基于机载测头的机床热误差在线识别方法研究-杨拴强.pdf

《基于机载测头的机床热误差在线识别方法研究-杨拴强.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于机载测头的机床热误差在线识别方法研究-杨拴强.pdf（6页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、104基于机载测头的机床热误差在线识别方法研究工具技术杨拴强1”，闫二乐1，陈剑雄11福州大学；2福建江夏学院摘要：针对当前机床热误差在线检测识别困难的问题，提出一种机床测头在线测量热误差的方法。该方法可在不求解几何误差的情况下，利用组合球阵球心热变形前后的坐标值构成空间向量，通过该向量求解坐标变换关系识别和辨识热误差。最后，在三轴加工中心上进行测量和试验验证。试验证明，该方法能够快速地在线识别和检测热误差值，为热误差的补偿提供了先决条件。关键词：在线测量；机载测头；空间向量；热误差中图分类号：TGS0215；THl61 文献标志码：ANew Method for Indentifying M

2、achine Thermal Error Online Based on ProbeYang Shuanqiang，Yan Erle，Chen JianxiongAbstract：In this paper，a new method is proposed using reconfigurable uncalibrated master ball artefact(RUMBA)and on machining measurement probe to measure and identify the thermal error rapidly onlineUsing machine probe

3、measure the vector values before and after the thermal deformation composed of three RUMBA，establishment of a comprehensive error identification model includes geometric and thermal error，utilizing multiviewpoint modeling method basedon stereo vision to direct solution of thermal deformation error w

4、ithout geometric error influence，Experiments show that themethod can fast online identification and testing the thermal error valuesKeywords：online measuring；machine probe；space vector；thermal error1 引言热误差是由于机床工作时受内部部件的摩擦，或者受外部环境温度影响，机床构件温度升高，引起机床零部件发生热变形，并导致被加工工件表面与加工刀具的刀尖相对位置变化而产生的加工误差。研究表明，热误差占机床

5、总误差的40一70左右心。4 J。合理有效地控制热误差是提高机床精度的重要途径，也是高速高精度机床当前研究的关键技术之一。控制机床热误差的前提是能够准确、简便地检测热误差，对机床存在的误差进行测量和辨识是进行误差补偿的先决条件。j，测量精度也决定了后续误差补偿数学模型的精度和最终的补偿实施效果。从现有的技术资料和参考文献来看，误差检测的方法很多，Li Shuhe【81利用一维球阵测量各个方向的误差；Chen JS一1通过在机头安装传感器检测标准块规来检测机床的热误差；HJPahk和sWLee叫通过自制的主轴热误差检测装置同时测量主轴的5项热误差；在ISO标准o中通过装置中基金项目：国家自然科学

6、基金青年基金项目(51405085)；福建省教育厅科技项目A类(JAl5538)收稿日期：2015年10月的五个非接触式传感器检测主轴上芯棒的各项误差元素；FLMDelbressine2。通过自制球杆仪安装架，把球杆仪安装在机头上来测量机床热误差，能够快速测量热误差的多项误差；Hongtao Zhang纠利用激光干涉仪顺序测量体对角线，利用模型计算出热误差；Tibet Erkan4一刮通过利用机床在线测头测量自制的非标定测球，检测和识别五轴机床的旋转误差。以上方法有的通过标定过的标准件来测量热误差，有的通过专业设备来测量热误差，虽然这些方法都有某些优点，但都存在不足：标准件的制作过程较为复杂，

7、其安装、维护要求较高，测量耗时；测量过程都不能在线测量，有些测量方法要先得到几何误差。专业设备价格昂贵，保存运输要求较高，在测量过程中的安装调试较为复杂，测量过程耗时；热误差测量时必须在非加工状态下才能测得，且在获得几何误差的条件下进行。本文提出了一种基于机载测头的在线识别机床主轴热误差的方法，该方法利用机载测头测量布局在工作台不影响生产位置的四个球的球心坐标，热变形前后球心坐标值发生变化，由任意三个球心坐标构成的平面的法向量随着球心坐标的变化也发生变化，利用该法向量建立空间视觉模型辨识热误差的变换矩阵，通过最小二乘方法来求解热误差。在万方数据2016年第50卷No1整个求解过程中，不考虑几何

