CN110449988B - 一种五轴机床摆轴偏心距快速测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种五轴机床摆轴偏心距的快速测量方法，S01：制作水平工作台；S02：确定水平工作台与机床回转工作台的工作平面紧密贴合且平行；S03：测量并记录测头/刀具刚好接触到水平工作台时机床坐标系下的坐标值；具体为执行测量程序使摆轴绕旋转轴中心旋转30°，正负方向各采集数次，分别记录下各坐标值；S04：根据坐标值，分析计算摆轴的偏心距和偏心方向。本发明采用简单的三角形几何原理，计算判断出准确的摆轴偏心距和偏心方向，具有操作简单、易于计算、应用范围广的优点，其测量摆轴偏心距的思想适用于各类具有旋转摆动轴的数控机床，提高五轴机床摆轴偏心补偿量确定的效率及精度。

Description

一种五轴机床摆轴偏心距快速测量的方法

技术领域

本发明涉及一种机床摆轴偏置的测量方法，具体是一种五轴机床摆轴偏心距快速测量的方法，是一种通过简单的几何原理实现摆轴偏置测量，进而得到五轴机床补偿过程中需要的误差值，提升加工精度的方法。

背景技术

在机床加工过程中，几何误差时刻影响这零件的加工精度，对机床几何误差进行测量并补偿是提升加工精度的有效措施。几何误差可分为运动误差、装配误差等，而在机床装配过程中，装配误差总是存在的，装配误差包括垂直度误差和位置偏移误差，装配误差在机床运动过程中保持不变。

针对机床的运动误差，测量方法有激光干涉仪、球杆仪、激光跟踪仪等相对成熟的仪器及手段。而针对机床的装配误差，其测量方法仍存在不足，机床装配误差反映了机床的装配质量及切削稳定性，需要针对其进行定期标定及补偿。

五轴机床的配置有摇篮式、双摆头式及回转/摆动型三种常见构型，在实际运动过程中，由于装配误差的存在，摆轴的轴线不一定与回转中心重合，这就会导致在实际的五轴加工过程中会存在位置偏差，导致加工精度下降。因此，快速、精准的测量五轴机床摆轴偏心距和判断出偏心方向是提升五轴机床加工精度的必要途径。

发明内容

针对现有技术的空白区及缺陷，本发明的目的在于提供一种五轴机床摆轴偏心距快速测量的方法，可直接反映出五轴机床的摆轴轴线与旋转中心之间的偏置距离及偏置方向，具有操作简便、测量精度高以及可重复性强等特点，可用于五轴机床摆轴偏心距定期测量及评价。

为实现上述技术目的，本发明采用以下的技术方案：

一种五轴机床摆轴偏心距快速测量的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S01:制作水平工作台；

S02：确定水平工作台平面与机床回转工作台的工作平面紧密贴合且平行；

S03：测量记录测头/刀具刚好接触到水平工作台时机床坐标系下显示的坐标值，具体为执行程序使摆轴绕旋转轴中心旋转30°，分别记录正负方向的坐标值；

S04：根据坐标值，分析计算摆轴的偏心量ε和偏心方向；

S05：重复S03步骤，计算偏心量ε在三次重复测量后的平均值

使得

(其中i＝1,2,3)，完成偏心量测量，

即为五轴机床摆轴的偏心量。

进一步，所述的一种五轴机床摆轴偏心距快速测量的方法，其特征在于，所述水平工作台必须保证表面平整，水平工作台对应的两个平面保证平行。

进一步，所述的S02步骤具体为：

S02.1：将机床回转工作台的工作平面清理干净，防止铁屑等影响水平工作台安装；

S02.2：通过调水平螺栓使水平工作台上平面与机床回转工作台平行，下平面与机床回转工作台紧密贴合。

进一步，所述的S02.2步骤中螺栓数量为3个，呈等边三角形顶点排布。

进一步，所述的S02.2步骤中调整水平工作台上平面与机床回转工作台平行，是通过千分表配合螺栓进行校正。

进一步，所述的S02.2步骤中水平工作台下平面与机床回转工作台紧密贴合，是通过螺栓实现。

进一步，所述的S03步骤具体为：

S03.1:将五轴机床摆轴的初始状态设置为垂直于水平工作台，并且测头/刀具在水平工作台正上方安全位置；

S03.2：在机床初始状态下运行测量程序，使摆轴绕旋转轴的中心向正方向旋转30°，通过测量程序使测头与水平工作台接触，读取坐标值Z_i1(其中i＝1,2,3)，或者通过五轴机床手轮上下移动，使刀具刚好碰触水平工作台，读取坐标值Z_i1；

