CN108121294B - 运动学校准 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及运动学校准。本发明涉及一种用于数控机床（1）的校准方法，该方法使用运动学模型来生成补偿模型以用于随着机床（1）的线性轴线（X、Y、Z）和旋转轴线（B、C、A）的运动而发生的定位误差。所述校准方法采用测量序列来测量校准球（6）的位置，该测量序列包括校准球（6）围绕两个旋转轴线（C、B或C、A）的组合运动，其中围绕第一旋转轴线（C）的测量包括围绕第二轴线（B或A）的至少两个旋转位置运动。

Description

运动学校准
技术领域
本发明涉及一种用于数控机床的校准方法，该方法使用运动学模型来生成用于随着机床的线性和旋转轴线的运动发生的定位误差的补偿模型。
背景技术
测量定位误差并导出补偿模型以补偿随着机床的机床工作台或机头的运动发生的定位误差的校准方法是众所周知的。如铣床、激光加工机床、磨床、电火花机加工或车床的多轴机床具有使工作台和机头（机轴）相对于彼此运动的多个自由度。多轴机床上可用的自由度允许并有助于机加工工件。尤其，能够在同一机床上并且在一个机加工过程中进行工件的复杂机加工操作，而不需要改变在机床的工作台上的工件位置。通常，现代机床提供分别在机床的X、Y、Z方向上的3个线性平移运动以及通常一个或两个旋转运动。图1示出了具有3个线性自由度和2个旋转自由度的典型的多轴机床。尽管现代多轴机床具有很高的精度，但由于工作台或机头的线性或旋转运动而导致的几何定位误差无法避免。
已知的是，校准多轴机床使得由机器轴线的运动造成的发生的定位误差由机器控制系统识别并且在工作台或机轴的定位期间被补偿。通过应用这种校准和补偿方法，提高了机床的定位精度。已经存在用于获得运动学误差的测量和分析方法（例如，所谓的R-测试，参见文献[1]），然而这样的系统涉及不适合于现场应用的特定测量系统，因为在其应用时太耗时或者太昂贵。
若干机器控制器制造商使用接触式探头测量系统（例如，Heidenhain[2]的接触式探头循环451）提供用于具有旋转和线性轴线的机床的运动学校准的解决方案。然而，所提供的解决方案一次仅考虑基于一个旋转轴线的优化，但是这限制了多轴机床的校准质量。
文献DE 10 2015 221 001 A1和DE 10 210 038 783 A1公开了此类几何误差识别和补偿系统。然而，此类系统在一些情况下可能不太准确，因为运动学误差是基于定位误差的子集来确定的，即，基于通过改变一个旋转轴线的位置并将另一个旋转轴线保持在一个位置中而进行的测量来确定与该旋转轴线相关的运动学误差，然后针对另一个旋转轴线重复该过程。
公开文献EP 1 914 612 B1公开了一种使用运动学表格来补偿定位误差的运动学模型。对于在相应轴向方向以外的方向上具有误差的机器轴线，将取决于轴向位置的误差变换量输入到运动学表格中。数字控制基于由运动学表格定义的运动链将机床的设定点位置（例如，以工件坐标被预定）转换为机器轴线的设定点位置。
US2015/0177727 A1和DE 10 2014 018518 A1分别公开了一种数字控制器，该数字控制器设置有校正由机器运动引起的位移误差的功能。根据该文献，限定了工件区域周围的测量网格，针对不同的旋转轴线位置测量网格，并针对不同的线性和旋转轴线位置确定校正图。
文献US 20150160049 A1公开了用于多轴机床的另一种几何误差识别方法。所引用的方法包括测量步骤：从围绕旋转轴线的多个角度对安装在工作台上的目标球的位置进行索引，使目标球围绕该旋转轴线旋转一定量，并且通过使用安装在主轴上的接触式探头重新测量该目标球在相应的索引位置处的位置。该方法包括根据目标球的测量位置来计算几何误差的几何误差计算步骤。由目标球的所测量的定位误差导出椭圆表示，并且计算定位误差校正步骤以校正平移轴线（X、Y和Z）上的位置，以便补偿由一个旋转轴线引起的定位误差。
文献US 8786243 B2描述了一种用于确定用于数控机床的误差图的方法。测量点被限定，并且在不同的旋转轴线位置处测量它们的位置，从其导出由那些测量点的旋转而导致的定位误差。基于这些测量生成用于定位误差的多维校正表格。
发明内容
因此，本发明的目的是提出一种校准方法，其生成用于数控机床的经改进的补偿模型。所提出的校准方法也应以典型工业环境中经济实惠且便利的测量手段为基础。
本发明的目的通过根据权利要求1的特征的校准方法来实现。
