CN105758343A

CN105758343A - 基于双标准球的c轴回转中心标定的装置及方法

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Publication number: CN105758343A
Application number: CN201610145389.8A
Authority: CN
Inventors: 赵学森; 李国�; 邹喜聪; 胡振江; 李增强; 孙涛
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2016-03-15
Filing date: 2016-03-15
Publication date: 2016-07-13
Anticipated expiration: 2036-03-15
Also published as: CN105758343B

Abstract

基于双标准球的主轴回转中心标定装置及方法。机床上有X轴导轨和Z轴导轨，C轴有安有3R夹具的矩形支撑座和吸有标准球一的真空吸盘，过渡件与3R夹具和标准球二连接；测量传感器固定件在Y轴升降台前且安有白光共焦位移传感器。调节标准球一位置，驱动C轴和白光共焦位移传感器，对准标准球一球冠位置，记录位置P_R(x,y)，设为标准球一回转中心位置；将3R夹具和标准球二安在支撑座上，执行标准球二球冠顶点扫描，调整白光共焦位移传感器位置，使得白光共焦位移传感器对准标准球二的球冠位置，记录位置P_S(x,y)，设为标准球二参考中心位置；做差得到ΔP。本发明保障了在位检测装置的使用寿命并避免了加工过程中的机械部件干涉问题。

Description

基于双标准球的C轴回转中心标定的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种双标准球标定的装置及方法。

背景技术

目前，在现有的超精密C轴的回转中心的标定方法中，大多数都采用标准球与高精度杠杆表或电感测微仪相结合的标定装置及方法，虽然采用此类装置实现超精密C轴的回转中心的标定方法可以较为精确地标定出C轴回转中心的空间位置，但却无法有效地将该空间位置转换到机床坐标系中。在现有的由白光共焦位移传感器组成的在位检测系统中，基本上都以单个标准球进行C轴回转中心线标定，这就要求白光共焦位移传感器时刻固定在机床上，不可从机床上拆卸，因此会给加工过程带来不便，也会引起机械部件之间的相互干扰，同时机床加工的过程中会产生大量切屑且有需要喷淋切削液等，这会严重影响白光共焦位移传感器的精度和使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于双标准球的C轴回转中心标定的装置及方法，本发明在零件加工过程中将在位检测机构移出加工区，待加工完成后再将在位检测机构重新安装，这样能够充分保障在位检测机构的使用寿命并可以避免加工过程中的机械部件干涉问题。

实现上述目的，本发明采取下述技术方案：基于双标准球的C轴回转中心标定装置，包括X轴导轨、Z轴导轨、在位检测机构、标准球一、C轴、标准球二、矩形支撑座、3R夹具、过渡件以及真空吸盘；所述的在位检测机构包括Y轴升降台、白光共焦位移传感器及测量传感器固定件；

所述的X轴导轨和Z轴导轨均固定在机床主体的上表面，C轴通过C轴机座与X轴导轨固定连接，Y轴升降台通过Y轴机座与Z轴导轨固定连接，所述的C轴的上表面与矩形支撑座的下表面固定连接，所述的矩形支撑座与所述的Y轴升降台相邻的一端安装有3R夹具，所述的3R夹具与过渡件的一端固定连接，所述的过渡件的另一端安装有标准球二；C轴上与Y轴升降台相邻的一端固定设置有真空吸盘，所述的标准球一位于标准球二同侧且吸附在真空吸盘上，所述的标准球二与标准球一错位设置，测量传感器固定件设置在Y轴升降台前侧且与Y轴升降台固定连接，所述的测量传感器固定件前侧面固定安装有白光共焦位移传感器。

一种利用所述的装置实现基于双标准球的主轴回转中心标定方法，所述的方法步骤如下：

（一）、将3R夹具及其附带的过渡件和标准球二依次固定连接，再将3R夹具安装在支撑座上，执行所述的标准球二球冠顶点扫描操作，记录下此时X轴坐标和测量传感器固定件在Y轴的位置P_R(x,y)，设定位置P_R(x,y)为标准球二参考中心位置；

