B-C五軸加工中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軸誤差傳遞鏈建模

張銀虎， 楊慶東， 王增新

（1. 北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,北京 100192; 2. 超同步股份有限公司，北京 101500）

0 引言

五軸加工中心在復(fù)雜曲面加工領(lǐng)域占據(jù)著不可或缺的地位。而復(fù)雜曲面的加工精度和五軸加工中心的眾多精度指標(biāo)相關(guān)（幾何精度、定位精度等），而每個(gè)精度指標(biāo)對(duì)五軸加工中心的性能影響又有很大的不同。五軸加工中心的每個(gè)運(yùn)動(dòng)軸在裝配的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量誤差，使得加工軌跡和理想軌跡不能完美契合，導(dǎo)致五軸加工中心的加工精度受到一定的影響。

要實(shí)現(xiàn)對(duì)誤差的有效補(bǔ)償，最首要的便是構(gòu)建更為精確的誤差模型。從該層面來(lái)看，構(gòu)建能夠?qū)ξ遢S機(jī)床空間在幾何層面上所存在誤差進(jìn)行精確分析的模型是很關(guān)鍵的，針對(duì)該建模過(guò)程開(kāi)展相關(guān)探究是很有必要的。

目前相關(guān)研究者針對(duì)該領(lǐng)域開(kāi)展的探究有：Kiridena 等[1]以D-H 法為基礎(chǔ)構(gòu)建了TTTRR 等不同形式的模型，并通過(guò)這些模型對(duì)在定位及體積方面所出現(xiàn)誤差之間存在的映射關(guān)系進(jìn)行了分析，該項(xiàng)探究的開(kāi)展，促使D-H 法得到了更多關(guān)注，且在其他相關(guān)領(lǐng)域的建模中得到了較多運(yùn)用；FAN 等[2]以多體系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)，針對(duì)多軸機(jī)床所存在幾何誤差構(gòu)建模型的相關(guān)問(wèn)題開(kāi)展了全面探究。本文則主要提出了能夠基于任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)針對(duì)五軸加工中心運(yùn)動(dòng)軸所對(duì)應(yīng)誤差傳遞鏈設(shè)立相關(guān)模型的一種方法。基于該方法，不僅能夠?qū)Ω鞣N結(jié)構(gòu)類型的五軸加工中心運(yùn)動(dòng)軸所對(duì)應(yīng)的誤差傳遞鏈實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的獲取，且能夠利用計(jì)算機(jī)以更加簡(jiǎn)便的方式完成自動(dòng)化建模及編程工作。

1 多體系統(tǒng)理論

該理論可以基于抽象層面對(duì)比較常見(jiàn)的各類機(jī)械結(jié)構(gòu)做出全面分析，在針對(duì)機(jī)械系統(tǒng)開(kāi)展分析方面能夠發(fā)揮較好的效用。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)指針對(duì)機(jī)械系統(tǒng)內(nèi)包含的較為關(guān)鍵的單元做出抽象處理以形成相應(yīng)的抽象單元，然后根據(jù)各單元間原本存在的關(guān)聯(lián)對(duì)這些抽象單元進(jìn)行連接，繼而得到相應(yīng)的簡(jiǎn)化模型[3]。低序體陣列是對(duì)所構(gòu)建拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行描述時(shí)運(yùn)用較多的一種，對(duì)于多體系統(tǒng)，設(shè)其所對(duì)應(yīng)的慣性參考系M為A0體，在系統(tǒng)所包含的單元中任意選擇一個(gè)并將其設(shè)定為A1體，然后沿與A1之間距離不斷擴(kuò)大的方向，由小到大針對(duì)各分值編制對(duì)應(yīng)的序號(hào)。具體情況如圖1所示，能夠通過(guò)低序體陣列多圖中所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)做出一定描述。若將R設(shè)定成該結(jié)構(gòu)所包含的一個(gè)典型體，C是與其緊鄰的低序體，則

能夠?qū)D1所示系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的低序體陣列進(jìn)行推導(dǎo)，具體如表1所示。

表1 低序體陣列圖

圖1 多體系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2 五軸加工中心運(yùn)動(dòng)軸誤差傳遞鏈建模

