基于TOFRAME功能的并联机床角度检测方法.pdf

T e c h n 0 10 g y a n d T 工艺与检测 基于 T OF R AME功能 的并联机床 角度检测 方法 刘 兵 张 云 成都飞机工业集团有 限公 司，四川 成都 6 1 0 0 9 1 摘要 基于并联机床的特殊结构 以及法向抬刀的方法 ， 探索出一种快速检测虚拟轴最大角度的方法 ， 并通 过实际工程应用实践 ， 可 以准确快速地检测出虚拟轴各角度定位误差。 关键词 并联机床 ； 虚拟轴； 角度 ； 检测 中图分类号 T H1 7 文献标识码 B An g e l me a s u r e me n t f o r p a r a l l e l t o o l ma c h i n e b a s e d o n TOF R AME f u n c t i o n LI U Bi n g，ZHANG Yu n C h e n g d u A i r c r a f t I n d u s t r y G r o u p C o ． ， L t d ． ，C h e n g d u 6 1 0 0 9 1 ， C H N Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o s pe c i a l s t r uc t u r e a n d n o r ma l t o o l l i f t i n g me t h o ds o f p a r a l l e l ma c h i n e t o o l ，i n v e s t i g a t e a k i nd o f wa y t ha t me a s u r e t he a n g l e f o r v i r t u a l a x i s q ui c k l y，a n d ba s e d o n a c t u a l e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n t o p r a c t i c e，e a c h a n g l e o f v i r t u a l a x i s c a n be a c c u r a t e l y me a s u r e d q u i c k l y． Ke y wor ds p a r a l l e l ma c h i n e t o o l ；v i rtu a l a x i s；a ng e l ；me a s u r e 并联机床已经成 功运用于高精度加工行业 ， 在世 界范围内得到很好的运用 。并联机床的精度检测及补 偿方法一直是国内外研究的焦点。精度检测又分为动 态精度和静态精度两方 面， 并联机床 的运动误差又来 自多个方面， 其 中部件制造尺寸误差和关节间隙引起 的误差是两个最主要 的来源 ， 本 文主要介绍一种快 速 的静态精度检测方法。 1 虚拟轴结构及角度变化区域 1 ． 1 虚拟轴结构 并联机床与传统机床的本质区别在于刀具在操作 空间中的运动是关节空间伺服运动的非线性映射 又 表 1 3 O n l l n内径空心车轴 内孔加 工精 度考核表 项 目 深孑 L 钻削设计要求 加工后检测结果 取平均值 设计尺寸 3 0 0 m m 3 0 ． 2 2 mm 出口偏移量 ≤O ． 2 ram ／ 1 o o 0 F i l m 0 ． 0 9 mm ／ r n 尺寸精度 I I _8～I r 9 I T 8 内孔进 口端和出 口端均达到 表面粗糙度 Ra ≤ 6． 3 L L m Ra 3． 0 um 加_丁时间 ≤4 0 mi n ／ l根 3 0 ． 5 mi n ／ l根 3 具寿命 ≥1 0 m／ 刃 l O ． 9 4 m／ 刃 可加工 5根车轴 参考文献 [ 1 ] 高艳 艳 ， 王玉辉 ， 李 志平．高速列 车空 心车轴 应用研 究 [ J ] ．硅谷 ， 2 0 1 4， 2 0 1 0 2 1 0 3． [ 2 ] 汗洪文 ， 鞠华 ， 朱忠奎． 