1、密 级分类号编 号成 绩本科生毕业设计 (论文)外 文 翻 译原 文 标 题Identification of angular and positional deviations inherent to 5-axis machining centers with a tilting-rotary table by simultaneous four-axis control movementsmachining centers with a tilting-rotary table by simultaneous four-axis control movements 译 文 标 题 一个倾斜
2、回转工作台的角和位置固有的五轴偏 差识别的同时四轴控制运动的加工中心作者所在系别 机械工程系作者所在专业 飞行器制造工程作者所在班级 B11131作 者 姓 名 刘飞雄作 者 学 号 20114013127指导教师姓名 于杰指导教师职称 教授完 成 时 间 2015 年 03 月北华航天工业学院教务处制共 5 页 第 0 页译文标题 一个倾斜回转工作台的角和位置固有的五轴偏差识别的同时四轴控制 运动的加工中心原文标题Identification of angular and positional deviations inherent to 5-axis machining centers w
3、ith a tilting-rotary table by simultaneous four-axis control movements作 者 Masaomi Tsutsumi & Akinori Saito 译 名 正臣提、斎藤昭則 国 籍 日本原文出处 国际机床与制造杂志：设计，研究与应用摘要本文介绍了一种，通过固有的五轴控制加工中心的四轴联动控制运动的方法用于识别八偏差。确定的偏差已经提出了一些方法。然而，一个模拟同时四轴控制技术使用的球杆仪尚未应用于主轴与工作台之间相对位移的测量。此外，评估偏离轨迹的方法没有被提出。因此，在本文中，提出了一种基于同步四轴控制技术五轴控制加工中心倾斜
4、回转工作台的校准方法。为了验证该方法的有效性，进行了模拟。运动轨迹通过一个数学模型，为这八个偏差取代。在第一步，在八偏差的四个估计的观测方程的两个测量轨迹和使用六个参考的。在第二步骤中，根据观测方程使用价值计算几何计算剩余的四的偏差。作为一个结果，发现该方法是足以准确地识别偏差的。# 2004 Elsevier 有限公司保留所有权利。关键词：识别方法；加工中心加工；同时四轴控制；几何误差；误差；倾斜旋转表。1. 简介五轴加工中心的三个平移和两个旋转轴与传统的三个平移轴加工中心相比具有许多优越的特性。例如，短的工具柄可用于无干扰加工深腔壁，并具有复杂的结构形状，如叶轮的涡轮机，可以不改变夹具加工
5、。然而，该五轴机床的加工精度因为那些在众多的两个旋转轴偏差机制一般不如传统。如果有改善的一种有效方法或弥补这些偏差，五轴机床的加工性能将大幅度地提高。确定多轴机床的偏差的几何量测量方法可以看到许多不同的来源，主要是解决这个评估偏差1-3建模。球杆仪测量方法 4 的有效评估几何偏差，因为只有一个测量机床评估的偏差是必要的。测量工具是在 ISO 230-1 5 下的规定和评价参数也按照 ISO230-4 6 。最近，球杆方法已应用到五轴加工中心的两个旋转轴固有的系统偏差的识别。坂本稻崎7-9应用球杆的方法失调量的检测，柿野 10 和该 11 也应用球杆的方法诊断三轴同时运动的精度。求我 12 提出