想要對(duì)五軸加工中心運(yùn)動(dòng)軸所對(duì)應(yīng)的誤差傳遞鏈進(jìn)行有效獲取，便是以多體理論為基礎(chǔ)完成對(duì)其對(duì)應(yīng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的構(gòu)建。根據(jù)其所對(duì)應(yīng)的低序體陣列，對(duì)其所對(duì)應(yīng)的誤差傳遞鏈做出推導(dǎo)。

2.1 五軸加工中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建模

對(duì)于五軸加工中心，在構(gòu)建其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)的主要依據(jù)為其所包含的支承件。將支承件Zn以矩形方框的形式進(jìn)行體現(xiàn)；將不同支承件之間存在的連接關(guān)系Em以連線的方式進(jìn)行體現(xiàn)。將連接關(guān)系分為固定Ejk及相對(duì)運(yùn)動(dòng)Eui兩部分。基于上述內(nèi)容能夠得出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所包含的信息集合

式中：n為支承件數(shù)目；k為機(jī)床固定連接數(shù)目；i為運(yùn)動(dòng)軸數(shù)目；v為相交節(jié)點(diǎn)數(shù)。

也就是，在獲取拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的集合φRV后，便能得到其所包含的所有信息，進(jìn)而確定整個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。以此能夠針對(duì)具備結(jié)構(gòu)類型不同的五軸加工中心設(shè)立相應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具體如圖2 所示。

圖2 五軸加工中心的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

五軸加工中心整體結(jié)構(gòu)中，床身發(fā)揮著對(duì)其他部件進(jìn)行支撐的關(guān)鍵作用，也是跟地面實(shí)現(xiàn)連接的重要部位。因此通過(guò)低序體陣列對(duì)整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行描述的過(guò)程中，可以將工件所對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系設(shè)定為整體的慣性參考系，也就是說(shuō)，在整個(gè)低序體中，床身所對(duì)應(yīng)的序列號(hào)是0，結(jié)合上文對(duì)低序體算子做出的定義，能夠?qū)φ麄€(gè)低序體陣列做出推導(dǎo)。以下便將某種類型的機(jī)床作為案例開(kāi)展相關(guān)分析，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3 所示。得到其低序體陣列如表2所示。

表2 某五軸加工中心的低序體陣列表

2.2 確認(rèn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)及連接矩陣

當(dāng)運(yùn)動(dòng)軸數(shù)量為i，連接矩陣為V，將其階數(shù)設(shè)定為i×2。其行順序指機(jī)身至刀具點(diǎn)存在的所有運(yùn)動(dòng)軸排布的具體順序。具體如圖3所示，基于此能得出不同運(yùn)動(dòng)軸所連接的具體支承件的相關(guān)情況，具體如表3所示。

圖3 某五軸加工中心結(jié)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

表3 運(yùn)動(dòng)軸連接支承件表

說(shuō)明：括號(hào)指支承件序列號(hào)。

從而得到該五軸加工中心運(yùn)動(dòng)軸支承件連接矩陣為

同一運(yùn)動(dòng)軸連接的支承件，所發(fā)生的運(yùn)動(dòng)永遠(yuǎn)具有相對(duì)性，即二者分別為運(yùn)動(dòng)件、靜止件。設(shè)定支承件運(yùn)動(dòng)矩陣? 的階數(shù)為i×2，與相對(duì)運(yùn)動(dòng)矩陣E中矩陣行順序一樣。E（i，n）跟V（i，n）所涉及的支撐件是同一個(gè)。如果把V（i，n）設(shè)定成運(yùn)動(dòng)件，則E（i，n）=1，若將V（i，n）設(shè)定為支撐件，則E（i，n）=0，n=1，2。根據(jù)圖3所示數(shù)據(jù)完成對(duì)表4的推導(dǎo)。