S03.3：将机床摆轴恢复到初始状态，运行测量程序，使摆轴绕旋转轴的中心向负方向旋转30°，记录测头/刀具与水平工作台刚接触时的坐标值Z_i2。

进一步，所述的S03.1步骤中摆轴的轴线与测头/刀具的轴线一致。

进一步，所述的S04步骤具体为：

S04.1：假设五轴机床摆轴的偏心量为ε，摆轴轴线相对于初始状态在旋转轴旋转中心的Y_A轴正方向，计端点为E。当摆轴绕旋转轴中心正方向旋转30°，使测头/刀具与水平工作台刚好接触，记下坐标值Z₁，并将该位置的旋转中心计为点Z₁；

S04.2：使摆轴回到初始状态，运行程序，当摆轴绕旋转轴中心负方向旋转30°，使测头/刀具与水平工作台刚好接触，记下坐标值Z₂，并将该位置的旋转中心计为点Z₂；

S04.3：在测量过程中，偏心距所在的边Z₁E、Z₂E之间的夹角为60°，因为|Z₁E|＝|Z₂E|＝ε，所以在Y_AZ_A平面上构成一个等腰三角形Z₁Z₂E，又因为Z₁E、Z₂E之间的夹角为60°，所以根据三角形的几何原理，可得三角形Z₁Z₂E是等边三角形，所以|Z₁Z₂|＝|Z₁E|＝|Z₂E|＝ε，而|Z₁Z₂|＝Z₁-Z₂，可得ε＝|Z₁-Z₂|；

S04.4：根据S04.1中假设的摆轴轴线相对于初始状态在旋转轴旋转中心的Y_A轴正方向，可知Z₁-Z₂＜0，因此可以快速判断出需要补偿的偏心量ε和偏心方向。当摆轴轴线相对于初始状态在旋转轴旋转中心的Y_A轴负方向时，坐标值Z₁-Z₂＞0；当摆轴轴线重合于初始状态在旋转轴旋转中心时，坐标值Z₁-Z₂＝0。

S04.5：根据计算分析得到的偏心量ε和偏心方向，对五轴机床进行实际逆向补偿，提高加工精度。

与现有的技术相比，本发明具有一下有益效果：

(1)采用三角形几何原理配合机床自身运动特性，不需要复杂的算法及测量工具，整个测量过程简易方便，测量结果准确度高、提高偏置标定效率；

(2)采用的量具制作简单，成本较低，可重复性好。

附图说明

图1为本发明所述的摆轴偏心距测量及水平工作台结构示意图。

图2为本实施例中五轴机床负方向摆动30°示意图。

图3为本实施例中五轴机床负正向摆动30°示意图。

图4为本实施例中摆轴偏向Y_A轴正向结构简图。

图5为本实施例中摆轴偏向Y_A轴负向结构简图。

图6为本实施例中摆轴无偏置结构简图。

图中：

1-测头/刀具；2-机床回转工作台；3-水平工作台；4-调整螺栓；5-摆轴；6-A轴旋转轴；7-偏心量ε；8-A轴回转中心。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步发明，但本发明的保护范围并不限于此。

一种五轴机床摆轴偏心距快速测量的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S01:制作水平工作台3；

