CN111390645B - 机床主轴头姿态角专用测量量具及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机床主轴头姿态角专用测量量具及测量方法，所述测量量具包括：底座和至少两个测量斜面，所述底座呈多边形，所述测量斜面安装在所述底座上，且与所述底座呈设定夹角，所述测量量具通过所述底座安装在机床的工作台上，通过将底座的不同边分别与所述设定进给轴平行，且将机床主轴分别与不同的测量斜面垂直，测量机床主轴头多组不同倾斜方向的姿态角。本发明的测量量具可以实现对主轴头多组姿态角的测量，结构简单，精加工面积较小，制造成本较低，且可提高测量效率。

Description

机床主轴头姿态角专用测量量具及测量方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，具体地，涉及一种机床主轴头姿态角测量量具及测量方法。

背景技术

零件的加工需要多个工序，而五轴联动机床集成了车、铣、钻等多个功能，在加工复杂零件时，省去了多次夹装，大大提高了加工效率。其中五轴联动混联机床，由并联主轴头和串联进给轴组成，充分汲取并联机构运动速度快、动态性能好的优点，达到了更高的加工效率。不过，并联机构结构复杂，存在大量难以直接测量的制造误差和装配误差，需要对主轴头各个不同的位置和姿态进行测量，辨识出误差大小并予以补偿，机床才能达到使用要求。主轴头的位置相对容易测量，而主轴头的姿态角测量则比较复杂。

目前已有多种方法用以测量机构的姿态角，主要思路是利用传感装置得到主轴头姿态情况，并计算得到主轴头姿态角数据。例如安装惯性传感器，就是机器人控制常用的惯性导航方法；用摄像头作为传感器，就是立体视觉方法；利用激光跟踪技术作为传感装置，就是激光跟踪方法。这些方法的测量精度都无法满足机床测量的需求。

发明内容

鉴于以上问题，本发明的目的是提供一种机床主轴头姿态角专用测量量具及测量方法，以满足机床测量的需求。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一个方面是提供一种机床主轴头姿态角专用测量量具，机床包括工作台，所述工作台沿设定进给轴运动，所述测量量具包括：底座和至少两个测量斜面，所述底座呈多边形，所述测量斜面安装在所述底座上，且与所述底座呈设定夹角，所述测量量具通过所述底座安装在机床的工作台上，通过将底座的不同边分别与所述设定进给轴平行，且将机床主轴分别与不同的测量斜面垂直，测量机床主轴头多组不同倾斜方向的姿态角。