表4 運(yùn)動(dòng)軸與連接件相對(duì)運(yùn)動(dòng)表

從而可以得到該五軸加工中心運(yùn)動(dòng)軸連接件相對(duì)運(yùn)動(dòng)矩陣

2.3 五軸加工中心運(yùn)動(dòng)軸誤差傳遞鏈獲取

在獲取五軸加工中心運(yùn)動(dòng)軸誤差傳遞鏈前，最首要的便是以拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)推導(dǎo)出連接矩陣V及相對(duì)矩陣E。根據(jù)第2.1節(jié)內(nèi)闡述的內(nèi)容，能夠完成該推導(dǎo)過(guò)程。

設(shè)定誤差傳動(dòng)鏈坐標(biāo)系中：指令位置項(xiàng)Ds，s指X、Y、Z、A、B、C等軸；自身定位誤差ω；由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)引發(fā)的誤差ωhlsp2，如ω12指1、2軸對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系由于出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)引發(fā)的誤差，且方向?yàn)?到2，ω21的方向?yàn)?到1，由于運(yùn)動(dòng)是可逆的，因此ω12=-ω21。

根據(jù)第2.2節(jié)所闡述的方式，以得到的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出工件所對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系到刀具點(diǎn)所對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系之間存在的各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的排布情況。

對(duì)于第i個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，如果

根據(jù)上面提及的方法，完成所有運(yùn)動(dòng)軸在對(duì)誤差進(jìn)行傳遞時(shí)具體順序的確定。然后將相互運(yùn)動(dòng)誤差ωhlsp2加入其中，如在第i-1及第i個(gè)軸間增加誤差ωi-1，i或-ωi，i-1。

3 五軸加工中心運(yùn)動(dòng)軸空間幾何誤差傳遞鏈建模

3.1 微分變換的五軸加工中心空間幾何誤差建模

針對(duì)五軸加工中心所存在幾何誤差構(gòu)建相應(yīng)模型的過(guò)程中，應(yīng)通過(guò)微分運(yùn)動(dòng)替代運(yùn)動(dòng)軸所存在的幾何誤差發(fā)揮相關(guān)效用，如以微分變換為基礎(chǔ)對(duì)不同運(yùn)動(dòng)軸所發(fā)生微分運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致機(jī)床在開(kāi)展理想化變換方面形成的誤差進(jìn)行闡釋，進(jìn)而形成以微分變換為基礎(chǔ)設(shè)立幾何誤差所對(duì)應(yīng)模型的相關(guān)方法。

隨意選擇一個(gè)五軸加工中心，并將其所包含運(yùn)動(dòng)軸的數(shù)量設(shè)定為i個(gè)，若其存在一定的幾何誤差，則對(duì)其進(jìn)行變換處理的具體過(guò)程如圖4所示，其中實(shí)線所體現(xiàn)的是不存在任何誤差情況的理想變換，虛線體現(xiàn)的則是存在一定誤差情況的實(shí)際變換。

圖4 實(shí)際變換軌跡圖

將i-1Si定義成第i個(gè)軸在發(fā)生理想變換的過(guò)程中對(duì)應(yīng)的矩陣，i-1Si體現(xiàn)的是第i個(gè)軸所對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系的原點(diǎn)Oi與第i個(gè)軸所對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系的原點(diǎn)Oi－1之間實(shí)現(xiàn)理想轉(zhuǎn)換過(guò)程中所對(duì)應(yīng)的矩陣。則

為對(duì)所設(shè)立模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，并盡可能減少整體計(jì)算規(guī)模，做出如下設(shè)定：第1個(gè)軸所處位置是工件所對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系的原點(diǎn)，且與刀具對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系的原點(diǎn)是相互重合的。則上述兩個(gè)坐標(biāo)系進(jìn)行理想變換時(shí)對(duì)應(yīng)的矩陣是

若設(shè)定第j個(gè)軸是存在一定幾何誤差的，且與其相對(duì)應(yīng)的微分矢量為（ηjxηjyηjzωjxωjyωjz），則能夠推導(dǎo)出微分變換算子j-1Δj：

對(duì)式（14）、式（15）進(jìn)行整合，能夠得出由于運(yùn)動(dòng)軸有著一定的誤差而導(dǎo)致刀具所對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系在位置上出現(xiàn)誤差所對(duì)應(yīng)的變換矩陣為：