8、误差的影响。最后，在三轴加工中心上进行试验，通过四个球心坐标构建4个不同的平面，得到4个不同的法向量，把4个法向量分成两组，分别进行计算，得到结果进行比较，验证所提出的在线识别机床主轴的热误差方法的有效性和辨识结果的正确性。2测量方法与辨识模型如图1所示，假设在坐标系O下的一点P，在k。和k。两个坐标系下有不同的坐标，k。和后。之间存在着一个坐标变换关系0，使得在k。下表达的空间任意矢量U或是一点P同时满足在k。的表达，即A=咒A (1)图1 点P在心、乜坐标系下的值式中，A 7=龙，Y，z，1r，是P点在k。坐标系下的坐标值的表达，A=戈，y，z，1r是P点在k。坐标系下的值。t是满足k。和

9、k。之间的坐标变换矩阵，且满足式(1)，瓦矩阵有唯一的解Tp (2)式中，月为33的旋转矩阵，为3l的位移向量。图2向量门在心和乜的表示设已知在基准坐标系下，空间向量n、n，、n：分别是向量n在k。和k。下的表达(见图2)。令h=nl|n。J|，日=n2l|n：II根据变换关系，当不求解位移量时，存在矢量的旋转变换矩阵R，满足日=Rh (3)式中，尺为k。和k，之间的旋转矩阵。由旋转理论的旋转关系罗德里格斯(Rodrigues)公式可得2I，存在105一个旋转向量“=(u。，“，It：)构成的关系矩阵U，即Hh=u(+) (4)式中，h、H为坐标变化前后的向量，u是反向斜对称矩阵，其矩阵行列式

10、的值为0，可得其结构为-o -Uz urU=Screw(M)=I叱0 一u，l (5)【-一叱 u， o J已知tt，就可确定U，并且尺和U有以下关系式，即R=“uJu1 (6)U是一个奇异矩阵，不能通过式(4)直接求解“=(“，1t，It：)，可通过增加变量的方法求解。假设已知空间2个向量，在工作区域内在k。坐标系下，选取两向量p。P。、P，P。，它们在k。坐标系下为p。P，1巾。P。1，通过增广阵来求解两个坐标线之间的旋转向量“=(M。，M，u：)的解，构造如下表达式pP。IpP。3 1-pP。l；P，。3=U(一plP3+一PIP3) c 7，通过式(7)可以直接求解出“=(“：，M，：

11、)，然后利用式(6)直接求解出尺。把尺的结果代人式(2)和式(1)，即可求出整个变换矩阵。3机床误差模型分析31 三轴，jn-r中心几何误差分析图3为XH715D加工中心，该加工系统是典型的多体系统。本研究采用MBS理论建立其通用几何误差模型，要建立该类加工中心的几何误差模型，首先应该分析该数控机床的几何误差。如图所示，战为x轴移动工作台；日。为】，轴移动工作台；B：为机床床身；B，为主轴箱；B。为加工刀具。图3三轴加工中心模型以加工工件的工件坐标系玩为基准，工件坐标万方数据106系下有一点P。=(x。，yw，Z。)。设y轴移动工作台B。、机床床身B：、主轴箱B，、加工刀具B。，假设建立四个体

12、坐标系与机床的机械坐标系重合，坐标设为0=(0，0，0)。由于刀具曰。与主轴箱B，连接在一起的，因此，可设刀位点在主轴箱曰，的体坐标系下的位置坐标为P。=(0，0，r)，r为刀长。在图3的加工中心中，包含三个线性轴分别为x轴、y轴、z轴，每个运动轴运动会产生六项基本几何误差，即在x轴的运动产生的位置误差为占。(戈)、6，(戈)、6：(戈)，旋转误差为占。(戈)、s，(咒)、巴(戈)；在y轴运动产生的位置误差为6。(Y)、6，(Y)、觅(Y)，旋转误差为占，(Y)、占，(Y)、占：(Y)；在z轴运动产生的位置误差为6，(z)、8，(z)、6：(z)，旋转误差为占，(z)、占，(彳)、s：(z)；