6、了一个找出偏差的系统如联合系统化对齐方法，角偏移和旋转轴的分离。虽然这种方法的知识提供了有用的数据来提高机床精度，在五轴工具机尚未评估完全时每个偏差均存在。作者【13】已经提出了通过识别偏差的三轴同时运动过程包括旋转轴也有关系偏差和测量电路的离心圆弧。然而，四的测量需要评估的偏差，和未来的离心圆弧必须精确计算。本文论证了一个基于四轴联动控制运动为了检查五轴几何误差数控加工中心的新的校准方法。本文还由球栅测量运动轨迹仪器提出了一个通过分析现有的两共 5 页 第 1 页轴间的形状的角度和位置偏差估计方法。确认开发的有效性的方法，进行了模拟。八偏差条件代入数学模型得到的轨迹数据。在第一步中，八偏差的
7、四个通过观察估计方程的两测量数据和六指使用基准数据。第二步，剩下的四偏差的几何计算估计值的观测方程。作为一个结果，发现该方法能充分准确地识别偏差。2. 五轴数控加工中心和系统偏差各种各样的五轴控制加工中心已经在日本和欧洲制造。仍然有一些特殊配置的机器他们根据其结构 2 一般分为三类。第一是一个有两个旋转轴万向头的类型，这是 ISO10791-1 14 的规定，这种类型通常是应用于航空零件的制造或模具。二是倾斜转盘式的两个旋转轴，用于小安全组件的预加工。第三是一个旋转头混合型和转盘。表 1 显示了五轴联动加工中心已调查通过目录和网站 15 的结构配置。研究发现，在日本五轴加工中心的配置制造有 2
8、4 个。然而，这个数字远低于人数已由陈 16 和波河子 17 指出，有报道说，有 288 种可行的五轴加工中心的配置 16 和 720 种可能的概念设计 17 。在这项研究中，倾斜转盘式被选为研究对象是因为它是在日本最常见的模式。图 1 显示一个五轴倾斜转盘轴加工中心为例。稻崎 18 指出，有十三个系统偏差在五轴加工中心如图 2 所示。十三偏差的五个与平移轴可采用直边，传统方块、精度等级和千分表的方法进行检查。一些方法检查八偏差与倾斜旋转表关联了。本文的目的是提出一个估计的八种方法特别是五轴加工中心的偏差。3. 四轴联动运动控制与仿真3.1提出了四轴联动控制运动共 5 页 第 2 页球杆仪如图
9、 3 所示已被广泛用于检查几何误差数控轴机工具以及数字控制器的缺陷参数进行一种在正交平面两平移轴的圆周运动。试验条件及评价参数指定ISO 230-4 6 。然而，绝对的距离与两个球球杆没有这样的循环运动测量的考虑。在本文中，球杆的方法是新应用之间的主轴和四轴联动控制下工件为了获得事件达成的偏差是五轴控制加工中心的运动轨迹数据的绝对距离测量。假定两个球之间的绝对距离被精确地校准在测量之前。它也假定平移轴相互垂直，圆运动的 ISO 10791-8 19 指定没有偏差。图 2.系统偏差在一五个倾斜转盘式见图 1 轴加工中心现有（zxfyac 型）。图 4 显示的球杆相对于表面的倾斜回转工作台运动过程
10、中的测量。一个球的球杆固定磁性插座安装在主轴和其他插座放在一个位置远离旋转台中心（C 轴LB 如图 4(a)所示四轴（A，C，Y 和 Z 轴）同时控制两个球，保持恒定的距离。 S 球沿 A 轴四界主轴移动，这是由 Y 和 Z 轴的直线运动的描述，保持球与旋转工作台表面的距离。球 T 对 C 轴工作台移动而绕轴与球的主轴运动的同步移动。如图 4 所示，轴从 0 到 90 度，而 C 轴旋转 0 至 180 度。然后，A 轴从 90 到 0 度，而 C 轴旋转180360 度（参见图 4（b）和（c）。球杆轴总是在运动过程中保持平行台面。共 5 页 第 3 页3.2四轴联动的运动仿真当四轴联动控制
11、移动两球 S 和 T 球的中心坐标时，使用的是机床坐标计算OM-XYZ 系统。 A 轴和 C 轴的坐标系统的坐标 OA-XAYAZA 、O C-XCYCZC 定义如图 5 所示。A 轴坐标原点 OA xAY 只在机床坐标系和 zAY OM-XYZ yAY 上转移。A轴坐标 AY、AY 和 AY 也分别对应于 X，Y 和 Z 轴旋转远离。此外，C 轴坐标原点 OC 相对于轴坐标系统和 C 轴旋转 CA 只转移 yCA。Y 轴运动方向平行于 Y 轴的机床坐标系。因为球 S 的主轴沿圆弧同步随着轴的倾斜角度，在 YZ 平面的旋转几何变换矩阵 Z 轴运动二给定的方程表示（1）在机床坐标系。Y 轴和 Z
