一种基于R-test的五轴机床RTCP参数标定方法与流程

一种基于r
‑
test的五轴机床rtcp参数标定方法
技术领域
1.本发明属于五轴数控机床技术领域，具体涉及一种基于r
‑
test的五轴机床rtcp参数标定方法。
技术背景
2.五轴数控机床用于航空结构件、发动机叶轮和舰艇螺旋推进器等复杂曲面零件的加工，是支撑航空航天、船舶、汽车及能源工程等领域的关键装备。降低五轴机床误差，保证零件的加工误差，一直是五轴数控机床加工领域的诉求。
3.五轴机床rtcp功能为自动补偿由于旋转轴转动导致的直线轴坐标变化，rtcp参数为五轴机床第四轴控制点到第五轴控制点的矢量，rtcp参数直接作用于插补指令生成过程，影响直线轴插补指令计算精度，造成零件轮廓误差。由于机床零部件加工误差以及装配误差，rtcp参数的实际值与设计值不符，且难以在装配过程中消除该误差，只能通过对rtcp参数进行标定，来提高五轴机床加工精度。
4.目前大部分机床厂商通过使用检棒、百分表和方规等方法进行rtcp参数标定。中国专利(cn112008491a，一种基于测头的ca型五轴数控机床rtcp精度标定方法)中，通过在工作台上安装标定校准块，主轴上安装测头，来标定a轴在不同对称角度时数控系统的z坐标，计算出a轴与主轴在y方向以及a轴转动中心与主轴转动平面的误差；在保持a轴为0
°
的情况下，测量同一点位不同c轴角度(0
°
、 180
°
、
±
90
°
)下的坐标，计算出c轴与a轴在x方向与y方向的误差值。该方法主要存在以下不足：1)每次球头碰靠方块的松紧程度难以预测，会对测量结果造成影响；2)利用数控系统坐标值进行计算，计算精度受数控系统直线轴空间精度的影响；3)测量数据量小，测量结果难以代表整个行程的平均水平且该方法效率较低，过程繁琐；4)测量方法与测量流程不具备通用性。
5.另外有中国专利(cn112526926a，一种五轴数控机床旋转轴结构参数误差补偿方法)，在rtcp功能开启的情况下，按照预设将五轴数控机床各旋转轴的转动行程均分为多个节点，采集每个节点下刀具中心点相对初始位置在x轴、y轴、z轴三个方向的偏移量；在刀具中心点偏移误差作用下，建立基于刀尖点位置偏差的旋转轴结构参数误差辨识数学模型，得出辨识方程，计算出机床旋转轴结构参数误差。此方法存在如下问题：1)只对a轴采用ak1运动轨迹进行了结构参数计算与补偿，而rtcp参数有三个方向的分量，测量结果不完备，无法对完整的rtcp参数进行补偿；2)采集的刀尖点误差序列是综合误差项，不仅仅包含了机床旋转轴结构误差，测量结果的准确性有待进一步提高。
6.综上，现有技术存在操作繁琐、自动化程度低、效率低下、不具备通用性、需进一步提高准确性等缺点，目前亟需一种具有通用性好、高效、准确、简便的五轴机床rtcp参数标定方法。


技术实现要素：

7.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于r
‑
test的五轴机
床rtcp参数标定方法，具有通用性好、高效、准确、简便的优点。
8.为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
9.一种基于r
‑
test的五轴机床rtcp参数标定方法，包括以下步骤：
10.1)对影响rtcp参数的误差项进行定义，以机床坐标系为参考，将a轴和c轴看作相互独立的单元，定义第四轴a轴控制点相对于床身在y轴方向和z轴方向的两项位移误差为δy
a
和δz
a
，定义第五轴c轴控制点相对于a轴在x轴方向和y轴方向的两项位移误差为δx
c
和δy
c
；
11.2)基于r
‑
test测量仪，对a轴控制点相对于床身在y轴方向和z轴方向上的误差分量进行测量与计算，采用ayz三轴联动的方法，在a轴行程范围内，以一定角度为间隔进行测量，记录所得n组数据，计算出工件坐标系下球心坐标，采用最小二乘法对n个采样点进行圆拟合，将拟合得到的球心坐标沿法向量投影到yoz平面，得到两项误差；
12.3)基于r
‑
test测量仪，对c轴控制点相对于a轴在x轴方向和y轴方向上的误差分量进行测量与计算，采用cxy三轴联动的方法，在c轴行程范围内，以一定角度为间隔进行测量，记录所得m组数据，计算出工件坐标系下球心坐标，采用最小二乘法对m个采样点进行圆拟合，将拟合得到的球心坐标沿法向量投影到xoy平面，得到两项误差；
