一种用于五轴数控机床RTCP检测的误差与姿态同步标定方法

摘要

本发明公开了一种用于五轴数控机床RTCP检测的误差与姿态同步标定方法，针对目前RTCP检测仪存在的不能反映刀尖点位置误差所对应的刀具姿态的问题，本发明的方法在不更换、改造现有RTCP检测仪器的情况下，通过在输入机床的RTCP检测指令中分别附加一段X、Y、Z的三轴正负方向的标定位移，共进行3组、合计6次检测，将姿态角度坐标函数与误差函数变换得到刀尖点的误差与刀具姿态的函数，利用转换和计算方法，确定数值关系，即实现刀尖点误差与刀具姿态的同步检测，较为精确地得到刀尖点位置误差及其对应的刀具姿态，更加准确地反映机床动态精度。

说明书

技术领域

本发明属于多轴数控加工精度检测领域，具体涉及一种用于五轴数控机床RTCP检测的误差与姿态同步标定方法。

背景技术

数控机床是现代制造业的基础，数控机床的精度将直接影响加工产品的精度。五轴数控机床，顾名思义，通过在传统三轴机床的基础上添加两个转动轴，从而使其获得加工复杂曲面的能力，被广泛应用于飞机零部件、叶轮螺旋桨等高去除率、高精度工件的加工，在航空航天、精密仪器等领域有着重要影响。对于五轴数控机床来说，相比起其它误差类型，伺服系统动态性能缺陷引起的动态误差是高速高精度运动过程中影响加工精度的最主要因素，因此，对于动态精度进行检测，对五轴数控机床的使用与改进具有重要的意义。

RTCP检测仪是一种较为常用的五轴机床动态精度检测仪器。现代五轴机床利用RTCP (Rotation Tool Centre Point)功能，即绕刀具中心点旋转功能减小转动过程中的非线性误差，根据该功能，国外研制出RTCP检测仪，该装置由3个固定相互垂直的位移传感器和 1个安装在主轴上的标准球组成，基于RTCP功能，设计五轴联动指令保持主轴末端标准球相对工作台静止，利用检测小球三个方向上的位移偏差，直接反映五轴机床的动态精度。

RTCP检测的基本方法为：打开数控起床的RTCP功能，设定刀尖点位置固定，刀具姿态角度变化，理论上刀尖点应该保持静止，但由于各轴跟随误差的存在，实际上刀尖点会产生标定位移，即产生了误差，通过检测和分析刀尖点标定位移，可以评估机床性能并指导机床调试。然而目前RTCP检测仪普遍只能检测刀具刀尖点的三个轴向的位置误差，不能反映位置误差所对应的刀具姿态，在对检测结果进行分析时无法通过刀具姿态推导刀轴点位姿以便准确追溯刀尖点误差的来源，检测方法不够完善。针对该问题， CN104625880A公开了一种RTCP检测装置，同步检测刀尖点误差与刀具姿态角度，但该技术涉及一种新的检测仪器，制作复杂且成本较高。综上所述，目前缺乏一种在现有检测仪器的基础上进行RTCP误差与姿态同步检测的检测方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于五轴数控机床RTCP检测的误差与姿态同步标定方法，其针对目前RTCP检测仪存在的不能反映刀尖点位置误差所对应的刀具姿态的问题，在不更换、不改造检测仪器的情况下，通过改进和增加部分检测步骤，较为精确地得到刀尖点位置误差及其对应的刀具姿态，更加准确地反映机床动态精度。