（二）、将标准球一安装在C轴的真空吸盘上，采用电感测微仪测量及调节标准球一的位置，使所述的标准球一球心位于机床C轴回转轴线上；

（三）、C轴以转角30°为增量进行旋转，每旋转一次后，对标准球一进行一次球冠顶点扫描操作，并记录此时球冠顶点的坐标位置，C轴完成整周的旋转后，对全部已记录的球冠顶点进行数据处理，采用最小二乘圆方法进行回转中心拟合，得到C轴回转中心位置P_S(x,y)；

（四）、对C轴回转中心位置P_S(x,y)和标准球二参考中心位置P_R(x,y)相应坐标做差得到相对位置偏差ΔP，用软件（机床自带软件）记录这个位置偏差ΔP并保存（保存到配置文件中，这样即完成了标定位置的确定）。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明以白光共焦位移传感器为核心测量部件，并以高精度的3R夹具作为辅助设备，本发明基于双标准球的主轴回转中心标定装置及最小二乘圆拟合算法，可以对C轴回转中心线进行精密标定，标定精度可达到100纳米以下。同时根据标准球二的标定结果，可确定C轴回转中心与标准球二之间的相对位置关系。本发明在保障标定精度的同时，实现了在位检测机构的可拆卸，这充分保障在位检测机构的使用寿命，并可以避免加工过程中的机械部件干涉，还能够对加工工件进行绝对尺寸的检测测量。

附图说明

图1是本发明的基于双标准球的C轴回转中心标定的装置的整体结构轴测图；

图2是图1所示的标定系统组成框图；

图3是图1的白光共焦位移传感器的光学原理图；

图4是球冠定点扫描示意图；

图5是C轴回转中心标定原理示意图；

图中所示出的部件名称及标号如下：

1-机床主体；2-X轴导轨；3-Y轴升降台；4-Z轴导轨；5-标准球一；6-C轴；7-标准球二；8-矩形支撑座；9-3R夹具；10-过渡件；11-白光共焦位移传感器；12-测量传感器固定件；13-真空吸盘；14-在位检测机构；

A-白光光源；B-分光镜；C-透镜；D-光源的单色成像点；D1-有色光一；D2-有色光二；D3-有色光三；E-聚焦点；F-目标表面；G-小孔；

H-X轴扫描轨迹；I-Y轴扫描轨迹；J-球冠顶点；K-C轴回转中心。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明公开了基于双标准球的C轴回转中心标定装置，包括X轴导轨2、Z轴导轨4、在位检测机构14、标准球一5、C轴6、标准球二7、矩形支撑座8、3R夹具9、过渡件10以及真空吸盘13；所述的在位检测机构14包括Y轴升降台3、白光共焦位移传感器11及测量传感器固定件12；

所述的X轴导轨2和Z轴导轨4均固定在机床主体1的上表面，C轴6通过C轴机座与X轴导轨2通过螺栓固定连接，Y轴升降台3通过Y轴机座与Z轴导轨4通过螺栓固定连接，所述的C轴6的上表面与矩形支撑座8的下表面固定连接，所述的矩形支撑座8与所述的Y轴升降台3相邻的一端安装有3R夹具9，所述的3R夹具9与过渡件10的一端固定连接，所述的过渡件10的另一端安装有标准球二7；C轴6上与Y轴升降台3相邻的一端通过螺栓固定设置有真空吸盘13，所述的标准球一5位于标准球二7同侧且吸附在真空吸盘13上，所述的标准球二7与标准球一5错位设置，测量传感器固定件12设置在Y轴升降台3前侧且与Y轴升降台3通过螺栓固定连接，所述的测量传感器固定件12前侧面固定安装有白光共焦位移传感器11。

根据当前超精密车床的电控系统原理及软件框架，要实现超精密车床的在位检测，需要建立基于超精密车床控制系统的硬件组成方案，首先要选择合适的白光共焦位移传感器，并要求白光共焦位移传感器的接口能够与在位检测系统相匹配，可选择模拟量输出为信号接口。本发明采用DeltaTau公司数据采集模块的数据采集方案，所述的C轴6及Y轴升降台3的运动控制过程，即在位检测系统信号原理是：