13、在x、y、z三运动轴运动过程中存在垂直度误差：占。占。占。，共计21项几何误差。根据多体系统理论，在实际机床的加工过程中，各构件之间变换矩阵可由下式表示。Y轴移动工作台相对于机床床身的实际的变换矩阵为1占：(Y)一s，(Y)0一占：(y)1占，(y)0s。(y)一占，(y)10晚(y)y+6。(Y)晚(Y)1(8)变换矩阵；r。中的e为实际变换矩阵。上标B表示其基准坐标系，下标】，表示该运动轴的名称。同理，在考虑各轴之间垂直度误差的情况下，可得x轴对于y轴移动工作台坐曰，的坐标变换矩阵：r。，z轴相对于机床床身B：的坐标变换矩阵；r 8，以及刀具相对于主轴箱曰，的坐标变换矩阵二丁8。坐标方向和

14、刀具的实际坐标变换矩阵为1占：(戈)一占。(戈)0一占：(髫)1s，(并)0占，(髫)一占，(戈)10r 1 一s：(：) sy(。)即l“：) 1 一“：)一2 l_(。)以(。)lL- o o o省+瓦(z)6，(戈)一船，觅(戈)1厂1 0 0 0扩：蚓 ，L0 0 0 1J工具技术以上为三个运动轴在运动过程中的坐标变换矩阵分析。但在实际工作中，热误差的影响比较明显，在机床的加工过程中，随着外界温度的变化和机床内部构件摩擦，诱发机床发生热变形，这些热误差反映的是工件的理想加工位置与刀尖点实际位置的误差。在实际热误差识别过程中，为了简化计算，同时考虑到实际加工中热误差对机床影响的情况，把机

15、床受热变形对机床精度的影响都归结到刀具坐标系下的6项误差，即主轴在x、y、Z三个方向上的位置误差6。(t)、6，(t)、6：(t)和主轴分别绕x、y和z轴偏转误差氏(t)、s，(t)、8：(t)。刀具热误差在主轴箱曰，的坐标变换矩阵为r_ 1 8：() 占，() 6z(。m)：卜) 1 (。)氐(l(12)l一占，()占，() 1 也()lL- o o o 1 j32主轴热误差测量原理分析和热误差的求解如图4所示，机床工作台分布有4个非标测球：p。、P：、P，、p。球度精度为(05069Ixm)，在t。时刻，通过机床测头对四球心进行测量得到在工作台玩坐标系下的坐标值。用其中2球坐标值构成一个向

16、量，如p，p：、P。P，。随着机床的运行，机床热误差的出现，经过时间t后，再对4个非标测球进行测量，在原来坐标系下的P。、P：、P，、P。的坐标值因受热误差的影响变为PhP：、P。、P。，；构成新的向量pIp2 7妒lp3。假设有一向量，在工作台风坐标系下为r，在机床刀具B。坐标系下的向量值为r。r=：彤r巧n (13)对于在工作台玩坐标系下向量p。P：，其在机床刀具B。坐标系下的向量值为p。p：1=：掣矸rTp。P： (14)图4在检测过程中的坐标系示意图机床工作f时问后，对于在工作台B。坐标系下向量p。P：，其在机床刀具B。坐标系下的向量值为p。p：2=z。-：rrp。P：7 (15)p。