所提出的校准过程基于在不同的旋转轴线位置处对校准球（相应地，该校准球的中心）的测量。通过激活机床的旋转轴线产生校准球的不同位置。例如，工作台将围绕其C轴线转动4 x 90°，并且每次校准球相应地其中心的位置由安装在机头上（相应地在机轴上）的接触式探头测量。将每个所测量位置的偏心位置（定位误差）存储在定位误差图中。随后针对机床的另一旋转轴线（例如A轴线或B轴线）重复校准球的相同的位置测量和所测量的定位误差的存储。
本发明的校准方法然后使用机床的运动学模型以使用优化算法[4]来确定运动学误差，该优化算法基于所生成的位置误差图并将其与在至少两个不同的旋转轴线上测量的定位误差组合。所生成的补偿模型基于在不同的线性和旋转轴线上进行的测量对运动链内的不同误差进行量化，从而导出对应的补偿以用于工作台相对于机头中的主轴的定位以供机加工操作。
即使使用标准测量系统，本发明的运动学校准方法与已知的校准相比考虑了机床的整体行为（对所有测量的旋转轴线）。校准过程考虑了任意的测量位置，并从其计算出最佳补偿值以用于工件台相对于机头/主轴的所有平移和旋转运动所发生的平移和旋转位置误差。如果可用，也能够直接对旋转轴线本身补偿旋转位置误差。
已知的解决方案通过仅考虑定位误差的子集来每次计算一个单一旋转轴线的运动学误差，这可能导致较不准确的补偿。其他并存系统仅补偿机床中心点位置，而不考虑物理运动学误差。这种方法需要大量的测量，以覆盖机器的整个定位条件范围，且因此不太便利。
所提出的校准过程的优点在于，通过一起考虑所有旋转轴线的定位误差以及快速测量过程而准确地识别机床的旋转轴线的运动学误差，该快速测量过程由于调察最小不同的轴线位置的需要来自考虑了机器的物理运动学模型的事实而变得可能。而且，校准所需的材料对于标准的车间环境来说仍然是经济实惠且便利的，因为过程仅需要安装在工作台或托盘上的校准球和标准的接触式探头。
齐次变换矩阵用于在数学上描述机器的运动学。这是尤其用于机器人技术且现有技术已知的标准方法（参见[3]）。
齐次变换矩阵T用于计算由笛卡尔坐标x、y和z限定的任意位置在位置向量q到另一位置向量q'的位移（平移和/或旋转）：
Figure 177578DEST_PATH_IMAGE001
，其中
Figure 157035DEST_PATH_IMAGE002
例如，由变换矩阵T来表示在分别沿着X、Y和Z轴线应用平移dx、dy和dz之前围绕X轴线旋转的角度θ，使得
Figure 936773DEST_PATH_IMAGE003
考虑到图1中机器运动学的示例，从机器基部到工件利用两个旋转轴线的运动学误差的运动学模型能够表示为：
Figure 643566DEST_PATH_IMAGE004
。
可以在所指出的文献[3]中找到运动学模型的详细数学描述。
附图说明
下面将参照附图描述本发明及其应用。本说明书所附的图示出：
图1示出了具有3个线性和两个旋转自由度的典型的多轴机床，
图2示出了具有夹持的夹具和校准球的图1的工作台，
图3至图6示出将基于示例描述的本发明的校准方法的步骤。
具体实施方式
图1示出了具有三个线性轴线X、Y和Z以及两个旋转轴线B和C的典型的多轴机床1。工作台2可以沿着轴线X线性运动。沿着Y和Z轴线的线性运动另一方面通过机头3进行。工作台2能够围绕旋转轴线C和B旋转。另一旋转轴线A可以在机床1中实施，例如通过预见的可能性将机头3围绕X轴线倾斜（见箭头A）。
图2示出了图1中已经显示的工作台2，夹具5安装在该工作台2上并在其顶部上具有校准球6。通过安装在机床1的机头3上的接触式探头7测量校准球6（相应地，其中心）的位置。
在下文中，将基于示例描述本发明的校准方法。图3显示整个提出的校准过程。在开始机床1的旋转轴线C和B的运动学校准之前（参见上述图1和图2），线性轴线X、Y和Z以及机床1的接触式探头7必须被适当校准。该校准根据现有技术进行。一旦将具有校准球6的夹具5被安装在工作台2上，则预定要调察的旋转轴线的位置（例如，如下图6中所示，C轴线和B轴线的位置、Ci 和Bj，其中i = 1,j，2,j，3,j ... n,j和j = 1,2 ... m）。随后，对在不同的预定旋转轴线位置上的校准球6执行测量，并且基于校准球的所测量的位置来计算新的运动学模型。机床的机器控制器随后利用所确定的运动学模型更新，以补偿随着机器轴线的运动所发生的实际定位误差。考虑到下面的图4，给出关于对在预定旋转轴线位置中的校准球的测量的更多解释。