如图1及图2所示，通过白光共焦位移传感器11将模拟信号发送至数据采集卡，所述的数据采集卡与UMAC控制器之间进行数据传送，同时UMAC控制器实时监测及记录C轴6、测量传感器固定件12以及Y轴升降台3运动状态，UMAC控制器与工业控制计算机之间实现信息交换，最后通过工业控制计算机实现C轴6在X轴导轨2上、测量传感器固定件12在Y轴升降台3上以及Y轴升降台3在Z轴导轨4上的运动控制。

白光共焦传感器光学原理如图3所示，一束白光经过棱镜C，生成沿着轴向的连续的单色光，一束特定波长的单色光聚焦在物体表面，通过分光镜反射至通光孔G，通光孔G起到滤波作用，屏蔽反射光源，只允许聚焦点E的反射光穿过，穿过通光孔G的单色光源传播到光谱分析仪分析，光谱分析仪分析其单色光的颜色，判断物体所在位置。

由于机床加工的过程中会产生大量切屑且有时需要喷淋切削液等，为了保护在位检测机构14，零件加工过程中需要将在位检测机构14移出加工区。在加工完成后再将在位检测机构14重新安装。这样，每次安装在位检测机构14都需要精确标定在位检测机构14相对于C轴6回转轴线的位置。为了实现零件的标定，测量时不可以将零件从C轴6上取下，这使得许多场合精确标定机床在位检测机构14的位置成为难题。为了解决这一难题，本发明设计了基于3R夹具的双标准球标定方法，标定过程如下：

（一）、将3R夹具9及其附带的过渡件10和标准球二7依次固定连接，再将3R夹具9安装在支撑座8上，执行所述的标准球二7球冠顶点扫描操作，记录下此时X轴坐标和测量传感器固定件12在Y轴的位置P_R(x,y)，设定位置P_R(x,y)为标准球二7参考中心位置；

（二）、将标准球一5安装在C轴6的真空吸盘13上，采用电感测微仪测量及调节标准球一5的位置，使所述的标准球一5球心位于机床C轴6回转轴线上；

（三）、C轴6以转角30°为增量进行旋转，每旋转一次后，对标准球一5进行一次球冠顶点扫描操作，并记录此时球冠顶点的坐标位置，C轴6完成整周的旋转后，对全部已记录的球冠顶点进行数据处理，采用最小二乘圆方法进行回转中心拟合，得到C轴6回转中心位置P_S(x,y)；

（四）、对C轴6回转中心位置P_S(x,y)和标准球二7参考中心位置P_R(x,y)相应坐标做差得到相对位置偏差ΔP，用软件（机床自带软件）记录这个位置偏差ΔP并保存（保存到配置文件中，这样即完成了标定位置的确定）。

工作原理：

Z轴导轨4带动白光共焦位移传感器11的探头逐步趋近于被测量表面，并使白光共焦位移传感器11的探头的测量值始终处于测量范围内，首先，对标准球二7执行球冠顶点扫描操作，已得到标准球二7的球冠顶点位置在机床坐标系下的坐标值，并将其记作为P_R(x,y)，P_R(x,y)即可视为标准球二7回转中心线。由于Z轴为实际的测量方向，因此无需对Z轴进行标定，本发明只对X和Y两个方向进行相对标定。然后，利用电感测微仪对标准球一5进行调心，尽量降低其安装偏心误差。最后，C轴以转角30°为增量进行旋转，每旋转一次后，对标准球一5进行一次球冠顶点扫描操作，并记录此时球冠顶点的坐标位置，待C轴6完成整周的旋转后，对全部已记录的球冠顶点进行数据处理，采用最小二乘圆方法进行回转中心拟合，从而得到C轴6回转中心P_S(x,y)。对P_S(x,y)和P_R(x,y)进行做差处理，便可得到C轴6回转中心相对于标准球二5的相对位置关系，确定标准球二5的球冠顶点后即可标定出C轴6回转中心。

