CN110645935B - 数控回转轴集成位移传感器安装偏置的精确校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明数控回转轴集成位移传感器安装偏置的精确校准方法属于检测技术领域，涉及一种数控回转轴集成位移传感器安装偏置的精确校准方法。该方法先将用于校准的标定平面安装在机床主轴上，并保证标定平面与机床主轴轴线垂直。再调整位移传感器相对于标定平面的距离和角度，完成传感器的对准。然后，数控回转轴带动位移传感器旋转不同角度，采集在不同角度位置时对应的机床转动角度和位移传感器读数值。建立关于传感器偏置矢量的方程组，求解得到偏置矢量，完成在数控回转轴集成位移传感器安装偏置的精确校准。该方法可在一次装夹下实现对传感器任意安装姿态的偏置矢量校准，校准快速高效，操作简单，精度高，方法实用性强。
Description
技术领域
本发明属于检测技术领域，涉及一种数控回转轴集成位移传感器安装偏置的精确校准方法。
背景技术
复杂零件的精密加工，往往需采用在位测量手段，获得零件加工过程中的轮廓偏差和加工余量的实际分布状态，并进行后续的加工修正，以避免二次安装带来的加工误差。为实现在位测量，将传感器集成于数控加工装备上，如主轴末端、水平或回转工作台等。首先需建立传感器坐标系与机床坐标系的空间位置关系，其问题核心是传感器安装偏置距离的精确校准，例如传感器原点与回转轴轴线的偏置关系。若不能精确校准，势必引起较大测量偏差。实际校准中，往往需借助专用的校准样件或标准件，如标准球、标准圆柱等。通过测量寻边，建立起传感器原点在机床坐标系中的位置关系。这种方式比较适合传感器与平动轴的偏置校准，但因寻边操作时传感器信号提取和状态判别仍不可避免地依赖操作人员的经验，其校准结果的稳定性需进一步提升。考虑到加工设备的构型和加工运动，需要将传感器集成于回转工作台，传感器的原点与回转轴线势必存在安装偏置，急需探寻一种新的校准方法。
2015年，陈增源等在申请号CN201510811019.9的专利《机床主轴中轴线位置获取装置及获取方法》，中提出了一种利用Hexapod移动平台控制激光位移传感器对扁圆形端板进行扫描，确定机床主轴线位置的方法。然而，这种校准方法无法适用于串联构型的数控机床的校准。2018年，周昊晖等在申请号CN201811290239.1的专利《回转轴中心位置的确定方法及设备、存储介质、电子装置》中发明了一种通过测量操作获取多次绕工作台轴心回转的校准装置上端面的圆心在机床坐标系中的坐标，计算确定回转轴的中心位置，但未精确考虑测头与回转轴中心的位置关系。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是克服现有方法的不足，针对位移传感器测量原点与回转工作台安装偏置难以精确判断的问题，发明了一种数控回转轴集成位移传感器安装偏置的精确校准方法。该方法中，在数控回转轴三个不同的角度位置利用光谱共焦位移传感器测量距标定平面的距离，根据测量时采集的机床回转工作台旋转角度和位移传感器读数建立关于传感器安装偏置矢量的方程组，通过求解方程组完成传感器与回转轴空间偏置距离和方向的精确校准。基于偏置矢量、传感器读数值、回转轴角度之间的相互关系进行校准计算，避免引入外界误差干扰，校准精度高，可靠性好。传感器可在一次装夹下完成安装偏置矢量的校准，校准过程快速高效，实用性强，操作简单。对传感器安装位置约束条件少，在任意安装姿态下均可进行校准，适用性强。
本发明采用的技术方案是一种数控回转轴集成位移传感器安装偏置的精确校准方法，其特征是，该方法在传感器偏置矢量校准过程中，先将用于校准的标定平面安装在机床主轴上，并保证标定平面与机床主轴轴线垂直；其次，将位移传感器夹持固定在带T形槽的回转工作台上，并调整位移传感器相对于标定平面的距离和角度，使得标定平面在传感器量程范围内且位移传感器测量光束所在直线与标定平面垂直，完成传感器的对准；然后，数控回转轴带动位移传感器旋转不同角度，并同时采集在不同角度位置时对应的机床转动角度和位移传感器读数值；最后，利用传感器读数值与旋转角度建立关于传感器偏置矢量的方程组，求解得到偏置矢量，完成在数控回转轴集成位移传感器安装偏置的精确校准。