17、p：1是机床热变形发生前、在刀具坐标系曰。、J、)90，L11lllllJ(砧F：!勰力一一0)龟1孑0#，：艿艿万方数据2016年第50卷No1下的向量护。p：2是机床热变形发生后、坐标系受热变形影响的刀具坐标系日。下的向量；：贮瓦rT为机床从工作台坐标系曰。变换到刀具坐标系下B。的几何误差变换矩阵；在求解热误差过程中会消去，这里不做分析。根据空间向量的求解方法，现在定义以热变形前刀具坐标系曰。为k。坐标系，测得4点坐标，得到向量p，P：1巾。P，1；定义以热变形后刀具坐标系B。为k。坐标系，测得4点坐标，得到的向量为p。p：2巾。p，2。把以上向量代入式(7)，通过增广阵来求解两个坐标系之

18、间的旋转向量M=(M。，H。H：)的解，构造如下表达式【pp。ipp：3：-pl-piP31J=【mU(p。tpp：3：+pI+pipp：31)】(16)舢，-plp，1：獬一(ptp，+plp，)1(17)【R。(plP2-plP2)J【UR，(plP2+p。P2)J、上式足。为式(15)中的j彤巧彤r综合变化矩阵的合成旋转矩阵。由式(17)可见，R。可消除，即式(17)可改写为plp3一plp31=f u(plp3十plp31 (18)【(plP2 7一p。P2)J【U(p1P：+plP2)J 、 通过式(18)可以直接求解出M=(，u，M；)，然后利用式(6)直接求解出热误差对坐标系k。

19、和k。的旋转坐标变换矩阵R。把R的结果代人式(2)和式(1)即可解得位移变量r，最终求出T(t)。T(t)即为主轴末端热误差前后的热误差变化矩阵。对于基坐标的热误差变换矩阵应该为107To(f)=：矸巧巧r。r() (19)To(t)：KO1 (20)L U l J式中，70=6。(t)占。(t)艿。(t) 1 r，为机床热误差补偿值。根据误差值的特点，在式(20)中的展开式忽略二阶及以上无穷小参数，最终结果为6以(f)=6，(t)6。()=8y(f)6。()=皖(f) (21)4测量与试验测量与验证实验在VMC650立式加工中心上进行的。为了保证实验的准确性，对可能产生热量的部位都进行了监控

20、，共使用10个温度传感器用来监测机床的主要部位的温度。测量温度的传感器布局如表1所示。在进行试验时，为了保证温度测量的准确性，将传感器可靠地安装在机床的主要热源地，同时，对传感器的初始温度进行修正；在试验过程中采用温度自动采集系统，每隔一分钟，系统自动采集传感器的温度，总计采集温度时间超过5h。在对温度监控的同时，机床测头每隔30min对4个测球测量一次，为了保证测量的精度，通过对测球连续测量五次求平均值来保证测量测球的坐标值。测量过程是通过数控程序自动完成，一次测量时间为35s。对应的每隔半小时各个温度传感器所测得温度如表2所示。表1传感器布局表传感器编号 l 2 3 4 5 6 7 8 9

21、 10位置 x轴轴承座1 X轴轴承座2 Y轴轴承座Z 室温 Z轴轴承座 主轴箱 主轴电机座 Z轴电机座 主轴轴承 前轴表2每隔30min各个传感器测得的温度值传感器编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 107l 176 176 176 176 176 176 176 176 176 176疋 176 176 176 176 177 177 179 177 178 177L 176 176 176 176 177 178 190 183 193 180L 176 176 176 176 181 178 234 187 212 188B 176 176 176 176 183 196 254

22、207 222 191瓦 176 176 176 176 186 202 263 2lI 6 231 195乃 176 176 176 176 190 207 268 222 236 20O瓦 176 176 176 176 193 211 271 226 241 202R 176 176 176 176 195 215 275 229 246 204rlo 176 177 177 177 197 217 277 236 247 205万方数据108表3在丁j时刻四测球坐标值工具技术时 尸l P2 P3 P4间 ： 菇 y Z戈 y ： 戈 ， 名 戈 )，rl 318549 190752 5

23、9621 289637 17363l 一67343 102045 185926 62032 一118963 192082 72731疋 31855 190757 59624 289638 一173634 67345 102043 一18592 62034 118962 192086 72734B 31855l 190768 59629 28964l 一173648 6735l 一102041 一185906 6204 一11896 192096 72741乃 31855l 190774 59632 28964l 一17365l 一67353 10204 185901 62042 一11896

