五轴数控机床的空间误差建模与解耦补偿分析.pdf

1年第21卷第10期：1084～1089 高技术通讯201 doi：lO．3772／j．issn．10020O．2011．IO．仇4 五轴数控机床的空间误差建模与解耦补偿分析① 要小鹏②一+ 殷国富③+ 方辉’ 程锦”’ 李光明”’ (’四川大学制造科学与工程学院 成都610065) (”西南科技大学制造科学与工程学院 绵阳621010) (…浙江大学流体传动及控制国家重点实验室 杭州310027) 摘要针对五轴联动数控机床的位置与姿态误差补偿过程中各运动轴的误差补偿量与 刀具和工件间的误差值耦合关系较为复杂的问题，在解析五轴机床运动学方程的基础上， 利用多轴机床的误差运动学原理，建立了用各运动轴坐标系变换矩阵描述的机床误差模 型。基于小误差补偿运动假设，分析了误差运动和补偿运动间的相互关系，对五轴机床各 运动轴的位置与方向的误差补偿运动进行了解耦，建立了五轴数控机床的一种新的空间 几何误差补偿模型和补偿算法。基于此算法开发了具有空间补偿功能的后处理模块，并 通过实验验证了该模块在提高机床加工精度方面的有效性。 关键词五轴数控机床，空间误差，误差补偿模型，解耦 机床空间误差的直接分析方法，可以评价多轴机床 O 引言 工件的位置和姿态误差。1998年杨建国等旧1提出 了用齐次坐标变换原理推出了车削加工中心的几何 五轴数控机床是实现复杂异型零件加工的重要 与热误差综合模型。这些机床精度模型为进行机床 设备。由于受制造、装配、热变形、摩擦、振动和惯性 精度分析和运动误差检测、补偿提供了一定的基础， 等各种误差因素的影响，五轴数控机床的实际运动 但是由于存在适用范围小、没有通用性以及易产生 轨迹难以同理想轨迹相吻合，故而影响了加工精度。 人为推导误差等问题，未能从根本上解决机床误差 因此对五轴数控机床进行误差补偿已成为提高加工 建模的实用性问题。本文基于五轴数控机床提出了 精度的一种有效方法，而建立起准确的空间误差模 一种新的空间几何误差补偿模型和补偿算法，开发 型则是实施误差补偿的前提和基础，因此对五轴数 了一种新型的具有空间几何误差补偿功能的后处理 控机床进行空间误差建模研究具有重要意义。 器，并通过大量实验证明了其提高机床加工精度的 机床加工精度最终是由刀具与工件间的相对运 有效性‘31。 动决定的，对于具有3个移动轴和2个回转轴的五 轴数控机床，位置与姿态的误差补偿运动就比较复 杂。因为各运动副的误差补偿运动具有耦合效应， 1 五轴机床的空间误差建模方法 一个方向发生变化，其他方向将受到关联，即各运动 1．1 基坐标系与局部坐标系的设定 副的误差补偿运动量与刀具和工件间的误差值(位 机床各运动轴之间是刚性连接，每个运动部件 置与姿态误差)间存在一定的耦合关系，所以，通过 对误差模型解耦分析，获得各运动副的位置与姿态 的运动学坐标关系都可以用一个4×4的转置矩阵 误差补偿量，从而建立具有位姿误差补偿量计算能 表示，这些矩阵按约束关系相乘就可以描述机床工 力的空间误差补偿数学模型，为五轴机床