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1、外外 文文 翻翻 译译Development of a Measurement System for Five-Axis CNC Machine Tools五五轴轴数控机床数控机床测测量系量系统统的的发发展展系系 别别： ：机机电电工程系工程系专专业业名名称称： ：机械机械设计设计制造及其自制造及其自动动化化专业专业学学生生姓姓名：名：黄少黄少铭铭学学 号：号：06080214指指导导教教师师姓名、姓名、职职称称： ：刘渭博刘渭博完成日期 2012 年 1 月 15 日1摘要 一个五洲数控机床测量系统出现在本文中。五洲数控机床被广泛应用在机械工业，但是其测量技 术是很有限的。当一个五轴机床在一
2、个多轴环境下同时工作，包括班轮轴和旋转轴，误差就会出现。 因此，单轴的误差不能个别地出现。为了测量出五轴机床的几何误差，一个测量系统在本文中提出。 通过设计出五洲数控机床的工作路径，误差可以同时被捕获，包括 2+1（X,Y 轴跟 C 轴）系统， 3+1（X,Y,Z 轴跟 C 轴）系统和 3+2(X,Y,Z,A 轴跟 C 轴)系统。 关键词：五轴机床，集合误差，班轮轴，旋转轴。 1.介绍介绍该机床的测量系统已经经过长时间的发展。机床的精度是非常重要的。在 1982 年，Brayn1开 发出一个通过磁双球杆仪来测量活动轴中的等高线误差。在 1986 年，Quen2开发三角球仪系统。在 1994 年
3、，Ziegert3开发一个带氦氖激光器的激光球仪系统来测量机床上的位移和误差。在 1989 年， Fan4,5提出丈量误差的方法。该方法可用于机床和带坐标系统的测量装置。Etalon6开发激光跟踪干 涉仪。该激光跟踪干涉仪直接测量一个相对静止的球体，与传统激光跟踪干涉仪的系统相比，能明显 减少不可靠的测量半径。在 2002 年，IBS 精密工程7,8开发 MT-Check 和 R-Test 系统。其精确度能达 到最小 2 微米，但是非常费时。在 2002 年，Lei9,10开发出探测球系统。该系统并不是以辐射光线为 范围。而且，传统测量系统只能在直线轴机床上工作。它不能同时测量出机床在直线轴和
4、旋转轴的误 差。为了解决这个缺点，本文会提出一个测量在五轴机床动态路径上的误差以缓和或消除前边所提到 的问题。 2.设计测量系统设计测量系统 2-1.五个自由度测量系统描述五个自由度测量系统是由激光测量系统和传感器系统组成。五个自由度的误差形式是由 直线定位误差、水平度误差、垂直度误差、偏航角误差以及螺旋角误差。直线定位误差、偏航角误差、 螺旋角误差可以被激光测量系统测出。当激光测量系统中的激光提供光信号时，水平度误差和垂直度 误差可以被量子传感器系统检测出。Fig.1 测量系统图片 2-2.测量系统的原理 该测量系统由激光测量系统和传感器系统组成，如 Fig.2 图所示。传感器系统被固定在机
5、床的轴 上，激光测量系统在工作轨迹上移动。当五轴机床上的 A 轴和 C 轴工作时，工作台的角度发生很大改 变。所以，测量系统必须被设计成能测量不同的角度。因此，一个 6 面体传感器系统被设计成梯形。 组件以不同的角度安装比便测量系统能与五轴机床上的工作部件协调。2Fig.2 五轴数控机床测量系统图解 2-3.传感器系统的设计 传感器系统被设计成可拆卸的。传感器系统由光电传感器，半反射镜面还有主体组成。量子点有 一个主要的功能，决定入射光的二维位置以获得位移的变化。传感器系统被固定在机床的轴上。激光 测量系统被固定在工作平台。传感器系统需要反馈装置的光信号去测量角度的变化。因此，一个半反 射镜面
6、被加在量子的前面。在图 Fig.3 中，12 个光电传感器和半反射镜面安装在传感器系统的主体中。Fig.3 传感器系统图片 2-4 激光测量系统的设计激光测量系统由三角划分激光头，激光头，分束器，量子点跟调制机制组成。三角划分激光头可 以测量线型定位错误。三角划分激光头的装配错误可以通过调制机制校准。激光头提供光信号给量子 点传感系统。激光头必须平行于三角划分激光头。另外，它可以通过调制机制校准。激光束被半反射 镜面反射，并且通过分束器到激光测量系统的量子点上。激光束必须垂直于激光测量系统的量子点。 另外，激光头必须用调制机制校准。角度必须通过量子点调节。 3 测量系统的校准描述测量系统的校准