本发明的实施例是这样实现的：

一种用于五轴数控机床RTCP检测的误差与姿态同步标定方法，包括以下步骤：

S1、建立X轴、Y轴、Z轴的三轴坐标轴；

S2、通过五轴数控机床分别对X轴的正方向和负方向完成标定位移的RTCP检测，同步完成标定姿态的检测，将刀尖点在三轴方向的检测结果加入误差表示；

S3、通过S2得到刀尖点在三轴方向的检测结果与误差的关系，将检测结果与误差的关系用姿态角度坐标函数表示；

S4、将刀尖点在Y轴和Z轴的误差取近似值，取值分别为Y轴、Z轴的误差关于姿态角度的平均值；

S5、将步骤S3中两次检测结果以X轴正方向倒序求取平均值，再通过S4中的取值得到刀具的姿态和刀尖点在Y轴和Z轴两方向检测结果与误差的关系；

S6、重复步骤S2～S5分别对Y轴和Z轴进行检测，取与轴对应的测试平均值，得出刀尖点的误差与刀具姿态的关系。

在本发明较佳的实施例中，上述S2中的正负两方向检测结果表达式分别为：

其中，三轴的刀尖点误差分别设为e_x、e_y、e_z，X_测、Y_测和Z_测分别为X、Y和Z三轴检测的结果，t_总为单次检测的总时长，d为标定位移，t为完成标定位移的时长，t⁺和t^-分别表示与完成检测间隔一小段时间的后一时刻和前一时刻。

在本发明较佳的实施例中，上述S3中的两次检测结果的姿态角度坐标函数表达式分别为：

其中，三轴的刀尖点误差分别设为e_x、e_y、e_z，X_测、Y_测和Z_测分别为X、Y和Z三轴检测的结果，i和j分别为姿态角度的变量，t为完成标定位移的时长，i⁺、j⁺和i^-、j^-分别表示与完成检测间隔一小段时间的后一姿态角度和前一姿态角度。

在本发明较佳的实施例中，上述S5中刀尖点在Y轴和Z轴两方向的检测结果分别设为Y'和Z'，其表达式为：

其中，e_y⁺、e_y^-和e_z⁺、e_z^-为完成检测间隔一小段时间的后一时间和前一时间的分别为y>

在本发明较佳的实施例中，上述S5中刀具的姿态函数的表达式为：

其中，t为完成标定位移的时长，t_总为单次检测的总时长，d为标定位移，x为检测结果的X轴方向分量，f和g分别为角度与时间的函数。

在本发明较佳的实施例中，上述刀尖点误差与刀具姿态的关系取S2～S6平均检测结果。

在本发明较佳的实施例中，上述S4中的取近似值条件为：t⁺和t^-分别与完成检测间隔的时间远小于t_总。

在本发明较佳的实施例中，上述标定位移的范围为0～5mm。

在本发明较佳的实施例中，上述S2～S5中，X轴、Y轴和Z轴的检测顺序可换。

在本发明较佳的实施例中，上述三轴坐标轴的坐标原点设为检测前的刀具刀尖空间位置。

本发明的有益效果是：

本发明在不更换、改造现有RTCP检测仪器的情况下，通过建立坐标对X轴、Y轴和 Z轴的三轴，分别完成正方向和负方向的标定位移检测和同步标定姿态检测，将姿态角度坐标函数与误差函数变换得到刀尖点的误差与刀具姿态的函数，从而确定取值关系，即实现刀尖点误差与刀具姿态的同步检测，较为精确地得到刀尖点位置误差及其对应的刀具姿态，更加准确地反映机床动态精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定。

图1为本发明刀尖点沿X轴正方向的空间位移的示意图；

图2为本发明RTCP检测结果沿XYZ三轴方向分量的示意图；

图3为本发明刀尖点沿XYZ三轴的空间位移的示意图；

图4为本发明RTCP检测结果沿XYZ三轴方向分量的示意图。

具体实施方式

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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

第一实施例

本实施例提供一种用于五轴数控机床RTCP检测的误差与姿态同步标定方法，针对目前RTCP检测仪存在的不能反映刀尖点位置误差所对应的刀具姿态的问题，在不更换、改造现有RTCP检测仪器的情况下，通过在输入机床的RTCP检测指令中分别附加一段X、 Y、Z的三轴正负方向的标定位移，共进行3组、合计6次检测，将姿态角度坐标函数与误差函数变换得到刀尖点的误差与刀具姿态的函数，利用转换和计算方法，确定数值关系，即实现刀尖点误差与刀具姿态的同步标定，请参照图1，其包括以下步骤：