图4示出在旋转轴线处于零位置（即对应于机器的线性轴线已经被初始校准的状态）的情况下，在对夹具5和校准球6的参考位置进行设定和测量之后，通过使校准球6围绕第一旋转轴线（部分）转动而使校准球6围绕该第一旋转轴线（例如，旋转轴线C）的位置增加（例如，从C1,1至C2,1位置）。在该转动之后，测量校准球6（相应地其中心）的位置。通过由接触式探头7在校准球6的周边周围的不同位置处进行通常5次接触测量来确定校准球6的中心位置。针对围绕第一旋转轴线（例如，旋转轴线C）的所有预定位置，重复校准球中心的测量。然后校准球6围绕第二旋转轴线（例如，旋转轴线B）（部分地）转动（例如，从B1到B2位置），并且针对第一旋转轴线位置的全部或子集再次测量校准球的中心。对于每次测量，根据三个线性轴线X、Y和Z的校准球6的中心的位置XK、YK、ZK（其中，k = 1,2 ... N，其中N是不同的校准球位置测量的总数）例如以表格被报告（参见图6中的表格，其包括校准球6的中心在预定旋转位置和线性轴线位置处的测量的位置1,2,3 ... N）。
与所有已知的校准方法相反，使用本发明的校准方法，通过校准球围绕两个旋转轴线（例如B和C）的增量的且组合的转动来完成校准球的中心的位置的测量。在校准球围绕第二轴线的位置的增量改变之后，围绕第一轴线的测量将因此被重复。随后，校准球围绕第二轴线的位置再次改变，且围绕第一轴线的测量将被重复等。因此，所测量的位置的序列与已知的测量方法不同。示例：根据本发明的方法的测量序列是：
位置(C1,1; B1) → 位置(C2,1; B1) → 位置(C3,1; B1) →… → 位置(Cn,1; B1) →
位置(C1,2; B2) → 位置(C2,2; B2) → 位置(C3,2; B2) → … → 位置(Cn,2; B2) →
位置(C1,3; B3) → 位置(C2,3; B3) → 位置(C3,3; B3) → … → 位置(Cn,3; B3) →
…
位置(C1,m; Bm) → 位置(C2,m; Bm) → 位置(C3,m; Bm) → … → 位置(Cn,m; Bm)。
该示例构成了其中对于第二轴线位置的所有不同位置B1, B2 … Bm，不同数量和甚至不同角度被用于第一旋转轴线的一般情况。
相比之下，根据现有技术的测量序列：
位置(C1; B1) → 位置(C2; B1) → 位置(C3; B1) → … → 位置(Cn; B1) →
位置(C1; B1) → 位置(C1; B2) → 位置(C1; B3) → … → 位置(C1; Bm)。
现有技术的测量序列不组合围绕两个轴线的旋转。利用这些方法，独立于其他轴线（例如轴线B）对每个轴线（例如轴线C）的运动学误差进行测量。
与现有技术相反，本发明方法的测量序列组合了两个（或最终甚至更多个）轴线（例如C和B）的运动。由此，将测量和评估组合的轴向运动的运动学误差。校准球的所测量的位置的所得集合（例如，由根据图6的表格表示）被用于计算运动学模型。使用本发明的测量方法序列，得到实质上更精确的运动学模型。
基于针对围绕第一和第二旋转轴线（例如C和B）的所有选定位置测量的校准球6的准确位置，使用机器运动学的物理模型来检索机床的旋转轴线的所发生的运动学误差，以计算运动学模型。该运动学模型考虑了夹持在机头3中的机加工工具与夹持在工作台2上的零件之间的整个运动链，如图5中的示例所示。使用齐次变换矩阵（见文献[3]）在数学上表示运动学模型。标准的优化方法，例如非线性最小二乘法曲线拟合（阅读文献[4]），被用于计算与旋转轴线相关的不同的运动学误差（例如，图5中的值A0C、B0C、X0C、Y0C、A0B、C0B、X0B、Z0B），其最佳拟合在图6的表格中列出的校准球中心的有效测量的位置X、Y和Z坐标。最后，为了补偿机床的定位误差，利用由运动学模型计算的所获得的运动学误差来更新数字控制器的参数。
如上所述，本发明的校准方法旨在用于数控机床，其中，数控机床包括工作台和具有主轴的机头。数控机床还包括至少3个线性轴线（方向X、Y、Z）和至少2个旋转轴线，最终3个旋转轴线，主轴和工作台能通过所述轴线相对于彼此运动。为执行该新的校准方法，数控机床需要装备有具有校准球的夹具。具有校准球的夹具被安装在工作台上，同时机头的主轴需要装备有接触式探头。本发明的校准方法包括：通过利用接触式探头与所安装的接触式探头进行至少4次、优选地5次接触测量来测量校准球的位置的步骤，其中，通过围绕旋转轴线（A、B、C）旋转工作台或机头使校准球的位置改变至少三次，以及对于校准球的每个位置改变均重复测量校准球的位置的步骤。
校准方法使用运动学模型，该运动学模型根据校准球的至少三个测量的位置计算数控机床的运动学误差，以补偿工作台运动相对于主轴的定位误差。
运动学模型使用校准球相对于校准球的理论上正确位置的位置误差来生成用于数控机床的补偿模型，以补偿工作台运动相对于主轴的定位误差。
