CN108334030B - 一种双摆头结构五轴数控机床rtcp标定及补偿方法 - Google Patents

一种双摆头结构五轴数控机床rtcp标定及补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双摆头结构五轴数控机床RTCP标定及补偿方法，步骤是记录各旋转轴在不同角度位置下进行标定的坐标值，计算得出各旋转轴的偏移矢量及各旋转轴轴线方向矢量的数据；再将数据写入到数控系统中对应的机床参数；激活数控系统的五轴联动功能；能够有效地解决五轴机床特征数据无法直接获取且避免传统方法精度较低的情况，保证了标定数据的准确性，提高了五轴RTCP标定的快速性和准确性，降低了调节时间，减小人为误差的引入。

Description

一种双摆头结构五轴数控机床RTCP标定及补偿方法
技术领域
本发明属于数控设备加工领域，特别涉及一种双摆头结构五轴数控机床RTCP标定及补偿方法。
背景技术
五轴数控机床和传统的三坐标立式加工中心不同，在满足几何精度和定位精度的基础上，还需要对五轴联动的精度进行标定及校准，将相应的数据输入到数控系统对应的机床参数中，以西门子SINUMERIK 840D sl为例，对应的机床数据有9个，传统的调整方法为机床厂家在机械结构设计过程中确定以上的特征数据，并将数据写入机床参数，但是由于存在理论与实际安装偏差，在机床安装完毕后RTCP精度并不高，一般采用一根球头棒和一个百分表，通过记录旋转轴在不同角度位置下的偏差值得到机床的偏心距位置，然后将数据输入到机床参数中进行修正，并且需要通过不断地尝试以确定所输入的数据是否正确。
这种方式具有以下缺点：1)、使用球头棒和百分表测量会产生较大的误差，无法保证每次找到的球头棒的最高点位置相同，数据准确度不高，最后调整出来误差较大；2)、调整过程中需要不断地进行修正，试错，花费了大量的时间，效率较低；3)、不能够准确地理解五轴标定实际需要标定的数据和参数的对应关系，出现相同的问题后重复劳动；4)、增加调试及维修人员工作强度的同时，降低了生产效率。
另有中国专利号为CN201110027530.1，公开了一种用于五轴联动数控机床进行圆周铣削时的刀轴插补算法，该算法能有效控制刀轴矢量在倾斜平面内的运动，消除了传统的因采用旋转轴角度线性插补而造成的非线性误差。算法首先根据矢量的定义和性质，构建新的坐标系；然后在新坐标系下，进行平面内圆弧插补，得到新的刀轴矢量；最后将这个新的刀轴矢量转换为机床坐标系下的刀轴矢量。通过该算法，结合旋转刀具中心点补偿(RTCP)，能在控制刀尖点沿着编程轨迹运动的同时保持刀轴矢量始终在一平面内。该算法是为了消除圆周铣削倾斜面加工中的非线性误差而提出的，也可以应用在自由曲面的圆周铣削中。上述发明无法保证每次找到的球头棒的最高点位置相同，数据准确度不高，最后调整出来误差较大；不能够准确地理解五轴标定实际需要标定的数据和参数的对应关系。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种双摆头结构五轴数控机床RTCP标定及补偿方法，该发明给出了RTCP标定的原理同时给出了如何通过人为调整，精确记录各轴位置数据，计算出该种结构五轴数控机床的特征数据的实际值的方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种双摆头结构五轴数控机床RTCP标定及补偿方法，其特征在于：记录各旋转轴在不同角度位置下进行标定的坐标值，计算得出各旋转轴的偏移矢量及各旋转轴轴线方向矢量的数据；再将数据写入到数控系统中对应的机床参数；激活数控系统的五轴联动功能。
一种双摆头结构五轴数控机床RTCP标定及补偿方法，具体步骤为：
(1)在机床的工作台上安装固定一个标准块，以标准块为中建立机床直角坐标系，在机床直角坐标系的X、Y、Z方向上分别安装固定一个对刀表；在主轴上固持一个球头棒；
(2)将A、B轴归回到0°位置，操作运动X、Y、Z轴，让球头棒球头分别靠压到各对刀表，并使得对刀表上的读数相同，记录下各轴对应的当前坐标值；
(3)B轴保持0°位置不变，将A轴旋转到一定角度，操作移动X、Y、Z轴，让球头棒球头分别压到三个方向的对刀表，并使得各对刀表上的读数与步骤(2)相同，记录下各轴对应的当前坐标值；
(4)将A轴旋转回0°保持位置保持不变，将B轴旋转到一定角度，移动X、Y、Z轴，让球头棒球头分别压到三个方向的对刀表，并使得各对刀表上的读数与步骤(2)相同，记录下各轴对应的当前坐标值；