12、 轴的垂直度的影响给出了方程（2）：球 S（x S，yS，z S）在机床坐标系统由式（3）利用坐标 Sxyz（xsxyz，ysxyz ，z sxyz） S 球初始位置状态给出：球 T(xT,yT,zT)向前,然后向后移动沿着轴而其季度圈球沿着一个完整的关于 C 共 5 页 第 4 页轴圈 360 度。球在桌面上的机器坐标系坐标 TXYZ 给出了式子 (4),在坐标TA（xTA，yTA，z TA)与球的位置在轴坐标系桌面上。 在那里，DAY,DAY 和 EAYZ 定义如下： 共 5 页 第 5 页L 之间的距离来衡量两个球球棒的实验设备。在模拟,从两个 L 的距离计算坐标 SXYZ(xS,yS,
13、z)和 TXYZ(xT,欧美,zT 型)当轴移动 ,然后从 0 到 90 度从 90 年到 0度虽然 C 轴旋转 0 到 360 度。偏差 DL 的区别之间的长度和计算参考长度是绘制在极地参考圆坐标系统。R：径向差异 ：A 轴旋转角度图 6。角度和位置的轨迹偏差的影响。这些数据被用来作为识别偏差的参考数据（ZTC250 毫米）。图 5.在倾斜回转工作台上坐标系和角度位置偏差的定义如图 1 所示共 5 页 第 6 页方程式：（3）和（4）含有八的偏差（AY, AY,AY , CA, xAY, yAY, zAY 和yCA) 与旋转轴相关的。因此，这八种偏差的影响出现在四轴联动控制运动。4偏差和球杆
14、的设置条件的影响4.1偏差对轨迹的影偏差的影响（AY, AY,AY , CA, xAY, yAY, zAY 和 yCA）五轴加工中心的固有的轨迹形状进行模拟同时四轴运动控制下的符号表示在图 2 和 4。球杆的参考长度是 100 毫米，和安装高度 ZTC 的轴中心线到球的中心是 250 毫米。0.005 度和0.01 毫米角度和位置偏差分别为仿真。轨迹，当 A 轴旋转 0 至 90 度时，绘制的轨迹沿参考圆在第一象限上的极图和从 90 到 0 度的轨迹也被绘制在第二象限。仿真结果如图 6 所示。从图中可以看出，轨迹形状偏离圆形路径等于各自的偏差值和数量各有不同。它们可以分为对称和非对称的轨迹。对
15、称的轨迹从一个角偏差可以和三的位置偏差和 yAY, zAY 和 yCA。不对称的轨迹从三角偏差 AY,AY, CA 到位置偏差 xAY。径向差异是 R=34 或 44 的微米度角偏差是为 0.005 度 R=13 或 20 微米位置偏差为 0.01 毫米。如果八偏差（AY, AY,AY , CA, xAY, yAY, zAY 和 yCA）独特的轨迹形状的结果，每个偏差可根据自己的形状估计。然而，在 yCA=-0.0217 mm 图 7 所示的轨迹（a）是为 AY=0.005 度在图 6 中相同的（a ）和轨迹在 xAY=0.0217 毫米，如图7（b）也， CA=0.005 度图 6 所示的相
16、同（d）。因此，当偏差同时存在，是不可能区分它们。因此，对轨迹形状的球杆安装条件的影响。通过改变它们的数值直到轨迹可以和 CA 对应于 yCA 和 xAY 轨迹可以分别确定了 BCA 的值。共 5 页 第 7 页4.2球杆参数的影响可以在一个常规的五轴加工容易改变参数的基准长度 LB 和安装高度 ZTC。LB距离是球在表到主轴的球中心距。中天还从桌上的 a 轴中心线球中心的距离。首先，研究了不同长度的 LB 的两参数对轨迹形状的影响，50，100 和 150 毫米。然而，它被发现的长度 LB 不影响运动轨迹的形状和径向差 R。对轨迹形状的球杆高度 ZTC 影响进行模拟。结果如图 8 所示。当角
