CN111673292A - 一种五轴激光加工设备rtcp误差标定补偿方法 - Google Patents

一种五轴激光加工设备rtcp误差标定补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种五轴激光加工设备RTCP误差标定补偿方法，记录各旋转轴不同位置下进行标定的坐标值，并测量或计算出和旋转轴的偏移矢量及矢量数据，最后将偏移矢量和矢量数据对应的写入RTCP，通过所述RTCP内的控制系统将机床的XYZBC五轴建立关联关系。本发明可方便快捷的测量出RTCP所需矢量数值，确保激光设备使用RTCP功能，提高激光加工设备五轴联动的加工精度。

Description

一种五轴激光加工设备RTCP误差标定补偿方法
技术领域
本发明涉及五轴激光加工设备领域，具体涉及一种五轴激光加工设备RTCP误差标定补偿方法。
背景技术
激光加工技术作为一项先进的制造技术，其能量密度高、准直性好、聚焦光斑往往能够达到微米级精度。因此，以特定的激光加工头代替传统机械加工中的刀具，利用聚焦激光高能量的特点。
五轴激光加工设备是由将激光加工系统与传统五轴联动机床相结合的典型代表，兼具激光加工和五轴插补的技术优势，可以看作是由激光光束替代了传统的刀具。目前已在高端加工领域得到了广泛应用。
五轴加工设备是由三个直线轴+两个旋转轴组成，基于各设备旋转轴的结构形式，可分为以下三种类型：a、双摆头结构，两个旋转轴集成与刀具集成在一起，驱动刀具旋转加工；b、单转轴+单摆轴类型，刀具集成在摆轴上，一个摆轴驱动刀具旋转，另一个旋转轴驱动工件旋转；c、双转台类型，将工件安装在两个旋转轴上，加工时工件旋转。
在高档五轴数控系统里，RTCP是Rotated Tool Center Point的缩写，也常叫做刀尖点跟随功能。在五轴加工中，在获取刀尖点轨迹及刀具与工件之间的姿态时，由于工件产生回转运动，因此会同时产生刀尖点的附加运动，在这一过程中，数控系统控制点往往与刀尖点不重合，因此需要自动修正控制点，以保证刀尖点按既定轨迹运动。RTCP功能主要用在双摆头结构上，通过利用摆头旋转中心点来进行补偿，保持刀具中心点和刀具与工件表面的实际接触位置不发生改变。RTCP功能是一项可以为客户带来效益和创造价值的好技术，拥有RTCP技术的机床，操作工不必要将工件精确的和转台轴线对齐，随便装夹，机床自动补偿偏移，大大减少辅助时间，同时提高加工精度。同时后处理制作简单，只需要输出刀尖点坐标和矢量就行。
机械加工领域，五轴联动加工设备的RTCP误差补偿测量通常采用接触式的“标准量棒+千分表”等工具来检测，采用标准量棒来模拟刀具安装在主轴上，刀具在不同的旋转角度时，使用千分表测量误差以进行补偿。但是五轴激光加工设备的结构形式与传统五轴加工设备存在较大差异，首先其不存在主轴，其次由于聚焦光束通常不可见(如红外光及紫外光)，因此也没有与聚焦光束外形尺寸相类似的“标准量棒”。综上所述，传统五轴加工设备的RTCP误差补偿方法不适用于五轴激光加工设备，无法测量出相应的矢量数值。
发明内容
本发明提供一种五轴激光加工设备RTCP误差标定补偿方法，可方便快捷的测量出RTCP所需矢量数值，确保激光设备使用RTCP功能，提高激光加工设备五轴联动的加工精度。
为了实现根据本发明的这些目的和其他优点，提供了一种五轴激光加工设备RTCP误差标定补偿方法，记录各旋转轴不同位置下进行标定的坐标值，并测量或计算出和旋转轴的偏移矢量及矢量数据，最后将偏移矢量和矢量数据对应的写入RTCP，通过所述RTCP内的控制系统将机床的XYZBC五轴建立关联关系。
进一步地，具体步骤为：
S1：以C轴的工作台面为基准校正B轴，并通过激光在同心圆上打点测试确定B轴零位坐标；
S2：安装检验棒使检验棒的轴线与C轴回转轴线重合，并通过Z轴上的千分表调整检验棒使检验棒与C轴同心，再获取检验棒外圆的三个点然后计算出C轴转台的旋转中心(XC，YC)；
S3：测量出B轴中心在YOZ平面内的X轴坐标值XB，和，将C轴的工作台运动到YC，分别将工作台运动之设备的左右两侧获取数据X1和X2，再计算出Z轴坐标值ZB；
S4：基于C轴的回转中心的X坐标XC和B轴回转中心在X轴坐标XB，计算B轴回转中心与光轴的差值ΔX；
S5：测量检验棒的直径D，同时基于数据X1和X2计算出B轴回转中心到气嘴端面的距离R；
