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1.引言
复杂型面类的零件已经在航空航天等行业中广泛采用，其加工对机床精度性能有着十分高的要求。在三轴加工中心已经不能满足当前对于复杂型面的精确加工的要求下，5轴加工中心已经被航空航天类，船舶制造类和精密设备制造类企业广泛应用。任何机床在出厂与接收时，都会对加工中心进行检测与标定，以验证是否满足加工精度的要求。因此，研究五轴加工中心的精度检测新方法与相关仪器的愿望就变得十分迫切。
国内外对五轴加工中心的检测方法提出了很多方法，例如球杆仪等仪器，以及采用精加工试件的方法。3D-Probep是一种比球杆仪在五轴机床精度检测上更有优越性的仪器，本文将对其原理、结构和检测方法加以介绍。
2.五轴机床常见的配置结构
五轴机床是一类非常广泛的机床的统称。五轴机床的布置形式十分多样，常见的至少有三种：主轴头回转型、工作台回转型和混合型。其原理基本类似，就是在三轴机床XYZ三个直线运动轴的基础上添加了两个回转运动轴，只是回转运动轴的回转方向与安装位置不尽相同。
当然，五轴机床还包括一些车铣复合加工中心，在此不再一一列举。
3.五轴加工中心误差
五轴加工中心的误差是一类误差的统称，其来源十分广泛，本文主要讨论的是不考虑加工力、加工热的条件下，机床所表现出来的误差。根据国标中机床几何精度检测标准的规定，检测的三轴加工中心的误差通常被称作几何精度检测，其检测均是在不加工或者是精加工，即切削力可以不考虑的条件下进行的。其实质是反映机床的运动精度，控制精度和几何精度，是机床误差在最终末端的集中体现。我们简单的可以将五轴加工中心的误差分为两类：直线轴误差与旋转轴误差。直线轴误差通常包含三个直线轴的各六项误差以及三个直线轴之间的相对误差，共21项误差，旋转轴误差包含两个旋转轴的各六项误差和旋转轴之间以及与直线轴的相对误差，共20项。同样，我们也可以从另一个角度讲误差分为两种，即几何误差与运动误差。几何误差主要表示与位置无关的误差，而运动误差是在运动轴运动到不同位置时，大小会产生变化的误差。五轴加工中心的直线轴误差在相关标准和文献中均已明确，本文主要介绍两旋转轴的误差，列表如下：
4. 3D-Probe系统的结构与检测原理
在三轴加工中心已经不能满足当前对于复杂型面的精确加工的要求下，5轴加工中心已经被航空航天类，船舶制造类和精密设备制造类企业广泛应用。任何机床在出厂与接收时，都会对加工中心进行检测与标定，以验证是否满足加工精度的要求。因此，研究五轴加工中心的精度检测新方法与相关仪器的愿望就变得十分迫切。3D-Prob是由日本农工大学发明的，用来检测多轴加工中心误差的一种精密仪器。此种仪器补充了在多轴加工中心检测上的不足。3D-Probe主要由三部分组成：1与机床主轴固连的标准球2.与机床工作台固连的位移传感器3.收集传感器数据的计算机系统。
与业内常用的机床误差检测工具球杆仪类似，3D-Probe主要是通过感应并且记录主轴相对工作台运动的误差，通过一定的数学模型计算，进而溯源机床误差的仪器。但是3D-Probe比球杆仪更为方便灵活。球杆仪只能感受到来自于杆长方向的长度变动，球杆仪在检测过程中，为了实现五个加工轴的精度全部测量，需要多次运动，如图1所示。分别要求球杆仪主轴与工作台配合，实现X-Y平面联动，Y-Z平面联动，和X-Z平面联动，分别由A、C轴通过旋转与之联动，由球杆仪反应两运动之间的相对误差。一般五轴加工中心的三个直线轴的运动精度远远高于旋转轴，而且直线轴的运动更易调整，所以一般以直线轴作为无误差的参照，认为球杆仪显示的误差均来自于旋转运动，进而通过数据处理，将误差分离。
图1 球杆仪检测旋转轴误差的路径
与球杆仪有明显区别的地方是，3D-Probe通常可以布置三个方向的传感器，因此，在检测过程当中就不必采用如球杆仪一般的多次联动的方式了。通常一到两次联动就可以完成两个旋转轴的误差检测。
5.误差建模与辨识方法
5.1根据机床形式，确定运动链
以Z-Y-X-A-C布置的双旋转工作台式五轴加工中心为例，其运动链可以表示为：
主轴侧球心 Z轴 Y轴 参考坐标系 X轴 A转台 C转台 工作台侧球心
5.2建立变换矩阵：
以齐次变换作为基本手段建立部件间的变换矩阵，形式如下：
其中， 为 到相邻体 的变换矩阵， 为 相对于相邻体 的位置变换矩阵， 为 相对于相邻体 的位置误差变换矩阵， 为 运动变换矩阵， 为 的运动误差变换矩阵。
5.3机床误差建模过程：
（1）根据上节所述原理，分别建立主轴处局部坐标系与参考坐标系间的变换矩阵 ，工作台坐标系与参考坐标系间的变换矩阵 ，可以获得包含误差的等式：
P为主轴球心位置，Q为工作台球心位置， 为3D-Probe记录的三个方向的误差。通过此公式，可以简单的建立起检测仪器3D-Probe与第二章所述的20项误差的关系。
6.结论
本文介绍了3D-Probe的结构与原理，并且简述了利用其检测五轴加工中心两个旋转轴20项误差的基本方法，此方法简便可行，是提高五轴加工中心误差检测精度和降低检测成本的有效手段。
