CN111451880B - 一种ab双工具摆五轴磁流变抛光机床结构参数标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种AB双工具摆五轴磁流变抛光机床结构参数标定方法，建立实际坐标系与理想坐标系之间的坐标变换关系，以及建立测点在实际坐标系中位置坐标的测量模型，通过坐标变换关系将测点从实际坐标系转换到理想坐标系。通过本发明提出的实际坐标系建立及测点位置测量方法，避免了对标准块进行打表调平及找正，整个测量过程可实现完全自动化，有效解决了传统打标测量引起的精度受人工经验影响且等问题，提高了结构参数标定的效率及精度。

Description

一种AB双工具摆五轴磁流变抛光机床结构参数标定方法

技术领域

本发明涉及数控光学制造技术领域，具体涉及一种AB双工具摆五轴磁流变抛光机床结构参数标定方法。

背景技术

磁流变抛光技术具有去除函数稳定、去除效率高及面形收敛性好等优点，在非球面光学工件抛光中应用广泛。利用磁流变抛光技术对光学工件进行高确定性抛光时，需精确控制抛光头的运动轨迹。其中，机床结构参数是影响轨迹控制的关键因素，包括辅助测头、A轴轴线及B轴轴线之间的位置关系。传统的测量方法是采用千分表和球头棒进行位置关系测量，由于A、B双工具摆及磁流变抛光头机械结构的限制，利用千分表进行人工手动测量非常困难，存在自动化程度低，标定精度及效率受人工经验影响等问题。

中国专利号为CN201711375225.5的发明专利公开了一种双摆头结构五轴数控机床RTCP标定及补偿方法。该发明通过在机床X、Y、Z直线轴上安装千分表，测量旋转轴不同角度位置的坐标值，进而计算RTCP各参数矢量。由于该发明在位置测量过程中需要反复使球头棒靠压千分表至相同刻度，才能满足精确测量的条件，同样存在标定效率低、标定精度受人工经验影响等问题。

综上所述，现有五轴结构参数标定方法依然存在较多问题，因此，亟需一种效率高、自动化程度高、精度受人为因素影响小的五轴结构参数标定方法

发明内容

本发明目的在于提供一种AB双工具摆五轴磁流变抛光机床结构参数标定方法，以解决现有五轴结构参数标定效率低、标定精度受人工经验影响的问题，提高五轴结构参数标定的标定效率、自动化程度高，标定精度受人为因素影响小。

本发明通过下述技术方案实现：

一种AB双工具摆五轴磁流变抛光机床结构参数标定方法，建立实际坐标系与理想坐标系之间的坐标变换关系，以及建立测点在实际坐标系中位置坐标的测量模型，通过坐标变换关系将测点从实际坐标系转换到理想坐标系。

针对现有技术中心五轴结构参数方法存在标定效率低、标定精度容易受到人工经验影响的问题，本发明提供一种AB双工具摆五轴磁流变抛光机床结构参数标定方法。本发明使用的装置包括标准块、机械接触式三坐标测头、磁流变抛光轮组件、带X、Y、Z直线轴及A、B双摆轴的五轴机床。其中，三坐标测头与抛光轮组件集成于B轴上，机床工作台安装于X轴上，Z轴安装在Y轴上，A、B轴组成双摆轴安装在Z轴上。

一种AB双工具摆五轴磁流变抛光机床结构参数标定方法，具体步骤为：

S1、测量标准块标面位置信息，建立标准块实际坐标系O′-X′Y′Z′及其与理想坐标系O^id-X^idY^idZ^id的坐标变换矩阵T；

S2、建立测点在实际坐标系中位置的测量模型；

S3、将A轴旋转至0°位置并保持不变，利用步骤S2中建立的测量模型，分别测量B轴位于0°、正向设定角度及负向设定角度时测点在实际坐标系O′-X′Y′Z′中的位置，并向理想坐标系进行变换，得到测点P₁、P₂、P₃；

S4、将B轴旋转至0°位置并保持不变，利用步骤S2中建立的测量模型，分别测量A轴位于0°、正向设定角度及负向设定角度时测点在实际坐标系O′-X′Y′Z′中的位置，并向理想坐标系进行变换，得到测点P₄、P₅、P₆；