17、偏差存在的轨迹是由高度 ZTC 的影响如图 8 所示（a）。然而，轨迹是独立的高度 ZTC 只有位置偏差的存在图 8（b）。这意味着由球杆随高度增加时，只有 ZTC 角存在偏差检测的位移。结果发现，当角偏差可忽略不计径向差 R 的高度比例变化 ZTC。另一方面，径向差因为 xAY 的 A 轴坐标系的坐标原点的位移不受高度 ZTCd 的影响。图 7.这些位置偏差分别导致相同轨迹的角偏差。共 5 页 第 8 页有两个组合的偏差，如图 7 所示；一个是因为 AY 和 yCA 和其他 CA 和xAY。有可能一个角偏差和位置的一个可分离因为在弹道角偏差的影响是最大的，高度 ZTC 增加。因此，它应该是八
18、个的偏差，尤其是五轴控制加工中心可以从两轨迹改变球杆高度 ZTC 如上所述测量估计。5识别偏差5.1被分析的偏差范围提取的偏差，尤其是五轴数控加工中心的四轴联动控制运动的轨迹，它是不容易的。因此，利用观测方程 20 的方法来识别偏差。图 6 示出的轨迹，可以作为鉴定的参考数据。结果发现，径向偏差 R 角度和位置偏差成比例增加的变化。彼此之间的关系偏差和径向差线性变化的偏差范围在 0-0.1 毫米和角偏差范围在 0-0.05 如图 9图 8. 对圆形轨迹球杆 ZTC 天高度的影响。共 5 页 第 9 页示。对加工中心的 X 轴和 Y 轴运动的垂直度允许偏差为 0.02/500 毫米=0.0023
19、 和A、B 万向头的轴是 0.02 毫米之间的移位的允许偏差规定的试验条件。可以说，角度和位置偏差的研究被认为是足够的测量几何偏差，因为相比对加工中心的试验条件规定的允许偏差的范围是足够。因此，所有的角度和位置偏差被认为是在这些范围内。5.2第一步，找出偏差(AY,AY, yAY 和 zAY)作为第一步，六的偏差（AY ,AY,xAY, yAY , zAY 和 yCA 排除两个偏差 AY,CA）使用以下程序确定。1.通过改变高度 ZTC 分别测量两轨迹。角度偏差度（）（a）角度偏差共 5 页 第 10 页2.参考数据对应于八个偏差为球杆设定相同的条件下进行了模拟（ZTC）。在一个参考数据点的数
20、目必须等于测量数据点的个数。3.由球杆测量偏差在公式的矩阵表示（8），其中 T 表示转置矩阵。4.矩阵 V 是使用参考数据对应于每个偏差显示在公式（ 9）的制备。其中，六个偏差（AY,AY,xAY, yAY, zAY 和 yCA 排除两个偏差 AY,CA），可以提供相同的功能和 CA， yCA 也给出相同的特征为 xAY。5.被确定的偏差表示的矩阵 公式（10）和测量误差也表示的矩阵 公式（11）所示。从这些方程，观测方程 M 可以得到如式（ 12）：图 9.角和位置在 =30 和 =60的径向差偏差 R 的影响。位置偏差（mm）(b)位置偏差共 5 页 第 11 页6.方程（13）是从观察得
21、到的方程 M 作为一个正常的方程。矩阵 是从这个方程计算中得出的偏差：5.3通过观测方程的识别确认上述识别方法的有效性，并进行了仿真。它是假定在表 2 中列出的偏差进行有效的仿真。球 T 到桌面的高度被假定为 ZTC=250mm 和 300 毫米的球杆测量参数。对参考轨迹点的数量被假定为 n=500。轨迹模拟图 10 所示。当八个偏差同时存在时，运动轨迹的形状是参考数据，如图 6 所示完全不同。从图 10 可以看出，径向差 R 增加约 25%当 ZTC 增加 20%时。六偏差（AY,AY,xAY, yAY , zAY 和 yCA）并利用公式（8）-（13）确定yCA。表 2 和表 3 分别显示