高速 客车空 心车轴 的疲 劳强度 分析及 优化． 农 业装备与车辆 工程 ， 2 0 1 1 1 1 1 41 7 ． [ 3 ] 顾小山． C R H I 型动车组空心车轴探伤作业辅助工艺探讨． 铁道车 辆 ， 2 0 1 4 ， 5 2 6 3 73 8 ． [ 4 ] 樊铁镔 ．深孔加工技术综述[ J ] ．工具技术 ， 1 9 9 4 ， 5 2 5 ． [ 5 ] 熊良山， 师汉 民， 陈永洁．钻头与钻 削研究 的历史 、 现状 与发展趋势 [ J ] ．工具技术 ， 2 0 0 5 8 1 1 1 4 ． [ 6 ] 江敏 ， 苗鸿宾． B T A深孔钻 n m3 -_ 艺影响 因素的实验探究． 机床与液 压 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定 义 0 。 和最大角度 ， 然后实现精确分度 ， 图1某机床厂生 产的3 一 P R s 并联机构 在虚拟轴中同样面临这个问题 。 1 ． 2虚拟轴角度变化 并联机床 也像其他 的空 间连杆 机 构一样 ， 存 在着两个问题 1 在运动时有 可能发生 自己干涉 ， 或出现机床运动不能控制 的奇异位形 ； 2 工作空问 相 当复杂 ， 即刀架在 各个轴 上 的移 动和转 动 的范 围 是相互关 联 和不 明确 的。关 于并 联 机床 自己 的干 涉 、 奇异位形 的检查 方法和工作空 间的解析方法 ， 国 内外不少学 者 已进行诸 多有 益的研究 J 。以图 1 的并联机构为例 ， 其中 z 1 、 Z 2 、 合成虚拟直线轴 z 轴及 回转 轴 A、 B轴 ， 该 虚拟 轴 A、 B最 大 角 度均 为 4 0 。 ， 随着 、 B角度 的变 化 ， z向可 以移 动 的距 离随 着角度增大而减小 表 1 ， 如果 A、 B合成 角度运行 ， 那范 围将更小。在测量虚拟轴 最大角度时 以 z向可 以移动的距离作为标准 。 表 1 某虚拟轴角度与z轴运动值分布 A角度 Z可以移动的距离／ c m B角度 Z可 以移动的距离／ e m 4 0。 1 4 2 4 0。 7 3 3 0。 1 9 3 3 0 。 1 42 2 0。 2 3 7 2 0。 2 0 3 1 0。 2 7 3 1 0 。 2 5 6 0 。 3 0 o 0。 3 0 0 一 l O 。 3 5 0 1 O。 2 5 6 2 】 。 l 91 2 【 】 。 2 03 3 0。 1 2 2 3 0。 1 4 2 4 0o 4 3 4 0。 7 3 】 2O 2 现有虚拟轴最大角度检测方法 并联机床已经在 国内外有广泛 的应用 ， 从静态精 度检测到动态精度检测 ， 厂家都有一整套解决方案。 2 ． 1现有检测方法 现有的精度检测方案为安装 1个 固定工装 ， 如图 2所示。工装底面为定位面 ， 通过可旋转的定位工 装 安装到工作 台上 ， 工装表面为固定斜面角度 ， 用打甩表 的方式检测虚拟轴角度定位精度 。 工 a 不总图 b 实物图 图2 现有角度检测 具体检测步骤为首先确定安装工装的水平度 ， 将 千分表安装到主轴头上， 移 动直线坐标 水平轴检测 工装侧面定位面的水平度 ， 允许值在 0 ． 0 2 ／ 2 0 0 m m 以 内； 随后将虚拟轴偏摆到定位角度位置 ， 并在主轴头上 安装千分表， 调节千分表呈甩表形式 ， 使旋转距离能触 及 4个 同一圆周均匀分布定位块表 面， 通过定位块的 检测确定虚拟轴的偏差值 ， 进行精度补偿 j 。 2 ． 2现有 方法 的利 弊 现有检测方法完全采用人工操作 ， 工装笨拙 ， 安装 不便 。工装体积较大且安装不易 ， 容易产生安全问题 ； 如果安装该工装 的工作 台面不平或者污染 ， 会导致工 装发生倾斜 ， 不能准确保证精度检测 的结果 ； 工装安装 时需要检查水平度 ， 人为安装千分表旋转 ， 极易产生人 为的操作误差 。 由于各种人工误差 和工装误差 ， 导致的综合误差 将影响到虚拟轴最大角度检测 的值 ， 最终会影响虚拟 轴定位精度。 