本发明的校准方法利用测量序列来测量校准球的位置，该测量序列包括校准球围绕两个、优选地三个旋转轴线的组合运动，其中，围绕第一旋转轴线的测量包括围绕第二轴线的至少两个、优选地m个旋转位置运动。
根据本发明的校准方法，校准球6的旋转位置（Ci; Bj）的测量序列能够如下：
(C1; B1), (C2; B1), (C3; B1) … (Cn; B1)
(C1; B2), (C2; B2), (C3; B2) … (Cn; B2)
(C1; B3), (C2; B3), (C3; B3) … (Cn; B3)
…
(C1; Bm), (C2; Bm), (C3; Bm) … (Cn; Bm)
或者
(C1,1; B1), (C2,1; B1), (C3,1; B1) … (Cn,1; B1)
(C1,2; B2), (C2,2; B2), (C3,2; B2) … (Cn,2; B2)
(C1,3; B3), (C2,3; B3), (C3,3; B3) … (Cn,3; B3)
…
(C1,m; Bm), (C2,m; Bm), (C3,m; Bm) … (Cn,m; Bm)。
优选地，用于数控机床的本发明的校准方法利用运动学模型描述工作台与主轴之间的相对运动，所述运动学模型使用齐次变换矩阵来考虑旋转轴线（例如A、B、C）的运动学误差。
能够以线性轴线 X、Y和Z的坐标测量校准球的位置，其中每个所测量的校准球位置（例如，Xk、Yk、Zk）被存储在位置表格中。
进一步，接触式探头能够被安装在主轴中作为基于触发的接触式测量装置，通过无线传输将其触发信号传输到数控机床。优选地，接触式探头还能够用于确定待机加工的零件的参考位置。
校准方法的运动学模型能够例如基于存储在位置表格中的线性轴线位置（例如，Xk、Yk、Zk）来计算由于旋转轴线（例如，A、B、C）的运动发生的运动学误差。
由运动学模型生成的补偿模型包括优化算法，用于补偿随着工作台与主轴之间的相对运动而发生的运动学误差。
当测量序列包括校准球围绕两个旋转轴线（例如，C、B或者C、A）的组合运动时，运动学模型考虑表征旋转轴线的运动学误差的8个补偿参数（例如，相应地，A0C、B0C、X0C、Y0C、A0B、C0B、X0B、Z0B或A0C、B0C、X0C、Y0C、B0A、C0A、Y0A、Z0A）。
运动学模型能够使用校准球相对于校准球的理论上正确位置的位置误差来生成用于数控机床的补偿模型，以补偿工作台运动相对于主轴的定位误差。
运动学模型生成优选地通过位于数控机床外部的处理单元计算的补偿模型。例如通过通信手段、例如经由电信手段将补偿模型传输到数控机床的数控系统。
校准方法例如由数控机床的机器控制单元应用。
本发明包括如下可能性：通过位于数控机床外部的处理单元计算生成补偿模型的运动学模型。在此类情况下下，能够经由电信手段、最优选地经由互联网或电话连接将所计算的补偿模型从处理单元传输至数控机床。
本发明不限于明确解释的示例和实施例。所示出的替代方案应当被认为是旨在激励本领域技术人员以最有利的方式实现本发明的暗示。
参考文献
[1] S. Weikert, R-Test, a New Device for Accuracy Measurements onFive Axis Machine Tools, CIRP Annals – Manufacturing Technology, 53/1, 2004,pages 429-432
[2] Touch probe cycle 451 in Heidenhain Benutzer-HandbuchZyklenprogrammierung iTNC530, 2010
[3] T. Bajd et al., Chapter 2 in Robotics, Springer, 2010
[4] D.M. Bates and D.G. Watts, Nonlinear Regression and itsApplications, New York, Wiley, 1988。
附图标记
1 数控机床
2 工作台
3 机头
4 主轴
5 夹具
6 校准球
7 接触式探头
A、B、C 工作台或机头的旋转轴线
X、Y、Z 工作台或机头的线性轴线。

Claims (17)

1.一种用于数控机床（1）的校准方法，其中所述数控机床（1）包括工作台（2）和具有主轴（4）的机头（3），所述数控机床（1）还包括至少3个线性轴线（X、Y、Z）和至少2个旋转轴线（A、B、C），所述主轴（4）和所述工作台（2）能通过所述轴线相对于彼此运动，
所述数控机床（1）具有带有校准球（6）的夹具（5），所述夹具（5）安装在所述工作台（2）上，并且