S5、利用步骤S3中得到的测点P₁、P₂、P₃进行圆周拟合，计算测头与A轴轴线之间的位置关系；

S6、利用步骤S4中得到的测点P₄、P₅、P₆进行圆周拟合，计算测头与B轴轴线之间的位置关系；

S7、利用步骤S5及S6得到的结果，以测头为中介，计算A轴轴线与B轴轴线之间的位置关系；

标准块标面指的是将标准块的表面作为标准面使用，标面的选择是根据测量需求选择相应标准块的表面。

优选的，步骤S2中的测点为三坐标测头的测点。

优选的，步骤S1标准块实际坐标系O′-X′Y′Z′及其与理想坐标系O^id-X^idY^idZ^id的坐标变换矩阵T的建立方法为：

(1)在机床工作台上安装标准块，记上表面为T，相邻两侧面分别为F、R，调整标准块位姿，使F大致平行于面YOZ，R大致平行于面XOZ。驱动机床x、Y、Z轴，利用三坐标测头测量标准块面T、F、R不在同一直线上的三点位置信息；

(2)在标准块上同一角点建立以T、F、R三面为基准直角坐标系O′-X′Y′Z′及与机床三直线轴平行的理想坐标系O^id-X^idY^idZ^id。通过步骤(1)中的测量信息在机床坐标系O-XYZ进行平面拟合，得到各面的平面方程及单位法向向量，分别如式(1)与式(2)，则坐标系O′-X′Y′Z′向理想坐标系O^id-X^idY^idZ^id变换的矩阵T为式(3)；

其中，F_T、F_F与F_R分别代表平面T、F、R在机床坐标系下的方程，X、Y、Z为机床坐标系坐标，A₁、B₁、C₁、D₁、A₂、B₂、C₂、D₂、A₃、B₃、C₃、D₃为平面方程系数。

其中，N_T为T平面单位法向量，N_F为F平面单位法向量，N_R为R平面单位法向量。

T＝[N_T N_F N_R] (3)

优选的，步骤S2中测点在实际坐标系中位置的测量模型建立方法为：

(1)、将A、B轴旋转到0°位置，记录此时机床直线轴坐标P₀(X₀，Y₀，Z₀)，摆动转轴到设定位置；

(2)、利用测头对标准块的上表面四边进行测量，估算标准块中心，测量测点位于标准块估算中心时测点到面T的Z向距离l_Z及测点坐标P_T(X_T，Y_T，Z_T)，则机床位于P₀时测头测点到面T的Z向距离L_Z为式(4)，法向垂直距离L_ZN为式(5)；

(3)、测量机床X及Z向坐标为(X_T，Z_T+ΔL)时，测头测点到面R的Y向距离l_y及测点位置坐标P_R(X_R，Y_R，Z_R)，则机床位于P₀时测头测点到面R的距离L_y为式(6)，法向垂直距离L_yN为式(7)；

(4)、测量机床Y及Z向坐标为(Y_T，Z_T+ΔL)时，测头测点到面F的X向距离l_x及测点位置坐标P_F(X_F，Y_F，Z_F)，则机床位于P₀时测头测点到面F的距离L_x为式(8)，法向垂直距离L_xN为式(9)；

(5)、在设定位置处，测头测点在坐标系O′-X′Y′Z′中的位置为P′(L_ZN，L_yN，L_xN)；

(6)、利用步骤S1中得到的变换矩阵T，将位于坐标系O′-X′Y′Z′下的P′转换至坐标系O^id-X^idY^idZ^id，得到P，变换方法如式(10)所示；

P＝T·P′ (10)

本发明具有以下有益效果：

本发明一种AB双工具摆五轴磁流变抛光机床结构参数标定方法，采用集成于机床数控系统的三坐标测头完全代替传统千分表进行位置测量，建立了标准块实际坐标系与理想坐标系之间的变换矩阵，提出了测头测点在实际坐标系下位置的测量及计算模型，并通过所建立变换矩阵将各测点转换到理想坐标系，进而通过圆周拟合及几何关系求解测头与A、B旋转轴轴线的位置关系。通过本发明提出的实际坐标系建立及测点位置测量方法，避免了对标准块进行打表调平及找正，整个测量过程可实现完全自动化，有效解决了传统打标测量引起的精度受人工经验影响等问题，提高了结构参数标定的效率及精度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明具体实施例的实施流程框图。

