[发明专利]五轴机床旋转轴几何误差在机检测装置及误差场预测方法

权利要求书

1.五轴机床旋转轴几何误差在机检测装置及误差场预测方法，其特征在于：该装置包含接触式测头、标准S形试件、4个标准球以及4个用于固定标准球的磁力表座组成的A、C轴几何误差在线检测系统，该系统由标准球1-4、标准S形试件5、试件底座6、主轴7、接触式测头8、四个相同的用于固定标准球的磁力表座9以及信号接收及处理系统组成，可以很好的对标准球和标准S形试件上的测量点进行接触测量，进而辨识旋转轴各项几何误差，建立空间误差场。装夹完成后还可以避免重复定位等问题。

2.根据权利要求1所述的五轴机床旋转轴几何误差在机检测装置及误差场预测方法，其特征在于：该装置采用磁力表座来进行标准球的固定和定位，S形试件固定在工作台的中央，标准球的直径为30mm，考虑到机床的实际工作范围大小，磁力表座的高度设定为70mm，它和标准球的整体高度设计为100毫米，S形试件高度为80mm。

3.根据权利要求1所述的五轴机床旋转轴几何误差在机检测装置及误差场预测方法，其特征在于：4个标准球分别摆放在位于工作台坐标系上的-X、+Y、+X、-Y方向上，且以工作台表面的中心点为圆心；标准S形试件位于工作台中心位置。

4.根据权利要求1所述的五轴机床旋转轴几何误差在机检测装置及误差场预测方法，其特征在于：测量所使用的标准球的精度达到G20及以上，标准S形试件的表面加工误差不超过15μm。

5.根据权利要求1所述的五轴机床旋转轴几何误差在机检测装置及误差场预测方法，其特征在于：本发明的创新之处为：(1)提供了一组旋转轴几何误差快速测量的检测仪器，即标准球和标准S形试件的组合样件；(2)提供了一种基于标准球和标准S形试件组合样件的旋转轴各项几何误差辨识的新方法；(3)提供了一种重构本机床加工的S形试件曲面，与标准S形试件进行轮廓误差比对，据此对机床加工空间各位置点的旋转轴几何误差进行反馈、补偿的方法；(4)建立了五轴机床旋转轴的加工空间几何误差场，可以预测加工空间各位置的几何误差大小。

6.根据权利要求1所述的五轴机床旋转轴几何误差在机检测装置及误差场预测方法，其特征在于：该五轴机床旋转轴几何误差在机检测装置及误差场预测方法包括以下步骤：

步骤1.建立A、C两旋转轴的12项几何误差数学模型并辨识求解。其中包括A轴绕X、Y、Z轴转动的角位移误差ε_αA、ε_βA、ε_γA以及沿X、Y、Z方向的线位移误差δ_xA、δ_yA、δ_zA；C轴绕X、Y、Z轴转动的角位移误差ε_αC、ε_βC、ε_γC以及沿X、Y、Z方向的线位移误差δ_xC、δ_yC、δ_zC。

步骤2.定位标准球及S形试件：将四个直径为30mm的标准球固定在高度为70mm的磁力表座上，然后以圆形均匀分布在旋转工作台边缘上，圆心和工作台的中心重合；将S形试件固定在工作台中心位置。

步骤3.设定A轴和C轴的旋转角度：根据五轴机床的运动情况，将A轴的旋转设定4个角度，C轴旋转设定11个角度，两旋转轴在不同角度组合下产生的空间几何误差即可看成A、C轴联动产生的几何误差，A轴的4个角度分别为：A_i＝0°，30°，60°，90°(i＝1～4)，C轴的11个角度分别为C_j＝0°，30°，60°，90°，120°，150°，180°，210°，240°，270°，300°，330°(j＝1～12)，工作台在不同A、C旋转角度组合下的空间位置(A_i，C_j)共有4×12＝48个；

步骤4.确定每个空间位置下标准球和S形试件上测量点的数量和位置：在测量点的测量过程中，要求对标准S形试件和4个标准球上规划的各个测量点进行在机接触测量，从A_i＝0°，C_j＝0°开始，依次测量工作台在每个A轴和C轴不同旋转角度下形成的加工空间中标准S形试件和4个标准球上的n个测量点，例如：当A_i＝0°，C_j＝0°时，共有n＝24个测试点，其中4个标准球上各有4个测量点，标准S形试件上有8个测量点。为了避免测头和标准球以及S形试件之间产生干涉，各角度下的测量点数目和位置会产生一定变化，但每个标准球上至少需要测量三个点以确定其球心坐标。此外，测头的方向垂直于待测标准球和标准S形试件的表面；

步骤5.得出12项旋转轴几何误差的具体数值:利用测得的各测量点实际坐标P，计算两旋转轴的12项几何误差，得出各项几何误差的具体数值。同时对本机床加工后的S形试件进行在机测量，根据各测量点进行曲面重构，重构后的S形试件与标准S形试件进行轮廓误差比对，据此对加工空间各位置点的旋转轴几何误差进行补偿等；

步骤6.建立五轴机床旋转轴几何误差空间误差场：根据建立的A、C两旋转轴几何误差元素之间的数学模型和步骤5中得到的两旋转轴转动过程中各项几何误差具体数值，建立五轴机床旋转轴几何误差空间误差场。