根據(jù)式（12），能夠推導(dǎo)出d1Si的階數(shù)為4×4，且第4列中列示的是對(duì)位置層面所存在誤差進(jìn)行體現(xiàn)的矢量。基于此，能夠?qū)Φ毒唿c(diǎn)在位置層面存在的一階誤差dZ進(jìn)行計(jì)算：

3.2 五軸加工中心運(yùn)動(dòng)軸誤差傳遞鏈建模

將傳遞過(guò)程涉及各項(xiàng)的數(shù)量設(shè)定為m，根據(jù)得出的傳遞鏈能夠推導(dǎo)出詳盡的傳遞表，通過(guò)式（16）便能完成對(duì)相關(guān)模型的構(gòu)建。該機(jī)床所對(duì)應(yīng)的微分變換矩陣d1Sm、一階位置誤差dZ分別為

4 案例分析

為對(duì)所提出算法具備的適用性、普遍性進(jìn)行有效驗(yàn)證，以五軸加工中心作為案例，其對(duì)應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖具體如圖5所示。

圖5 B-C五軸加工中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

根據(jù)五軸加工中心所對(duì)應(yīng)的低序體陣列，能夠推導(dǎo)出其所包含運(yùn)動(dòng)軸對(duì)各個(gè)支承件進(jìn)行連接的情況，具

表5 B-C五軸加工中心運(yùn)動(dòng)軸連接支承件表 體如表5 所示。

根據(jù)拓?fù)鋱D，能夠?qū)Ω髦С屑l(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的具體情況進(jìn)行推導(dǎo)，具體列示在表6中。

表6 B-C五軸加工中心運(yùn)動(dòng)軸連接支承件表

則B-C五軸加工中心運(yùn)動(dòng)軸連接件相對(duì)運(yùn)動(dòng)矩陣為

所以Z軸的誤差傳遞為DY→ωY。

將相鄰軸在發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)的誤差加入其中。本次所研究機(jī)床包含的運(yùn)動(dòng)軸數(shù)量為5個(gè)，形成的該類誤差的數(shù)量為4個(gè)：ωCB，ωBX，ωXY，ωYZ。推導(dǎo)出相應(yīng)的誤差傳遞鏈：

基于上述傳遞鏈能夠推導(dǎo)出誤差由B-C五軸加工中心傳遞至刀具點(diǎn)的具體情況，如表7所示。

表7 B-C五軸加工中心誤差傳遞鏈

根據(jù)第3節(jié)內(nèi)提及的方法，對(duì)本次所探究B-C五軸加工中心中，實(shí)際刀具點(diǎn)所對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系相對(duì)于工件所對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系存在一階空間位置誤差d1Sm。

5 結(jié)論

1）本次探究的主要內(nèi)容為：針對(duì)結(jié)構(gòu)為任何類型的五軸加工中心，提出以其所對(duì)應(yīng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出其所包含運(yùn)動(dòng)軸對(duì)應(yīng)的誤差傳遞鏈對(duì)應(yīng)的模型、進(jìn)行構(gòu)建的方法及對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。基于宏觀層面得出誤差在工件及刀具所對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系間進(jìn)行傳遞時(shí)二者間的關(guān)系，從理論層面上為計(jì)算空間誤差奠定了一定基礎(chǔ)。

2）以運(yùn)動(dòng)軸所對(duì)應(yīng)的誤差傳遞鏈及微分變換為基礎(chǔ)，創(chuàng)建了五軸加工中心空間幾何誤差相關(guān)模型。并對(duì)誤差傳遞鏈進(jìn)行了詳細(xì)闡述。將其與構(gòu)建五軸加工中心空間幾何誤差模型聯(lián)系起來(lái)。以五軸加工中心所對(duì)應(yīng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出誤差的傳遞過(guò)程。

3）以B-C五軸加工中心為案例開(kāi)展相關(guān)分析，對(duì)本次所提出五軸加工中心空間誤差幾何建模方法的有效性、普遍性進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證。

4）后續(xù)探究中，會(huì)以本次提出方法為基礎(chǔ)，探究公差分配的相關(guān)問(wèn)題。