數(shù)控銑床二維精密工作臺(tái)設(shè)計(jì)含13張CAD圖

數(shù)控銑床二維精密工作臺(tái)設(shè)計(jì)含13張CAD圖,數(shù)控,銑床,二維,精密,工作臺(tái),設(shè)計(jì),13,cad 報(bào)告用紙 第10頁 共10頁 用三維探頭球測(cè)量5軸數(shù)控機(jī)床的誤差 W. T. Lei and Y. Y. Hsu 摘要 本文對(duì)五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床提出了一種新的測(cè)量裝置和相應(yīng)的精確度測(cè)試的方法。這種裝置名為探頭球，包括一個(gè)三維探頭，一個(gè)延長塊和一方帶有測(cè)量頭的底板。三維探頭有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)錐度，并有能力完成三自由度位移測(cè)量。延長塊的自由端有一個(gè)插口。一個(gè)永磁體集成在插口上以致于延長塊和測(cè)量球可在磁力作用下連接在一起。在安裝完探頭球設(shè)備以后，五軸機(jī)床的該運(yùn)動(dòng)鏈就關(guān)閉了。為了5軸機(jī)床測(cè)量的準(zhǔn)確性，球測(cè)試表面曲線被定義為工具的路徑。該工具的取向是指在表面正常的方向。該球形表面的中心恰好測(cè)試檢測(cè)球的中心。隨著這條路徑和方向投入數(shù)控控制器，三維探頭相對(duì)測(cè)量球的球形測(cè)試表面動(dòng)作。相對(duì)運(yùn)動(dòng)的整體定位誤差被三維測(cè)量探頭檢測(cè)出來，用來證明5軸機(jī)床的容積準(zhǔn)確性。 1 引言 五軸數(shù)控機(jī)床廣泛用于加工工件的自由曲面。除了傳統(tǒng)的三線性定位軸， 5軸機(jī)床一般還有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸。所有五個(gè)軸是可以同時(shí)控制來最優(yōu)化調(diào)整刀具對(duì)工件表面的路徑。5軸機(jī)床的技術(shù)優(yōu)勢(shì)的包括更高的金屬去除率，改善表面光潔度，并顯著降低切削時(shí)間。 在過去幾十年里，許多工作的重點(diǎn)放在幾何誤差或熱變形對(duì)機(jī)床精度的影響上。許多測(cè)量設(shè)備已開發(fā)來衡量個(gè)別的錯(cuò)誤部分，并把一個(gè)多軸機(jī)床作為一個(gè)整體來測(cè)精度。最強(qiáng)大，最節(jié)省時(shí)間的設(shè)備是六自由度激光測(cè)量裝置，可用于在同一時(shí)間測(cè)量直線運(yùn)動(dòng)馬車六個(gè)運(yùn)動(dòng)誤差的組成部分。此外，雙球桿（ DBB ）常被用來確定了飼料驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差，如增益不匹配，空轉(zhuǎn)和粘滑。為了擴(kuò)大DBB測(cè)量范圍，所謂的激光球桿已經(jīng)開發(fā)為能測(cè)量三維工作空間定位誤差的裝置。另一方面，網(wǎng)格編碼特別適合于測(cè)量銳角轉(zhuǎn)角的動(dòng)態(tài)路徑錯(cuò)誤。雖然這些測(cè)量裝置已成功地用來測(cè)量三軸數(shù)控機(jī)床精度，沒有測(cè)量裝置可用來測(cè)試五軸數(shù)控機(jī)床體積準(zhǔn)確性。本文提出了一種新的測(cè)量裝置，探頭球，即能夠測(cè)量5軸機(jī)床的總體定位誤差。 2 探頭測(cè)量裝置 2.1設(shè)計(jì)特點(diǎn) 探頭球如圖1所示。它包括一個(gè)三維探頭，一個(gè)延長塊和一方帶有測(cè)量頭的底板。三維探頭有標(biāo)準(zhǔn)錐度的刀柄，并能夠測(cè)量三自由度偏差。三維探頭采用光電編碼器的位移傳感器。其他位移傳感器，如線性可變位移傳感器（LVDT型 ）或電容傳感器也是可以的。伸長桿的自由端有個(gè)孔，它和測(cè)量球形成了球窩接頭。一個(gè)永磁體和孔結(jié)合在一起使伸長桿和測(cè)量球在磁力的作用下連接在了一起。底板被固定在5軸機(jī)床的轉(zhuǎn)盤上用來調(diào)整方向。 圖1 探頭球測(cè)量裝置 為了測(cè)量工具和工件之間的定位誤差，探頭安在刀架上，底板固定在轉(zhuǎn)盤上。在安裝完探頭球測(cè)量裝置，該5軸機(jī)床的運(yùn)動(dòng)鏈就因此關(guān)閉了。測(cè)試路徑可能是球測(cè)試表面的任何曲線。刀具方向是以曲面法線的方向定義的。