一種五軸聯動工具機主軸頭姿態角測量裝置及測量方法與流程
2023-11-30 14:03:16 2
本發明涉及一種測量裝置及測量方法，特別是關於一種五軸聯動工具機主軸頭姿態角測量裝置及測量方法。
背景技術：
五軸工具機由於其刀具姿態的靈活性，在切削加工中可實現避免多次裝夾、降低夾具成本、減小切削力、提高刀具壽命等目的，極大地提高了加工效率。同時，五軸聯動工具機也被認為是解決葉輪、葉片、大型轉子、大型柴油機軸加工的唯一途徑，是機械裝備製造業中的關鍵技術。由於五軸聯動工具機機械結構複雜，存在大量加工、裝配誤差，因此，對於五軸聯動工具機，需要通過精確測量主軸頭的姿態角等信息，對工具機結構誤差加以標定和補償，以達到高精度加工的要求。
目前，國內外針對物體空間姿態角的測量已發展了多種方法，主要包括非接觸式和接觸式方法。較為常見的非接觸式測量方法如雷射跟蹤儀測量法和CCD(Charge-coupled Device，電荷耦合元件)測量系統，其中，雷射跟蹤儀測量方法利用雷射跟蹤儀測量被測物體上三個點的空間坐標，從而推算出物體的空間姿態角。但雷射跟蹤儀一般測量誤差較大，無法實現高精度測量。而CCD測量系統為一多相機交匯測量系統，可測量相機交匯場中的空間曲線軌跡。CCD測量系統如果採用面陣列則測量精度較低，如果採用線陣列，則需要配備專門的光學系統和處理電路，成本較高，且CCD測量系統對環境依賴性強，在多點測量時誤差較大。針對非接觸式測量的上述缺點，一些學者採用附加測量機構進行接觸式測量，例如在被測物體與測量基準之間加裝被動支鏈，利用被動支鏈上的附加傳感器計算被測物體姿態角。另外，還有利用六根拉杆式直線位移傳感器或六個拉線編碼器測量物體上六個點到基準點的距離，從而解算出物體在空間中的位置和姿態，但這類方法裝配複雜，難以適於五軸聯動工具機主軸頭姿態角的測量。
技術實現要素：
針對上述問題，本發明的目的是提供一種結構簡單且使用方便的五軸聯動工具機主軸頭姿態角測量裝置及測量方法
為實現上述目的，本發明採取以下技術方案：一種五軸聯動工具機主軸頭姿態角測量裝置，其特徵在於：它包括安裝在五軸聯動工具機的主軸頭上的基準裝置和安裝在所述五軸聯動工具機的工作檯上的檢測裝置；所述基準裝置包括基準平面和垂直於所述基準平面設置的夾持部，所述夾持部插置在所述五軸聯動工具機的所述主軸頭的刀柄中；所述檢測裝置包括緊固連接在所述五軸聯動工具機的所述工作檯上的基板，在所述基板上緊固連接垂直於所述基板的固定部，所述固定部與垂直於所述基板設置的長度計緊固連接。
所述夾持部為與所述刀柄相配合的圓柱形結構。
所述夾持部通過多個可調節螺栓與所述基準平面緊固連接。
所述固定部通過多個螺釘與所述基板緊固連接。
一種五軸聯動工具機主軸頭姿態角測量方法，其包括以下步驟：1)將基板調至邊緣分別與五軸聯動工具機的X、Y軸平行；2)調節五軸聯動工具機的X、Y軸，使待測姿態的五軸聯動工具機的主軸頭上的基準平面進入長度計的量程範圍；3)在長度計的量程範圍內設置至少三組關於X、Y軸的坐標，用長度計測量不同組X、Y軸的坐標下基準平面的Z軸坐標；4)根據步驟3)中測量出的多組坐標，用空間平面方程Ax+By+Cz+D＝0擬合基準平面，得到係數A、B、C、D；5)由於基準平面垂直於五軸聯動工具機的Z軸，因此可以根據沿Z軸軸線的向量(A、B、C)，獲取五軸聯動工具機主軸頭的姿態角。
本發明由於採取以上技術方案，其具有以下優點：1、本發明充分利用工具機自身結構特點，降低了製造成本，簡化了結構及測量環節，因此引入誤差少，可以達到較高的測量精度。2、本發明的測量方法利用了五軸聯動工具機直線進給軸閉環控制的特點，使得結構大為簡化，降低了測量成本。3、本發明測量方法均通過五軸聯動工具機的數控程序實現，因此測量速度快、測量效率高、且易於實現自動化測量。4、本發明可以應用於多種類型結構的五軸聯動工具機主軸頭姿態角的測量、對工具機裝配完成後主軸頭的結構誤差進行辨識，以及加工前工具機坐標系與工件坐標系的對正，適用範圍廣。