所述主轴（4）安装有接触式探头（7），
其中，所述校准方法包括：通过利用所述接触式探头（7）与所述安装的接触式探头（7）进行至少4次接触测量来测量所述校准球（6）的位置的步骤，
其中，通过围绕所述旋转轴线（A、B、C）旋转所述工作台（2）或所述机头（3）使所述校准球（6）的位置改变至少三次，以及对于所述校准球（6）的每个位置改变均重复测量所述校准球（6）的位置的步骤，
并且其中，所述校准方法使用运动学模型以便根据所述校准球（6）的所述至少三个测量位置生成补偿模型，以补偿随着所述工作台（2）与所述主轴（4）之间的相对运动而发生的运动学误差，
其特征在于：
所述校准方法利用测量序列来测量所述校准球（6）的位置，所述测量序列包括所述校准球（6）围绕两个旋转轴线（A、C、B）的组合运动，其中围绕第一旋转轴线（C、B、A）的测量包括围绕第二轴线（B、A、C）的至少两个旋转位置运动。
2.根据权利要求1所述的用于数控机床（1）的校准方法，其特征在于，用于所述校准球（6）的旋转位置（Ci; Bj）的所述测量序列是
(C1; B1), (C2; B1), (C3; B1) … (Cn; B1)
(C1; B2), (C2; B2), (C3; B2) … (Cn; B2)
(C1; B3), (C2; B3), (C3; B3) … (Cn; B3)
…
(C1; Bm), (C2; Bm), (C3; Bm) … (Cn; Bm)
或者
(C1,1; B1), (C2,1; B1), (C3,1; B1) … (Cn,1; B1)
(C1,2; B2), (C2,2; B2), (C3,2; B2) … (Cn,2; B2)
(C1,3; B3), (C2,3; B3), (C3,3; B3) … (Cn,3; B3)
…
(C1,m; Bm), (C2,m; Bm), (C3,m; Bm) … (Cn,m; Bm)。
3.根据权利要求1或2所述的用于数控机床（1）的校准方法，其特征在于，为描述所述工作台（2）和所述主轴（4）之间的相对运动，所述运动学模型使用齐次变换矩阵来考虑所述旋转轴线（A、B、C）的所述运动学误差。
4.根据权利要求1或2所述的用于数控机床（1）的校准方法，其特征在于，
以所述线性轴线X、Y和Z的坐标测量所述校准球（6）的位置，其中每个测量的校准球位置（Xk、Yk,、Zk）均被存储在位置表格中。
5.根据权利要求4所述的用于数控机床（1）的校准方法，其特征在于，
所述接触式探头（7）被安装在所述主轴（4）中并且是基于触发的接触测量装置，其通过无线传输将其触发信号传输到所述数控机床（1）。
6.根据权利要求5所述的用于数控机床（1）的校准方法，其特征在于，
所述校准方法的所述运动学模型基于存储在所述位置表格中的所述线性轴线位置（Xk、Yk,、Zk）来计算由于所述旋转轴线（A、B、C）的运动发生的所述运动学误差。
7.根据权利要求6所述的用于数控机床（1）的校准方法，其特征在于，
由所述运动学模型生成的所述补偿模型包括优化算法，用于补偿随着所述工作台（2）与所述主轴（4）之间的相对运动而发生的所述运动学误差。
8.根据权利要求1或2所述的用于数控机床（1）的校准方法，其特征在于，
当所述测量序列包括所述校准球（6）围绕两个旋转轴线（C、B、A）的组合运动时，所述运动学模型考虑表征所述旋转轴线的运动学误差的8个补偿参数（相应地，A0C、B0C、X0C、Y0C、A0B、C0B、X0B、Z0B或A0C、B0C、X0C、Y0C、B0A、C0A、Y0A、Z0A）。
9.根据权利要求1或2所述的用于数控机床（1）的校准方法，其特征在于，
所述运动学模型使用所述校准球（6）相对于所述校准球的理论上正确位置的位置误差来生成用于所述数控机床（1）的补偿模型，以补偿所述工作台运动相对于所述主轴的定位误差。
10.根据权利要求1或2所述的用于数控机床（1）的校准方法，其特征在于，
生成补偿模型的所述运动学模型通过位于所述数控机床（1）外部的处理单元计算，并且其中，通过通信手段将所述补偿模型传输到所述数控机床（1）的数控系统。
11.根据权利要求10所述的用于数控机床（1）的校准方法，其特征在于，
经由电信手段将所述补偿模型传输到所述数控机床（1）的数控系统。
12.根据权利要求1或2所述的用于数控机床（1）的校准方法，其特征在于，
所述测量序列包括所述校准球（6）围绕三个旋转轴线（A、C、B）的组合运动。
13.根据权利要求1或2所述的用于数控机床（1）的校准方法，其特征在于，
围绕第一旋转轴线（C、B、A）的测量包括围绕第二轴线（B、A、C）的至少m个旋转位置运动。