24、192099 72743毛 318552 190992 59632 289642 173655 67354 102039 185898 62043 11896 192102 72745瓦 318552 190777 59633 289642 173658 67356 102039 一185896 62044 118959 192105 72746乃 318553 190779 59633 289643 17366l 一67357 102038 185894 62045 118959 192107 72747孔 318553 190781 59635 289644 173665 67359 一1

25、02038 一185892 62047 118958 192109 72748R 318554 190783 59635 289644 173669 67361 102037 18589 62048 118958 192111 72748no 318554 190784 59636 289644 173670 67362 102037 185586 62048 118958 192112 727485结果与分析如表3所示，通过测头直接测得4个测球在正时刻球心的坐标值，利用Ti时刻的任意3测球球心坐标构成一个平面的法向量，通过把法向量的变化代人模型，直接求解热误差。为了验证方法的正确性，利用4个

26、点构成的多个不同平面的法向量，分成两组进行求解，对比两次热误差的结果。如图5所示，通过对两组计算得到的机床误差值进行比较可以看出，对在相同时刻的两次求解误差值进行比较，每个时刻点的误差基本相同。n n4， 一一 图5误差补偿图对比图6和图7，对温度增量曲线与误差曲线进行对比分析。从图7中可以看出，加工中心的主要热源温度变化率随着时间变化逐渐变小，该曲线与图6的三坐标轴误差的变化率相似，但又不完全相同，这是由于影响热误差的因素与机床整体的温度分布有直接关系，而热源处的温度不能够直接反。05l。8。z8簪一嚣”赫。一一翻t r； L 一 疋 r t L r。时问图6机床误差随时间变化图121 O二

27、；8薹s襄42本文针对当前数控机床热误差的测量进行研究，通过在线间歇测量非标定可重构热误差测球球心坐标，建立几何误差和热误差的综合模型，在不求解几何误差的情况下，利用空间向量矩阵变换的方式求解热误差的相对变换矩阵，利用坐标变换最终得到机床热误差基准坐标系的误差值。该方法使用自制的测球，安装、携带和保持都很方便，价格低廉，机床测头的测量能够在机床加工过程中间歇式对机床进行热误差测量，且不用考虑几何误差的影响，建立的数学模型能够快速方便地计算出热误差转角，最终为热误差补偿提供了坚实的基础。参考文献1章婷，刘世豪数控机床热误差补偿建模综述J机床与液压，2011，39(1)：1211262Krulew

28、ich Debra ATemperature integration model andmeasurement point selection for thermally induced machineT errorsJMechatronics，1998(8)：3954123Bryan JInternational Status of Thermal Error Research(1990)GCIRP Annals，1990，39(2)：6456564Ni JanA perspective review of CNC machine accuracy en-万方数据2016年第50卷No1ha

29、neement through realtime error compensationJChi-na Mechanical Engineering，1997，8(1)：29335E Creighton A，Honegger A，et a1Analysis of thermal errots in a hishspeed micromilling spindleJInternational Journal of Machine Tools and Manufacture，2010，50(4)：3863936Xiang Sitong，Zhu Xiaolong，Yang JianguoModelin

30、g forspindle thermal error in machine tools based on mechanismanalysis and thermal basic characteristics testsJJournalof Mechanical Engineering Science，2014，228(18)：338133947Jiang Hui，Fan Kaiguo，Yang JianguoAn improved method for thermally induced positioning errors measurementmodeling，and compensat

31、ionJInternational Journal ofAdvanced Manufacturing Technology，2014，75(912)：127912898Shuhe Li，Yiqun Zhang，Guofiong ZhangA Study of precompensation for thermal errors of NC machine toolsJInternational Journal of Machine Tools Manufacture，1997，37(12)：171517199Chen J SFast calibration and modeling of th

