一种多轴数控机床C轴几何误差测量系统及参数辨识方法
专利汇可以提供一种多轴数控机床C轴几何误差测量系统及参数辨识方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种多轴数控机床C轴几何误差测量系统及参数辨识方法，针对多轴数控机床C轴的结构和特点，根据球杆仪的工作原理，利用多体系统理论，建立了在径向、切向和轴向三种联动模式下带有几何误差的运动方程和理想状态下的运动方程，通过球杆仪的两端 位置 变化量，并将球杆仪的两端坐标分别表述到同一 坐标系 中，求出两点间的实际距离，从而建立理论模型与实际测量值的关系，实现了C轴8项几何误差参数的辨识。本 发明 辨识出了旋转C轴全部的误差项，解决了几何误差参数间存在的耦合现象，而且准确，快捷，辨识 精度 高，对实现多轴数控机床其余旋 转轴 的误差辨识都具有重大的理论意义和现实意义。，下面是一种多轴数控机床C轴几何误差测量系统及参数辨识方法专利的具体信息内容。
1.一种基于多体系统理论的多轴数控机床C轴几何误差参数辨识方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)建立相邻两体运动关系方程
两个运动体的相互位置情况，令{rl}＝{rx ry rz 1}T表示L体上Pl点相对于L体坐标系的位置阵列，令{Plh}＝{xlh ylh zlh 1}T表示Pl点相对于I体坐标系的位置阵列，根据多体系统理论建立两体运动关系方程，由此可得：
{Plh}＝[SIL]p[SIL]pe[SIL]s[SIL]se{rl} (1)
式中，[SIL]p为L体相对于I体的相对位置变换矩阵，[SIL]pe为L体相对于I体的相对位置误差变换矩阵，[SIL]s为L体相对于I体的相对运动变换矩阵，[SIL]se为L体相对于I体的相对运动误差变换矩阵；
(2)C轴几何误差参数辨识方法分析
C轴几何误差参数总共8项，分别为：与位置点有关的跳动误差(δx(C)，δy(C)，δz(C))、颠摆和偏摆误差(εx(C)，εy(C))、滚摆误差(εz(C))和与位置点无关的垂直度误差(εxC，εyC)；
Ph点为球杆仪与工作台连接端，Ah、Bh、Dh点为与刀具主轴连接端，假设在运动时轴X轴、Y轴误差均已被补偿，则Ah、Bh、Dh点在运动过程中形成的轨迹为理想轨迹，由于运动时工作台存在几何误差，因此工作台上一点Ph在实际运动过程中就会偏离理想位置Ph点到达实际位置Ph′点，PhAh、PhBh、PhDh分别是径向、切向、轴向测量的球杆仪理想位姿，且理论长度分别为dr、dt、ds，由于几何误差误差的存在，实际运动过程中PhAh、PhBh、PhDh变为了Ph′Ah、Ph′Bh、Ph′Dh；
Ql-xQlyQlzQl坐标系为L体实际运动参考坐标系， 为L体实际体参考坐标系，
Ql-xQlyQlzQl与 之间的关系表明L体的运动情况，理想点Ph、Ah、Bh、Dh在坐标系Ql-xQlyQlzQl中的位置为：
(3)径向几何误差参数识别
根据式(1)可得，在径向模式下理论位置点Ph通过有误差的运动链描述到旋转中心处静止坐标系 中，可得实际位置点P′h为：
式中，Ch为工作台(C轴)旋转的角度，L为球杆仪工作台端球中心在旋转中心坐标系X向坐标值，H为球杆仪工作台端球中心在旋转中心坐标系Z向坐标值；
由于与刀具主轴联接端的运动轨迹为理想轨迹，因此根据(1)式，将矩阵中运动误差参数均置为零，可得理论位置点Ah在坐标系 中的无运动误差的位置点为：
式中，dr为径向的球杆仪理论长度；
则在 坐标系中，P′h与Ah之差为：
根据式(4)求得P′h与Ah之间的距离表达式为：
根据式(5)建立如下等式：
式中，Δdr为球杆仪从初始位置到第h个位置的径向杆长变化量；
将(6)式方程两边同时平方化简可得：
-δx(Ch)-H(εy(Ch)+εxC cos Ch-εyC sin Ch)＝Δdr (7)在(7)式中，令：
Wh＝εy(Ch)+εxC cos Ch-εyC sin Ch (8)
取二组不同H的可以得到：
-δx(Ch)-H1Wh＝Δdr1 (9)
-δx(Ch)-H2Wh＝Δdr2 (10)
用式(10)减去式(9)可得：
将式(11)代入(9)可得：
δx(Ch)＝-H1Wh-Δdr1 (12)
当Ch＝0即轴还未运动，运动角误差εy(Ch)为0，由此可得：
εxC＝W0 (13)
(4)切向几何误差参数识别
同理可得，在 坐标系中，P′h与Bh之差为:
根据式(14)求得Ph′与Bh之间的距离表达式为：
根据式(15)建立等式:
式中，Δdt为球杆仪从初始位置到第h个位置的切向杆长变化量；
对(16)式两边同时平方化简可得：
δy(Ch)+Lεz(Ch)-H(εx(Ch)+εxC sin Ch+εyC cos Ch)＝Δdt (17)在式(17)中，令：
