基于R-test测量仪的五轴数控机床全工作空间热误差测量方法
阅读说明：本技术 基于R-test测量仪的五轴数控机床全工作空间热误差测量方法 (Full-working-space thermal error measuring method of five-axis numerical control machine tool based on R-test measuring instrument ) 是由 苗恩铭 张仁杰 杨勇 江涛 谭人铭 于 2021-07-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及五轴数控机床热误差测量领域,公开了一种基于R-test测量仪的五轴数控机床全工作空间热误差测量方法,将R-test测量仪配置到五轴数控机床的刀库中,在机床工作台上布置标准球并对标准球进行编号；控制机床主轴带动-test测量仪依次测量每个标准球的球心坐标,获得第一批次球心坐标数据,作为参考球心坐标数据；重复以下步骤,直到获取到的数据量满足需求：通过换刀系统切换R-test测量仪与刀具,当切换为刀具时运行五轴机床至发热；当切换为R-test测量仪,依次测量每个标准球的球心坐标,获得球心坐标数据；根据获取到的球心坐标数据计算热误差。本发明突破了R-test测量仪只能适用于局部工作空间的热误差测量的局限,拓展了R-test测量仪在五轴数控机床全工作空间热误差测量中的应用。(The invention relates to the field of thermal error measurement of five-axis numerical control machines, and discloses a method for measuring the thermal error of a whole working space of a five-axis numerical control machine based on an R-test measuring instrument, wherein the R-test measuring instrument is configured in a tool magazine of the five-axis numerical control machine, and a standard ball is arranged on a worktable of the machine and is numbered; controlling a machine tool spindle to drive a test measuring instrument to sequentially measure the spherical center coordinates of each standard ball to obtain first batch of spherical center coordinate data serving as reference spherical center coordinate data; repeating the following steps until the obtained data volume meets the requirement: switching the R-test measuring instrument and the cutter through a cutter changing system, and operating the five-axis machine tool to generate heat when the cutter is switched; when the standard ball is switched to the R-test measuring instrument, the sphere center coordinates of each standard ball are measured in sequence to obtain sphere center coordinate data; and calculating the thermal error according to the acquired sphere center coordinate