优选地，所述测量斜面呈多边形。

优选地，所述测量量具还包括顶板，每个测量斜面的至少一个顶点连接在所述顶板上。

优选地，每个测量斜面上均安装有多个端块，所述端块用于连接检测机床主轴与测量斜面之间垂直度的垂直度检测装置。

优选地，所述底座、所述测量斜面和所述端块连接成一体。

为了实现上述目的，本发明的另一个方面是提供一种机床主轴头姿态角专用测量方法，包括以下步骤：

步骤S1，将上述的测量量具安装在机床的工作台上，使得测量量具位于第一安装方向，在所述第一安装方向下，底座的一条边与设定进给轴平行；

步骤S2，调节机床驱动轴的进给来调整主轴的倾斜方向，使得主轴位于第一倾斜方向，与测量量具的一个测量斜面垂直，测得主轴头在所述第一倾斜方向下的姿态角；

步骤S3，改变机床驱动轴的进给来改变主轴的倾斜方向，使得主轴位于第二倾斜方向，与测量量具的另一个测量斜面垂直，测得主轴头在所述第二倾斜方向下的姿态角；

步骤S4，重复所述步骤S3，直至测得测量量具位于第一安装方向时，机床主轴头与各个测量斜面分别垂直时的姿态角；

步骤S5，改变所述测量量具的安装方向，使得测量量具位于第二安装方向，在所述第二安装方向下，使得底座的另一条边与设定进给轴平行；

步骤S6，重复所述步骤S2、所述步骤S3和所述步骤S4，直至测得测量量具位于第二安装方向时，机床主轴头与各个测量斜面分别垂直时的姿态角；

步骤S7，重复所述步骤S5和所述步骤S6，直至测得测量量具位于不同安装方向下，机床主轴头位于不同倾斜方向下的多组姿态角。

优选地，所述步骤S1还包括：

在底座与设定进给轴平行的边上放置平行度检测装置；

通过控制装置控制工作台沿所述设定进给轴进行往返进给运动，调整测量量具的安装位置；

通过平行度检测装置测量所述底座的一条边与所述设定进给轴是否平行。

优选地，所述步骤S2还包括：将垂直度检测装置安装在所述主轴上，通过垂直度检测装置测量所述主轴与所述测量斜面是否垂直。

优选地，所述测量斜面上安装有多个端块，所述垂直度检测装置包括千分表和横杆，

将垂直度检测装置安装在所述主轴上，通过垂直度检测装置测量所述主轴与所述测量斜面是否垂直的步骤包括：

将所述千分表放置在所述端块上，并通过所述横杆与机床主轴头连接；

通过控制装置控制主轴旋转，所述千分表在多个端块上的示数差异均在设定差值内时，判定所述主轴与所述测量斜面垂直。

优选地，所述机床主轴头姿态角专用测量方法用于测量五轴联动混联机床的主轴头的姿态角。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

本发明的测量量具通过多边形底座和多个测量斜面可以实现对主轴头多组姿态角的测量，结构简单，精加工面积较小，制造成本较低。

本发明可以应用于五轴联动混联机床主轴头姿态角的测量，充分利用混联机床中串联进给轴的精度优势，降低了人为操作引入的误差，保证了测量精度。

本发明的测量方法可通过数控系统控制实现，操作方便、测量效率较高。

附图说明

图1是本发明所述测量量具的立体示意图；

图2是本发明所述测量量具的俯视示意图；

图3是本发明所述测量量具的侧视示意图；

图4是本发明所述测量方法的流程示意图；

图5是本发明中测量量具与工作台安装的立体示意图；

图6是本发明中测量量具与主轴头安装的立体示意图；

图7是本发明中测量量具与主轴头安装的侧视示意图。

附图标记：1、底座，2、测量斜面，3、端块，4、工作台，5、千分表，6、横杆，7、主轴头。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明所述的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。

本发明所述机床主轴头姿态角专用测量量具，用于对机床主轴头姿态角进行测量。机床包括工作台4，工作台4用于安装工件，所述工作台4沿设定进给轴运动，当工作台4可以沿两条进给轴运动时，设定进给轴可以是两条进给轴中的任意一个，选定设定进给轴之后，在安装测量量具时，相对于所选定的设定进给轴安装。

图1是本发明所述测量量具的立体示意图，图2是本发明所述测量量具的俯视示意图，图3是本发明所述测量量具的侧视示意图，如图1-图3所示，本发明所述机床主轴头姿态角测量量具包括：底座1和至少两个测量斜面2，所述底座1呈多边形，优选为正多边形，所述测量斜面2安装在所述底座1上，且与所述底座1呈设定夹角，测量斜面2的底边与底座1的边可以平行，也可以不平行，所述测量量具通过所述底座1安装在机床的工作台4上，通过将底座1的不同边分别与所述设定进给轴平行，且将机床主轴分别与不同的测量斜面2垂直，测量机床主轴头多组不同倾斜方向的姿态角。例如，所述测量量具包括n个测量斜面2，底座1呈m边形，其中，m、n均为正整数，且m≥3，n≥2，则通过本发明的测量量具对主轴头7进行姿态角测量时，可以测得m×n组姿态角数据，当m与n不互质时，会出现重复测量，则共可得到p组姿态角数据，p为m和n的最小公倍数。

本发明所述测量量具通过设置的多边形底座1和多个测量斜面2，可以实现多组姿态角的测量，结构简单。

每个测量斜面2与底座1的夹角可以相同，也可以不同。当每个测量斜面2与底座1的夹角均相同时，则测得的主轴头7的姿态角大小相同，而倾斜方向随着测量量具的安装方向以及与主轴头7垂直的测量斜面2的倾斜方向而不同。当测量斜面2与底座1的夹角不同时，可以测到多个大小不同的姿态角。

在本发明的一个实施例中，所述测量量具应用于测量五轴联动混联机床主轴头的姿态角，由于在五轴联动混联机床的标定工作中，只需要精确测量工作空间内的最大倾斜角。以实例中的机床为例，工作空间允许倾斜的最大角度是40°，在标定工作中，只需要精确测量每个方向的最大角度，故多个测量斜面2与底座1的夹角优选为相同，且优选为40°。

需要说明的是，本发明所述测量量具不仅可以用于测量五轴联动混联机床主轴头的姿态角，同样可以应用于其他形式的机床主轴头姿态角的测量。

在一个实施例中，所述测量斜面2呈多边形，多个测量斜面2在底座1上安装时，可以存在共用边。进一步地，如图1-3所示，多个测量斜面2不仅存在共用边，还可以存在共用顶点。多个测量斜面2在底座1上均匀布置。例如，当测量斜面2呈正三角形时，多个正三角形的顶点可以汇聚于一点。