7、描述3Fig.4 传感器系统校准过程的图片传感器系统用三坐标标准化。如图 Fig.4 所示。 3-1 传感器系统中的几何误差 传感器系统中心可以用三坐标测量出来。通过使用中心点作为参考，各个传感器的中心位置可以 确定。绝对位置可以通过测量点与参考点的不同获得。 3-2 半反射镜面的校准 传感器系统中半反射镜面节面角、偏航角的误差可以通过三坐标测量出来。然后该误差可以被消 除至零。由旋转转台产生的角度误差可以通过多角镜和自动瞄准仪校准。 3-3.QD 坐标的校准 传感器系统可以通过转台旋转，然后传感器系统中各个 QD 的二维信号可以被测量。 3-4.QD 角度的校准 传感器系统中 QD 中的节面
8、角、偏航角误差可以通过三坐标测量。然后误差可以被消除至零。传 感器系统可以通过转台旋转。滚动误差可以通过 QD 测量。 4 实验结果实验结果 在五轴数控机床的测量系统被固定、校准好在机床上后，五轴数控机床以设计好的路线工作。 4-1.静止动件 2+1 轴的实验结果 2+1 轴是指五轴数控机床上的两条直线轴跟一条旋转轴（X,Y 轴跟 C 轴） 。如图 Fig.5 所示，静止 动件上 2+1 轴的可重复性可以通过测量系统获得。4Fig.5 2+1 轴静态动件的实验结果 4-2.静止动件 3+1 轴的实验结果 3+1 轴是指五轴数控机床上的三条直线轴跟一条旋转轴（X,Y,Z 轴跟 C 轴） 。如图
9、Fig.6 所示，静 止动件上 3+1 轴的可重复性可以通过测量系统获得。5Fig.6 3+1 轴静态动件的实验结果 4-3.静止动件 3+2 轴的实验结果 3+2 轴是指五轴数控机床上的三条直线轴跟两条旋转轴（X,Y,Z,A 轴跟 C 轴） 。如图 Fig.7 所示， 静止动件上 3+2 轴的可重复性可以通过测量系统获得。6Fig.7 3+2 轴静态动件的实验结果五轴数控机床和测量系统的安装误差可以通过校准跟实验的结果获得。机床上的实际误差可以被 计算出来。 5 结论结论 在本文，五轴数控机床的测量系统被开发出来。机床的可重复性、标准偏差、误差可以通过测量 系统获得。三轴、四轴或五轴数控机床
10、上的误差可以用设计的工作路径检查出来。当传感器系统上六 面换成八面，可以准确获得机床上的误差。通过传感器系统各个面上用两个光电传感器替换一个传感 器可以获得侧倾角误差。感谢 本工作由国家科技理事会（NSC 号码：97-2623-E-150-001-IT）和经济事务部门（号码：97-EC- 17-A-05-S1-098）和台湾建德工业股份有限公司提供支持。参考资料 1 J.B.Bryan， “一个可以测试测量系统和机床简单的方法” ，精密工程第四卷第二部分，1982 年。2F. ouy and S.Quen， “理论模型和测绘仪几何参数的实验检验通过测量多向的障碍” ，国际生产工程学会年鉴第三十
11、五卷第一部分，393-306页，1986年。3John C.Ziegert and Christopher D.Mize， “激光球：一个新的机床度量衡手段” ，精密工程第十六卷，7259-267页，1994年。4K.C.Fan,“为数控机床和三坐标仪做滴定误差分析生成的研究，第二部分：申请” ，中国社会机械工程日志，第十卷第二部分，135-144页，1989年。5K.C.Fan,“为数控机床和三坐标仪做滴定误差分析生成的研究，第二部分：申请” ，中国社会机械工程日志，第十卷第二部分，145-152页，1989年。6http:/www.etalon-ag.de/index.php?option
12、=com_content&task=view&id=48&Itemid=45&langen7B.Bringmann,J.P.Besuchet and L.7Rohr,“校订方法的系统评价” ，国际生产工程学会年鉴，第五十七卷 ，529-532页，2008年。8http:/ ，机床与生产的国际日志，第四十二卷，1153-1162页，2002年。10W.T.Lei,Y.Y.Hsu,“五轴数控机床的三维探测球精确测试。第二部分：错误估测” ，机床与生产的国际日志，第四十二卷，1153-1162页，2002年。作者传记觉文郁：教授，国立虎尾科技大学，机械与机电工程协会，台湾云林县虎尾村文化路64号。电子邮件：jywenfu.edu.tw刘臣衡：副教授，国立虎尾科技大学，电光及材料科学研究所，台湾云林县虎尾村文化路64号。李奕隼：博士生，国立虎尾科技大学，机械与机电工程协会，台湾云林县虎尾村文化路64号。电子邮件：林玉山：研究生，国立虎尾科技大学，自动工程部，台湾云林县虎尾村文化路64号。候屯慧：博士后研究员，国立虎尾科技大学，精密机械中心，台湾云林县虎尾村文化路64号。何文汉：副教授，国立虎尾科技大学，自动工程部，台湾云林县虎尾村文化路64号。D.K.T.Lam：立德大学，信息通信部，台湾台南市。L.W.Ji：教授，电光工程部，台湾云林县虎尾村文化路64号。