S6：将步骤S1至S5测量和计算的数据写入RTCP，将机床的XYZBC五轴建立关联关系。
进一步地，所述步骤S1包括：
S11：以C轴的工作台面为基准，将测试片放置在工作台面上，并进行B轴零点位置标定；
S12：若测试点在X向偏差，则转动B轴进行调整；若测试点在Y向偏差，则在切割头连接螺钉处增减垫片调节；
S13：在步骤S12每次调整后通过激光打点进行同心圆测试，若同心圆的同心度偏差值＜0.01mm，可认为是B轴零点确定；
其中，所述工作台面为水平状态。
进一步地，所述步骤S13的测试方法为：
S131：在距离测试片5cm高度处，激光功率为500W，在测试片上烧出圆形烧灼面；
S132：在距离测试片1至5mm高度处、激光功率为100W，在测试片上烧出圆形烧点；
S133：比较圆形烧灼面与圆形烧点的同心度。
进一步地，所述步骤S2包括：
S21：将测试检验棒安装入用于标定C轴中心的预设基准孔，使检验棒轴线与C轴回转轴线重合；
S22：把千分表置于Z轴上，千分表表头放置于检验棒的侧母线上，沿Z轴向打表，保证Z轴运动过程中表的示数变化＜0.01mm，说明检验棒母线与Z轴运动直线平行；将表头放置在检验棒的侧母线上，旋转C轴一圈，观察表头数值变化，调节检验棒位置，直至 C轴旋转一周表的示数变化＜0.01mm时，可认为检验棒与C轴同心；
S23：将检验棒移动到切割头下，依次用相机去捕捉检验棒的外圆上三点：(Xcn、Ycn)， (X2、Y2)，(X3、Y3)，计算外圆的中心，将获得的外圆中心坐标作为C轴回转中心在机床坐标系中的坐标：(XC、YC)；
进一步地，所述步骤S3包括：
S31：将切割头调整到零位坐标，然后缓慢的运动Z轴，当切割头碰触到C轴工作台面时，记录此时B轴中心的Z轴坐标值ZB；
S32：将C轴的工作台运动到YC，然后将工作台运动到设备的左侧，将B轴回到零位坐标后旋转90°，然后缓慢的运动X轴，使得切割头的气嘴碰触检验棒的侧母线，得到数据X1；然后将工作台运动到设备的右侧，将B轴回到零位坐标后旋转-90°，然后缓慢的运动X轴，使得切割头的气嘴碰触检验棒的侧母线，得到数据X2；
基于数据X1和X2计算B轴回转中心在X轴坐标：XB＝(X1+X2)/2。
进一步地，所述步骤S4中，基于C轴的回转中心的X坐标XC和B轴回转中心在X 轴坐标XB，计算B轴的回转中心与光轴的差值：ΔX＝XB-XC。
进一步地，所述步骤S5中，获取检验棒的直径D，同时基于数据X1和X2可得： R＝(X1-X2-D)/2。
本发明与现有技术相比，本发明通过测量偏移矢量及矢量数据，并写入RTCP内，将机床五轴建立起关联关系，确保激光设备使用RTCP功能，提高激光加工设备五轴联动的加工精度，并且由于该方法具有一定的通用性，可供其他多种形式的激光加工设备借鉴，如激光刻蚀、激光打孔、激光清洗等。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明其中一个实施例的机床结构示意图。
图2为本发明其中一个实施例的机床矢量图。
图3为本发明其中一个实施例I2矢量分解图。
图4为本发明其中一个实施例I3矢量分解图。
图5为本发明其中一个实施例测试片安装图。
图6为本发明其中一个实施例同心度测试图。
图7为本发明其中一个实施例检验棒安装图。
图8为本发明其中一个实施例B轴中心YOZ平面中X值、Y值测量图。
图9为本发明其中一个实施例测量数据图图一。
图10为本发明其中一个实施例测量数据图图二。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
本发明提供了一种五轴激光加工设备RTCP误差标定补偿方法，机床设备采用单摆轴、单摆台结构，如图1所示，包括XYZ三个直线轴、B旋转轴、C旋转轴，其中，所述B旋转轴、C旋转轴分别围绕Y轴、Z轴的轴线进行旋转运动。
在初始位置时，我们将激光切割头来等效机床刀具，激光的光轴等效于机床主轴回转中心，刀具托架等效于切割头气嘴。可见，若将B轴当做第一个回转中心，当切割头竖直向下时，由于加工误差、装配误差等因素造成的光轴与B轴的回转中心不在同一个YOZ平面内，导致五轴中的B轴和C轴产生混合运动时会产生多个偏移矢量，包括：