S02：确定水平工作台3平面与机床回转工作台2的工作平面紧密贴合且平行；

S03：测量记录测头/刀具1刚好接触到水平工作台3时机床坐标系下显示的坐标值，具体为执行程序使摆轴5绕旋转轴6中心8旋转30°，分别记录正负方向的坐标值；

S04：根据坐标值，分析计算摆轴5的偏心量7ε和偏心方向；

S05：重复S03步骤，计算偏心量7ε在三次重复测量后的平均值

使得

(其中i＝1,2,3)，完成偏心量7测量，

即为五轴机床摆轴5的偏心量7。

其中，所述的一种五轴机床摆轴偏心距快速测量的方法，其特征在于，所述水平工作台3必须保证表面平整，水平工作台3对应的两个平面保证平行。

所述的S02步骤具体为：

S02.1：将机床回转工作台2的工作平面清理干净，防止铁屑等影响水平工作台3安装；

S02.2：通过调水平螺栓4使水平工作台3上平面与机床回转工作台2平行，下平面与机床回转工作台2紧密贴合。

其中，所述的S02.2步骤中螺栓4数量为3个，呈等边三角形顶点排布。

其中，所述的S02.2步骤中调整水平工作台3上平面与机床回转工作台2平行，是通过千分表配合螺栓4进行校正。

其中，所述的S02.2步骤中水平工作台3下平面与机床回转工作台2紧密贴合，是通过螺栓4实现。

所述的S03步骤具体为：

S03.1:将五轴机床摆轴5的初始状态设置为垂直于水平工作台，并且测头/刀具1在水平工作台3正上方安全位置；

S03.2：在机床初始状态下运行测量程序，使摆轴5绕旋转轴6的中心8向正方向旋转30°，通过测量程序或五轴机床手轮控制摆轴5上移动，使测头1与水平工作台3接触，读取坐标值Z_i1(其中i＝1,2,3)，或者通过五轴机床手轮上下移动，使刀具1刚好碰触水平工作台3，读取坐标值Z_i1；

S03.3：将机床摆轴5恢复到初始状态，运行测量程序，使摆轴5绕旋转轴6的中心8向负方向旋转30°，记录测头/刀具1与水平工作台3刚接触时的坐标值Z_i2。

其中，所述的S03.1步骤中摆轴(5)的轴线与测头/刀具(1)的轴线一致。

所述的S04步骤具体为：

S04.1：假设五轴机床摆轴5的偏心量7为ε，摆轴5轴线相对于初始状态在旋转轴6旋转中心8的Y_A轴正方向，计端点为E。当摆轴5绕旋转轴6中心8正方向旋转30°，使测头/刀具1与水平工作台3刚好接触，记下坐标值Z₁，并将该位置的旋转中心8计为点Z₁；

S04.2：使摆轴5回到初始状态，运行程序，当摆轴绕5旋转轴6中心8负方向旋转30°，使测头/刀具1与水平工作台3刚好接触，记下坐标值Z₂，并将该位置的旋转中心8计为点Z₂；

S04.3：在测量过程中，偏心距7所在的边Z₁E、Z₂E之间的夹角为60°，因为|Z₁E|＝|Z₂E|＝ε，所以在Y_AZ_A平面上构成一个等腰三角形Z₁Z₂E，又因为Z₁E、Z₂E之间的夹角为60°，所以根据三角形的几何原理，可得三角形Z₁Z₂E是等边三角形，所以|Z₁Z₂|＝|Z₁E|＝|Z₂E|＝ε，而|Z₁Z₂|＝Z₁-Z₂，可得ε＝|Z₁-Z₂|；

S04.4：根据S04.1中假设的摆轴5轴线相对于初始状态在旋转轴6旋转中心8的Y_A轴正方向，可知Z₁-Z₂＜0，因此可以快速判断出需要补偿的偏心量7ε和偏心方向。当摆轴5轴线相对于初始状态在旋转轴6旋转中心8的Y_A轴负方向时，坐标值Z₁-Z₂＞0；当摆轴5轴线重合于初始状态在旋转轴6旋转中心8时，坐标值Z₁-Z₂＝0。

S04.5：根据计算分析得到的偏心量7ε和偏心方向，对五轴机床进行实际逆向补偿，提高加工精度。

图1所示，水平工作台3长、宽、高、分别为150mm、100mm、30mm，表面平整，并有三个调整螺栓。

按图2、图3完成所述S01-S03步骤。

S03：测量摆轴5摆动正负30°时，测头/刀具1与水平工作台3刚接触时的坐标值Z，重复测量三次，分别记为Z₁₁，Z₁₂；Z₂₁，Z₂₂；Z₃₁，Z₃₂。完成坐标值采集。

S05：由测量结果可知Z₁₁＝-145.289，Z₁₂＝-143.130；Z₂₁＝-145.288，Z₂₂＝-143.129；Z₃₁＝-145.290，Z₃₂＝-143.130。分别计算三次测量的偏心量7：

ε₁＝Z₁₁-Z₁₂＝-145.289-(-143.130)＝-2.159；

ε₂＝Z₂₁-Z₂₂＝-145.288-(-143.129)＝-2.159；

ε₃＝Z₃₁-Z₃₂＝-145.290-(-143.130)＝-2.160。

求解三次测量偏心量的平均值：

根据S05中的判断公式：

因此，可以判断出本实施例中的偏心量为2.15933，偏心方向为Y_A轴正方向，满足实际精度要求，完成测量，本实施例偏置简图如图4所示。

所述实施例为本发明的优选实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不脱离本发明测量思路的实质内容的情况下，本领域中工程技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种五轴机床摆轴偏心距快速测量的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S01:制作水平工作台(3)；

