新型变轴数控机床定姿态工作精度检验方案提出建议

时间:2011-07-17 08:21:37 来源:未知

传统数控机床按照笛卡儿坐标体系设计，属串联相接、层叠嵌套的悬臂结构，各传动链之间误差作用是累积的。虚拟轴数控机床（又被称为并联机床，六条腿机床，虚拟轴机床或新型敏捷制造加工中心）是机床家族的新成员，它抛弃了传统的固定导轨刀具导向方式，采用了六自由度并联机构（Stewart 平台）为其结构主体，因而理论上可以加工任意复杂曲面零件（如叶轮、模具等）。另外，这种新型机床各伸缩杆的运动效果耦合，具有精度高的潜在优势。

机床精度检验通常包括几何精度、位置精度和工作精度检验。目前，尚未见到ISO组织或某国针对虚拟轴数控机床精度检验制订的标准。本文参照传统数控机床精度检验的内容，并结合虚拟轴数控机床的特点，拟订了其工作精度检验方案。

1 传统数控机床工作精度的检验

围绕传统数控机床工作精度的检验，美国NAS979（国家航宇标准）制订了“圆形—菱形—方形”试件切削实验（简称试切法）标准，我国也有类似的标准。

表1 为用试切法对数控万能工具铣床进行精度检验的方法。

从表1可知，试切法通过四种方式分别检验机床沿X坐标的直线度:X、Y、Z坐标相互之间的垂直度：数控插补的直线度、圆度以及X-Y平面上孔的位置精度等项目。另外，此法根据数控机床各坐标的行程范围，确定切削试件的相应尺寸。这样规定是因为传统机床各坐标的误差与行程之间为线性映射，因而利用小尺寸试件检验大行程的工作精度具有合理性。

利用试切法检测机床工作精度，对试件精度检验实验条件要求高，实验周期较长，且因大多数切削运动沿X-Y平面进行，并未评价X-Z、Y-Z平面的精度，故无法评估传统数控机床的所有性能。最新的国际机床检验标准推荐用球杆仪检验法取代NAS 979试切法，对机床工作精度进行迅速而有效的检测。

2 虚拟轴数控机床工作精度检验方案的制订

机床机构模型图

虚拟轴数控机床与传统数控机床的区别在于其加工误差是各伸缩杆长度误差以及铰链中心位置误差的复杂非线性映射，因此，需要拟订适当的工作精度检验方案。尽管在传统数控机床工作精度检验中，球杆仪检测法更多地取代试切法，但由于随球杆仪提供的误差诊断软件目前无法直接用于虚拟轴数控机床工作精度检验，因而试切法成为这里的首选方法。

制定方案的理论依据
虚拟轴数控机床工作精度的检验

虚拟轴数控机床的机构模型如图所示，其误差表达式为 ?L_i=l_i·?a_i-li·?oo₁-l_i·（R＇B_i）-l_i·（R?B_i）式中L_i为各伸缩杆的杆长矢量，其对应的误差为?L_i;l_i=L_i/L_i：?a_i为静平台铰链点绝对误差：?oo₁为动、静坐标系原点间距离误差：R为任意时刻动、静坐标系间姿态变换矩阵，当动平台姿态不变时，R=E（单位矩阵），R＇为R对应的误差：#p#分页标题#e#B_i是动平台铰链点相对坐标，?B_i为其对应的误差。

从上式可知，由于虚拟轴数控机床刀具位姿误差与伸缩杆长度误差存在非线性映射关系，小尺寸试件的精度不能准确反映大尺寸工作空间的工作精度，因而需选择与机床工作空间范围尺寸相当的试件进行切削，以评价其工作精度。

定姿态工作精度检验
虚拟轴数控机床做定姿态运动时，描述动平台位姿的变量中只有三个位置变量随刀具轨迹变化，而姿态角始终不变。表2为虚拟轴数控机床在工作空间?300mm×300mm 时定姿态工作精度检验方案。
变姿态工作精度检验
虚拟轴数控机床做变姿态运动时，动平台姿态角随刀具轨迹连续变化。这使得机床工作空间范围同定姿态时相比大大改变，并且姿态角变化越大，机床可达工作空间越小。随之而来的问题是:用试切法进行机床变姿态工作精度检验时，如何确定试切工件的尺寸以及检测手段。文献JB/T 17421.2-2000《机床检验通则——第2部分:数控轴线定位精度和重复定位精度的确定》特别制订了供货方/制造厂和用户之间就传统数控机床精度检验的协商要点。笔者建议，根据其原则，由有关各方协商拟订变轴数控机床变姿态工作精度检验条款，作为此类机床工作精度检验的部分内容。

3 结束语

工作精度是衡量机床性能的重要指标。虽然通过试件切削实验检验数控机床工作精度已有严格的标准，但是适用于虚拟轴数控机床工作精度检验的试切法尚处于探索阶段。本文分析了传统数控机床工作精度检验标准，根据虚拟轴数控机床与其的本质区别，拟订了新型虚拟轴数控机床定姿态工作精度检验方案，并对变姿态工作精度检验提出了建议，供相关研究人员参考。

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1 传统数控机床工作精度的检验

2 虚拟轴数控机床工作精度检验方案的制订

3 结束语

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