44、五轴机床旋转轴测试中线性轴误差影响的消除及刀具夹持传感器设计

五轴机床旋转轴测试中线性轴误差影响的消除及刀具夹持传感器设计

五轴机床旋转轴测试相关内容

在五轴机床的精度测试中，线性轴的垂直度误差会对旋转轴的测试结果产生显著影响。下面将详细介绍相关的测试步骤及误差分析。
1. 线性轴垂直度误差识别
- 为避免与旋转轴碰撞，将中心枢轴置于 A 轴中心线上，沿负 X 方向偏移 120mm。假设在此位置的测量结果能代表旋转轴测试中的运动情况，但这需要在未来工作中进一步验证。
- 以 X 轴为基准轴，构建线性轴方向单位向量：
- (u_Y = [0.0001393\ 0.9999999\ 0]^T)
- (u_Z = [0.0001577\ 0.0000407\ 0.9999999]^T)
- 两向量叉积得到垂直于“真实”YZ 平面的单位向量：
- (u_{YZ} = [0.9999999\ -0.0001393\ -0.0001577]^T)
- 线性轴之间的垂直度误差如下表所示：
| 垂直度 | (EC0Y [μm/m]) | (EA0Z [μm/m]) | (EB0Z [μm/m]) |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 数值 | -139.3 | -40.7 | -157.7 |
2. A 轴径向偏移误差识别
- 使用 Toolpath 2 和 3 来识别 A 轴的径向偏移误差。对近似中心枢轴位置生成最小二乘最佳拟合圆，以其圆心确定径向偏移误差。
- 不同情况下的径向偏移误差如下表：
| 情况 | (EY0A [mm]) | (EZ0A [mm]) |
| ---- | ---- | ---- |
| 无线性轴误差 | 0.0312 | 0.0416 |
| 有线性轴误差 - 未补偿 | 0.0318 | 0.0483 |
| 有线性轴误差 - 已补偿 | 0.0318 | 0.0408 |
- 可以看出，径向偏移误差 (EY0A) 对线性轴垂直度误差不太敏感，而 (EZ0A) 变化约 7μm。
- 为补偿线性轴运动椭圆度的不利影响，采用以下模型表征刀尖的“真实”运动：
([x_s\ y_s\ z_s]^T = x.v_x + y.v_y + z.v_z)
其中，(x_s)、(y_s) 和 (z_s) 表示由于线性轴垂直度误差导致的刀尖“真实”坐标，(v_x)、(v_y) 和 (v_z) 是线性轴的方向单位向量，(x)、(y) 和 (z) 是指令刀尖坐标。通过该模型模拟测试过程，识别理想刀尖路径与受线性轴误差影响的刀尖路径的径向分离，并从 Toolpath 2 的球杆测量值中减去该分离量，重新计算中心枢轴位置和径向偏移误差。结果显示，线性轴椭圆度的影响几乎完全消除，(EY0A) 和 (EZ0A) 的残余差异分别为 0.6μm 和 0.8μm，分别占基准值的 2.6% 和 2%。
3. A 轴倾斜误差识别
- 使用 Toolpath 1 识别包含线性轴误差影响的旋转轴倾斜误差，使用 Toolpath 4 识别无线性轴误差影响的倾斜误差。
- 通过工具路径近似中心枢轴在旋转轴驱动下的位置，利用这些位置坐标生成与“真实”旋转平面平行的最小二乘最佳拟合平面，用中心枢轴位置数据的质心和垂直于该平面的单位向量表示该平面。
- 不同情况下的倾斜误差如下表：
| 情况 | (EC0A [rad]) | (EB0A [rad]) |
| ---- | ---- | ---- |
| 无线性轴误差 | 0.00036736 | -0.00045442 |
| 有线性轴误差 - 未补偿 | 0.00056671 | -0.00067439 |
| 有线性轴误差 - 已补偿 | 0.00042748 | -0.00051674 |
- 可以看出，线性轴运动对倾斜误差的识别有显著影响。在误差 (EC0A) 中，差异约为 199μrad，占无线性轴运动时总误差大小的 54%；在误差 (EB0A) 中，差异约为 220μrad，占无线性轴运动时误差大小的 48%。
- 为补偿线性轴误差的不利影响，采用与径向测试补偿相同的模型表征刀尖的“真实”运动。由于在 Toolpath 1 中球杆轴向对齐，线性轴在 X 方向的误差分量会改变球杆的伸长量。通过比较“真实”刀尖坐标与指令刀尖坐标，预测线性轴对球杆伸长量的影响，并从记录的球杆长度测量值中去除该影响，重新计算中心枢轴位置和倾斜误差。结果显示，(EC0A) 和 (EB0A) 的新差异分别为 60μrad 和 62μrad，分别占无线性轴干扰测试基准值的 16% 和 14%。

下面是相关步骤的流程图：

graph LR
    A[线性轴垂直度误差识别] --> B[A 轴径向偏移误差识别]
    B --> C[A 轴倾斜误差识别]
    B1[Toolpath 3 径向球杆测试] --> B
    B2[Toolpath 2 识别含线性轴误差的径向偏移误差] --> B
    C1[Toolpath 1 识别含线性轴误差的倾斜误差] --> C
    C2[Toolpath 4 识别无线性轴误差的倾斜误差] --> C