32、ermallyinduced machine tool errors in real machiningJInterna-tional Journal of Machine Tools and Manufacture，1997，37(2)：15916910Pahk H，Lee S WThermal error measurement and realtime compensation system for the CNC machine tools incor-porating the spindle thermal error and the feed axis thermalerrorJI

33、nternational Journal of Advanced ManufacturingTechnology，2002，20(7)：487-49411IS02303：Test code for machine toolsPart 3：Determination of thermal effectsS，200712F L M Delbressine，G H J Florussen，L A Schijvenaars，eta1Modelling thermomechanical behaviour of multiaxismachine toolsJPrecision Engineering，2

34、006，30(1)：475313Hongtao Zhang，Jianguo Yang，Yi Zhang，et a1Measurement and compensation for volumetric positioning errors ofCNC machine tools considering thermal effectJInterna-，tional Journal of Advanced Manufacturing Technology，201 1，55：27528314T Erkan，J R R MayerA cluster analysis applied to volume

35、tric errors of fiveaxis machine tools obtained by probingan uncalibrated artefactJCIRP AnnalsManufacturingTechnology，2010，59(1)：53954215T Erkan，J R R Mayer，Y DupontVolumetric distortionassessment of a fiveaxis machine by probing a 3D recon-figurable uncalibrated master ball artefactJPrecision Engine

36、ering，2011，35(I)：11612510916T Erkan，J R R MayerCompensation for the UnknownGeometry of a Reconfigurable Uncalibrated 3 D Ball Artefactfor Fiveaxis Machine Volumetric CheckCProceedingsof the 24th ASPE Annual Meeting，2009第一作者：杨拴强，福州大学机械工程及自动化学院，350108福州市First Author：y口增Shuangqiang，College ofMechanical

37、 Engineering and Automation，Fuzhou University，Fuzhou 350108，China新能源车增长加速引领汽车业转型业内普遍预计，作为“十三五”的开局之年，新能源汽车将在2016年出现更大规模的增长，和传统燃油汽车市场呈现完全不同的走势，中国车市也将由此进入彻底转型的重要历史时期。实际上，在政策的明确导向下，作为市场主角的车企在未来产品的投资方向上愈发统一，纷纷加码新能源产品研发，仅在2015年，上汽、长城、长安等多个自主品牌已经在资本市场上募集资金用于研发新能源汽车，而业内预计这种趋势将会进一步加剧。由于2016年的市场基础与国家政策将有更大规模的

38、提升和改善，新能源汽车市场将出现更高速的增长态势。企业的信心也在水涨船高。国家到2020年新能源汽车的累计总销量目标为500万辆，而目前八大中国车企自己公布的目标加起来已经超过了320万辆。据北汽新能源常务副总经理兼产品工程院院长王可峰介绍，2016年该企业计划卖出55000辆新能源汽车，目标产能将达到10万辆级。中国汽车工业协会副秘书长许艳华认为：“从现在的发展形势来看，中国新能源汽车市场世界第一的地位已经没有悬念。”不过，也有很多专家提出，新能源汽车从目前的推广到未来的真正普及，仍需攻克包括充电设施的配套应用、掌握核心“三电”技术等多重难题。近日，质检总局、国家标准委联合国家能源局、工信部、科技部等部门发布新修订的电动汽车充电接口及通信协议5项国家标准，对电动汽车充电的安全性和兼容性问题作出改进。业内预计，此次充电国标的公布，为新能源汽车充电设施产业带来了重大机遇。赛迪顾问股份有限公司研究总监吴辉表示，从市场规模来看，未来充电站的预估值将会更高，收益模式也将实现新的创新。短期来看，国内将会迎来一个充电站或充电桩的建设高峰期。此外，多位专家建议，推动新能源汽车产业健康发展需要建立长效机制。一方面，新能源汽车产业要以科技创新为核心，不断优化用户的出行体验；另一方面，促进新能源汽车产业发展的公共政策要具有持续性，并且根据现实情况及时进行完善改进。万方数据