3一种快 速检测虚拟轴 角度的方法 根据现有 的检测方法及工程实际使用经验 ， 以法 向抬刀为基础， 研究出一种快速检测虚拟轴定位角度 的方法。 3 ． 1法 向抬刀 的介绍 法 向抬刀功能是数控系统根据机床当前的摆角坐 标值 ， 通过旋转机床坐标系建立起一个 以刀具矢量方 向为直线轴 z 的新坐标系 由系统生成 的平行于当前 ZU I簪I 十 主轴轴心线的抬刀方 向临时坐标系 。一般用于加工 中刀具出现破损时， 沿刀具矢量方向移动机床 ， 使刀具 离开工件 ， 避免刀具对工件造成伤害。编程示例 TRAORI T OFRAME G 9l Gl Z2 0 0 FI O 0 0 G 9 0 M2 使用该功能后 ， 移动机床并联轴合成直线坐标轴 z时， 机床根据 当前摆 角的角度 ， 将 新坐标系 内移 动 z 坐标 的移动量分解到原机床坐标系内的直线坐标轴 、l ， 、 z坐标上 ， 保证 刀具严 格按 照刀 具 的矢量 方 向 移动。 3 ． 2 一种快速检测方法 首先确定机床虚拟坐标 A、 零位 ， 保证检测基准 值准确 ， 随后通过法 向抬刀的方式进行实际角度检测 ， 可以方便快捷地检测虚拟轴最大角度 ， 提高 了准确性 和实效性 。 3 ． 2 ． 1 找正虚拟坐标 A、 B零位 检测合成轴定位角度前 ， 必须先确定合成坐标 A、 曰的零点 ， 即主轴对工作 台面的垂直度。将工作 台表 面擦拭干净 ， 将磁性表架吸附在主轴上 ， 表架弯曲成约 半径为2 0 0 I n n的圆， 并使千分表与工作台垂直 。最终 检测出主轴对工作台的垂直度 ， 再通过虚拟轴误差补 偿 ， 确定虚拟轴的原点 如 A 0 ， B 0 。 ／ 千分表 、 图3 主轴与工作台垂直度检测 图4 3 ． 2 ． 2角度检测 虚拟轴原点确认后 ， 将芯棒装入主轴 ， 在编辑模式 下输入虚拟轴定位角度 ， 然后执行。将千分表吸附在 工作 台面上 ， 调整千分 表 与芯棒垂直 ， 执行法 向抬 刀程序 ， 芯棒会按 照固定 角度轨迹退后 ， 通过 千分 表的变化值 ， 获得虚拟 轴 角度的定位误差。 常西 门子 8 4 0 D系统 图5移动坐标 示意图 带有法向抬刀功能， 如果没有该功能 ， 可以使用手动计 ／ 33等 ’ T e c h n 0 Io g y a n d 工艺与检测 算。如选择检测 虚拟轴 A的定 位角度 ， 如 图 6所 示 其 中各轴 为合成后 的虚拟 坐标轴 ， 为 A轴 的角 度 ， 则记录当前点 Y 。 ， ， 设定移动主轴沿虚拟直线 z轴移动距离为 ， 经过三角 函数计算得 △ zL c o s c ， AY L s i n a 。编辑程序得 G O Y 一L s i n a； 一L c o s ； 同样地 ， 如果检测虚拟轴 ， 则移动 z和 坐标 。最终 观察千分表的变化情况确定该角度的定位精度。 4 应 用与实践 通 常在使用过程 中 ， 由于虚拟轴坐标行程较短 ， 可能影响检 测 行程 ， 使 角度 定 位检 测 的误 差减 小 ， 通常检测 3～5次为佳 。与并联 机床原 有角度定 位 检测结果相 比较 ， 新 方法获 得 的检测误差 值趋势 相 同。 使用定位角度检测工装检测虚拟轴角度 ， 需要花 费大量时间及人力安装并调整工装 ， 检测角度 固定 ； 使 用新方法进行精度检测 ， 可以更简单更快捷检测 出不 同角度的定位精度 ， 通过多次使用验证 ， 能达到与工装 检测定位角度同样的效果 。 5 结语 该检测方案设计利用勾股定理作为依据 ， 通过机 床的实际移动量计算 的机械角度值与机床虚拟轴坐标 的角度值做 比较 ， 获得该旋转 坐标轴在某角度 的定位 精度 ， 测试方法简单 ， 测试结果通过实际应用可以作为 精度补偿依据。 参考文献 [ 1 ] 王洋 ， 倪雁冰 ， 黄 田， 等． 并联 机床插补算 法与原 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编辑汪 艺 收 稿日 期 2 0 1 5 0 4 1 5 文章编号 1 5 1 I 3 0 如果您想 发表对本文的看法， 请将文 章编号填入读者意见调查表中 的相应位置。