14.根据权利要求5所述的用于数控机床（1）的校准方法，其特征在于，
所述接触式探头（7）还用于确定待机加工的零件的位置。
15.一种使用根据前述权利要求中的任一项所述的校准方法的数控机床（1），其特征在于，
所述校准方法由所述数控机床（1）的机器控制单元应用。
16.根据权利要求15所述的数控机床（1），其特征在于，
生成补偿模型的所述运动学模型通过位于所述数控机床（1）外部的处理单元计算，所计算的补偿模型经由电信手段从所述处理单元传输至所述数控机床（1）。
17.根据权利要求16所述的数控机床（1），其特征在于，
所计算的补偿模型经由互联网或电话连接从所述处理单元传输至所述数控机床（1）。
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Families Citing this family (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8904912B2 (en) 2012-08-16 2014-12-09 Omax Corporation Control valves for waterjet systems and related devices, systems, and methods
US9772620B2 (en) 2014-01-22 2017-09-26 Omax Corporation Generating optimized tool paths and machine commands for beam cutting tools
CN106471334B (zh) * 2014-04-23 2019-12-06 瑞尼斯豪公司 测量探头的校准
JP6606054B2 (ja) * 2016-12-22 2019-11-13 Ｄｍｇ森精機株式会社 工作機械の運動誤差同定方法
EP3444686B1 (en) 2017-08-15 2021-12-22 GF Machining Solutions AG Method for using a geometrical probe with a spindle of a machine tool, and machine tool configured to carry out such a method
US10859997B1 (en) * 2017-12-04 2020-12-08 Omax Corporation Numerically controlled machining
US11554461B1 (en) 2018-02-13 2023-01-17 Omax Corporation Articulating apparatus of a waterjet system and related technology
GB201813372D0 (en) 2018-08-16 2018-10-03 Rolls Royce Plc Machining error compensation
CN111090259A (zh) * 2018-10-23 2020-05-01 广州锐智恒软件有限公司 用于检验和校正数控系统中工件旋转轴坐标偏差的方法
CN113614485B (zh) * 2019-03-08 2023-10-31 格里森计量系统股份有限公司 使用单轴移动的非接触式传感器校准
JP7330749B2 (ja) * 2019-05-08 2023-08-22 Ｄｇｓｈａｐｅ株式会社 切削加工機および原点の設定方法
WO2020237407A1 (zh) * 2019-05-24 2020-12-03 深圳配天智能技术研究院有限公司 机器人运动学参数自标定方法、系统及存储装置
CN110270845A (zh) * 2019-07-25 2019-09-24 安徽行者智能科技股份有限公司 一种自适应工装及智能加工中心
US11487268B2 (en) 2019-07-25 2022-11-01 Pratt & Whitney Canada Corp. Method of calibrating a machine having at least two rotation axes
CN112405114B (zh) * 2019-08-22 2022-08-02 上海铼钠克数控科技有限公司 机床误差的补偿方法和系统
JP7431550B2 (ja) * 2019-10-03 2024-02-15 三井精機工業株式会社 工作機械の高精度化が可能な調整方法