(5)将B轴旋转回0°，保持A、B轴0°位置不变,旋转刀具轴到指定一定角度，移动X、Y、Z轴，让球头棒球头分别压到三个方向的对刀表，并使得各对刀表上的读数与步骤(2)相同，记录下各轴对应的当前坐标值；
(6)利用机床的运动结构数学模型得到的算法进行数据处理，获得到机床A轴、B轴和刀具轴的轴心线的方向矢量及各轴旋转中心在机床坐标系下的坐标值获得各旋转轴轴线间在X、Y、Z方向的偏移矢量；再将方向矢量与偏移矢量设定到相应的机床参数中，激活机床的五轴功能；
所述的A轴、B轴均为机床的旋转轴。
分别多次旋转A轴、B轴以及刀具轴，在不同状态移动直线轴确保球头棒中心点位置未发生偏移，记下各轴在机床坐标系下的坐标值，使用对刀表和球头棒来实现点和面的接触式测量。
本发明一种双摆头结构五轴数控机床RTCP标定及补偿方法。面对一种双摆头结构的五轴立式加工中心旋转轴偏心距位置及方向无法直接获取，通过人为调整机床几何轴姿态且保持刀具中心点位置不变，记录各轴坐标数据反向计算进行标定；利用机床的运动结构数学模型得到的算法进行数据处理，获得到机床第一旋转轴、第二旋转轴和刀具轴的轴心线的方向矢量及各轴旋转中心在机床坐标系下的坐标值进而获得各旋转轴轴线间在X、Y、Z方向的偏移矢量；再根据五轴机床的结构将得到的偏移矢量及方向矢量设定到相应的机床参数中，激活机床的五轴功能；记录五轴功能激活后和人为调整时的各轴误差值进行修正，提高五轴联动的精度。
本发明具有以下优点：
1、本发明为了减少测量误差，采用对刀仪取代百分表，将点点接触改为点面接触，保证每次接触时对刀仪测得的数据值不发生改变，提高测量的精确性，记录多种角度位置下对应的X、Y、Z在机床坐标系下的位置值；采用全新的标定算法计算的到相应的五轴特征数据，该方法不需要假定传统直线轴的直线度，通过矢量计算的方法，降低了误差值；理论算法的计算值和机床数据一一对应，不再需要试探性的更改不同参数，提高了调整的精确度，采用相同的测量方法在RTCP功能激活后进行误差的再检测，以提高RTCP精度。
2、本发明能够有效地解决五轴机床特征数据无法直接获取且避免传统方法精度较低的情况，保证了标定数据的准确性，提高了五轴RTCP标定的快速性和准确性，降低了调节时间，减小人为误差的引入，同时采用对刀仪能够有效地解决传统方法中的百分表工具点点接触的不确定性。
附图说明
图1是本发明涉及的双摆头结构五轴数控机床结构图。
图2是本发明的实施流程框图。
图中标记1.机床坐标系原点，2.机床X轴方向，3.机床Y轴方向，4.机床Z轴方向，5.B轴，6.B轴旋转轴心位置PC2，7.B轴轴心线矢量方向V1，8.A轴轴心线矢量方向V2，9.A轴，10.偏移矢量I1，11.偏移矢量I2，12.A轴旋转轴心位置PC1，13.偏移矢量I3，14.刀具轴矢量方向V3，15.刀具TL，16.刀具中心点。
具体实施方式
本发明适用于一类双摆头结构五轴数控机床，对于数控机床需要设定的偏心距数值及旋转轴轴线矢量方向而机床本身的空间位置无法计算且需要进行五轴联动加工的。
参见图1。若要完成该双摆头结构的五轴立式加工中心点的RTCP功能的标定及补偿工作，需要在机床坐标系(0)中标定刀具中心点(16)在机床坐标系下B轴(5)、A轴(9)处于不同角度状态下在X轴(2)、Y轴(3)、Z轴(4)三个方向的坐标值，并通过算法得到B轴轴心线矢量方向V1(7)、A轴轴心线矢量方向V2(8)、刀具轴轴心线矢量方向V3(14)，B轴旋转轴心位置PC2(6)、A轴旋转轴心位置PC1(12)、刀具轴中心点位置P0(16)用以计算得到偏移矢量I1(10)、偏移矢量I2(11)、偏移矢量I3(13)及由刀具TL所产生的矢量偏移，并将得到的实际数据和机床参数逐一对应，以此完成RTCP功能的标定，其实施流程见图2。
本发明可以通过以下措施达到，一种双摆头结构五轴数控机床RTCP标定原理及方法,包括如下环节：
第一环节：五轴特征参数标定(注：一次性标定或定期复查。)
通过旋转B、A轴得到相应的机床坐标系下的坐标值，计算得到五轴特征参数。
1.把机床各轴移动到合适位置，在工作台安装固持1个标准块并与各坐标轴找正，在标准块上靠近某顶角相邻的三个面X、Y、Z方向上分别安装固定1个对刀表；在主轴上固持1个球头棒。
2.将A、B轴归回到0°位置，手动操作运动X、Y、Z轴，让球头棒球头分别靠压到各对刀表，并使得对刀表上显示的读数相同，记录下各轴对应的当前坐标值x0、y0、z0，并记录下各对刀表的读数。
3.B轴保持0°位置不变，将A轴旋转到指定角度α1，手动操作移动X、Y、Z轴，让球头棒球头分别压到三个方向的对刀表，并使得各对刀表指针被靠压下的读数与先前相同。
