一種球頭球心位置檢測裝置的製作方法

2023-09-19 06:57:30 2

專利名稱：一種球頭球心位置檢測裝置的製作方法
技術領域：
一種球頭球心位置檢測裝置[0001]技術領域[0002]本實用新型屬於數控加工技術領域，特別是精度檢測技術領域。
背景技術：
[0003]由於能夠進行具有複雜型面特徵的零件加工，五軸聯動數控工具機目前已成為航空 航天、汽車、船舶等聞端製造業的關鍵核心設備。運動精度是反映工具機性能的一項關鍵指 標，直接影響零件加工質量及工具機的適用加工範圍，精度檢測技術也成為高檔數控工具機研 制、應用、調整的關鍵基礎技術。[0004]在精度檢測技術體系中，檢測裝置是核心。高精度、快速的精度檢測裝置能大幅提 升精度檢測效率。當前的數控工具機精度檢測，常用的工具、量具有十多種如:百分表(千分 表)、芯棒、球頭、雷射幹涉儀、水平尺、水平儀、雷射跟蹤儀等等，還有一些專用檢驗工具用 於某些誤差的檢測。檢測的精度項包括:直線度、垂直度、主軸跳動、同軸度、RTCP(Rotation Tool Center Point，繞刀尖點運動)精度檢測等幾十種，這其中又以RTCP精度檢測最為困 難，其主要原因在於測量時，測量終端始終處於運動狀態，並融合了多個誤差源，因而對檢 測儀器的測頭性能、以及對誤差的敏感度要求更高。[0005]在眾多的檢測工具、量具中，標準球頭芯棒(圖1)是目前應用最為廣泛的一個工 具，往往通過輔以百分表(千分表)等量具，來對工具機的絕大多數聯動精度及部分幾何精度 進行檢測。該工具目前是工具機RTCP精度檢測中應用最多的一項工具，在幾乎所有的RTCP 精度檢測項中，都需要藉助標準球頭芯棒。[0006]標準球頭芯棒的主要參數為芯棒長度Z、球頭直徑D (圖2)，其精度很高。基於球 頭芯棒的精度檢測原理如下:將球頭芯棒安裝至主軸上，控制工具機相關坐標軸運動，通過檢 測球頭球心位置變動量，計算得到相關的誤差數據。[0007]對於球頭中心運動誤差的檢查，目前主要採用百分表在X、Y、Z或者某特定方向指 向球頭中心，通過觀察百分表檢測球頭其中其轉角精度、檢測主要依賴球頭進行，通過百分 表指針壓縮量來檢測球頭中心在各個方向上的偏差量。由於百分表量程有限，並且為保持 測量的準確性，利用球頭芯棒進行精度檢測時，需要根據所測誤差的特點，仔細規劃工具機運 動路徑，保證工具機運動時球頭中心不會發生大的偏移，即:繞球頭中心運動，因此目前五軸 聯動數控工具機的RTCP功能為球頭芯棒的應用提供了極大便利。當工具機開啟RTCP功能時， 可輕易控制球頭芯棒繞球頭中心運動(圖3)，從而為球頭中心運動誤差檢測提供方便，通過 檢測運動過程中的球頭中心誤差變化，檢測數控工具機的相關精度情況。[0008]綜上，球頭芯棒目前是五軸聯動數控工具機精度檢測的主要工具，而基於球頭芯棒 的精度檢測方法的關鍵是能夠準確檢測球頭中心的運動誤差。[0009]當前測量球頭中心運動誤差的最常見技術方案是基於百分表，通過在球頭的三個 方向架表來測量球頭中心運動誤差(圖4)，測量某些工具機的尺寸/幾何/RTCP精度情況。[0010]採用這種技術方案時，對球頭中心位置誤差的檢測一般需要三個步驟:1.沿工具機 X軸方向架表，調整工具機使得百分錶針儘可能沿X向指向球頭球心，控制工具機根據設定的軌跡運動，通過百分表測量球頭球心沿X方向的運動誤差；2.沿工具機Y軸方向架表，調整工具機 使得百分錶針儘可能沿Y向指向球頭球心，控制工具機根據設定的軌跡運動，通過百分表測 量球頭球心沿Y方向的運動誤差；3.