方法的具体步骤如下：
第一步传感器校准预装
将标定平面7利用主轴的真空吸盘吸附固定在机床主轴8上，利用千分表拉表检测标定平面7与机床主轴8轴线垂直度，并不断调整其位置保证两者垂直，完成标定平面7的安装；接着将位移传感器1装夹在传感器装夹模块2上，并将传感器装夹模块2放置在回转工作台3台面上，然后不断调整传感器装夹模块2的位置与角度，使得标定平面7处于传感器量程范围内且位移传感器1测量光束所在直线与标定平面7垂直，最后通过传感器装夹模块固定螺钉4将传感器装夹模块2固定在回转工作台3上，完成传感器校准预装。
第二步校准测量实验
首先，移动机床X轴滑台6和机床Z轴滑台10调整位移传感器1和标定平面7的相对位置，记为传感器位置Ⅰ，传感器位置Ⅰ读数为d1，要求d1取值在位移传感器1量程范围内且尽量大；然后，操作机床使回转工作台3绕回转轴线b顺时针转动角度θ1，要求θ1取值在个位数且尽量小，记为传感器位置Ⅱ，带动位移传感器1一起旋转，传感器位置Ⅱ读数为d2；最后，回转工作台3在传感器位置Ⅱ基础上再次顺时针旋转角度θ2并带动位移传感器1转动，记为传感器位置Ⅲ，传感器位置Ⅲ读数为d3。
第三步安装偏置精确反算
利用上述测量得到的数据及偏心矢量构造方程(1)，其满足，
其中，L为位移传感器1的测量原点与回转工作台3的回转中心O之间的相对距离，D为回转轴线b与标定平面7之间的相对距离；α为位置Ⅰ处位移传感器1的测量原点与回转工作台3回转中心O沿X轴的夹角。
将位移传感器位置Ⅰ读数d1、传感器位置Ⅱ读数d2、传感器位置Ⅲ读数d3及回转工作台3顺时针转动角度θ1、再次顺时针旋转角度θ2带入方程(1)，求解得到位移传感器1与回转工作台3的偏置矢量{L,D,α}。由此，实现数控回转轴集成位移传感器的安装偏置的精确校准。
本发明的有益效果是：数控回转轴集成位移传感器安装偏置的精确校准方法可在一次装夹下实现对传感器任意安装姿态的偏置矢量校准，校准方法的建立为复杂曲面测量过程中测量轨迹的规划、测点的精确获取提供了理论支撑和误差补偿依据，提高了测量精度与测量效率，实现了对复杂面型轮廓特征的高精度测量。对传感器安装位置约束条件少，在任意安装姿态下均可进行校准，适用性强。方法校准快速高效，操作简单，精度高，实用性强。
附图说明
附图1精确校准实验装置安装示意图，其中：1-位移传感器；2-传感器装夹模块；3-回转工作台；4-传感器装夹模块固定螺钉；5-机床本体；6-机床X轴滑台；7-标定平面；8-机床主轴；9-机床Z轴滑台，b-回转工作台回转轴线，O-回转工作台3回转轴心。
附图2-位移传感器精度对准原理图，其中：O-回转工作台3回转轴心；D-回转轴线b与标定平面7之间的相对距离；L为位移传感器1的测量原点与回转工作台3的回转中心O之间的相对距离；α-位置Ⅰ处位移传感器的测量原点与回转工作台3回转中心O沿X轴的夹角，d1-传感器位置Ⅰ读数,d2-传感器位置Ⅱ读数，d3-传感器位置Ⅲ读数，θ1-回转工作台3在位置Ⅰ基础上绕回转轴线b顺时针转动角度,θ2-回转工作台3在位置Ⅱ基础上顺时针旋转角度。
具体实施方式
结合附图和技术方案详细说明本发明的实施方式，说明数控回转轴集成位移传感器的安装偏置精确校准过程。
采用位移传感器1的量程范围为0～1mm，量程起点约为10mm，位移测量精度0.25μm；所用数控回转轴行程360°，重复定位精度优于1arcsec。
精确校准方法的具体步骤如下：
第一步，完成传感器校准预装。
如附图1所示，将标定平面7吸附在机床主轴8真空吸盘上完成固定，并利用千分表打表检测其表面与机床主轴8回转轴线垂直度，并不断调整标定平面7，使其与机床主轴8回转轴线垂直，完成标定平面7的安装；接着将位移传感器1装夹在传感器装夹模块2上，并将传感器装夹模块2放置在回转工作台3台面上，然后不断调整传感器装夹模块2的位置与角度，使得标定平面7处于传感器量程范围内且位移传感器1测量光束所在直线与标定平面7垂直，最后通过传感器装夹模块固定螺钉4将传感器装夹模块2固定在回转工作台3上，完成传感器校准预装。
第二步，开展校准测量实验。