在一个可选实施例中，所述测量量具还包括顶板，每个测量斜面2的至少一个顶点连接在所述顶板上。此时，测量斜面2位于顶板和底座1之间，增加测量量具的稳固性。其中，顶板与底座1可以平行，也可以不平行。

为了保证测量量具的测量精度，在测量时，需要保证主轴头7与测量斜面2的垂直精度。测量量具可与垂直度检测装置配合使用，通过垂直度检测装置检测测量斜面2与主轴头7是否垂直，则需要保证整个测量斜面2的加工精度，相应地，会增加制造成本。优选地，每个测量斜面2上均安装有多个端块3，所述端块3用于连接检测机床主轴与测量斜面2之间垂直度的垂直度检测装置。在对主轴头7与测量斜面2的垂直度进行检测时，将垂直度检测装置分别与多个端块3连接，则只需要每个端块3的端面的加工精度，多个端块3的顶部端面位于同一个面内，经过磨削加工以保证精度，大大减少了测量斜面2的精加工面积，降低制造成本。

在一个实施例中，测量斜面2中部可以设置为通孔形式，节约材料，多个端块3均匀分布在测量斜面2的周边。

需要说明的是，本发明对端块3的端面形状以及高度等均无具体限定，只需保证多个端块3的顶面位于同一个面内即可。

本发明的一个实施例中，垂直度检测装置包括千分表5和横杆6，千分表5放置在端块3上(当没有端块3时，千分表5放置在测量斜面2上)，并通过横杆6与主轴头7连接。在对主轴头7与测量斜面2的垂直度进行检测时，驱动主轴头7旋转，读取千分表5示数，当各个端块3上的千分表5的示数差异均在设定差值(例如，±0.01mm)以内时，则可判定主轴头7与测量斜面2垂直。

为了保证测量精度，所述测量量具还可以与平行度检测装置配合使用，平行度检测装置放置在底座1的边上，用于测量底座1的边与设定进给轴之间的平行度。例如，平行度检测装置包括千分表5，将千分表5固定(可以将表座固定稳固的支架上)，使得千分表5的测头固定在底座1与设定进给轴平行的边上，通过控制工作台4沿设定进给轴进行往返进给运动，不断调整测量量具的安装位置，使得千分表5的示数变化在设定差值±0.01mm以内，则可认为底座1的边与设定进给轴平行。

优选地，所述底座1、所述测量斜面2和所述端块3连接成一体。当然，底座1、测量斜面2和端块3也可以是分离的部件，通过螺栓连接或其他可拆卸连接方式连接在一起。

图4是本发明所述测量方法的流程示意图，如图4所示，本发明所述机床主轴头姿态角测量方法，包括以下步骤：

步骤S1，将上述的测量量具安装在机床的工作台4上，使得测量量具位于第一安装方向，在所述第一安装方向下，底座1的一条边与设定进给轴平行；测量量具通过底座1安装在工作台4上，底座1与工作台4通过螺栓连接，便于拆卸，当然，底座1与工作台4的连接方式也不仅限于螺栓连接，也可以是其他可拆卸的连接方式。

步骤S2，调节机床驱动轴的进给来调整主轴的倾斜方向，使得主轴位于第一倾斜方向，与测量量具的一个测量斜面2垂直，测得主轴头7在所述第一倾斜方向下的姿态角。

步骤S3，改变机床驱动轴的进给来改变主轴的倾斜方向，使得主轴位于第二倾斜方向，与测量量具的另一个测量斜面2垂直，测得主轴头7在所述第二倾斜方向下的姿态角。

步骤S4，重复所述步骤S3，直至测得测量量具位于第一安装方向时，机床主轴头7与各个测量斜面2分别垂直时的姿态角，当测量斜面2有n个时，则可得到第一安装方向下的n个姿态角。

步骤S5，改变所述测量量具的安装方向，使得测量量具位于第二安装方向，在所述第二安装方向下，使得底座1的另一条边与设定进给轴平行。

步骤S6，重复所述步骤S2、所述步骤S3和所述步骤S4，直至测得测量量具位于第二安装方向时，机床主轴头7与各个测量斜面2分别垂直时的姿态角，此时得到第二安装方向下的n个姿态角。