US11904494B2 (en) 2020-03-30 2024-02-20 Hypertherm, Inc. Cylinder for a liquid jet pump with multi-functional interfacing longitudinal ends
CN112025412B (zh) * 2020-07-31 2021-07-13 格致汽车科技股份有限公司 一种大型龙门3+2轴数控机床快速确定和校正方法
EP3954966A1 (en) * 2020-08-14 2022-02-16 Hexagon Technology Center GmbH Rotary table compensation
WO2022067594A1 (zh) * 2020-09-30 2022-04-07 成都飞机工业（集团）有限责任公司 五轴联动数控机床旋转轴线位置误差检测方法及检测装置
CN112611318B (zh) * 2020-12-03 2023-01-06 深圳数马电子技术有限公司 一种运动轴误差的测量方法以及装置
CN112792558B (zh) * 2021-04-02 2022-02-08 苏州鼎纳自动化技术有限公司 一种精确旋转对位机构
CN115464466B (zh) * 2022-09-29 2023-07-28 巨冈精工(广东)股份有限公司 用于双摆头五轴数控机床R-test检测的辅助工装

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015144414A1 (de) * 2014-03-24 2015-10-01 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und system zur bestimmung der wanddicke eines bauteils

Family Cites Families (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6668466B1 (en) * 2000-10-19 2003-12-30 Sandia Corporation Highly accurate articulated coordinate measuring machine
DE102005008055B4 (de) 2005-02-22 2009-01-02 Deckel Maho Pfronten Gmbh Verfahren zum Vermessen einer programmgesteuerten Werkzeugmaschine
GB0525306D0 (en) * 2005-12-13 2006-01-18 Renishaw Plc Method of machine tool calibration
DE102006038064A1 (de) * 2006-08-16 2008-02-28 Siemens Ag Verfahren zur Bestimmung der Position des Drehzentrums und/oder der Orientierung einer Rundachse einer Maschine
DE102006048684A1 (de) 2006-10-14 2008-04-17 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh Verfahren zum Positionieren von Achsen in Werkzeugmaschinen
JP4902316B2 (ja) * 2006-11-10 2012-03-21 東芝機械株式会社 斜め加工のための５軸加工機の姿勢保証システム
GB0703423D0 (en) 2007-02-22 2007-04-04 Renishaw Plc Calibration method and apparatus
GB0712008D0 (en) * 2007-06-21 2007-08-01 Renishaw Plc Apparatus and method of calibration
EP2028439A1 (en) 2007-07-26 2009-02-25 Renishaw plc Deactivatable measurement apparatus