手动操作机床，移动机床X轴滑台6和机床Z轴滑台9调整位移传感器1和标定平面7的相对位置，记为传感器位置Ⅰ，传感器位置Ⅰ读数d1＝0.1992mm。然后，操作机床使回转工作台3绕回转轴线b顺时针转动角度θ1＝3°，记为传感器位置Ⅱ，如图2所示。带动位移传感器1一起旋转，传感器位置Ⅱ读数d2＝0.3644mm；最后，回转工作台3在传感器位置Ⅱ基础上再次顺时针旋转角度θ2＝3°，并带动位移传感器1转动，将此时的位置记为传感器位置Ⅲ，传感器位置Ⅲ读数d3＝0.9002mm。
第三步，记录并整理上述实验数据，将位移传感器位置Ⅰ读数d1＝0.1992mm、传感器位置Ⅱ读数d2＝0.3644mm、传感器位置Ⅲ读数d3＝0.9002mm及回转工作台3顺时针转动角度θ1＝3°、再次顺时针旋转角度θ2＝3°带入方程(1)进行计算。求解后得到位移传感器1与回转工作台3的偏置矢量α＝89.8459°，L＝133.9400mm，A＝134.1387mm,实现了数控回转轴集成位移传感器安装偏置的精确校准。
本发明实现了数控回转轴集成光谱共焦位移传感器安装偏置的精确校准，能够在一次装夹下实现传感器任意安装姿态的偏置矢量校准，校准过程操作方便，校准精度高，方法可靠，有效提升了测量效率与测量精度。
Claims (1)
1.一种数控回转轴集成位移传感器安装偏置的精确校准方法，其特征是，该方法在传感器偏置矢量校准过程中，首先将用于校准的标定平面安装在机床主轴上，并保证标定平面与机床主轴轴线垂直；再将位移传感器夹持固定在带T形槽的回转工作台上，并调整位移传感器相对于标定平面的距离和角度，使得标定平面在传感器量程范围内且位移传感器测量光束所在直线与标定平面垂直，完成传感器的对准；然后，数控回转轴带动位移传感器旋转不同角度，并同时采集在不同角度位置时对应的机床转动角度和位移传感器读数值；最后，利用传感器读数值与旋转角度建立关于传感器偏置矢量的方程组，求解得到偏置矢量，完成在数控回转轴集成位移传感器安装偏置的精确校准；
方法的具体步骤如下：
第一步传感器校准预装
将标定平面(7)利用主轴的真空吸盘吸附固定在机床主轴(8)上，利用千分表拉表检测标定平面(7)与机床主轴(8)轴线垂直度，并不断调整其位置保证两者垂直，完成标定平面(7)的安装；接着将位移传感器(1)装夹在传感器装夹模块(2)上，并将传感器装夹模块(2)放置在回转工作台(3)台面上，然后不断调整传感器装夹模块(2)的位置与角度，使得标定平面(7)处于传感器量程范围内，且位移传感器(1)测量光束所在直线与标定平面(7)垂直；最后通过传感器装夹模块固定螺钉(4)将传感器装夹模块(2)固定在回转工作台(3)上，完成传感器校准预装；
第二步校准测量实验
首先，移动机床X轴滑台(6)和机床Z轴滑台(9)调整位移传感器(1)和标定平面(7)的相对位置，使标定平面(7)与机床主轴(8)回转轴线垂直，并记为传感器位置Ⅰ，传感器位置Ⅰ的读数为d1，要求d1取值在位移传感器(1)量程范围内且尽量大；然后，操作机床使回转工作台(3)绕回转轴线(b)顺时针转动角度θ1，要求θ1取值在个位数且尽量小，带动位移传感器(1)一起旋转，此时记为传感器位置Ⅱ，传感器位置Ⅱ的读数为d2；最后，回转工作台(3)在传感器位置Ⅱ基础上再次顺时针旋转角度θ2并带动位移传感器(1)转动，记为传感器位置Ⅲ，传感器位置Ⅲ的读数为d3；
第三步安装偏置精确反算
利用测量得到的数据及偏心矢量构造方程(1)，其满足：
其中，L为位移传感器(1)的测量原点与回转工作台(3)的回转中心O之间的相对距离，D为回转轴线(b)与标定平面(7)之间的相对距离；α为位移传感器位置Ⅰ处位移传感器(1)的测量原点与回转工作台(3)回转中心O沿X轴的夹角；
将传感器位置Ⅰ读数d1、传感器位置Ⅱ读数d2、传感器位置Ⅲ读数d3及回转工作台(3)顺时针转动角度θ1、再次顺时针旋转角度θ2带入方程(1)，求解得到位移传感器(1)与回转工作台(3)的偏置矢量{L,D,α}；由此，完成数控回转轴集成位移传感器安装偏置的精确校准。
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