沿工具機Z軸方向架表，調整工具機使得百分錶針儘可能 沿Z向指向球頭球心，控制工具機根據設定的軌跡運動，通過百分表測量球頭球心沿Z方向的 運動誤差。完成上述誤差測量後，即得到球頭中心運動誤差情況，進而計算得到工具機誤差。[0011]由於測量精度主要取決於測量前的百分表安裝精度——錶針沿某固定方向指向 球頭球心，因此保證現有技術一測量精確的關鍵是:準確安裝百分表，保證其指針能沿給定 方向指向球頭中心。[0012]現有技術一的主要缺點有四個方面:[0013]1.測量過程繁瑣，測量時間長。[0014]球心的運動誤差包含3個分量(X/Y/Z)，因此需要分別在各個方向檢測，每個方向 的檢測都要重新安裝、調整百分表，測量過程繁瑣，耗時長。[0015]2.只能測量球頭處於靜止狀態下的運動誤差，不能記錄球頭在整個運動過程中的誤差。[0016]用百分表測量時，只能在被測物體處於靜止狀態下錶針才會停止轉動，此時方可 讀取位移數值，因此現有技術一隻能測量球頭在各靜止狀態下的誤差量，不能實時記錄整 個運動過程的誤差值。[0017]3.測量精度較差,尤其是在球心存在較大運動誤差時。[0018]現有技術一中百分表在測量過程中位置始終不變(圖5)，因此當球頭偏擺導致球 心偏離百分表指針所指方向時(球心從O0偏至0)，球心沿測量方向的實際運動誤差(Ztl)將 不等於百分表測量值(Z1),當球頭偏移越大時，現有技術一的測量誤差也越大。[0019]4.只能測量球心沿某固定方向的運動誤差(如沿工具機X、Y、Z方向)，不易檢測球心 沿任意方向的運動誤差。[0020]現有技術一對球心沿某方向運動誤差的測量都是基於百分表，當需要測量球心沿 某個方向的運動誤差時，需調整百分表使其錶針能夠沿該方向指向球心。由於實際應用中， 百分表的調整均依靠人手工進行，除了很好標記的工具機X、Y、Z方向外，球頭沿其餘方向的 運動誤差均無法測量。[0021]現有技術二也是通過百分表檢測球頭中心運動誤差(圖6)，三個百分表安裝在一 個呈三向垂直的表座上，可同時檢測球頭沿三個垂直方向的運動誤差(一般為工具機的X/ Υ/Ζ三個方向)。相對於現有技術一，其測量原理不變，但由於採用了一個專用表座，使得 百分表調整過程大幅縮減，且一次可完成三個方向運動誤差的測量，因此其效率要比技 術一高很多。目前該項技術已申請專利《一種五坐標動態精度檢測工具》，專利申請號為 201120185412.9。[0022]由於採用了與現有技術一同樣的測量原理，因此現有技術二的的主要缺點和前者一樣:[0023]1.只能測量球頭處於靜止狀態下的運動誤差，不能記錄球頭在整個運動過程中的誤差。[0024]用百分表測量時，只能在被測物體處於靜止狀態下錶針才會停止轉動，此時方可 讀取位移數值，因此現有技術二隻能測量球頭在各靜止狀態下的誤差量，不能實時記錄整個運動過程的誤差值。[0025]2.測量精度較差，尤其是在球心存在較大運動誤差時。[0026]現有技術二中百分表在測量過程中位置始終不變(圖5)，因此當球頭偏擺導致球心偏離百分表指針所指方向時(球心從00偏至01)，球心沿測量方向的實際運動誤差(LO) 將不等於百分表測量值(LI)，當球頭偏移越大時，現有技術二的測量誤差也越大。發明內容[0027]本實用新型主要解決的技術問題是:工具機繞刀具中心運動全行程的球頭中心位置誤差的自動、快速、精確測量與記錄的問題。