13.4)rtcp参数计算，基于a轴控制点相对于床身在y轴方向和z轴方向上的误差分量与c轴控制点相对于a轴在x轴方向和y轴方向上的误差分量，共四项误差分量，进而得出a、c轴控制点坐标分别为(0,δy
a
,δz
a
)、(δx
c
,δy
c
,0)，根据rtcp定义，进而得到rtcp参数误差。
14.所述的步骤2)中得到a轴控制点相对于床身在y轴方向和z轴方向上的误差分量的具体过程为；
15.求n个测量点拟合圆圆心，需先建立工件坐标系下位置点的球面方程(1)，
16.(x
‑
x0)2 (y
‑
y0)2 (z
‑
z0)2＝r2ꢀꢀꢀ
(1)
17.式中，x0,y0,z0为拟合圆圆心坐标，r为拟合圆半径；
18.代入n个测量点坐标，其满足式(2)，
[0019][0020]
式中，x
i
,y
i
,z
i
为第i个测试点坐标；
[0021]
计算n个测量点的拟合平面的法向量，建立平面方程如式(3)，
[0022]
a
·
x b
·
y c
·
z d＝0
ꢀꢀꢀ
(3)
[0023]
式中，a,b,c分别为拟合平面的法向量在x,y,z方向的分量，d为常数；
[0024]
代入n个测量点，计算得到拟合平面法向量，如式(4)，
[0025]
[0026]
通过矩阵运算，求解得到空间球心坐标(x0,y0,z0)，计算a轴控制点在y轴方向和z轴方向上的位移误差，需要将球心坐标沿拟合平面的法向量投影到yoz平面上，得到投影圆心坐标(x
p
,y
p
,z
p
)，如式(5)，
[0027][0028]
式中，(x
p
,y
p
,z
p
)为投影圆心坐标；
[0029]
对r
‑
test测得的ayz三轴联动位置点坐标进行圆拟合，求解其拟合圆圆心坐标，并在yoz平面上计算圆心坐标的投影；投影坐标在y轴和z轴方向的分量，即为a轴相对于床身在y轴和z轴方向的位置偏差δy
a
和δz
a
，如式(6)，
[0030][0031]
所述的步骤3中得到c轴控制点相对于a轴在x轴方向和y轴方向上的误差分量具体过程为：当c轴转动到每个预设的角度时，需停止转动几秒，采集每个c轴停止点的r
‑
test位移数据，通过转换矩阵，得到工件坐标系下检测球球心的坐标值；
[0032]
r
‑
test测出的位置点构成一个圆形；对所测m个位置点进行圆拟合，求出圆心坐标，圆心坐标在xoy平面上的投影，即cxy三轴联动中c轴控制点的实际位置，该圆心坐标在x轴方向的分量δx
c
和y轴方向的分量δy
c
，即为c轴回转中心的位置偏差，参考公式(1)
‑
(6)中的位移误差计算方法，计算c轴控制点在x轴方向的位移偏差δx
c
和在y轴方向的位移偏差δy
c
如式(7)，
[0033][0034]
所述的步骤4中rtcp参数计算具体为：rtcp参数误差δ
rtcp
的计算过程如式(8)所示，
[0035][0036]
本发明具有以下有益效果：
[0037]
本发明基于r
‑
test测量仪，实现对五轴机床rtcp参数的标定，为rtcp补偿提供依据；本发明可以实现自动采集数据，不需要人工操作读数，避免了人为误差的引入；本发明直接求解第四轴与第五轴控制点坐标，进而计算rtcp参数值，方法的几何特征明显，直观，易于检测人员学习并使用；另外，本发明适用于所有机床，操作流程与操作方法具有通用性，可以准确、快速、简便地对rtcp参数进行测量。
附图说明
[0038]
图1为本实施例机床(ac转台)旋转轴rtcp示意图。
[0039]
图2为本发明a轴控制点在y轴方向和z轴方向的误差分量示意图。
[0040]
图3为本发明c轴控制点在x轴方向和y轴方向的误差分量示意图。
[0041]
图4为本发明ayz三轴联动示意图。
[0042]
图5为本发明r
‑
test测量a轴控制点位置偏差示意图。
[0043]
图6为本发明cxy三轴联动示意图。
[0044]
图7为本发明r
‑
test测量c轴控制点位置偏差示意图。
具体实施方式
[0045]
下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。
[0046]
一种基于r
‑
test的五轴机床rtcp参数标定方法，包括以下步骤：
[0047]