从刀具托架到第1个回转轴的旋转中心/交点的距离偏移矢量I2，I2的反向矢量I1，从机床参考点到第2个回转轴的旋转中心/交点的距离偏移矢量I3，I3的反向矢量I4，具体地，I2和I3如图2所示。这里需要强调的是，在本发明中，由于回转台是不可更换结构，导致矢量链关闭，所以I1＝-I2，I4＝-I3。
如图3所示，对I2进行矢量分解，以光轴为基准点，可得I2矢量在X向的分量ΔX，在Y向的分量0，I2在Z向的分量为R。可见，通过计算ΔX和R可以获取I2。
进一步地，将C轴运动到与光轴重合位置，将C轴与切割头B轴建立关联关系。
然后，对I3进行矢量分解，其中I3矢量的X向分量为C轴回转中心的坐标XC，I3矢量的Y向分量为C轴回转中心的坐标YC，Z向的分量是ZC。可见，通过计算YC和ZC可以获取 I3。
最后，将相关参数输入到RTCP系统中，既可完成激光五轴设备的RTCP偏差补偿。
由此可见，本发明通过记录五轴激光加工设备中各旋转轴在不同位置下标定的坐标值，计算出旋转轴的偏移矢量及矢量数据，最后将偏移矢量和矢量数据对应写入RTCP系统，通过所述RTCP内的控制系统将机床的XYZBC五轴建立起关联关系，实现了RTCP功能。
本发明的补偿方法的具体步骤为：
S1：以C轴的工作台面为基准校正B轴，并通过激光在同心圆上打点测试确定B轴零位坐标，如图5所示；
S11：以C轴的工作台面为基准，将测试片放置在工作台面上，并进行B轴零点位置标定；
S12：若测试点在X向偏差，则转动B轴进行调整；若测试点在Y向偏差，则在切割头连接螺钉处增减垫片调节；
S13：在步骤S12每次调整后通过激光打点进行同心圆测试，若同心圆的同心度偏差值＜0.01mm，可认为是B轴零点确定；
其中，所述工作台面为水平状态。
具体的，所述步骤S13的测试方法为：如图6所示：
S131：在距离测试片5cm高度处，激光功率为500W，在测试片上烧出圆形烧灼面；
S132：在距离测试片1至5mm高度处、激光功率为100W，在测试片上烧出圆形烧点；
S133：比较圆形烧灼面与圆形烧点的同心度。
S2：安装检验棒使检验棒的轴线与C轴回转轴线重合，并通过Z轴上的千分表调整检验棒使检验棒与C轴同心，再获取检验棒外圆的三个点然后计算出C轴转台的旋转中心(XC，YC)，如图7所示；
具体的，S21：将测试检验棒安装入用于标定C轴中心的预设基准孔，使检验棒轴线与C轴回转轴线重合；
S22：把千分表置于Z轴上，千分表表头放置于检验棒的侧母线上，沿Z轴向打表，保证Z轴运动过程中表的示数变化＜0.01mm，说明检验棒母线与Z轴运动直线平行；将表头放置在检验棒的侧母线上，旋转C轴一圈，观察表头数值变化，调节检验棒位置，直至 C轴旋转一周表的示数变化＜0.01mm时，可认为检验棒与C轴同心；
S23：将检验棒移动到切割头下，依次用相机去捕捉检验棒的外圆上三点：(Xcn、Ycn)， (X2、Y2)，(X3、Y3)，计算外圆的中心，将获得的外圆中心坐标作为C轴回转中心在机床坐标系中的坐标：(XC、YC)。
S3：测量出B轴中心在YOZ平面内的X轴坐标值XB，和，将C轴的工作台运动到YC，分别将工作台运动之设备的左右两侧获取数据X1和X2，再计算出Z轴坐标值ZB，如图8 所示；
具体的，S31：Z值的测量，将切割头调整到零位坐标，然后缓慢的运动Z轴，当切割头碰触到C轴工作台面时，记录此时B轴中心的Z轴坐标值ZB；
S32：X值的测量，将C轴的工作台运动到YC，然后将工作台运动到设备的左侧，将B轴回到零位坐标后旋转90°，然后缓慢的运动X轴，使得切割头的气嘴碰触检验棒的侧母线，得到数据X1；然后将工作台运动到设备的右侧，将B轴回到零位坐标后旋转-90°，然后缓慢的运动X轴，使得切割头的气嘴碰触检验棒的侧母线，得到数据X2；
基于数据X1和X2计算B轴回转中心在X轴坐标：XB＝(X1+X2)/2。
S4：基于C轴的回转中心的X坐标XC和B轴回转中心在X轴坐标XB，计算B轴回转中心与光轴的差值ΔX；
具体的，基于C轴的回转中心的X坐标XC和B轴回转中心在X轴坐标XB，计算B轴的回转中心与光轴的差值：ΔX＝XB-XC。
S5：测量检验棒的直径D，同时基于数据X1和X2计算出B轴回转中心到气嘴端面的距离R；
具体的，通过获取检验棒的直径D，同时基于数据X1和X2可得：R＝(X1-X2-D)/2。