4.B轴保持0°位置不变，将A轴旋转到指定角度α2，手动操作移动X、Y、Z轴，让球头棒球头分别压到三个方向的对刀表，并使得各对刀表指针被靠压下的读数与先前相同。
5.将A轴旋转回O°保持位置保持不变，将B轴旋转到指定角度β1，手动操作移动X、Y、Z轴，让球头棒球头分别压到三个方向的对刀表，并使得各对刀表指针被靠压下的读数与先前相同。
6.A轴保持0°位置不变，将B轴旋转到指定角度β2，手动操作移动X、Y、Z轴，让球头棒球头分别压到三个方向的对刀表，并使得各对刀表指针被靠压下的读数与先前相同。
7.将B轴旋转回0°，保持A、B轴0°位置不变,旋转刀具轴到指定角度t1、t2、t3,手动操作移动X、Y、Z轴，让球头棒球头分别压到三个方向的对刀表，并使得各对刀表指针被靠压下的读数与先前相同。
8.按照如下表1记录数据。
表1五轴标定数据记录表
Figure BDA0001514389690000041
Figure BDA0001514389690000051
8.重复上述步骤测得多组数据用以提高测量数据的准确度。
第二环节：五轴特征数据计算：
Figure BDA0001514389690000052
Figure BDA0001514389690000053
Figure BDA0001514389690000054
1.对表格中的数据利用如下的公式计算,利用P0(x0,y0,z0)、P1(x1,y1,z1)、P2(x2,y2,z2)计算得到空间中这三点构成的圆平面的法向量V1在x，y，z三个方向的矢量的分矢量V1x,V1y,V1z；利用P0(x0,y0,z0)、P3(x3,y3,z3)、P4(x4,y4,z4)计算得到空间中这三点构成的圆平面的法向量V2在x，y，z三个方向的矢量的分矢量V2x,V2y,V2z；利用P5(x5,y5,z5)、P6(x6,y6,z6)、P7(x7,y7,z7)计算得到空间中这三点构成的圆平面的法向量V3在x，y，z三个方向的矢量的分矢量V3x,V3y,V3z。Vi为单位向量即：Vix 2+Viy 2+Viz 2＝1。
2.对表格中的数据利用如下的公式计算,利用P0(x0,y0,z0)、P1(x1,y1,z1)、P2(x2,y2,z2)
Figure BDA0001514389690000055
Figure BDA0001514389690000056
Figure BDA0001514389690000057
上面各式中：
A1＝(y0z1+y2z0+y1z2-y2z1-y0z2-y1z0) A2＝2(x1-x0) A3＝2(x2-x1)
B1＝(x0z2+x1z0+x2z1-x0z1-x1z2-x2z0) B2＝2(y1-y0) B3＝2(y2-y1)
C1＝(x0y1+x2y0+x1y2-x2y1-x0y2-x1y0) C2＝2(z1-z0) C3＝2(z2-z1)
Figure BDA0001514389690000058
计算得到空间中这三点构成的圆平面的圆心坐标PC1(XC1,YC1,ZC1)；利用P0(x0,y0,z0)、P3(x3,y3,z3)、P4(x4,y4,z4)计算得到空间中这三点构成的圆平面的圆心坐标PC2(XC2,YC2,ZC2)；利用P5(x5,y5,z5)、P6(x6,y6,z6)、P7(x7,y7,z7)计算得到空间中这三点构成的圆平面的圆心坐标PC3(XC3,YC3,ZC3)。
3.利用步骤2得到的结果计算I1＝PC1-P0＝{(XC1-X0),(YC1-Y0),(ZC1-Z0)}；
I3＝PC2-P0＝{(XC2-X0),(YC2-Y0),(ZC2-Z0)}；I2＝-(I1+I3)
4.利用步骤1得到的V3x,V3y,V3z计算刀具长度在x，y，z方向的偏移值：TLX＝V3X*TL；TLY＝V3Y*TL；TLZ＝V3Z*TL；
其中TL为标定过程中的球头棒的标称值。
第三环节：五轴特征参数的设定及校正
1.将第二环节得到的参数和数控系统对应的五轴参数进行设定,激活数控机床的RTCP功能，例如在西门子840Dsl数控系统中，机床参数和实际计算值的对应关系如下；
表2西门子840sl数控系统对应的参数值
Figure BDA0001514389690000061
2.将球头棒再次安装在主轴上，并将百分表固定在机床床身上，使得A,B轴处于不同角度下，观察百分表在X,Y,Z方向的误差值并记录，将误差值写入对应的机床数据中进行RTCP精度的修正。