1)对影响rtcp参数的误差项进行定义，参照图1，图1为本实施例机床第四轴控制点到第五轴控制点的向量，即rtcp参数示意图；第四轴为a轴，第四轴控制点为a轴回转轴线的中心点；第五轴为c轴，第五轴控制点为c轴回转轴线与工作台平面的交点；以机床坐标系为参考，将a轴和c轴看作相互独立的单元；参照图2，将第四轴a轴控制点相对于床身在y轴方向和z轴方向的两项位移误差定义为δy
a
和δz
a
；参照图3，将c轴控制点相对于a轴在x轴方向和y轴方向的两项位移误差定义为δx
c
和δy
c
；
[0048]
2)基于r
‑
test测量仪，对a轴控制点相对于床身在y轴方向和z轴方向上的误差分量进行测量与计算，参照图4，采用ayz三轴联动的方法，保持c轴坐标为0
°
，编写g代码控制a轴转动，数控系统自动插补出y轴和z轴的坐标，在a轴行程范围内，以一定角度为间隔进行测量，采集n组r
‑
test位移数据；将r
‑
test位移数据通过转换矩阵进行变换，得到工件坐标系下的球心坐标；
[0049]
由于a轴回转轴线的位移偏差，r
‑
test测出的位置点构成一个圆形，对n个位置点进行圆拟合，求出圆心坐标，圆心坐标在yoz平面上的投影，即为ayz三轴联动中，a轴控制点的实际位置，该圆心坐标在y轴方向的分量δy
a
和z轴方向的分量δz
a
，即为a轴回转中心的位置偏差，如图5所示；
[0050]
求n个测量点拟合圆圆心，需先建立工件坐标系下位置点的球面方程(1)，
[0051]
(x
‑
x0)2 (y
‑
y0)2 (z
‑
z0)2＝r2ꢀꢀꢀ
(1)
[0052]
式中，x0,y0,z0为拟合圆圆心坐标，r为拟合圆半径；
[0053]
代入n个测量点坐标，其满足式(2)，
[0054][0055]
式中，x
i
,y
i
,z
i
为第i个测试点坐标；
[0056]
计算n个测量点的拟合平面的法向量，建立平面方程如式(3)，
[0057]
a
·
x b
·
y c
·
z d＝0
ꢀꢀꢀ
(3)
[0058]
式中，a,b,c分别为拟合平面的法向量在x,y,z方向的分量，d为常数；
[0059]
代入n个测量点，计算得到拟合平面法向量，如式(4)，
[0060][0061]
通过矩阵运算，求解得到空间球心坐标(x0,y0,z0)，计算a轴控制点在y轴方向和z轴方向上的位移误差，需要将球心坐标沿拟合平面的法向量投影到yoz平面上，得到投影圆心坐标(x
p
,y
p
,z
p
)，如式(5)，
[0062][0063]
式中，(x
p
,y
p
,z
p
)为投影圆心坐标；
[0064]
通过上述方法，对r
‑
test测得的ayz三轴联动位置点坐标进行圆拟合，求解其拟合圆圆心坐标，并在yoz平面上计算圆心坐标的投影；投影坐标在y轴和z轴方向的分量，即为a轴相对于床身在y轴和z轴方向的位置偏差δy
a
和δz
a
，如式(6)，
[0065][0066]
3)基于r
‑
test测量仪，对c轴控制点相对于a轴在x轴和y轴方向上的误差分量进行测量与计算，采用cxy三轴联动的方法，标定旋转轴c轴控制点相对于a轴在x轴方向和y轴方向上的位置误差；在数控系统中开启机床rtcp功能，编写g代码控制c轴转动，此时数控系统自动插补出x轴和y轴的位置，其运动过程如图6所示；在c轴行程范围内，以一定角度为间隔进行测量，当c轴转动到每个预设的角度时，需停止转动几秒，采集每个c轴停止点的r
‑
test位移数据，通过转换矩阵，得到工件坐标系下检测球球心的坐标值；
[0067]
由于c轴回转轴线的位移偏差，r
‑
test测出的位置点构成一个圆形；对所测m个位置点进行圆拟合，求出圆心坐标，圆心坐标在xoy平面上的投影，即cxy三轴联动中c轴控制点的实际位置，该圆心坐标在x轴方向的分量δx
c
和y轴方向的分量δy
c
，即为c轴回转中心的位置偏差，如图7所示；参考公式(1)
‑
(6)中的位移误差计算方法，计算c轴控制点在x轴方向的位移偏差δx
c
和在y轴方向的位移偏差δy
c
如式(7)，
[0068][0069]
4)rtcp参数计算，通过使用r
‑
test对a轴相对于床身在y轴方向和z轴方向的位置偏差，以及c轴相对于a轴在x轴方向和y轴方向的位置偏差进行了测量，得到了四项误差分
量，进而得出a轴、c轴控制点坐标分别为(0,δy
a
,δz
a
)、(δx
c
,δy
c
,0)，根据rtcp定义，进而得到rtcp参数误差，rtcp参数误差δ
rtcp
的计算过程如式(8)所示，
[0070]