該球形測(cè)試表面的中心和測(cè)量球的中心重合。球面半徑為三維探頭球的原點(diǎn)和測(cè)量球中心之間的距離。伸長桿根據(jù)測(cè)試范圍有不同的長度。把方向和路徑輸入到數(shù)控控制器，三維探頭就以測(cè)量球?yàn)橹行脑谇蛐螠y(cè)試表面上運(yùn)動(dòng)。總體定位誤差就這樣被三維探頭球測(cè)量出來了。 由于球面對(duì)稱性質(zhì)，它有利于裝入測(cè)量球，因此，測(cè)試表面的中心和轉(zhuǎn)盤軸就有一個(gè)偏差?？紤]到這點(diǎn)，在測(cè)量觀察中測(cè)量球應(yīng)該跟底盤一起旋轉(zhuǎn)，這樣5軸才能同時(shí)被驅(qū)動(dòng)。因此，測(cè)量誤差包括了來自所有軸的誤差。測(cè)量球的偏移和伸長桿的長度決定了驅(qū)動(dòng)軸的測(cè)試范圍。 為了確保探頭球裝置本身并不是一個(gè)部分誤差來源，有必要在它的使用之前進(jìn)行精確的校準(zhǔn)。這些程序包括初始化三維探頭傳感器和在坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上對(duì)測(cè)量球準(zhǔn)確定位測(cè)試。在精度測(cè)試中，三維探頭的輸出代表了測(cè)量球相對(duì)于球形測(cè)試表面的偏差。強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，探頭球裝置并不能在工件坐標(biāo)系中測(cè)量定位誤差，雖然似乎能。 2.2測(cè)試路徑 如上文所說，測(cè)試表面可能是球形面上的任何曲面。圖2表示了一些測(cè)試路徑。路徑A沿著測(cè)試表面的經(jīng)線。在這個(gè)路徑上，只有A,Y和Z軸動(dòng)了。A 軸是唯一的主動(dòng)軸，而Y和Z軸是從動(dòng)軸。換句話說，A軸動(dòng)了，Y和Z軸才跟著動(dòng)的。這個(gè)路徑適合測(cè)試A軸的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)誤差。路徑C沿著球形測(cè)試表面的赤道方向。這個(gè)情況下，C軸是主動(dòng)軸，X和Z為從動(dòng)軸。同樣，路徑C適合測(cè)C軸的誤差。路徑F是測(cè)試球形表面的螺旋樣曲線，它涵蓋整個(gè)球形體積。所有機(jī)器軸可同時(shí)在這種情況下驅(qū)動(dòng)。測(cè)量誤差提供足夠的信息來描述目標(biāo)5軸機(jī)床的總體體積誤差。路徑S是上球面測(cè)試表面上的一個(gè)圓圈。在這種情況下，所有軸往復(fù)驅(qū)動(dòng)。因此路徑S很適合測(cè)試旋轉(zhuǎn)A和C軸的動(dòng)態(tài)誤差。 圖2 測(cè)試路徑 測(cè)量球有很多用途。如果測(cè)總體定位誤差，那么選路徑F。如果它是用來識(shí)別或估算單軸錯(cuò)誤組成部分，最好是選擇簡(jiǎn)單的測(cè)試路徑，如路徑A或C ，因?yàn)橹挥杏邢薜闹饕M成部分影響測(cè)量結(jié)果。下面，將得出測(cè)試路徑和目標(biāo)5軸機(jī)床的運(yùn)動(dòng)之間的詳細(xì)關(guān)系。 3 運(yùn)動(dòng)變換 由于測(cè)試路徑是在工件坐標(biāo)系中，數(shù)控輸入三維探頭球的準(zhǔn)確性測(cè)量與5軸機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)是獨(dú)立的。該機(jī)器結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是對(duì)X和Y表兩自由度一體化，如圖3所示。坐標(biāo)系如圖4所示。 圖3 5軸銑床 圖4 5軸銑床坐標(biāo)系 機(jī)器坐標(biāo)系到工件坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)變是傳統(tǒng)所謂的先進(jìn)轉(zhuǎn)變。另一方面，工件坐標(biāo)系到機(jī)器坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)變稱為落后轉(zhuǎn)變。5軸機(jī)床的先進(jìn)轉(zhuǎn)變總是可以解決的而且只有一個(gè)解決辦法。相反，考慮到旋轉(zhuǎn)軸的定位落后轉(zhuǎn)變有兩種解決方法。下面，在均勻變換矩陣的幫助下我們將得出機(jī)器坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系的關(guān)系。 