Claims (2)

1.一种双摆头结构五轴数控机床RTCP标定及补偿方法，其特征在于：记录各旋转轴在不同角度位置下进行标定的坐标值，计算得出各旋转轴的偏移矢量及各旋转轴轴线方向矢量的数据；再将数据写入到数控系统中对应的机床参数；激活数控系统的五轴联动功能；具体步骤为：
(1)在机床的工作台上安装固定一个标准块，以标准块为中心建立机床直角坐标系，在机床直角坐标系的X、Y、Z方向上分别安装固定一个对刀表；在主轴上固持一个球头棒；
(2) 将A、B轴归回到0°位置，操作运动X、Y、Z轴，让球头棒球头分别靠压到各对刀表，并使得对刀表上的读数相同，记录下各轴对应的当前坐标值；
(3) B轴保持0°位置不变，将A轴旋转到一定角度，操作移动X、Y、Z轴，让球头棒球头分别压到三个方向的对刀表，并使得各对刀表上的读数与步骤(2)相同，记录下各轴对应的当前坐标值；
(4) 将A轴旋转回0°保持位置保持不变，将B轴旋转到一定角度，移动X、Y、Z轴，让球头棒球头分别压到三个方向的对刀表，并使得各对刀表上的读数与步骤(2)相同，记录下各轴对应的当前坐标值；
(5) 将B轴旋转回0°，保持A、B轴0°位置不变,旋转刀具轴到指定一定角度，移动X、Y、Z轴，让球头棒球头分别压到三个方向的对刀表，并使得各对刀表上的读数与步骤(2)相同，记录下各轴对应的当前坐标值；
(6) 利用机床的运动结构数学模型得到的算法进行数据处理，获得到机床A轴、B轴和刀具轴的轴心线的方向矢量及各轴旋转中心在机床坐标系下的坐标值获得各旋转轴轴线间在X、Y、Z方向的偏移矢量；再将方向矢量与偏移矢量设定到相应的机床参数中，激活机床的五轴功能；
所述的A轴、B轴均为机床的旋转轴。
2.根据权利要求1所述的一种双摆头结构五轴数控机床RTCP标定及补偿方法，其特征在于：分别多次旋转A轴、B轴以及刀具轴，在不同状态移动直线轴确保球头棒中心点位置未发生偏移，记下各轴在机床坐标系下的坐标值，使用对刀表和球头棒来实现点和面的接触式测量。
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Application publication date: 20180727

Assignee: Chengdu Keruijia Technology Co.,Ltd.

Assignor: CHENGDU AIRCRAFT INDUSTRIAL (GROUP) Co.,Ltd.

Contract record no.: X2023980040219

Denomination of invention: RTCP calibration and compensation method for a five axis CNC machine tool with a dual pendulum head structure

Granted publication date: 20201110

License type: Common License

Record date: 20230825