上常见的线值误差、角运动误差，而且还会传递至另一方向导轨系统，使其产生附加的线值误差和角运动误差，从而产生附加阿贝误差。
[0004]研宄表明，几何误差和由温度、切削力引起的误差约占机床总体误差的70%，其中几何误差相对稳定易于进行误差补偿，而进行机床的误差补偿，误差测量是关键，误差模型是基础。
【发明内容】
[0005](一)解决的技术问题
[0006]本发明所要解决的技术问题是提供一种堆栈式工作台的误差补偿控制方法，能够分析堆栈式工作台Y方向导轨系统误差和其传递至X方向导轨系统所产生的附加阿贝误差并建立阿贝误差模型，应用上述模型对堆栈式工作台单向运动二维阿贝误差进行补偿控制。
[0007]( 二)技术方案
[0008]为实现以上目的，本发明所采用的堆栈式工作台的误差补偿控制方法，包括以下步骤:
[0009]步骤一、分析堆栈式工作台Y轴导轨偏摆角和俯仰角引起的加工点Y方向的阿贝误差并建立阿贝误差模型；
[0010]步骤二、分析堆栈式工作台的Y轴导轨角度误差对X轴导轨角度误差相关性和抵偿性的影响；
[0011]步骤三、建立X轴导轨角度误差和Y轴导轨角度误差共同作用下的加工点X方向的阿贝误差模型；
[0012]步骤四、应用上述模型对堆栈式工作台单向运动二维阿贝误差进行补偿控制。
[0013]进一步的，所述Y轴导轨偏摆角引起的加工点Y方向上阿贝误差Spy的表达式为:5PY= Axtan ε yz (I)
[0014]式中Ax——工件加工点的理想坐标为(X，y，z)时，Y轴导轨的测量点和工件加工点在X方向上的距离，可由光栅尺测得，其中，测量点位于Y轴导轨光栅尺所在的直线上；
[0015]ε yz一一工件加工点的理想坐标为(X，y, z)时，Y轴导轨的偏摆角，是在切削环境温度变化引起的热变形误差、切削力引起的力变形误差、双导轨本身的结构误差共同作用下测得，并规定绕Z轴逆时针旋转的方向为其正方向，反之为其负方向；
[0016]所述Y轴导轨俯仰角引起的加工点Y方向上阿贝误差Sfy的表达式为:δ fy =Aztan ε yx (2)
[0017]式中Az——工件加工点的理想坐标为(X，y，z)时，Y轴导轨的测量点和工件加工点在Z方向上的距离，可由光栅尺测得，其中，测量点位于Y轴导轨光栅尺所在的直线上；
[0018]ε yx一一工件加工点的理想坐标为(X，γ，z)时，Y轴导轨的俯仰角，是在切削环境温度变化引起的热变形误差、切削力引起的力变形误差、双导轨本身的结构误差共同作用下测得，并规定绕X轴逆时针旋转的方向为其正方向，反之为其负方向；
[0019]所述Y轴导轨偏摆角和俯仰角共同引起的加工点Y方向上阿贝误差\为δ py*Sfy的矢量和，其表达式为:
[0020]δ y= δ py+ δ fy= A xtan ε yz+Aztan ε yx (3)。
[0021]进一步的，所述X轴导轨偏摆角exz(x，y)为X轴导轨自身偏摆角εχζ和Y轴导轨偏摆角ε卩的矢量和，其表达式为:
[0022]ε χζ (χ, y) = ε χζ+ ε yz ⑷
[0023]式中ε χζ——工件加工点的理想坐标为(X，y，z)时，X轴导轨的偏摆角，是在切削环境温度变化引起的热变形误差、切削力引起的力变形误差、双导轨本身的结构误差共同作用下测得，并规定绕Z轴逆时针旋转的方向为其正方向，反之为其负方向；
[0024]所述X轴导轨俯仰角ε xy (x, y)为X轴导轨自身俯仰角ε xjP Y轴导轨滚转角ε yy的矢量和，其表达式为:
[0025]ε xy (x, y) = ε xy+ ε yy (5)
[0026]式中ε xy——工件加工点的理想坐标为(X，y，z)时，X轴导轨的俯仰角，是在切削环境温度变化引起的热变形误差、切削力引起的力变形误差、双导轨本身的结构误差共同作用下测得，并规定绕Y轴逆时针旋转的方向为其正方向，反之为其负方向；
[0027]ε yy一一工件加工点的理想坐标为(X，y, z)时，Y轴导轨的滚转角，是在切削环境温度变化引起的热变形误差、切削力引起的力变形误差、双导轨本身的结构误差共同作用下测得，并规定绕Y轴逆时针旋转的方向为其正方向，反之为其负方向。