S1、建立X轴、Y轴、Z轴的三轴坐标轴；在数控系统中设刀尖点的指令点为工件坐标系原点，刀具姿态坐标(i，j)随时间变化，RTCP检测轨迹可表示为：

其中，X、Y、Z为固定值，i，j随时间变化，f和g分别为角度与时间的函数。

S2、通过五轴数控机床对X轴的正方向和负方向分别完成标定位移的检测，同步完成标定姿态的检测。

请参照图2，在原有RTCP检测方法的基础上，额外设置刀尖点分别沿各坐标轴的正负方向匀速标定位移，以X轴为例，先设置X轴正方向的匀速标定位移，进行第一次检测，在输入机床的RTCP检测指令中附加一段X轴正方向标定位移，检测轨迹变化为：

其中，t_总为单次检测的总时长，d为标定位移总长，t为完成标定位移的时长，f和g分别为角度与时间的函数，为了在便于计算得同时不超出RTCP检测仪的检测范围，d为微小位移，通常设置为1～4mm，d取2mm。使用该轨迹进行RTCP检测，得到的检测结果的Y、Z方向分量可记为(e_y⁺(x)，e_z⁺(x))，其中x为检测结果的X方向分量。

然后，在输入机床的RTCP检测指令中附加一段X轴负方向匀速标定位移，进行第二次检测，使用该轨迹进行RTCP检测，得到的检测结果可记为(e_y^-(x)，e_z^-(x))，输入数控系统的位置及姿态指令，检测轨迹变化为：

其中，t_总为单次检测的总时长，d为标定位移总长，t为完成标定位移的时长，f和g分别为角度与时间的函数，为了在便于计算得同时不超出RTCP检测仪的检测范围，d为微小位移，通常设置为1～4mm，d取2mm。使用该轨迹进行RTCP检测，得到的检测结果的Y、Z方向分量可记为(e_y⁺(x)，e_z⁺(x))，其中x为检测结果的X方向分量。

由于刀尖点的标定位移相对于刀具角度姿态变化带动的平动轴变化来说非常微小，可以认为这段标定位移基本不影响机床的动态性能。设刀尖点误差为(e_x，e_y，e_z)，则上述两次检测的结果为：

其中，t为检测时完成标定位移的时长，t_总为单次检测的总时长，d为标定位移，三轴的刀尖点误差分别设为e_x、e_y、e_z，d为标定位移总长。

将以上检测结果变换表示为：

其中，X_测、Y_测和Z_测分别为X、Y和Z三轴检测的结果，三轴的刀尖点误差分别设为e_x、e_y、e_z，t_总为单次检测的总时长，t为完成标定位移的时长，t⁺和t^-分别表示与t时段间隔一小段时间的后一时刻和前一时刻，d为标定位移。