[0028]本實用新型一種球頭球心位置檢測裝置，包括三個伸縮式長度測量杆，三個伸縮式長度測量杆的測頭與球頭下半球面相接觸。[0029]本實用新型球頭球心位置檢測裝置，還包括底座，伸縮式長度測量杆分別通過三個支架安裝於底座。[0030]球頭球心位置檢測裝置，伸縮式長度測量杆的傾斜角度和位置可通過支架調節。[0031]球頭球心位置檢測裝置，伸縮式長度測量杆中心線匯聚於一點。[0032]球頭球心位置檢測裝置，三個伸縮式長度測量杆在水平面上的投影呈中心對稱， 相互之間夾角為120°。[0033]球頭球心位置檢測裝置，三個伸縮式長度測量杆與水平面的夾角相等。[0034]球頭球心位置檢測裝置，三個伸縮式長度測量杆的前端測頭的半徑相同。[0035]球頭球心位置檢測裝置，還包括數據處理器，所述的伸縮式長度測量杆為電子式長度測量器件，並與數據處理器連接，數據處理器可實現測量數據的記錄和球頭運動軌跡的計算。[0036]伸縮式長度測量杆為電子長度計或電子百分表，檢測數據可由數據處理器計算處理，實現球頭球心位置和軌跡的快速計算。[0037]本實用新型的測量原理為:球心位置在空間對應著三個自由度，當球壓緊三個伸縮式長度測量杆時，即可通過三個伸縮杆的長度檢測數值計算球心位置(圖7)。通過建立3 個伸縮杆長度(7，心/ )與球頭中心位置Cr, j, Z)的函數關係式，即可通過伸縮杆長度計算得到球 頭中心位置。[0038]使用長度計(或其他能夠自動測量長度的儀器)作為伸縮杆時，3個方向的伸縮量利用數據採集系統自動記錄並計算，基於伸縮杆長度(7，t/7)與球頭中心位置Cr, j, z) 的函數關係式，即可計算得到球頭中心位置Cr, J, ζ)，當記錄全運動行程的球頭中心位置後，可繪製球頭中心的運動軌跡。[0039]因為球心位置在空間對應著三個自由度，當球頭壓緊三個伸縮式長度測量杆時， 即可通過三個長度檢測數值計算球心位置。[0040]本實用新型具有如下優點:[0041]測量精度高，測量精度達到0.0lmm ;可以快速計算出球心位置；實現了球頭位置的動態記錄；通過與工具機輸出的理論位置比對，可以給出球頭運動的任意方向的誤差值，也就是工具機的任意方向的誤差值；通過工具機的任意方向的誤差值，可完成對工具機給定誤差的檢測。


[0042]圖1標準球頭芯棒示意圖[0043]圖2標準球頭芯棒尺寸參數示意圖[0044]圖3RTCP功能激活時的運動示意圖[0045]圖4球頭中心Z/Y向運動誤差檢測架表示意圖[0046]圖5百分表沿某方向的測量誤差示意圖[0047]圖6百分表沿某方向的測量誤差示意圖[0048]圖7球心位置檢測示意圖[0049]圖8球心位置檢測示意圖[0050]圖9單個測量支鏈尺寸示意圖(A0A1支鏈)[0051]圖10本實用新型的立體示意圖具體實施方式
[0052]
以下結合附圖和實施例進一步說明本實用新型，但並不因此將本實用新型限制在所述的實施例範圍之中。[0053]本測量機構原理如圖8所示，單個伸縮式長度杆的測量支鏈如圖9所示，為得到待檢球心的位置坐標，建立測量坐標系O-Jyz:坐標系原點O位於M0B。C。內部，#平面與MbBdC。共面軸正方向與矢量方向一致，_f軸朝向Ctl點方向，正方向向外，z軸垂直#平面向上。圖9和圖10中各參數定義如下:[0054]O:測量坐標系的原點，建立在MaB。C。