data. The invention breaks through the limitation that the R-test measuring instrument can only be suitable for measuring the thermal error of the local working space, and expands the application of the R-test measuring instrument in the measurement of the thermal error of the full working space of the five-axis numerical control machine tool.)
技术领域
本发明涉及五轴数控机床热误差测量领域。
背景技术
数控机床被称为装备制造业的“工业母机”，其发展质量是衡量一个国家装备制造业水平的重要指标。温度引起的热误差在机床加工的全误差中占40～70％，对数控机床热误差性能的评估是高端数控装备的不可或缺的核心技术之一。
热特性测量技术在机床研究领域是非常重要的，目前进行机床热误差测量采用国际标准《机床检验通则第3部分：热效应的确定》(ISO 230-3：2001 IDT)提出的“五点法”。但此方法主要是对三轴数控加工中心工作空间进行单点测量，无法反映整个机床工作空间上的热误差变化情况，且五轴机床相较于三轴机床多出了两个旋转轴，工作台或主轴的旋转、摆动运动会与“五点法”测量发生干涉，故不适用于五轴数控机床全工作空间的热误差测量。
R-test测量仪是一种球心测量装置，包括测量底座以及三个位移传感器，三个位移传感器之间具有一定的排列方式，通过三个位移传感器来感应标准球的球心位置坐标。
目前，一般都是将R-test测量仪安装在五轴机床工作台上，标准球安装在主轴上来测量五轴机床的热误差，由于R-test测量仪的测量范围有限，因此单个R-test测量仪只能适用于五轴机床的局部工作空间的热误差测量。若要安装多个R-test测量仪，不仅成本高昂，而且由于R-test测量仪体积较大且是有线连接，难以在五轴机床的工作台上布置多个R-test测量仪。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种基于R-test测量仪的五轴数控机床全工作空间热误差测量方法，解决如何利用R-test测量仪实现五轴数控机床全工作空间热误差测量的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种基于R-test测量仪的五轴数控机床全工作空间热误差测量方法，包括以下步骤：
将R-test测量仪配置到五轴数控机床的刀库中，从而能够通过换刀系统将R-test测量仪与刀具进行切换；并且以安装刀具的方式将R-test测量仪安装在机床主轴上；
在机床工作台上布置标准球并对标准球进行编号：在机床工作台中央安装中央支架，围绕所述中央支架均匀分布若干边缘支架；所述中央支架通过平行于机床工作台台面的连杆安装标准球，在中央支架上从上至下安装多层中央标准球，并且上下相邻的中央标准球的连杆互相平行；每层中央标准球均呈环形分布，中央标准球的环形分布范围从上至下逐渐增大；所述边缘支架通过平行于机床工作台面的连杆安装标准球，在每个边缘支架上从上至下安装多层边缘标准球，并且上下相邻的边缘标准球的连杆互相平行；各个边缘支架上等高层的边缘标准球围绕中央支架形成环形分布；任意层边缘标准球与任意层中央标准球均不等高；
控制机床主轴带动R-test测量仪依次测量每个标准球的球心坐标，获得第一批次球心坐标数据，作为参考球心坐标数据；
重复以下步骤，直到获取到的数据量满足需求：通过换刀系统切换R-test测量仪与刀具，当切换为刀具时运行五轴机床至发热；当切换为R-test测量仪，依次测量每个标准球的球心坐标，获得球心坐标数据；
根据获取到的球心坐标数据计算热误差。
进一步的，Z轴轴向热误差为：其中，ΔZi表示第i个标准球在其所在工作空间位置上沿Z轴方向的热误差；表示第i标准球的Z轴参考坐标，即第i标准球的第一批次Z轴坐标；表示第i个标准球的第n批次Z轴坐标。
进一步的，X轴轴向热误差为：其中，ΔXi表示在第i个标准球所在的工作空间位置上沿X轴方向的热误差；表示第i标准球的X轴参考坐标，即第i标准球的第一批次X轴坐标；表示第i个标准球的第n批次X轴坐标。
