[发明专利]五轴数控机床空间误差辨识方法

权利要求书

1.五轴数控机床空间误差辨识方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1.搭建一个一端固定在五轴数控机床主轴，另一端固定在回转工作台中心的球杆仪误差测量装置；

步骤2.根据所述的球杆仪误差测量装置建立空间误差测量模型；

步骤3.建立模型实验，通过球杆仪在不同角度的补差工作，读取数控车床的球杆仪理论杆长和球杆仪显示的实际杆长，并将数据代入所述空间误差测量模型中，对五轴数控机床旋转轴角度误差因素及旋转误差因素进行辨识；

所述空间误差测量模型的建立步骤如下：

步骤a.根据多体理论进行机床坐标系建模；

所述坐标系包括：与地面固定的机床坐标系MCS、刀具坐标系TCS、工件坐标系WCS、主轴的三个进给坐标系XCS、YCS、ZCS、带动刀具坐标旋转的旋转轴坐标系ACS、带动工件坐标旋转的旋转轴坐标系CCS，所述球杆仪固定在TCS与WCS中，且与TCS固定端为浮动端02，与WCS固定端为固定端01；

步骤b.根据空间勾股定理得到球杆仪的长度与坐标理论位置关系：

(L+ΔR)²＝(x′₁-x′₂)²+(y′₁-y′₂)²+(z′₁-z′₂)² (2)

结合上式(1)、(2)求出关于球杆仪半径变化与各进给轴误差分量的关系：

ΔR是球杆仪杆长的随机变量，ΔX、ΔY、ΔZ为球杆仪测得ΔR在X、Y、Z三个方向上可分解的误差变量；

步骤c.以O₁为原点建立坐标系，设球杆仪浮动端中心O₂在WCS下齐次坐标为P，设球杆仪沿杆方向与X轴夹角为θ，杆长为一固定数值L，求出P点的齐次坐标

P_i＝[cosαcosθL，sinαL，sinθL+h，1]^T，

和XCS、YCS联动误差传递矩阵为

求出的P点坐标在考虑误差影响情况下的实际坐标P_a：

式中ε_xx′、ε_yx′、ε_xy′、ε_yy′、ε_xz′、ε_yz′为X轴和Y轴运动分别对X、Y、Z三个进给轴产生的角度误差；δ_xx′、δ_xy′、δ_xz′为X轴运动对X、Y、Z三个进给轴产生的位置误差；α为X、Y轴进行圆弧插补工作时，设在X-Y平面内旋转角度；

步骤d.从齐次坐标矩阵中提取X、Y、Z三个方向上的分量即为ΔX、ΔY、ΔZ，代入式可得出ΔR关于各误差分量的方程：

ΔR’＝{[cosαcosθL+sinαL(-ε_xz′+ε_yz′)+(ε_xy′-ε_yy′)(sinθL+h)](x₂-x₁)+[cosαcosθL(ε_yz′+ε_xz′)+sinαL+(sinθL+h)(-ε_xx′+ε_yx′)](y₂-y₁)+[cosαcosθL(ε_xy′-ε_yy′)+sinαL(-ε_yx′+ε_xx′)+sinθL+h](z₂-Z₁)}/L

该方程式表达球坐标下TCS坐标系相对于WCS坐标系6个旋转误差分量产生导致的球杆仪长度变化。

2.根据权利要求1所述的一种五轴数控机床空间误差辨识方法，其特征在于，在安装球杆仪前，使用激光干涉仪对直线度误差进行辨识与补偿，消除X、Y、Z三个方向直线度误差对机床坐标系的影响。

3.根据权利要求1所述的一种五轴数控机床空间误差辨识方法，其特征在于，所述的模型实验不受限于球杆仪特定角度的补差工作。