数控车削刀具夹持传感器设计

在数控车削加工中，测量切削力对于理解切削机制、优化加工过程至关重要。以下介绍一种通过在刀具夹持器内直接安装应变片来测量切削力的传感器设计。
1. 引言
- 金属切削过程中产生的力与切削条件直接相关，会影响热量产生、刀具磨损、加工表面质量和工件精度。测量切削力的目的是了解切削机制，如切削变量对切削力的影响、工件的可加工性、切屑形成过程、颤振和刀具磨损等。
- 过去十年，研究人员采用直接和间接方法设计了多种切削力测量系统。但多数系统设计复杂，数据采集系统庞大。本文评估并测试了在刀具夹持器内放置应变片测量切削力的原理。
- 为测量切削力产生的弯曲应变，信号调理采用 1/2 惠斯通电桥配置，随后进行放大和滤波处理。信号通过 cDAQ 与 9215 模拟输入模块连接采集，使用 Labview 软件进行数据采集和存储。
- 校准过程是对刀具夹持器施加已知重量，估算力的大小。传感器在不同切削条件下进行测试以评估其性能。
2. 传感器设计与制造
- 车削过程中产生的切削力由三个分力组成：切向力 (F_t)（通常是最大分力，沿切削速度方向作用）、进给力 (F_f)（沿进给方向作用于刀具的轴向力）和径向力 (F_r)（将切削刀具沿径向推离工件）。
- 传感器设计包括在刀具夹持器柄的每侧设置四个腔室用于放置应变片，柄上有孔用于穿过应变片电缆。四个应变片分别放置在刀具夹持器的每个面上，以测量切削过程中切向力和进给力产生的应变。
- 应变片采用 1/2 惠斯通电桥配置，一对（上下）用于测量切向力，另一对（左右）用于测量进给力。这样可以估算切削力的分量，并检查交叉灵敏度。
- 通过 Solidworks 软件对设计进行应变分析，确保应变片的最佳安装位置。结果显示，所选位置在施加力时会产生较大应变。
3. 信号调理
- 采用应变片测量切削力时，需要对其信号进行调理。信号调理电路主要包括三个阶段。
- 为测试设计的放大器与应变片的配合效果，尽可能降低噪声，并简化与系统的连接接口，采用了特定的信号调理和放大方案。具体来说，使用仪表放大器和模拟有源滤波器在 PCB 上实现放大和滤波功能。

下面是传感器设计与测试的步骤列表：
1. 确定传感器设计方案，包括应变片的放置位置和电路配置。
2. 进行信号调理电路设计，采用 1/2 惠斯通电桥和放大滤波模块。
3. 使用 Solidworks 软件进行应变分析，优化应变片安装位置。
4. 制作传感器硬件，并进行校准。
5. 在不同切削条件下测试传感器性能。

五轴机床旋转轴测试中线性轴误差影响的消除及刀具夹持传感器设计

五轴机床旋转轴测试总结

通过上述对五轴机床旋转轴测试的研究，可以得出以下结论：
1. 线性轴误差的显著影响 ：五轴机床线性轴中的垂直度误差对使用线性轴的旋转轴精度测试结果有显著影响，其中用于识别倾斜误差的轴向测试受线性轴误差影响最大。在最坏情况下，基准倾斜误差值与存在线性轴误差时识别的值之间的差异可达原始基准值的 54%。
2. 误差消除方法的有效性 ：提出的消除线性轴误差影响的方法在分析旋转轴测试数据时效果显著。在径向测试数据中，线性轴的影响几乎完全消除；在轴向测试数据中，虽然补偿识别倾斜误差的效果稍逊，但基准值与识别值之间的差异从约 50% 降低到约 15%，有明显改善。

以下是对旋转轴测试的效果总结表格：
| 测试类型 | 线性轴误差影响程度 | 补偿后效果 |
| ---- | ---- | ---- |
| 径向测试 | 有一定影响 | 线性轴影响几乎完全消除 |
| 轴向测试（倾斜误差） | 影响显著，差异可达 54% | 差异从约 50% 降至约 15% |

数控车削刀具夹持传感器设计总结与展望

1. 传感器设计的优势与效果
   • 设计的刀具夹持传感器通过在刀具夹持器内直接安装应变片测量切削力，采用 1/2 惠斯通电桥进行信号调理，结合放大和滤波处理，能够有效测量切削力。
   • 传感器经过校准和不同切削条件下的测试，能够较好地评估其在实际加工中的性能。通过应变片的合理配置，可以估算切削力的分量，并检查交叉灵敏度。
2. 未来展望
   • 对于五轴机床旋转轴测试，虽然目前的误差消除方法取得了较好的效果，但仍需进一步测试以量化补偿测量的不确定性，并在其他机床工具上重复测试以验证其有效性。
   • 对于刀具夹持传感器，未来可以进一步优化传感器的设计和信号处理算法，提高测量的精度和可靠性。同时，可以探索将该传感器应用于更多的加工场景，实现对切削过程的更精确控制和优化。

下面是刀具夹持传感器从设计到应用的步骤流程图：

graph LR
    A[传感器设计方案确定] --> B[信号调理电路设计]
    B --> C[应变分析与位置优化]
    C --> D[传感器硬件制作与校准]
    D --> E[不同切削条件测试]
    E --> F[实际加工应用与优化]

综上所述，五轴机床旋转轴测试中线性轴误差的消除方法和数控车削刀具夹持传感器的设计都具有重要的实际意义。通过合理的设计和测试，可以提高机床的加工精度和效率，为制造业的发展提供有力支持。