22、所确定的偏差值在 ZTC=250 毫米和 300 毫米。确定的的值在 ZTC=250 毫米于表 2 所示。可以看出，所确定的值和 xAYyCA大于给定的识别 AY,AY,yAY, zAY 对应于给定的。确定的值在 ZTC=300 mm 如表3 所示。如图所示，该值 yAY, zAY 与对应于在 ZTC=250 毫米的价值确定和其他的都大于给定值。表 2在 ZTC =250 毫米给出了仿真和确定偏差值偏差 测试值 确定值偏差 在注意：黑体值是固定的共 5 页 第 12 页在表 3 中，该比率的值的偏差在 ZTC=250 毫米和 300 毫米显示在右栏。根据上表，在两 xAY，yCA 比率不等于
23、1.2 虽然 AY,AY 的比率是 1.2。正如上面提到的，这就是为什么 AY 的影响列入 yCA 值和 BCA 的影响也列 xAY。然后，yCA 和远离以及 xAY 和 BCA 之间之间的关系进行了研究。如上所述，八个偏差的四个（AY ,AY，yAY, zAY）可以准确地估计观测方程。然而，其他的偏差（AY，yCA 。 CA，xAY ）不能用这种方法确定。5.4第二步确定偏差图 11 显示了 AY 和 yCA 光之间的关系。在图中，图 5 所示的坐标系统投影到平面。yCA1 偏差在高度 ZTC1 确定是由方程（14）表示的。然而，旋转角度可以是负的，因为逆时针方向的旋转角度可以是准确的。在相
24、同的方式，在高度偏差 yCA2，ZTC2 确定可以由方程（15）表示。因此，如果光是微小的，可以推导出一个近似的值。代入公式（14），yCA 可以得到。同理，xCA 和 CA 的关系可以用公式（17）和（18）求得。图 10.表 2d 的八偏差所示分别代入公式 .（3 ）和（4）。共 5 页 第 13 页最后，可以从上述两个方程得下面的公式。表 3确定 ZTC=300 毫米和 ZTC1 和 ZTC2 比偏差值确定值偏差 在比值共 5 页 第 14 页5.5识别程序的有效性价值都可以通过替换 yCA1 ，yCA2 和示于表 2 和表 3 确定的值为式（16）然后 yCA 值可以通过将 AY 值代
25、入式（14）被确定。以同样的方式，BCA 和 xAY 也确定。因此，AY 和 yCA 以及 CA 和 xAY 可以分离。通过上述程序计算的值对应于给定的值如表 4。图 11.yCA 和 AY 的关系。共 5 页 第 15 页利用上述方法，基于四轴联动控制运动轨迹形状的偏差，特别是五轴加工中心是完全确定的。八个偏差的四个是通过观测方程和其他四个差的计算几何确定的。6结论在本文中，用于识别角的方法和固有位置偏差五轴控制的一个倾斜回转工作台加工中心使用的只有两个测量结果。所提出的方法的有效性已被证实和模拟。八个偏差的四个由球杆和计算结合实测数据确定为四轴联动控制运动的观测方程的参考数据。其他四偏差几
26、何确定。所提出五轴加工中心的固有偏差识别的方法是有效的。可以得出以下结论。1同步四轴控制的运动轨迹是由八个偏差五轴加工中心的固有偏差的影响。然而，两个组合的角度偏差和位置偏差给出相同的轨迹的形状根据偏差值。2八个偏差的四个可以通过观测方程中的两个测量轨迹变化的所有高度从表面以及使用六个参考数据直接识别。3剩下的八偏差四个可以是几何计算和使用两个值的观测方程估计的分离。表 4确定偏差值偏差测试值 第一步确认的 第二部估计的共 5 页 第 16 页指 导 教 师 评 语外文翻译成绩：指导教师签字：年 月 日注：1. 指导教师对译文进行评阅时应注意以下几个方面：翻译的外文文献与毕业设计（论文）的主题是否高度相关，并作为外文参考文献列入毕业设计（论文）的参考文献；翻译的外文文献字数是否达到规定数量（3 000 字以上）；译文语言是否准确、通顺、具有参考价值。2. 外文原文应以附件的方式置于译文之后。