S02：确定水平工作台(3)平面与机床回转工作台(2)的工作平面紧密贴合且平行；

S03：测量记录测头/刀具(1)刚好接触到水平工作台(3)时机床坐标系下显示的坐标值，具体为执行程序使摆轴(5)绕旋转轴(6)中心(8)旋转30°，分别记录正负方向的坐标值；

S04：根据坐标值，分析计算摆轴(5)的偏心量(7)ε和偏心方向；

S05：重复S03步骤，计算偏心量ε在三次重复测量后的平均值

使得

(其中i＝1,2,3)，完成偏心量(7)测量，

即为五轴机床摆轴的偏心量；所述水平工作台(3)必须保证表面平整，水平工作台(3)对应的两个平面保证平行；所述的S02步骤具体为：

S02.1：将机床回转工作台(2)的工作平面清理干净，防止铁屑等影响水平工作台(3)安装；

S02.2：通过调水平螺栓(4)使水平工作台(3)上平面与机床回转工作台(2)平行，下平面与机床回转工作台(2)紧密贴合；

所述的S02.2步骤中螺栓(4)数量为3个，呈等边三角形顶点排布；

所述的S02.2步骤中调整水平工作台(3)上平面与机床回转工作台(2)平行，是通过千分表配合螺栓(4)进行校正；

所述的S04步骤具体为：

S04.1：假设五轴机床摆轴(5)的偏心量(7)为ε，摆轴(5)轴线相对于初始状态在旋转轴(6)旋转中心(8)的Y_A轴正方向，计端点为E；当摆轴(5)绕旋转轴(6)中心(8)正方向旋转30°，使测头/刀具(1)与水平工作台(3)刚好接触，记下坐标值Z₁，并将该位置的旋转中心(8)计为点Z₁；

S04.2：使摆轴(5)回到初始状态，运行程序，当摆轴(5)绕旋转轴(6)中心(8)负方向旋转30°，使测头/刀具(1)与水平工作台(3)刚好接触，记下坐标值Z₂，并将该位置的旋转中心(8)计为点Z₂；

S04.3：在测量过程中，偏心距所在的边Z₁E、Z₂E之间的夹角为60°，因为|Z₁E|＝|Z₂E|＝ε，所以在Y_AZ_A平面上构成一个等腰三角形Z₁Z₂E，又因为Z₁E、Z₂E之间的夹角为60°，所以根据三角形的几何原理，可得三角形Z₁Z₂E是等边三角形，所以|Z₁Z₂|＝|Z₁E|＝|Z₂E|＝ε，而|Z₁Z₂|＝Z₁-Z₂，可得ε＝|Z₁-Z₂|；

S04.4：根据S04.1中假设的摆轴(5)轴线相对于初始状态在旋转轴(6)旋转中心(8)的Y轴正方向，可知Z₁-Z₂＜0，因此可以快速判断出需要补偿的偏心量ε和偏心方向；当摆轴(5)轴线相对于初始状态在旋转轴(6)旋转中心(8)的Y_A轴正方向时，坐标值Z₁-Z₂＞0；当摆轴(5)轴线重合于初始状态在旋转轴(6)旋转中心(8)时，坐标值Z₁-Z₂＝0；

S04.5：根据计算分析得到的偏心量ε和偏心方向，对五轴机床进行实际逆向补偿，提高加工精度。

2.根据权利要求1所述的一种五轴机床摆轴偏心距快速测量的方法，其特征在于，所述的S02.2步骤中水平工作台(3)下平面与机床回转工作台(2)紧密贴合，是通过螺栓(4)实现。

3.根据权利要求1所述的一种五轴机床摆轴偏心距快速测量的方法，其特征在于，所述的S03步骤具体为：

S03.1:将五轴机床摆轴(5)的初始状态设置为垂直于水平工作台(3)，并且测头/刀具(1)在水平工作台(3)正上方安全位置；

S03.2：在机床初始状态下运行测量程序，使摆轴绕旋转轴(6)的中心(8)向正方向旋转30°，通过测量程序使测头(1)与水平工作台(3)接触，读取坐标值Z_i1(其中i＝1,2,3)，或者通过五轴机床手轮上下移动，使刀具(1)刚好碰触水平工作台(3)，读取坐标值Z_i1；

S03.3：将机床摆轴恢复到初始状态，运行测量程序，使摆轴绕旋转轴(6)的中心(8)向负方向旋转30°，记录测头/刀具(1)与水平工作台(3)刚接触时的坐标值Z_i2。

4.根据权利要求3所述的一种五轴机床摆轴偏心距快速测量的方法，其特征在于，所述的S03.1步骤中摆轴(5)的轴线与测头/刀具(1)的轴线一致。

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