图2为本发明具体实施例的AB双工具摆五轴磁流变数控机床结构及参数标定示意图。

附图标记及对应零部件名称：1-机床坐标系，2-B轴机械结构，3-B轴轴线，4-A轴机械结构，5-A轴轴线，6-A轴轴线与B轴轴线垂足Z_AB，7-三坐标测头测点与B轴轴线Y向距离Y_TA，8-测点绕B旋转的圆心O_B，9-三坐标测头测点与B轴轴线Z向距离Z_TB，10-三坐标测头测点与A轴轴线X向距离X_TB，11-三坐标测头，12-抛光轮组件，13-测点绕A轴旋转的圆心O_A，14-标准块处于理想状态时位姿，15-标准块实际摆放位姿，16-标准块右表面R，17-标准块前表面F，18-标准块上表面T，19-实际坐标系O′-X′Y′Z′，20-理想坐标系O^id-X^idY^idZ^id。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1-2所示，一种AB双工具摆五轴磁流变抛光机床结构参数标定方法，建立实际坐标系与理想坐标系之间的坐标变换关系，以及建立测点在实际坐标系中位置坐标的测量模型，通过坐标变换关系将测点从实际坐标系转换到理想坐标系。通过坐标变换关系实现理想坐标系下结构参数的标定。本实施例采用标准块、机械接触式三坐标测头、磁流变抛光轮组件、带X、Y、Z直线轴及A、B双摆轴的五轴机床。其中，三坐标测头与抛光轮组件集成于B轴上，机床工作台安装于X轴上，Z轴安装在Y轴上，A、B轴组成双摆轴安装在Z轴上，三坐标测头完全代替传统千分表进行位置测量，有效解决了传统打标测量引起的精度受人工经验影响且等问题，提高了结构参数标定的效率及精度。

实施例2：

如图1～2所示的一种AB双工具摆五轴磁流变抛光机床结构参数标定方法，在实施例1的基础上，在非球面磁流变抛光中，为实现抛光点轨迹坐标与A、B轴旋转轴角度的精确控制，需要对A轴轴线5与B轴轴线垂足Z_AB6、三坐标测头测点与A轴轴线Y向距离Y_TA7、测点与B轴轴线X向距离Z_TB9及测点与A轴轴线X向距离X_TB10进行精确标定。

具体步骤为：

S1、在机床工作台上安装标准块15，记上表面为T18，相邻两侧面分别为F17、R16，调整标准块15位姿，使面F17大致平行于面YOZ，面R16大致平行于面XOZ。驱动机床X、Y、Z轴，利用三坐标测头11测量标准块面T18、F17、R16不在同一直线上的三点位置信息。在标准块15上同一角点建立以T18、F17、R16三面为基准直角坐标系O′-X′Y′Z′19及与机床三直线轴平行的理想坐标系O^id-X^idY^idZ^id20。在机床坐标系O-XYZ进行平面拟合，根据式(1)、(2)计算得到T18、F17、R16的平面方程F_T(X，Y，Z)、F_F(X，Y，Z)、F_R(X，Y，Z)及单位法向向量N_T、N_F及N_R，进而由式(3)得到坐标系O′-X′Y′Z′19与理想坐标系O^id-X^idY^idZ^id20之间的变换矩阵T；

S2、建立测点在实际坐标系中位置的测量模型；

S3、将A轴4旋转至0°位置并保持不变，利用步骤S2中建立的测量模型分别测量B轴2位于0°、正向设定角度α₁及负向设定角度α₂时三坐标测头11的测点在实际坐标系O′-X′Y′Z′19中的位置，并结合步骤S1中所求变换矩阵T，按式(10)所示方法向理想坐标系O^id-X^idY^idZ^id20转化，分别得到测点P1(X₁，Y₁，Z₁)、P2(X₂，Y₂，Z₂)、P3(X₃，Y₃，Z₃)；

S4、将B轴2旋转至0°位置并保持不变，利用步骤2中建立的测量模型分别测量A轴4位于0°、正向设定角度β₁及负向设定角度β₂时三坐标测头11的测点在实际坐标系O′-X′Y′Z′19中的位置，并结合步骤1中所求变换矩阵T，按式(10)所示方法向理想坐标系O^id-X^idY^idZ^id20转化，分别得到测点P₄(X₄，Y₄，Z₄)、P₅(X₅，Y₅，Z₅)、P6(X₆，Y₆，Z₆)；

S5、利用步骤S3中得到的测点P₁、P₂、P₃进行圆周拟合，得到测点绕B轴轴线3旋转的圆心O_B(X_B，Y_B，Z_B)。由图2所示几何关系，测点与B轴轴线X向距离Z_TB9、测点与A轴轴线X向距离X_TB10可通过式(11)计算得到；

S6、利用步骤S4中得到的测点P₄、P₅、P₆进行圆周拟合，得到测点绕A轴轴线5旋转的圆心O_A(X_A，Y_A，Z_A)。由图2所示几何关系，测点与A轴轴线的Y向距离Y_TA7可通过式(12)计算得到；

Y_TA＝|Y_A-Y₁| (12)

S7、利用步骤S5及步骤S6得到的圆心数据O_A、0_B，计算A轴轴线5与B轴轴线垂足Z_AB6可通过式(13)计算得到：

Z_AB＝|Z_B-Z_A| (13)

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种AB双工具摆五轴磁流变抛光机床结构参数标定方法，其特征在于，建立实际坐标系与理想坐标系之间的坐标变换关系，以及建立测点在实际坐标系中位置坐标的测量模型，通过坐标变换关系将测点从实际坐标系转换到理想坐标系；具体步骤为：