EP2221692B1 (en) 2007-11-02 2016-07-27 Makino Milling Machine Co. Ltd. Numerically controlled machine tool and numerical control device
CA2717291C (en) 2007-11-02 2012-08-07 Makino Milling Machine Co., Ltd. Numerically controlled machine tool and numerical control device
DE102009024752B4 (de) 2009-06-12 2021-05-27 Deckel Maho Pfronten Gmbh Verfahren zum Vermessen und/oder Kalibrieren einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine
CN101963479A (zh) * 2009-07-22 2011-02-02 张鸿瑞 双球转角量规
JP5448634B2 (ja) * 2009-08-11 2014-03-19 オークマ株式会社 機械の誤差同定方法およびプログラム
EP2290486A1 (en) 2009-08-28 2011-03-02 Renishaw plc Machine tool calibration method
JP5437891B2 (ja) * 2010-04-12 2014-03-12 Ｄｍｇ森精機株式会社 工作機械における被加工物計測装置およびその方法
JP5595798B2 (ja) * 2010-06-10 2014-09-24 Ｄｍｇ森精機株式会社 工作機械における工作物測定方法およびその装置
CN102001021B (zh) * 2010-10-22 2012-03-14 西南交通大学 五轴联动数控机床回转摆动轴几何误差参数值的测量方法
EP2492635B1 (de) * 2011-02-22 2013-05-29 Siemens Aktiengesellschaft Kalibrierverfahren für einen kugelförmigen Messtaster
TW201326742A (zh) 2011-12-29 2013-07-01 Prec Machinery Res Dev Ct 五軸工具機之幾何誤差評估方法
US9784554B2 (en) * 2012-03-20 2017-10-10 Hurco Companies, Inc. Method for measuring a rotary axis of a machine tool system
JP6295070B2 (ja) 2013-12-05 2018-03-14 オークマ株式会社 多軸工作機械の幾何誤差同定方法及び多軸工作機械
GB201321594D0 (en) 2013-12-06 2014-01-22 Renishaw Plc Calibration of motion systems
JP5792271B2 (ja) 2013-12-19 2015-10-07 ファナック株式会社 ワークによる変位誤差を補正する機能を備えた数値制御装置
JP2016083729A (ja) 2014-10-27 2016-05-19 オークマ株式会社 幾何誤差同定システム、及び幾何誤差同定方法
CN105643362A (zh) * 2014-11-13 2016-06-08 沈阳高精数控智能技术股份有限公司 一种基于AxiSet的五轴机床测量方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015144414A1 (de) * 2014-03-24 2015-10-01 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und system zur bestimmung der wanddicke eines bauteils

Also Published As

Publication number Publication date
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EP3327524A1 (en) 2018-05-30

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