S6：将步骤S1至S5测量和计算的数据写入RTCP，将机床的XYZBC五轴建立关联关系，如图9、10所示。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种五轴激光加工设备RTCP误差标定补偿方法，其特征在于，具体步骤为：
S1：以C轴的工作台面为基准校正B轴，并通过激光在同心圆上打点测试确定B轴零位坐标；
S2：安装检验棒使检验棒的轴线与C轴回转轴线重合，并通过Z轴上的千分表调整检验棒使检验棒与C轴同心，再获取检验棒外圆的三个点然后计算出C轴转台的旋转中心(XC，YC)；
S3：测量出B轴中心在YOZ平面内的X轴坐标值XB，和，将C轴的工作台运动到YC，分别将工作台运动至设备的左右两侧获取数据X1和X2，再计算出Z轴坐标值ZB；
S4：基于C轴的回转中心的X坐标XC和B轴回转中心在X轴坐标XB，计算B轴回转中心与光轴的差值ΔX；
S5：测量检验棒的直径D，同时基于数据X1和X2计算出B轴回转中心到气嘴端面的距离R；
S6：将步骤S1至S5测量和计算的数据写入RTCP，将机床的XYZBC五轴建立关联关系。
2.如权利要求1所述的一种五轴激光加工设备RTCP误差标定补偿方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：
S11：以C轴的工作台面为基准，将测试片放置在工作台面上，并进行B轴零点位置标定；
S12：若测试点在X向偏差，则转动B轴进行调整；若测试点在Y向偏差，则在切割头连接螺钉处增减垫片调节；
S13：在步骤S12每次调整后通过激光打点进行同心圆测试，若同心圆的同心度偏差值＜0.01mm，可认为是B轴零点确定；
其中，所述工作台面为水平状态。
3.如权利要求2所述的一种五轴激光加工设备RTCP误差标定补偿方法，其特征在于，所述步骤S13的测试方法为：
S131：在距离测试片5cm高度处，激光功率为500W，在测试片上烧出圆形烧灼面；
S132：在距离测试片1至5mm高度处、激光功率为100W，在测试片上烧出圆形烧点；
S133：比较圆形烧灼面与圆形烧点的同心度。
4.如权利要求1所述的一种五轴激光加工设备RTCP误差标定补偿方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
S21：将测试检验棒安装在用于标定C轴中心的预设基准孔中，使检验棒轴线与C轴回转轴线重合；
S22：把千分表置于Z轴上，千分表表头放置于检验棒的侧母线上，沿Z轴向打表，保证Z轴运动过程中表的示数变化＜0.01mm,说明检验棒母线与Z轴运动直线平行；将表头放置在检验棒的侧母线上，旋转C轴一圈，观察表头数值变化，调节检验棒位置，直至C轴旋转一周表的示数变化＜0.01mm时，可认为检验棒与C轴同心；
S23：将检验棒移动到切割头下，依次用相机去捕捉检验棒的外圆上三点：(Xcn、Ycn)，(X2、Y2)，(X3、Y3)，计算外圆的中心,将获得的外圆中心坐标作为C轴回转中心在机床坐标系中的坐标:(XC、YC)。
5.如权利要求1所述的一种五轴激光加工设备RTCP误差标定补偿方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：
S31：将切割头调整到零位坐标，然后缓慢的运动Z轴，当切割头碰触到C轴工作台面时，记录此时B轴中心的Z轴坐标值ZB；
S32：将C轴的工作台运动到YC，然后将工作台运动到设备的左侧，将B轴回到零位坐标后旋转90°，然后缓慢的运动X轴，使得切割头的气嘴碰触检验棒的侧母线，得到数据X1；然后将工作台运动到设备的右侧，将B轴回到零位坐标后旋转-90°，然后缓慢的运动X轴，使得切割头的气嘴碰触检验棒的侧母线，得到数据X2；
基于数据X1和X2计算B轴回转中心在X轴坐标：XB＝(X1+X2)/2。
6.如权利要求5所述的一种五轴激光加工设备RTCP误差标定补偿方法，其特征在于，所述步骤S4中，基于C轴的回转中心的X坐标XC和B轴回转中心在X轴坐标XB，计算B轴的回转中心与光轴的差值：ΔX＝XB-XC。
7.如权利要求5所述的一种五轴激光加工设备RTCP误差标定补偿方法，其特征在于，所述步骤S5中，获取检验棒的直径D，同时基于数据X1和X2可得：R＝(X1-X2-D)/2。
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