[0028]进一步的，所述X轴导轨偏摆角引起的加工点X方向上阿贝误差δρχ的表达式为:δ Px= B ytan ε xz (x, y) = Bytan ( ε χζ+ ε yz) (6)
[0029]式中By——工件加工点的理想坐标为(X，y，z)时，X轴导轨的测量点和工件加工点在Y方向上的距离，可由光栅尺测得，其中，测量点位于X轴导轨光栅尺所在的直线上；
[0030]所述X轴导轨俯仰角引起的加工点X方向上阿贝误差δ?χ的表达式为:δ fx =Bztan ε xy (χ, y) = Bztan ( ε xy+ ε yy) (7)
[0031]式中Bz——工件加工点的理想坐标为(X，y，z)时，X轴导轨的测量点和工件加工点在Z方向上的距离，可由光栅尺测得，其中，测量点位于X轴导轨光栅尺所在的直线上；
[0032]所述X轴导轨偏摆角和俯仰角共同引起的加工点X方向上阿贝误差δ# δ ρχ*Sfx的矢量和，其表达式为:
[0033]δ χ= δ ρχ+ δ fx= B ytan ( ε χζ+ ε yz) +Bztan ( ε xy+ ε yy) (8)。
[0034](三)有益效果
[0035]本发明提供了一种堆栈式工作台的误差补偿控制方法，能够分析堆栈式工作台Y轴导轨偏摆角和俯仰角引起的加工点Y方向的阿贝误差并建立阿贝误差模型；分析堆栈式工作台的Y轴导轨角度误差对X轴导轨角度误差相关性和抵偿性的影响；建立X轴导轨角度误差和Y轴导轨角度误差共同作用下的加工点X方向的阿贝误差模型；应用上述模型对堆栈式工作台单向运动二维阿贝误差进行补偿控制。此种建模精度更高，更符合工作台的实际工作状态，为下一步的误差测量和误差补偿工作提供基础，从而有效提高机床的加工精度。
【附图说明】
[0036]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0037]图1为堆栈式工作台的结构示意图；
[0038]图2为堆栈式工作台Y轴导轨的结构示意图；
[0039]图3(a)为Y轴导轨偏摆角引起的Y方向上阿贝误差示意图；
[0040]图3(b)为Y轴导轨俯仰角引起的Y方向上阿贝误差示意图；
[0041]图4为堆栈式工作台X轴导轨结构示意图；
[0042]图5 (a)为Y轴导轨偏摆角对X轴导轨偏摆角的影响示意图；
[0043]图5 (b)为Y轴导轨滚转角对X轴导轨俯仰角的影响示意图；
[0044]图6为堆栈式工作台X轴导轨阿贝误差示意图。
[0045]图中:1、工件、2、工作台、3、X轴导轨、4、X方向光栅尺、5、Y轴导轨、6、床身、7、Y方向光栅尺、8、立柱、9、Z轴导轨、10、Z方向光栅尺、11、主轴箱。
【具体实施方式】
[0046]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0047]图1为堆栈式工作台结构示意图，机床主体包括床身6、工作台2、Χ轴导轨3、Χ方向光栅尺4、Y轴导轨5、Y方向光栅尺7、立柱8、Z轴导轨9、Z方向光栅尺10、主轴箱11几大主要组成部件。其中，Y轴导轨5固装在床身6上部，X轴导轨3叠加安装在Y轴导轨5上，工作台2安装在X轴导轨3上，待加工件I装夹在工作台2上，立柱8安装在床身6后部，Z轴导轨9安装在立柱8上。X方向光栅尺4安装在工作台2与X轴导轨3接触边线上，用于测量工作台沿X方向移动的距离；Υ方向光栅尺7安装在X轴导轨3与Y轴导轨5接触边线上，用于测量工作台沿Y方向移动的距离；Ζ方向光栅尺10安装在立柱11与Z轴导轨9接触边线上，用于测量刀具沿Z方向移动的距离。
[0048]如图1所示，工件I加工点P的理想坐标为(X，y，z)时，Y轴导轨的偏摆角记为eyz，规定绕Z轴逆时针旋转的方向为其正方向；俯仰角记为^yx，规定绕X轴逆时针旋转的方向为其正方向；滚转角记为eyy，规定绕Y轴逆时针旋转的方向为其正方向；由偏摆角引起的阿贝误差记为Spy，由俯仰角引起的阿贝误差记为Sfy，由、和δ &共同引起的阿贝误差记为Sy