复杂型面类的零件已经在航空航天等行业中广泛采用，其加工对机床精度性能有着十分高的要求。在三轴加工中心已经不能满足当前对于复杂型面的精确加工的要求下，5轴加工中心已经被航空航天类，船舶制造类和精密设备制造类企业广泛应用。任何机床在出厂与接收时，都会对加工中心进行检测与标定，以验证是否满足加工精度的要求。因此，研究五轴加工中心的精度检测新方法与相关仪器的愿望就变得十分迫切。
国内外对五轴加工中心的检测方法提出了很多方法，例如球杆仪等仪器，以及采用精加工试件的方法。3D-Probep是一种比球杆仪在五轴机床精度检测上更有优越性的仪器，本文将对其原理、结构和检测方法加以介绍。
2.五轴机床常见的配置结构
五轴机床是一类非常广泛的机床的统称。五轴机床的布置形式十分多样，常见的至少有三种：主轴头回转型、工作台回转型和混合型。其原理基本类似，就是在三轴机床XYZ三个直线运动轴的基础上添加了两个回转运动轴，只是回转运动轴的回转方向与安装位置不尽相同。
当然，五轴机床还包括一些车铣复合加工中心，在此不再一一列举。
3.五轴加工中心误差
五轴加工中心的误差是一类误差的统称，其来源十分广泛，本文主要讨论的是不考虑加工力、加工热的条件下，机床所表现出来的误差。根据国标中机床几何精度检测标准的规定，检测的三轴加工中心的误差通常被称作几何精度检测，其检测均是在不加工或者是精加工，即切削力可以不考虑的条件下进行的。其实质是反映机床的运动精度，控制精度和几何精度，是机床误差在最终末端的集中体现。我们简单的可以将五轴加工中心的误差分为两类：直线轴误差与旋转轴误差。直线轴误差通常包含三个直线轴的各六项误差以及三个直线轴之间的相对误差，共21项误差，旋转轴误差包含两个旋转轴的各六项误差和旋转轴之间以及与直线轴的相对误差，共20项。同样，我们也可以从另一个角度讲误差分为两种，即几何误差与运动误差。几何误差主要表示与位置无关的误差，而运动误差是在运动轴运动到不同位置时，大小会产生变化的误差。五轴加工中心的直线轴误差在相关标准和文献中均已明确，本文主要介绍两旋转轴的误差，列表如下：
4. 3D-Probe系统的结构与检测原理
在三轴加工中心已经不能满足当前对于复杂型面的精确加工的要求下，5轴加工中心已经被航空航天类，船舶制造类和精密设备制造类企业广泛应用。任何机床在出厂与接收时，都会对加工中心进行检测与标定，以验证是否满足加工精度的要求。因此，研究五轴加工中心的精度检测新方法与相关仪器的愿望就变得十分迫切。3D-Prob是由日本农工大学发明的，用来检测多轴加工中心误差的一种精密仪器。此种仪器补充了在多轴加工中心检测上的不足。3D-Probe主要由三部分组成：1与机床主轴固连的标准球2.与机床工作台固连的位移传感器3.收集传感器数据的计算机系统。
与业内常用的机床误差检测工具球杆仪类似，3D-Probe主要是通过感应并且记录主轴相对工作台运动的误差，通过一定的数学模型计算，进而溯源机床误差的仪器。但是3D-Probe比球杆仪更为方便灵活。球杆仪只能感受到来自于杆长方向的长度变动，球杆仪在检测过程中，为了实现五个加工轴的精度全部测量，需要多次运动，如图1所示。分别要求球杆仪主轴与工作台配合，实现X-Y平面联动，Y-Z平面联动，和X-Z平面联动，分别由A、C轴通过旋转与之联动，由球杆仪反应两运动之间的相对误差。一般五轴加工中心的三个直线轴的运动精度远远高于旋转轴，而且直线轴的运动更易调整，所以一般以直线轴作为无误差的参照，认为球杆仪显示的误差均来自于旋转运动，进而通过数据处理，将误差分离。
图1 球杆仪检测旋转轴误差的路径
与球杆仪有明显区别的地方是，3D-Probe通常可以布置三个方向的传感器，因此，在检测过程当中就不必采用如球杆仪一般的多次联动的方式了。通常一到两次联动就可以完成两个旋转轴的误差检测。
5.误差建模与辨识方法
5.1根据机床形式，确定运动链
以Z-Y-X-A-C布置的双旋转工作台式五轴加工中心为例，其运动链可以表示为：
主轴侧球心 Z轴 Y轴 参考坐标系 X轴 A转台 C转台 工作台侧球心
5.2建立变换矩阵：
以齐次变换作为基本手段建立部件间的变换矩阵，形式如下：
其中， 为 到相邻体 的变换矩阵， 为 相对于相邻体 的位置变换矩阵， 为 相对于相邻体 的位置误差变换矩阵， 为 运动变换矩阵， 为 的运动误差变换矩阵。
5.3机床误差建模过程：
（1）根据上节所述原理，分别建立主轴处局部坐标系与参考坐标系间的变换矩阵 ，工作台坐标系与参考坐标系间的变换矩阵 ，可以获得包含误差的等式：
P为主轴球心位置，Q为工作台球心位置， 为3D-Probe记录的三个方向的误差。通过此公式，可以简单的建立起检测仪器3D-Probe与第二章所述的20项误差的关系。
6.结论
本文介绍了3D-Probe的结构与原理，并且简述了利用其检测五轴加工中心两个旋转轴20项误差的基本方法，此方法简便可行，是提高五轴加工中心误差检测精度和降低检测成本的有效手段。