假設(shè)(Xm,Ym,Zm)為機(jī)器坐標(biāo)系中的一點(diǎn)，而這點(diǎn)在工件坐標(biāo)系這坐標(biāo)為(Xw,Yw,Zw)。為了實(shí)現(xiàn)先進(jìn)轉(zhuǎn)變，首先機(jī)器坐標(biāo)系的原點(diǎn)以矢量(X1,Y1,Z1)移動(dòng)到兩轉(zhuǎn)軸的交點(diǎn)上，接著A軸以θa轉(zhuǎn)動(dòng)C軸以θc轉(zhuǎn)動(dòng)使轉(zhuǎn)盤垂直。最后，機(jī)床坐標(biāo)系以矢量(X0,Y0,Z0)移動(dòng)到工件坐標(biāo)系上。變換過程可表示為 因?yàn)榭倳?huì)有兩種解決辦法后，落后的轉(zhuǎn)變，是必要的戰(zhàn)略選擇一個(gè)合適的一個(gè)。一個(gè)簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)是推動(dòng)能源需要。一個(gè)與移動(dòng)距離較小，將被選中。當(dāng)然碰撞的可能性，必須予以考慮。 4 測(cè)試路徑和誤差模型 4.1在工件坐標(biāo)系中的測(cè)試路徑 如上所述，探頭球設(shè)備使用球形測(cè)試表面上的任何路徑測(cè)試5軸機(jī)床的精度，下面將得出工件坐標(biāo)系中測(cè)試路徑的描述。 圖5表示了定義路徑F的參數(shù)，為了盡量減少測(cè)試時(shí)間，路徑F上升角度設(shè)定為90 °大意是，該工具到達(dá)頂端的位置后，C軸旋轉(zhuǎn)360 °。工件坐標(biāo)系中的路徑描述是這樣的： 其中Rw是球形測(cè)試表面的半徑，θ是圓形角。類似的，別的上升角的路徑描述也能同樣得到。 圖5路徑F的參數(shù) 4.2在軸坐標(biāo)系中的測(cè)試路徑 由于落后的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變，工件坐標(biāo)系的測(cè)試路徑和方向轉(zhuǎn)化為機(jī)器或軸坐標(biāo)。圖 6和圖7顯示軸命令值路徑S和f。在案件路徑F中，旋轉(zhuǎn)軸C和A線性驅(qū)動(dòng)，而其他軸之后從動(dòng)保持運(yùn)動(dòng)鏈關(guān)閉。在路徑S上，所有的軸來回動(dòng)，最后回到起點(diǎn)。反轉(zhuǎn)點(diǎn)的速度可以查明清楚。正如人們所知的雙球桿測(cè)量技術(shù)，這些速度反轉(zhuǎn)點(diǎn)提供必要的條件，顯示動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)的錯(cuò)誤，如粘滑，空轉(zhuǎn)和反彈。圖8中，速度反轉(zhuǎn)點(diǎn)出現(xiàn)在A軸的180°和C 軸的120°和210°?？梢钥闯?，有些軸也有其速度扭轉(zhuǎn)在同一時(shí)間，例如軸C和X。你還可以使用雙球桿查明動(dòng)態(tài)誤差的線性軸頭。從探頭球裝置的測(cè)試結(jié)果，可確定以后旋轉(zhuǎn)軸A或C的動(dòng)態(tài)誤差。 圖6 測(cè)試路徑F命令值 圖7 測(cè)試路徑S命令值 4.3誤差模型 解釋探頭球的測(cè)量結(jié)果，有必要建立一個(gè)探頭球測(cè)量的誤差模型。模型描述的錯(cuò)誤之間的關(guān)系總體定位誤差測(cè)量的誤差來源的是5軸機(jī)床運(yùn)動(dòng)鏈每個(gè)組成部分。在同質(zhì)變換矩陣的方法為這一理論的任務(wù)提供了一個(gè)很好的方法。幾何組成部分可分為兩類。第一個(gè)是與一個(gè)不正確的運(yùn)動(dòng)伺服控制軸。第二個(gè)是有關(guān)錯(cuò)誤的鏈接組成部分。對(duì)于每一個(gè)線性或旋轉(zhuǎn)軸，有一般6運(yùn)動(dòng)中的錯(cuò)誤熱媒。錯(cuò)誤的鏈接部分包括軸垂直度誤差和偏移誤差塊部件，如主軸和旋轉(zhuǎn)塊。坐標(biāo)框架中定義圖3 。錯(cuò)誤模型可通過連續(xù)的產(chǎn)品的所有HTMs每個(gè)運(yùn)動(dòng)的組成部分。工件坐標(biāo)系和參考坐標(biāo)系的關(guān)系是 rTw=rTyyTxxTaaTccTttTw 其中指數(shù)w, t, c, a, x, y, r分別代表工件，轉(zhuǎn)盤，C軸，A軸， X軸， Y軸和參考系的縮寫。 同樣，探頭坐標(biāo)系和參考坐標(biāo)系的關(guān)系是 rTp=rTzzTssThhTp 其中p, h, s, z分別代表探頭，刀柄，主軸塊和Z軸的縮寫。 