在五軸加工中心上,使用本文提出的測量及辨識方案研究旋轉軸的幾何誤差。同時,依據空間誤差補償方法,對比前后關鍵誤差項的結果,驗證本文方法的準確性。

4.1 試驗設置
如圖11所示,試驗加工中心為U350型葉片五軸加工中心,該加工中心X/Y/Z行程分別為900/350/350mm,旋轉軸A1與U1軸,其轉角行程為±360°,B軸轉角行程為±45°加工中心采用西門子數控系統。

[圖11 U350葉片加工中心]
測頭型號為雷尼紹RMP600,配合長度150mm、測球直徑6mm的測桿使用。測量精度為1 μm,重復度誤差為0.25 μm,其在各個方向探測精度相同,能夠實現A軸多個角度上的工件探測。
試驗流程為:1)設備的安裝與標定,如圖12所示,首先將工件組裝并固定到加工中心的轉臺上,安裝位置不做精確要求,標定包括測球半徑標定和姿態標定,其中需要標定紅寶石球的+X、+Y、-X、-Y以及30°、60°、120°、150°、210°、240°、300°、330°各方向的球半徑,姿態標定需確認測球球心相對于主軸中心的X和Y向偏置及測針長度,以確保測量的準確度。2)將兩根旋轉軸都轉到零位,利用五點測量法測得3個標準球的球心坐標作為參考點,以步長30°計算出所有理論位置的坐標,接著編寫G代碼程序,實現全程自動化測量,并結合OPC UA協議進行數據采集和傳輸,單個旋轉軸的測量過程約15 min。3)將測量數據導出整理,利用辨識算法對PIGEs和PDGEs進行分步辨識。4)通過G代碼補償辨識出的A軸角定位誤差,從而評估測量結果的穩定性和有效性。

[圖12 標準工件與測頭安裝]
4.2 測量結果及與驗證
在SMU350型葉片五軸加工中心上進行多次試驗,其測量結果與辨識結果均有重復性。式(26)給出了試驗加工中心的A軸的PIGEs各項誤差辨識結果,即:
圖13展示了PDGEs各項誤差的辨識結果。在測量過程中,考慮到測頭與工件之間的運動干涉問題,特別是在A軸處于180°位置時只能測到兩個標準球數據。因此,需要單獨考慮該位置的辨識結果,或直接剔除。


[圖13 試驗加工中心PDGEs辨識結果]
由于該加工中心沒有集成的多誤差補償系統,因此針對關鍵誤差項:A軸角定位誤差,進行G代碼補償,即在每次旋轉時,補償該角度下的角定位誤差,接著重復測量與辨識步驟,對比補償前后的結果。該補償方法簡單高效,可以快速驗證辨識算法的有效性。圖14展示了EAA補償前后的對比結果。

[圖14 補償前后EAA辨識結果]
表5 誤差補償前后的EAA
角度/(°) | 補償前/μrad | 補償后/μrad | 提升率/% |
|---|---|---|---|
0 | - | - | - |
30 | -84.239 | -4.51 | 94.65 |
60 | -76.779 | 7.75 | 89.91 |
90 | -50.660 | -1.35 | 97.34 |
120 | 35.584 | -3.85 | 89.18 |
150 | 76.852 | -34.36 | 55.29 |
180 | - | - | - |
210 | 121.280 | 34.03 | 71.94 |
240 | 165.370 | 26.71 | 83.85 |
270 | 168.240 | 21.88 | 86.99 |
300 | 172.090 | 13.90 | 91.92 |
330 | 131.810 | 23.46 | 82.20 |
可以看到,補償后30°~330°的角定位誤差有明顯的減小,表5列出了補償前后的具體辨識結果。
EAA分別降低到-4.51、7.75、-1.35、-3.85、-34.36、-8.13、34.03、26.71、21.88、13.90、23.46 μrad,補償前的誤差變化范圍為-84~168.23 μrad,最大幅值差為252.48 μrad,補償后的變化范圍降低至-34.4~34.4 μrad,最大幅值差為68.38 μrad,降低了72.92%。說明該加工中心的角定位誤差被有效補償,本文算法的有效性和自補償性得以驗證。
進一步驗證本文辨識算法的準確性,利用雷尼紹回轉軸校準裝置對加工中心A軸進行直接測量。XR20無線型回轉軸校準裝置包含一個安裝在精密伺服控制軸上的集成式角度反射鏡。配合雷尼紹XL-80激光干涉儀使用,可以對回轉軸進行高精度、可重復的測量與校準,該型號激光干涉儀能夠以50 kHz頻率采集數據,最高線性測量速度達到4 m/s,測量分辨率為1 nm,在整個環境范圍內,精度高達±0.5 ppm。試驗布置如圖15所示。

[圖15 XR20轉角測量儀試驗布置]
雷尼紹XR20轉角測量儀的測量原理及流程為:已知試驗加工中心的A軸為工作臺,其旋轉中心位置已標定。首先從加工中心系統讀取A軸旋轉中心坐標,并將集成式角度反射鏡精確安裝于該旋轉中心處。隨后將A軸行程(0°~360°)按等角度劃分為n個區間;A軸每旋轉一個分度角θ時,反射鏡隨轉軸轉至對應測量位置。轉動完成并穩定后進行一次轉角測量。角度測量原理如圖16所示:角度反射鏡相對于角度干涉鏡發生轉動,使兩束反射光的光程產生差異。測量軟件根據接收的發射光與反射光之間的光程差進行計算,并將其換算為對應的角度誤差。

[圖16 激光干涉儀角定位誤差測量原理]
為了確保測量結果的準確性和重復性,本次試驗對A軸的角定位誤差進行5次測量,并與在機測量試驗中A軸在相同位置處的角定位誤差值進行對比,結果如圖17所示。

[圖17 在機測量結果與XR20測量結果對比]
以在機測量辨識結果為參考,將激光干涉儀5次測量值取平均后比較可得:兩者的平均絕對偏差為-1.091 μrad,平均相對偏差約為1.59%。從各測點分布看,120°位置處相對偏差最大,3.78%;240°位置處最小,為0.55%。按重合測點逐一統計,兩種方法在各位置處的絕對差值約為0.872~1.707 μrad,二者之間存在一定系統性差異。該差異主要來源于旋轉軸自身的重復定位誤差;此外,激光干涉儀測量結果還可能包含一定的累積誤差,其主要成因為旋轉軸熱漂移及反向間隙等因素的影響。
綜上所述,對比試驗結果表明,本文方法的測量結果與激光干涉儀直接測量結果在總體上具有良好一致性,兩者之間的偏差相對于角定位誤差本身的量級較小,驗證了本文方法的有效性。
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