产品(设备)的组成、结构：系统集成机械安装部件、数据采集模块、测量校准标准件、控制系统软件等。

各组成部分(模块)的功能：

1.系统集成机械安装部件：主要用于对白光共焦位移传感器11的探头及测量传感器固定件12的精密安装、固定。

2.数据采集模块：对白光共焦位移传感器11的测量数据进行采集，同时同步记录机床各运动轴的运动状态和坐标位置，为后期的数据处理做出充足的准备。

3.测量校准标准件：主要用于标定C轴6理论回转中心的位置，及确定标准球一5和标准球二7之间的相对位置关系。

4.控制系统软件：主要用于发布机床各轴的命令，控制机床各轴的运动，对测量数据进行数据处理并在操作界面中展示测量结果。

各组成部分(模块)之间的相互关系：

系统集成机械安装部件用于安装、固定白光共焦位移传感器11及测量传感器固定件12，使其安装在机床1上的恰当位置。白光共焦位移传感器11通过光纤连接于专用驱动器，驱动器和电气控制单元通过数据总线连接于数据采集模块并实现数据传送，数据采集模块与软件控制系统相互连接，实现运动控制和数据传送及数据处理。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种基于双标准球的C轴回转中心标定的装置，包括X轴导轨（2）、Z轴导轨（4）、在位检测机构（14）、标准球一（5）、C轴（6）、标准球二（7）、矩形支撑座（8）、3R夹具（9）、过渡件（10）以及真空吸盘（13）；所述的在位检测机构（14）包括Y轴升降台（3）、白光共焦位移传感器（11）及测量传感器固定件（12）；其特征在于：所述的X轴导轨（2）和Z轴导轨（4）均固定在机床主体（1）的上表面，C轴（6）通过C轴机座与X轴导轨（2）固定连接，Y轴升降台（3）通过Y轴机座与Z轴导轨（4）固定连接，所述的C轴（6）的上表面与矩形支撑座（8）的下表面固定连接，所述的矩形支撑座（8）与所述的Y轴升降台（3）相邻的一端安装有3R夹具（9），所述的3R夹具（9）与过渡件（10）的一端固定连接，所述的过渡件（10）的另一端安装有标准球二（7）；C轴（6）上与Y轴升降台（3）相邻的一端固定设置有真空吸盘（13），所述的标准球一（5）位于标准球二（7）同侧且吸附在真空吸盘（13）上，所述的标准球二（7）与标准球一（5）错位设置，测量传感器固定件（12）设置在Y轴升降台（3）前侧且与Y轴升降台（3）固定连接，所述的测量传感器固定件（12）前侧面固定安装有白光共焦位移传感器（11）。

2.一种利用权利要求1所述的装置实现基于双标准球的主轴回转中心标定方法，其特征在于：所述的方法步骤如下：

（一）、将3R夹具（9）及其附带的过渡件（10）和标准球二（7）依次固定连接，再将3R夹具（9）安装在支撑座（8）上，执行所述的标准球二（7）球冠顶点扫描操作，记录下此时X轴坐标和测量传感器固定件（12）在Y轴的位置P_R(x,y)，设定位置P_R(x,y)为标准球二（7）参考中心位置；

（二）、将标准球一（5）安装在C轴（6）的真空吸盘（13）上，采用电感测微仪测量及调节标准球一（5）的位置，使所述的标准球一（5）球心位于机床C轴（6）回转轴线上；

（三）、C轴（6）以转角30°为增量进行旋转，每旋转一次后，对标准球一（5）进行一次球冠顶点扫描操作，并记录此时球冠顶点的坐标位置，C轴（6）完成整周的旋转后，对全部已记录的球冠顶点进行数据处理，采用最小二乘圆方法进行回转中心拟合，得到C轴（6）回转中心位置P_S(x,y)；

（四）、对C轴（6）回转中心位置P_S(x,y)和标准球二（7）参考中心位置P_R(x,y)相应坐标做差得到相对位置偏差ΔP，用软件（机床自带软件）记录这个位置偏差ΔP并保存（保存到配置文件中，这样即完成了标定位置的确定）。