5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 圖8表示用三維探頭球測(cè)量目標(biāo)5軸銑床的精度。圖9，10，11表示幾個(gè)測(cè)試結(jié)果。圖10顯示靜力試驗(yàn)的結(jié)果，當(dāng)預(yù)先確定好的點(diǎn)位置確定后進(jìn)行誤差采樣。圖11和圖12顯示動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的結(jié)果，當(dāng)軸按輸入的進(jìn)給量運(yùn)動(dòng)時(shí)進(jìn)行誤差采樣。由于A軸不正常的動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)，隨著進(jìn)給速度的增加，Y方向誤差急劇增加。 圖8 探頭球裝置在測(cè)量 圖9 路徑F的靜態(tài)測(cè)量誤差 圖10 進(jìn)給量為30 mm/min時(shí)，路徑F的動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差 圖11 進(jìn)給量為150 mm/min時(shí)，路徑F的動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差 在另一項(xiàng)研究開展旨在確定和估計(jì)所有的誤差項(xiàng)，三維探頭球的測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果表明，5軸銑床的主要誤差來源是兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的垂直度誤差。 6 總結(jié) 本文提出了一種新的測(cè)量裝置稱為三維探頭球。它能夠測(cè)量五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床的總體定位誤差。誤差測(cè)量的原則是閉鏈測(cè)量。在測(cè)試的準(zhǔn)確性，三維探頭球目標(biāo)5軸機(jī)床運(yùn)動(dòng)鏈的關(guān)閉。由于運(yùn)動(dòng)的限制，適合測(cè)試路徑的路徑為球形測(cè)試表面。測(cè)量定位誤差是指在調(diào)查坐標(biāo)系和可轉(zhuǎn)化為參考坐標(biāo)系，目標(biāo)5軸機(jī)床預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。隨著三維探頭球可用，進(jìn)一步的調(diào)查，目的是提高機(jī)床的精度，包括估計(jì)和補(bǔ)償?shù)膸缀握`差。 References [1] E.E. Sprow, Manuf. Eng. 111 (5) (1993) 55. [2] V.B. Kreng, C.R. Liu, C.N. Chu, Int. J. Adv. Manuf. Technol. 9(1994) 79. [3] V.S.B. Kiridena, P.M. Ferreira, Int. J. Mach. Tools Manuf. 34 (1)(1994) 85. [4] V.S.B. Kiridena, P.M. Ferreira, Int. J. Mach. Tools Manuf. 33 (3)(1993) 417. [5] A.K. Srivastava, S.C. Veldhuis, M.A. Elbestawit, Int. J. Mach. ToolsManuf. 35 (9) (1995) 1321. [6] K. Lau, Q. Ma, X. Chu, Y. Liu, S. Olson, Technical Reportof Automated Precision Inc., Gaithersburg, MD 20879, USA,2002. [7] H. Pahk, Y.S. Kim, H.H. Moon, Int. J. Mach. Tools Manuf. 37 (11)(1997) 1583. [8] N. Srinivasa, J.C. Ziegert, Prec. Eng. 19 (2/3) (1996) 112. [9] K. Yoshiak, et al., Japan/USA Symp. Flex. Automat. ASME 2 (1996)1202. [10] A.H. Slocum, Precision Machine Design, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1992. 10