S3、通过S2得到刀尖点在三轴方向与误差的关系，将检测结果与误差的关系用姿态角度坐标函数表示。

由于t_总、d为根据实际检测得到的常数，刀具姿态角度坐标输入指令(i，j)与检测时间t对应，因此以上检测结果可表示为：

其中，X_测、Y_测和Z_测分别为X、Y和Z三轴检测的结果，三轴的刀尖点误差分别设为e_x、e_y、e_z，F为姿态角度坐标函数。

S4、将刀尖点在Y轴和Z轴的误差取近似值，取值分别为Y轴、Z轴的误差关于姿态角度的平均值。

由于t⁺、t^-和t相隔的时间相较于检测总时长t_总来说较小，因此可以近似认为：

其中，三轴的刀尖点误差分别设为e_x、e_y、e_z，i⁺、j⁺和i^-、j^-分别表示与完成检测间隔一小段时间的后一姿态角度和前一姿态角度。

S5、将步骤S3中两次检测结果以X轴正方向倒序求取平均值，再通过S4中的取值得到刀具的姿态和刀尖点在Y轴和Z轴两方向的误差的关系。

使用该轨迹进行RTCP检测，刀尖点在Y轴和Z轴两方向的检测结果分别设为Y'和Z'，得到的检测结果的Y、Z方向分量可记为(e_y⁺(x)，e_z⁺(x))，进行第二次检测，使用该轨迹进行RTCP检测，得到的检测结果可记为(e_y^-(x)，e_z^-(x))，将两次检测结果以X正方向倒序求取平均值可以得到：

其中，三轴的刀尖点误差分别设为e_x、e_y、e_z，x为检测结果的X轴方向分量。

那么X'、Y'和Z'，与姿态角度坐标函数关系为：

其中，三轴的刀尖点误差分别设为e_x、e_y、e_z，i⁺、j⁺和i^-、j^-分别表示与完成检测间隔一小段时间的后一姿态角度和前一姿态角度，F为姿态角度坐标函数。

经过以上计算可以得到刀尖点在Y、Z方向的误差。同时，检测中的刀具姿态(i，j)可以表示为x的函数：

其中，t_总为单次检测的总时长，t为完成标定位移的时长，d为标定位移，f和g分别为角度与时间的函数。

由此可以计算得到刀尖点误差对应的姿态。

请参照图3，经过以上检测与计算，Y'、Z'等于刀尖点误差，X'通过F(i，j)可求出对应的刀具理想姿态(i，j)。在RTCP检测中，实际姿态角度相较于理想姿态角度也存在误差，但误差相对于姿态角度值来说极小，可以认为当前刀具姿态约等于此时刻刀具的理想姿态。综上，通过在X轴正负方向设置标定位移并分别进行RTCP检测，可以得到刀尖点在Y、Z方向的误差(e_y，e_z)及其对应的刀具姿态(i，j)。

S6、重复步骤S2～S5分别对Y轴和Z轴进行检测，取与轴对应的测试平均值，得出刀尖点的误差与刀具姿态的关系；请参照图4，根据步骤S2～S5，通过在Y轴正负方向设置标定位移并分别进行RTCP检测，可以得到刀尖点在X、Z方向的误差(e_x，e_z)及其对应的刀具姿态，通过在Z轴正负方向设置标定位移并分别进行RTCP检测，可以得到刀尖点在X、Y方向的误差(e_x，e_y)及其对应的刀具姿态。综上，对X、Y、Z三个轴设置标定位移，分别进行检测并对检测结果求取平均值，可较为精确地通过RTCP检测得到刀尖点的误差(e_x，e_y，e_z)及其对应的刀具姿态。

通过在输入机床的RTCP检测指令中分别附加一段X、Y、Z的三轴正负方向的标定位移，检测与计算方法同上，共进行3组、合计6次检测，X方向上的2次检测可以得到刀尖点在Y、Z方向上的误差及刀具姿态(Y₁(i，j)，Z₁(i，j))，Y方向上的2次检测可得到>2(i，j)，Z₂(i，j))，Z方向上的2次检测可得到X、Y方向上的误差及刀具姿态(X₃(i，j)，Y₃(i，j))，将以上结果求取平均，可计算得到刀尖点误差及其对应的刀具姿态：

综上所述，本发明能够通过在输入机床的RTCP检测指令中分别附加一段X、Y、Z 的三轴正负方向的标定位移，将姿态角度坐标函数与误差函数变换得到刀尖点的误差与刀具姿态的函数，利用实施例中的计算方法，在不更换、改造现有RTCP检测仪器的情况下确定数值关系，即实现刀尖点误差与刀具姿态的同步检测，较为精确地得到刀尖点位置误差及其对应的刀具姿态，更加准确地反映机床动态精度。

本说明书描述了本发明的实施例的示例，并不意味着这些实施例说明并描述了本发明的所有可能形式。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。