Vh＝εx(Ch)+εxC sin Ch+εyC cos Ch (18)
取两组不同的H得到如下式：
δy(Ch)+L1εz(Ch)-H1Vh＝Δdt1 (19)
δy(Ch)+L1εz(Ch)-H2Vh＝Δdt2 (20)
用式(20)减去式(19)可得：
改变L的长度可得如下方程：
δy(Ch)+L2εz(Ch)-H1Vh＝Δdt3 (22)
用式(22)减去式(19)可得：
将Vh、εz(Ch)代入式(19)可得：
当Ch＝0即轴还未运动，运动角误差εx(Ch)为0，由此可得：
V0＝εyC (25)
将式(13)和式(25)带入式(8)，可得：
εy(Ch)＝Wh-εxC cos Ch+εyC sin Ch (26)
将式(13)和式(25)带入(18)式，可得：
εx(Ch)＝Vh-εxC sin Ch-εyC cos Ch
(27)
(5)轴向几何误差参数识别
同理可得，在 坐标系中，P′h与Dh之差为:
根据式(28)求得P′h与Dh之间的距离表达式为:
根据式(29)可得：
式中，Δds为球杆仪从初始位置到第h个位置的杆长变化量；
将式(30)两边同时平方化简可得：
δz(Ch)-L(εy(Ch)-εyC sin Ch+εxC cos Ch)＝Δds (31)
由式(8)可知，将式(31)变为：
δz(Ch)-LWh＝Δds (32)
假定当前长度L为Ls，因此得到：
δz(Ch)＝Δds+LsWh (32)
式中，Δds为球杆仪从初始位置到第h个位置的轴向杆长变化量，Ls为L的取值；
至此，与C轴相关的八项误差参数全部辨识出，与位置点有关的跳动误差(δx(C)，δy(C)，δz(C))分别通过式(12)、式(24)和式(32)辨识出；颠摆和偏摆误差(εx(C)，εy(C))分别通过式(27)和式(26)辨识出；滚摆误差(εz(C))通过式(23)辨识出；与位置点无关的垂直度误差(εxC，εyC)分别通过式(13)和式(25)辨识出。
2.根据权利要求1所述的一种基于多体系统理论的多轴数控机床C轴几何误差参数辨识方法，其特征在于：
本方法具体包括以下步骤：
步骤1，根据多体系统理论，建立相邻两体运动关系方程；
步骤2，通过对机床旋转轴的分析，得到C轴的几何误差项，然后根据球杆仪的工作原理，得到C轴几何误差参数辨识的径向，切向，轴向三种测量模式运动方向；Ah、Bh、Dh点为与刀具主轴连接端，由于运动时工作台存在几何误差，因此工作台上一点Ph在实际运动过程中就会偏离理想位置Ph点到达实际位置P′h点，PhAh、PhBh、PhDh分别是径向、切向、轴向测量的球杆仪理想位姿，且理论长度分别为dr、dt、ds，实际运动过程中PhAh、PhBh、PhDh变为了P′hAh、P′hBh、P′hDh；在工作台建立参考坐标系和运动参考坐标系，得到Ph、Ah、Bh、Dh的位置坐标；
步骤3，根据步骤2的分析，进行径向几何误差参数识别，通过建立在 坐标
系中的实际点P′h得位置方程和理论点Ah的位置方程得到二者之差与径向杆长的变化量的关系，辨识出与位置点有关的跳动误差δx(C)，与位置点无关的垂直度误差εxC；
步骤4，根据步骤2的分析，进行切向几何误差参数识别，通过建立在 坐标
系中的实际点P′h得位置方程和理论点Bh的位置方程得到二者之差与切向杆长的变化量的关系，辨识出与位置点有关的跳动误差δy(C)和εz(C)，与位置点无关的垂直度误差εyC，通过结合步骤3建立的方程，辨识出与位置点有关的跳动误差εy(C)和εx(C)；
步骤5，根据步骤2的分析，进行轴向几何误差参数识别，通过建立在 坐标
系中的实际点P′h得位置方程和理论点Dh的位置方程得到二者之差与切向杆长的变化量的关系，辨识出与位置点有关的跳动误差δz(C)；至此，C轴的8项误差全部辨识出来。
3.利用权利要求1所述方法设计的一种多轴数控机床C轴几何误差测量系统，其特征在于：
该测量系统包括多轴数控机床C轴(1)、球杆仪(2)、刀具主轴(3)、弹簧(4)、移动配重块(5)、调节支撑杆(6)和底座(7)；多轴数控机床C轴(1)为工作台，球杆仪(2)的两端部分别连接多轴数控机床C轴(1)和刀具主轴(3)，球杆仪(2)的端部一连接在工作台的表面，端部一固定在工作台的偏心处；球杆仪(2)的端部二直接连接刀具主轴(3)，球杆仪(2)水平布置，刀具主轴(3)竖直布置；球杆仪(2)的中间段为伸缩杆，伸缩杆通过与弹簧(4)与移动配重块(5)连接，移动配重块(5)安装在调节支撑杆(6)上，调节支撑杆(6)固定在底座(7)上，弹簧(4)和移动配重块(5)组成球杆仪(2)的减振结构；移动配重块(5)的竖直方向位置由调节支撑杆(6)的伸缩长度控制。
一种多轴数控机床C轴几何误差测量系统及参数辨识方法
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