进一步的，Y轴轴向热误差为：其中，ΔYi表示在第i个标准球所在的工作空间位置上沿Y轴方向的热误差；表示第i标准球的Y轴参考坐标，即第i标准球的第一批次Y轴坐标；表示第i个标准球的第n批次Y轴坐标。
进一步的，绕Y轴旋转产生的角度热误差为：
其中，表示在第i个标准球所在的工作空间位置上的绕Y轴旋转产生的角度热误差，ΔXi表示在第i个标准球所在的工作空间位置上沿X轴方向的热误差；ΔXj表示在第j个标准球所在的工作空间位置上沿X轴方向的热误差，且第j个标准球的连杆平行于第i个标准球的连杆。
进一步的，绕X轴旋转产生的角度热误差为：
其中，ΔaXi表示在第i个标准球所在的工作空间位置上的绕Y轴旋转产生的角度热误差，ΔXi表示在第i个标准球所在的工作空间位置上沿Y轴方向的热误差；ΔXj表示在第j个标准球所在的工作空间位置上沿Y轴方向的热误差，且第j个标准球的连杆平行于第i个标准球的连杆。
进一步的，所述中央支架包括底座与设置在底座上的矩形立柱，底座通过压紧装置固定在机床工作台上，所述矩形立柱的横截面为正方形，每层中央标准球均包括4个标准球，并分别通过连杆连接到矩形立柱的4个侧面上。
进一步的，在所述矩形立柱的对角线的4条延长线上相应设置边缘支架，形成环形分布；每个边缘支架上的每层边缘标准球的连杆均在所述矩形立柱的对角线的相应延长线上。
进一步的，所述边缘支架为内部镂空的阶梯形支架，各层边缘标准球分别安装在阶梯形支架的各级台阶的立面上，阶梯形支架通过插入其内部的压紧装置固定在机床工作台上。
进一步的，任意边缘标准球的连杆所在直线与任意标准球的连杆所在直线为异面直线；按如下采样路径之一对各层标准球进行测量：采样路径a)：从外至内，且从下至上，螺旋上升采样；采样路径b)：从内至外，且从上至下上，螺旋下降采样。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明突破了现有技术中R-test测量仪只能适用于五轴机床的局部工作空间的热误差测量的局限，拓展了R-test测量仪在全工作空间热误差测量中的应用，从而充分发挥R-test测量仪能够直接检测球心坐标的优势，提高采样效率，提高热误差测量效率。
2、本发明通过调换R-test测量仪与标准球之间的安装位置，同时对标准球的布局进行创新设计，实现了对五轴数控机床全工作空间的热误差采样，为热误差计算提高数据基础。
3、本发明中标准球的布局在XY平面内形成覆盖机床工作台平面的同心圆，通过多层标准球在Z轴方向上覆盖不同的高度范围，从而覆盖了机床全工作空间。
4、角度热误差的计算是以同一支架上的上下标准球之间互相平行的位置关系作为几何基础，同时利用了轴向热误差的计算结果，简化了数据采集量。
5、任意边缘标准球的连杆所在直线与任意标准球的连杆所在直线为异面直线，使得标准球在分布较为稀疏情况下，尽可能多的覆盖机床工作空间的不同方位，同时由于分布较为稀疏，能够很好的避免R-test测量仪在运动过程中发生干涉。
6、本发明的采样路径连续，能够提高采样效率，缩短采样时间。
7、中央支架采用矩形立柱，体积较小，为中央标准球留出更多的空间，以利于更全面的覆盖机床工作空间的中央区域；边缘支架采用阶梯形支架，空间层次丰富，使得边缘标准球能够更全面的覆盖机床工作空间的边缘区域。
附图说明
图1是本
具体实施方式
中总体安装结构示意图；
图2是图1的局部放大图；
图3是本具体实施方式中采样路径示意图。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施方式对本发明作进一步的详细说明。
一)、安装说明
将R-test测量仪配置到五轴数控机床的刀库中，从而能够通过换刀系统将R-test测量仪与刀具进行切换；并且以安装刀具的方式将R-test测量仪安装在机床主轴上。通过控制机床主轴的移动来实现将R-test测量仪10的位置。
在机床工作台8上布置标准球并对标准球2进行编号(参考图3中，2-1至2-24)：在机床工作台中央安装中央支架，围绕所述中央支架均匀分布若干边缘支架；所述中央支架通过平行于机床工作台台面的连杆安装标准球，在中央支架上从上至下安装多层中央标准球，并且上下相邻的中央标准球的连杆互相平行；每层中央标准球均呈环形分布，中央标准球的环形分布范围从上至下逐渐增大；所述边缘支架通过平行于机床工作台面的连杆安装标准球，在每个边缘支架上从上至下安装多层边缘标准球，并且上下相邻的边缘标准球的连杆互相平行；各个边缘支架上等高层的边缘标准球围绕中央支架形成环形分布。