S1、测量标准块(15)标面位置信息，建立标准块(15)实际坐标系O′-X′Y′Z′及其与理想坐标系O^id-X^idY^idZ^id的坐标变换矩阵T；

S2、建立测点在实际坐标系中位置的测量模型；

S3、将A轴旋转至0°位置并保持不变，利用步骤S2中建立的测量模型，分别测量B轴位于0°、正向设定角度及负向设定角度时测点在实际坐标系O′-X′Y′Z′中的位置，并向理想坐标系进行坐标变换，得到测点P₁、P₂、P₃；

S4、将B轴旋转至0°位置并保持不变，利用步骤S2中建立的测量模型，分别测量A轴位于0°、正向设定角度及负向设定角度时测点在实际坐标系O′-X′Y′Z′中的位置，并向理想坐标系进行坐标变换，得到测点P₄、P₅、P₆；

S5、利用步骤S3中得到的测点P₁、P₂、P₃进行圆周拟合，计算测头与A轴轴线之间的位置关系；

S6、利用步骤S4中得到的测点P₄、P₅、P₆进行圆周拟合，计算测头与B轴轴线之间的位置关系；

S7、利用步骤S5及S6得到的结果，计算A轴轴线与B轴轴线之间的位置关系。

2.根据权利要求1所述的一种AB双工具摆五轴磁流变抛光机床结构参数标定方法，其特征在于，所述测点为三坐标测头(11)的测点。

3.根据权利要求1所述的一种AB双工具摆五轴磁流变抛光机床结构参数标定方法，其特征在于，步骤S1中坐标变换矩阵T的建立方法为：

(1)、在机床工作台上安装标准块(15)，记上表面为T，相邻两侧面分别为F、R，调整标准块(15)位姿，使F大致平行于面YOZ，R大致平行于面XOZ；驱动机床X、Y、Z轴，利用三坐标测头(11)测量标准块(15)面T、F、R不在同一直线上的三点位置信息；

(2)、在标准块(15)上同一角点建立以T、F、R三面为基准直角坐标系O′-X′Y′Z′及与机床三直线轴平行的理想坐标系O^id-X^idY^idZ^id；通过步骤(1)中的测量信息在机床坐标系O-XYZ进行平面拟合，得到各面的平面方程及单位法向向量，分别如式(1)与式(2)，则坐标系O′-X′Y′Z′向理想坐标系O^id-X^idY^idZ^id变换的矩阵T为式(3)；

其中，F_T、F_F与F_R分别代表平面T、F、R在机床坐标系下的方程，X、Y、Z为机床坐标系坐标，A₁、B₁、C₁、D₁、A₂、B₂、C₂、D₂、A₃、B₃、C₃、D₃为平面方程系数；

其中，N_T为T平面单位法向量，N_F为F平面单位法向量，N_R为R平面单位法向量；

T＝[N_T N_F N_R] (3)。

4.根据权利要求1所述的一种AB双工具摆五轴磁流变抛光机床结构参数标定方法，其特征在于，步骤S2中测量模型的建立方法为：

a)、将A、B轴旋转到0°位置，记录此时机床直线轴坐标P₀(X₀，Y₀，Z₀)，摆动转轴到设定位置；

b)、利用三坐标测头(11)对标准块(15)的上表面四边进行测量，估算标准块(15)中心，测量测点位于标准块(15)估算中心时测点到面T的Z向距离l_Z及测点坐标P_T(X_T，Y_T，Z_T)，则机床位于P₀时测点到面T的Z向距离L_Z为式(4)，法向垂直距离L_ZN为式(5)；

c)、测量机床X及Z向坐标为(X_T，Z_T+ΔL)时，测点到面R的Y向距离l_y及测点位置坐标P_R(X_R，Y_R，Z_R)，则机床位于P₀时测点到面R的距离L_y为式(6)，法向垂直距离L_yN为式(7)；

d)、测量机床Y及Z向坐标为(Y_T，Z_T+ΔL)时，测点到面F的X向距离l_x及测点位置坐标P_F(X_F，Y_F，Z_F)，则机床位于P₀时测点到面F的距离L_x为式(8)，法向垂直距离L_xN为式(9)；

e)、在设定位置处，测点在坐标系O′-X′Y′Z′中的位置为P′(L_ZN，L_yN，L_xN)；

f)、利用步骤S1中得到的变换矩阵T，将位于坐标系O′-X′Y′Z′下的P′转换至坐标系O^id-X^idY^idZ^id，得到P，变换方法如式(10)所示；

P＝T·P′ (10)。

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