附圖說明
圖1是本發明的基準裝置安裝在五軸聯動工具機主軸頭上的結構示意圖；
圖2是本發明的測量裝置安裝在五軸聯動工具機工作檯上的結構示意圖；
圖3是本發明的基準裝置的結構示意圖；
圖4是本發明的長度計的結構示意圖；
圖5是本發明的長度計基座的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。
如圖1、圖2所示，本發明包括安裝在五軸聯動工具機主軸頭100上的基準裝置1和安裝在五軸聯動工具機工作檯101上的檢測裝置2。
如圖1、圖3所示，基準裝置1包括一基準平面11和一軸線垂直於基準平面11設置的夾持部12。夾持部12插置在五軸聯動工具機主軸頭100的刀柄102中。
如圖2、圖4、圖5所示，檢測裝置2包括緊固連接在五軸聯動工具機工作檯101上的基板21，在基板21上緊固連接一垂直於基板21的固定部22，固定部22與一垂直於基板21設置的長度計23緊固連接。
上述實施例中，夾持部12可為圓柱形結構，用於與刀柄102相匹配。
上述實施例中，夾持部12通過多個可調節螺栓13與基準平面緊固連接。
上述實施例中，固定部22通過多個螺釘與基板21緊固連接。
上述實施例中，如圖4所示，長度計23包括長度計本體231和滑動連接在長度計本體231內的可伸縮測杆232，使可伸縮測杆232可相對於長度計本體231運動。在長度計本體231內還設置有光柵尺(圖中未示出)，光柵尺用於測量可伸縮測杆232的相對移動量，並以電信號的方式通過信號線輸出給外部設備，從而實現對被測物體的接觸式測量。
上述實施例中，如圖3所示，夾持部12的圓柱度和基準平面11的平面度應不大於3微米。在裝配過程中，可通過三坐標測量機的測量及微調夾持部12的多個可調節螺栓13，保證夾持部12的軸線與基準平面11的平面的垂直度不大於5微米。
上述實施例中，如圖5所示，基板21的上表面平面度應不大於3微米。在裝配過程中，可通過三坐標測量機的測量並微調固定部22與基板21間的螺釘，保證可伸縮測杆232與基板21的垂直度不大於10微米。
本發明還包括一種基於上述裝置的五軸聯動工具機主軸頭姿態角的測量方法，其包括以下步驟：
1)將基板21調至邊緣分別與五軸聯動工具機的X、Y軸平行。
2)調節五軸聯動工具機的X、Y軸，使待測姿態的五軸聯動工具機主軸頭100上的基準平面11進入長度計23的量程範圍；
3)在長度計23的量程範圍內設置至少三組關於X、Y軸的坐標(x,y)，用長度計23測量出不同坐標下基準平面11的長度計示數，即Z軸坐標，並記錄；
4)根據步驟3)中的多組坐標，用空間平面方程Ax+By+Cz+D＝0擬合基準平面11，得到係數A、B、C、D；
5)由於基準平面11垂直於五軸聯動工具機的Z軸，因此可以根據沿Z軸軸線的向量(A、B、C)，獲取五軸聯動工具機主軸頭100的姿態角。
本發明中應用的五軸聯動工具機應滿足以下要求：工具機主軸頭100為雙擺頭結構，即工具機工作檯102不旋轉、不擺動，工件固定在工作檯102上，在加工過程中靜止不動；工具機主軸頭100具有兩個擺動轉軸和三個直線進給軸，三個直線進給軸分別為與工作檯100垂直的Z軸、與Z軸垂直的X軸以及同時與X軸和Z軸垂直的Y軸；工具機的X軸、Y軸和Z軸均設置有光柵尺或其他高精度位移檢測裝置；工具機可利用位移檢測信號實現主軸頭100位置的全閉環控制。當然，目標工具機也可以是滿足上述要求的混聯型虛擬軸工具機或其他工具機。
上述各實施例僅用於說明本發明，其中各部件的結構、設置位置及其連接方式等都是可以有所變化的，凡是在本發明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本發明的保護範圍之外。