步骤S7，重复所述步骤S5和所述步骤S6，直至测得测量量具位于不同安装方向下，机床主轴头7位于不同倾斜方向下的多组姿态角。若底座1呈m边形，将底座1的m条边依次与设定进给轴平行，则可得到m个安装方向。对于每个安装方向，通过调整主轴头7的倾斜方向，均能得到n个姿态角，因此，对于底座1呈m边形，测量斜面2个数为n时，可以测得m×n组姿态角，当具有重复测量时，可得到p组姿态角，p为m和n的最小公倍数。

在使底座1的边与设定进给轴平行时，通过平行度检测装置测量底座1的边与设定进给轴之间的平行度，提高测量精度。在一个实施例中，所述步骤S1还包括：在所述底座1的一条边上放置平行度检测装置；通过控制装置控制工作台4沿所述设定进给轴进行往返进给运动，调整测量量具的安装位置，其中，控制装置可以机床系统中的数控系统，在此不再详细描述；通过平行度检测装置测量所述底座1的一条边与所述设定进给轴是否平行。类似地，在步骤S3中，改变测量量具的安装方向使得底座1的另一条边与设定进给轴平行时，也可以通过在底座1的另一条边上安装平行度检测装置测量底座1的另一条边与设定进给轴是否平行。

图5是本发明中测量量具与工作台安装的立体示意图，如图5所示，平行度检测装置包括千分表5，千分表5的测头固定在底座1与设定进给轴平行的边上，通过控制装置令工作台4沿该设定进给轴往返进给运动，使千分表5示数变化在设定差值之内，例如，设定差值可以是±0.01mm，则可认为底座1的边与设定进给轴平行。

在一个实施例中，所述步骤S2还包括：将垂直度检测装置安装在主轴上，通过垂直度检测装置测量所述主轴与所述测量斜面2是否垂直。

所述垂直度检测装置包括千分表5和横杆6，千分表5放置在测量斜面2上，并通过横杆6与主轴头7连接，检测主轴与测量斜面2是否垂直时，在测量斜面2的多个位置处放置千分表5，旋转主轴头7之后，多个千分表5的示数差异在设定差值内(例如，±0.01mm)，则判定主轴与测量斜面2相互垂直。

由于将千分表5放置在测量斜面2上，需要保证整个测量斜面2的加工精度。图6是本发明中测量量具与主轴头安装的立体示意图，图7是本发明中测量量具与主轴头安装的侧视示意图，如图6和图7所示，优选地，所述测量斜面2上安装有多个端块3，将千分表5放置在端块3上，则只需对端块3的端面进行精加工，即可保证测量精度，减小了精加工面积，降低制作成本。则通过垂直度检测装置测量所述主轴与所述测量斜面2是否垂直的步骤包括：

将所述千分表5放置在所述端块3上，并通过所述横杆6与机床主轴头7连接；

通过控制装置控制主轴旋转，所述千分表5在多个端块3上的示数差异均在设定差值内时，判定所述主轴与所述测量斜面2垂直。

优选地，所述机床主轴头姿态角测量方法用于测量五轴联动混联机床的主轴头的姿态角，充分利用混联机床中串联进给轴的精度优势，降低了人为操作引入的误差，保证了测量精度。本发明不限于应用于五轴联动机床，也可以应用于其他机床中。

下面以上述测量量具以及测量方法在五轴联动混联机床主轴头姿态角的测量中的应用为例，进一步说明本发明。

测量量具由底座1、测量斜面2和端块3构成，三者相连为一体，测量斜面2共有4个，与底座1呈固定夹角α＝40°，底座1为5边形，测量斜面2上沿圆周均布有3个端块3，可以测出主轴头向20个不同的倾斜方向的呈40°的倾斜姿态角。

使用上述量具的姿态角测量方法，包括以下步骤：

精确安装量具，使量具底座1的一条边与设定进给轴平行。在此实例中具体操作方式为：将千分表5固定，测头定在底座1与该进给轴平行的边上，通过数控系统令工作台4沿该进给轴往返进给运动，不断调整量具安装位置，使千分表5示数变化在±0.01mm以内，此时可认为底边与机床该进给轴平行。

姿态角测量，调节五轴联动混联机床各轴进给，保证主轴头7与测量斜面2垂直，可测得主轴倾斜姿态角为α，倾斜方向姿态角可由底座1安装情况唯一确定。在此实例中具体操作方式为：调节驱动轴数据(一个或多个驱动轴的进给)，令主轴头7与测量斜面2垂直，检测方法为：将千分表5通过横杆6与主轴头7相连，通过数控系统让主轴旋转，千分表5在3个端块3上示数差异均在±0.01mm以内，此时可认为主轴头7和测量斜面2垂直。如果没有达到要求，则继续调节驱动轴数据。调节完成后，几何关系如图7所示，可以测量出主轴头7的倾斜姿态角。