內部；[0055]:坐標系的三個方向；[0056]A0A1:第I個伸縮式長度測量杆，其中Atl為該杆處於最大壓縮狀態下的測頭球心位置，A1為正常測量狀態下該杆的測頭球心位置；[0057]B0B1:第2個伸縮式長度測量杆，其中Btl為該杆處於最大壓縮狀態下的測頭球心位置辦為正常測量狀態下該杆的測頭球心位置；[0058]C0C1:第3個伸縮式長度測量杆，其中Ctl為該杆處於最大壓縮狀態下的測頭球心位置K1為正常測量狀態下該杆的測頭球心位置；[0059]1:伸縮式長度測量杆AtlA1的長度(伸長量)；[0060]m:伸縮式長度測量杆BtlB1的長度(伸長量)；[0061]η:伸縮式長度測量杆CtlC1的長度(伸長量)；[0062]P:被測球頭的球心位置；`[0063]R:被測球頭的半徑；[0064]r廣r3:伸縮杆AtlA廣CtlC1的頂端測頭半徑,單位_ ;[0065]e:伸縮式長度測量杆的最大伸縮長度(量程)，單位mm，三個伸縮式長度測量杆的最大伸縮長度一樣；[0066]θ χ, Θ 2，(9 3:三個伸縮式長度測量杆AtlA1, BtlB1, CtlC1分別與平面AciBtlCc!的夾角；[0067]^1, ^2,:三個伸縮式長度測量杆AtlA1, BtlB1, C0C1在AtlBtlQl平面投影分別與坐標系的Z軸正方向的夾角；[0068]a:伸縮式長度測量杆的方向矢量，且
權利要求1.一種球頭球心位置檢測裝置，其特徵在於，包括三個伸縮式長度測量杆，三個伸縮式長度測量杆的測頭與球頭下半球面相接觸。
2.根據權利要求1所述的球頭球心位置檢測裝置，其特徵在於，還包括底座，伸縮式長度測量杆分別通過三個支架安裝於底座。
3.根據權利要求2所述的球頭球心位置檢測裝置，其特徵在於，所述的伸縮式長度測量杆的傾斜角度和位置可通過支架調節。
4.根據權利要求1至3之一所述的球頭球心位置檢測裝置，其特徵在於，所述的伸縮式長度測量杆中心線匯聚於一點。
5.根據權利要求4所述的球頭球心位置檢測裝置，其特徵在於，所述的三個伸縮式長度測量杆在水平面上的投影呈中心對稱，相互之間夾角為120°。
6.根據權利要求4或5所述的球頭球心位置檢測裝置，其特徵在於，所述的三個伸縮式長度測量杆與水平面的夾角相等。
7.根據權利要求6所述的球頭球心位置檢測裝置，其特徵在於，所述的三個伸縮式長度測量杆的前端測頭的半徑相同。
8.根據權利要求1至7之一所述的球頭球心位置檢測裝置，其特徵在於，還包括數據處理器，所述的伸縮式長度測量杆為電子式長度測量器件，並與數據處理器連接，數據處理器可實現測量數據的記錄和球頭運動軌跡的計算。
專利摘要本實用新型公開一種球頭球心位置檢測裝置，包括三個伸縮式長度測量杆，三個伸縮式長度測量杆的測頭與球頭下半球面相接觸。本實用新型球頭球心位置檢測裝置，還包括底座，伸縮式長度測量杆分別通過三個支架安裝於底座。球頭球心位置檢測裝置，伸縮式長度測量杆的傾斜角度和位置可通過支架調節。球頭球心位置檢測裝置，伸縮式長度測量杆中心線匯聚於一點。本實用新型具有如下優點測量精度高，測量精度達到0.01mm；可以快速計算出球心位置；實現了球頭位置的動態記錄；通過與工具機輸出的理論位置比對，可以給出球頭運動的任意方向的誤差值，也就是工具機的任意方向的誤差值；通過工具機的任意方向的誤差值，可完成對工具機給定誤差的檢測。
文檔編號B23Q17/00GK202964282SQ201220677428
公開日2013年6月5日 申請日期2012年12月11日 優先權日2012年12月11日
發明者郭志平, 劉大煒, 林海峰, 彭志軍 申請人:成都飛機工業(集團)有限責任公司