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(yè) 共10頁(yè)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(xiàn)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(lái)，用來(lái)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(xiàn)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(lái)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(guò)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(kāi)發(fā)來(lái)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(lái)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(xiàn)運(yùn)動(dòng)馬車(chē)六個(gè)運(yùn)動(dòng)誤差的組成部分。此外，雙球桿（ DBB ）常被用來(lái)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(kāi)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(lái)測(cè)量三軸數(shù)控機(jī)床精度，沒(méi)有測(cè)量裝置可用來(lái)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(zhǎng)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(xiàn)性可變位移傳感器（LVDT型 ）或電容傳感器也是可以的。伸長(zhǎng)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(zhǎng)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(pán)上用來(lái)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(pán)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(xiàn)。刀具方向是以曲面法線(xiàn)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(zhǎng)桿根據(jù)測(cè)試范圍有不同的長(zhǎng)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(lái)了。由于球面對(duì)稱(chēng)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(pán)軸就有一個(gè)偏差。考慮到這點(diǎn)，在測(cè)量觀(guān)察中測(cè)量球應(yīng)該跟底盤(pán)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(lái)自所有軸的誤差。測(cè)量球的偏移和伸長(zhǎng)桿的長(zhǎng)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(lái)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(shuō)，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(xiàn)。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(huà)說(shuō)，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(xiàn)，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(lái)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(lái)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(chēng)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a轉(zhuǎn)動(dòng)C軸以c轉(zhuǎn)動(dòng)使轉(zhuǎn)盤(pán)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(guò)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，是圓形角。類(lèi)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(xiàn)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(lái)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(yíng)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(xiàn)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(lái)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(lèi)。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(xiàn)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(guò)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(pán)，C軸，A軸， X軸， Y軸和參考系的縮寫(xiě)。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(xiě)。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(yíng)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(kāi)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(lái)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(chēng)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。References1 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