逐次改变五轴联动混联机床各轴进给，保证主轴与其余测量斜面2垂直，重复姿态角测量的步骤，共可测得4组姿态角。

改变量具安装方向，使底座1的其余边分别与进给轴平行，重复步骤上述姿态角测量和逐次改变五轴联动混联机床各轴进给的步骤，可测得20组姿态角。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机床主轴头姿态角专用测量量具，机床包括工作台，所述工作台沿设定进给轴运动，其特征在于，所述测量量具包括：底座和至少两个测量斜面，所述底座呈多边形，所述测量斜面安装在所述底座上，且与所述底座呈设定夹角，所述测量量具通过所述底座安装在机床的工作台上，通过将底座的不同边分别与所述设定进给轴平行，且将机床主轴分别与不同的测量斜面垂直，测量机床主轴头多组不同倾斜方向的姿态角，其中，所述测量量具包括n个测量斜面，底座呈m边形，其中，m、n均为正整数，且m≥3，n≥2，则通过测量量具对主轴头进行姿态角测量时，测得m×n组姿态角数据，当m与n不互质时，会出现重复测量，则共可得到p组姿态角数据，p为m和n的最小公倍数。

2.根据权利要求1所述的机床主轴头姿态角专用测量量具，其特征在于，所述测量斜面呈多边形。

3.根据权利要求2所述的机床主轴头姿态角专用测量量具，其特征在于，所述测量量具还包括顶板，每个测量斜面的至少一个顶点连接在所述顶板上。

4.根据权利要求1所述的机床主轴头姿态角专用测量量具，其特征在于，每个测量斜面上均安装有多个端块，所述端块用于连接检测机床主轴与测量斜面之间垂直度的垂直度检测装置。

5.根据权利要求4所述的机床主轴头姿态角专用测量量具，其特征在于，所述底座、所述测量斜面和所述端块连接成一体。

6.一种机床主轴头姿态角专用测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，将权利要求1所述的测量量具安装在机床的工作台上，使得测量量具位于第一安装方向，在所述第一安装方向下，底座的一条边与设定进给轴平行；

步骤S2，调节机床驱动轴的进给来调整主轴的倾斜方向，使得主轴位于第一倾斜方向，与测量量具的一个测量斜面垂直，测得主轴头在所述第一倾斜方向下的姿态角；

步骤S3，改变机床驱动轴的进给来改变主轴的倾斜方向，使得主轴位于第二倾斜方向，与测量量具的另一个测量斜面垂直，测得主轴头在所述第二倾斜方向下的姿态角；

步骤S4，重复所述步骤S3，直至测得测量量具位于第一安装方向时，机床主轴头与各个测量斜面分别垂直时的姿态角；

步骤S5，改变所述测量量具的安装方向，使得测量量具位于第二安装方向，在所述第二安装方向下，使得底座的另一条边与设定进给轴平行；

步骤S6，重复所述步骤S2、所述步骤S3和所述步骤S4，直至测得测量量具位于第二安装方向时，机床主轴头与各个测量斜面分别垂直时的姿态角；

步骤S7，重复所述步骤S5和所述步骤S6，直至测得测量量具位于不同安装方向下，机床主轴头位于不同倾斜方向下的多组姿态角。

7.根据权利要求6所述的机床主轴头姿态角专用测量方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：

在底座与设定进给轴平行的边上放置平行度检测装置；

通过控制装置控制工作台沿所述设定进给轴进行往返进给运动，调整测量量具的安装位置；

通过平行度检测装置测量所述底座的一条边与所述设定进给轴是否平行。

8.根据权利要求6所述的机床主轴头姿态角专用测量方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：将垂直度检测装置安装在所述主轴上，通过垂直度检测装置测量所述主轴与所述测量斜面是否垂直。

9.根据权利要求8所述的机床主轴头姿态角专用测量方法，其特征在于，所述测量斜面上安装有多个端块，所述垂直度检测装置包括千分表和横杆，

将垂直度检测装置安装在所述主轴上，通过垂直度检测装置测量所述主轴与所述测量斜面是否垂直的步骤包括：

将所述千分表放置在所述端块上，并通过所述横杆与机床主轴头连接；

通过控制装置控制主轴旋转，所述千分表在多个端块上的示数差异均在设定差值内时，判定所述主轴与所述测量斜面垂直。

10.根据权利要求6所述的机床主轴头姿态角专用测量方法，其特征在于，所述机床主轴头姿态角专用测量方法用于测量五轴联动混联机床的主轴头的姿态角。

Images