本具体实施方式中，任意边缘标准球的连杆所在直线与任意标准球的连杆所在直线为异面直线。任意边缘标准球的连杆所在直线与任意标准球的连杆所在直线为异面直线，使得标准球在分布较为稀疏情况下，尽可能多的覆盖机床工作空间的不同方位，同时由于分布较为稀疏，能够很好的避免R-test测量仪在运动过程中发生干涉。
本具体实施方式中，所述中央支架9包括底座与设置在底座上的矩形立柱，底座通过压紧装置固定在机床工作台上，所述矩形立柱的横截面为正方形，每层中央标准球均包括4个标准球，并分别通过连杆连接到矩形立柱的4个侧面上。
本具体实施方式中，在所述矩形立柱的对角线的4条延长线上相应设置边缘支架，形成环形分布；每个边缘支架上的每层边缘标准球的连杆均在所述矩形立柱的对角线的相应延长线上。
本具体实施方式中，所述边缘支架3为内部镂空的阶梯形支架，各层边缘标准球分别安装在阶梯形支架的各级台阶的立面上，阶梯形支架通过插入其内部的压紧装置固定在机床工作台上。
中央支架可以是圆柱形、棱柱形，甚至是阶梯形支架的组合，边缘支架也可以是圆柱形、棱柱形。中央支架与边缘支架上设有螺纹孔，连杆为螺纹杆，连杆螺纹连接在中央支架与边缘支架上。但是，中央支架采用矩形立柱，体积较小，为中央标准球留出更多的空间，以利于更全面的覆盖机床工作空间的中央区域；边缘支架采用阶梯形支架，空间层次丰富，使得边缘标准球能够更全面的覆盖机床工作空间的边缘区域。
压紧装置包括T型螺栓4、螺母5、压板6、三角齿形压板定位夹7，压紧装置采用现有技术即可，在此不必再赘述。
二)、获取采样数据
通过操作R-test测量仪10按照采样路径测量每个标准球的球心坐标，得到标准球的球心坐标并进行记录保存，本具体实施方式中，i＝1，2，3…24，表示24个标准球，其中n＝1，2，3…m，表示测量数据的批次；例如表示为第一个标准球的第一批次球心坐标数据，作为参考球心坐标数据。
参考图3所示，按如下采样路径之一对各层标准球进行测量：采样路径a)：从外至内，且从下至上，螺旋上升采样；采样路径b)：从内至外，且从上至下上，螺旋下降采样。
第一批次数据处理完成后将球心测量装置10换入机床刀库中并取出一把刀具，再按预定的程序运行五轴机床，使五轴机床发热；
重复以下步骤，直到获取到的数据量满足需求：通过换刀系统切换R-test测量仪与刀具，当切换为刀具时运行五轴机床至发热；当切换为R-test测量仪，依次测量每个标准球的球心坐标，获得球心坐标数据。
三)、数据处理
原理上是通过相对测量法实现热误差测量，故能够得到各个测量点沿X，Y，Z的热误差位移，以及绕X，绕Y方向的角度偏差。
Z轴轴向热误差为：其中，ΔZi表示第i个标准球在其所在工作空间位置上沿Z轴方向的热误差；表示第i标准球的Z轴参考坐标，即第i标准球的第一批次Z轴坐标；表示第i个标准球的第n批次Z轴坐标。
X轴轴向热误差为：其中，ΔXi表示在第i个标准球所在的工作空间位置上沿X轴方向的热误差；表示第i标准球的X轴参考坐标，即第i标准球的第一批次X轴坐标；表示第i个标准球的第n批次X轴坐标。
Y轴轴向热误差为：其中，ΔYi表示在第i个标准球所在的工作空间位置上沿Y轴方向的热误差；表示第i标准球的Y轴参考坐标，即第i标准球的第一批次Y轴坐标；表示第i个标准球的第n批次Y轴坐标。
绕Y轴旋转产生的角度热误差为：
其中，ΔαYi表示在第i个标准球所在的工作空间位置上的绕Y轴旋转产生的角度热误差，ΔXi表示在第i个标准球所在的工作空间位置上沿X轴方向的热误差；ΔXj表示在第j个标准球所在的工作空间位置上沿X轴方向的热误差，且第j个标准球的连杆平行于第i个标准球的连杆。
绕X轴旋转产生的角度热误差为：
其中，ΔαXi表示在第i个标准球所在的工作空间位置上的绕Y轴旋转产生的角度热误差，ΔXi表示在第i个标准球所在的工作空间位置上沿Y轴方向的热误差；ΔXj表示在第j个标准球所在的工作空间位置上沿Y轴方向的热误差，且第j个标准球的连杆平行于第i个标准球的连杆。
本发明突破了现有技术中R-test测量仪只能适用于五轴机床的局部工作空间的热误差测量的局限，拓展了R-test测量仪在全工作空间热误差测量中的应用，从而充分发挥R-test测量仪能够直接检测球心坐标的优势，提高采样效率，提高热误差测量效率。
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