CN111906594B - 一种五轴联动机床rtcp参数标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例涉及数控技术领域，公开了一种五轴联动机床RTCP参数标定方法包括：在机床主轴上安装触发式测针，工作台通过磁座吸附标准球，用杠杆表校准所述测针，使测针末端小球与主轴轴线重合；机床回零，机床坐标清零，设置第一旋转轴对应的测量点和第二旋转轴对应的测量点；通过编程控制数控系统驱动所述测针沿着设定方向运动至每个测量点，锁存每个测量点对应的4个碰撞点坐标；根据所述第一旋转轴和第二旋转轴各自测量点对应的4个碰撞点坐标，计算在机床坐标系下的RTCP参数，本发明实施例具有很好的通用性，适用于各类五轴机床；不需要昂贵辅助标定设备，更高效和低成本；标定的RTCP参数具有很高的稳定性。

Description

一种五轴联动机床RTCP参数标定方法
技术领域
本发明实施例涉及数控技术领域，特别是涉及一种五轴联动机床RTCP参数标定方法。
背景技术
旋转刀具中心控制(Rotation Tool Center Point，RTCP)功能是五轴联动机床非常重要的功能，RTCP功能使数控加工代码和编程效率得到极大提升。RTCP功能可以通过运动学变换，把基于工件坐标系的编程指令转换为机床坐标系下五个运动轴的运动指令，用户编程时无需关注五个运动轴的复杂运动。RTCP参数是进行运动变换的必须参数，RTCP参数标定的准确性直接影响到了刀尖轨迹控制的精度。
目前，国外高档五轴联动数控系统如Siemens、FANUC等配备RTCP参数测量循环系统，可精密测量RTCP参数。如Siemens 840D，其CYCLE996几何矢量标定循环，基于测针和标准球自动测量球心的三维位置来计算RTCP参数。而没有装备这种高档数控系统的五轴联动机床，只能采用传统的方法来测量RTCP参数。
第一种方法是机床厂家在机械结构设计图纸获得RTCP参数，该方法的缺点是：实际零件加工和装配过程不可避免产生误差，导致设计图纸的参数与实际机床的真实RTCP参数存在偏差，这种方式获得的RTCP参数精度不高。
第二种方法是手工测量的方法，使用检棒、百分表和方规测量进行手工测量。该方法存在以下不足：1)手工测量方法的前提是默认两个旋转轴线与坐标轴平行且互相正交，实际中由于装配误差的存在，旋转轴的轴线不一定与坐标轴平行，也不一定相互正交；2)操作步骤繁琐，自动化程度低，测量结果好坏与机床测试人员经验有很大关系；3)不同的机床结构对应的测量方法不同，测量流程不具备通用性。
第三种方法是采用激光跟踪仪等昂贵设备进行测量，该方法可以较准确地测量出RTCP参数，但是设备安装操作复杂，仪器成本极高，对使用人员要求高。
另有中国专利号为ZL201510856867.1，公开了一种五轴联动机床回转轴线几何参数测量方法。该方法通过数控系统驱动探针与标准球进行碰撞并锁存碰撞点的标准球球心坐标，使用最小二乘数据处理方法，获得旋转轴的轴线方向与空间位置，得到RTCP参数。该专利方案对球心数据单纯地采用最小二乘方法处理，对错误数据点很敏感，工程实践中，难免会出现一些错误数据点，该方法稳健性存在不足。
综上所述，亟需一种低成本、操作简单、稳定性好且精度高的五轴联动机床RTCP参数标定方法。
发明内容
本发明实施例主要解决的技术问题是提供一种五轴联动机床RTCP参数标定方法，能够解决现有五轴联动机床RTCP参数标定方法或成本高、或操作复杂、或不稳定且精度不高的问题。
为解决上述技术问题，本发明实施例采用的一个技术方案是：提供一种五轴联动机床RTCP参数标定方法，包括：
在机床主轴上安装触发式测针，工作台通过磁座吸附标准球，用杠杆表校准所述测针，使测针末端小球与主轴轴线重合；
机床回零，机床坐标清零，设置第一旋转轴对应的测量点和第二旋转轴对应的测量点；
通过编程控制数控系统驱动所述测针沿着设定方向运动至每个测量点，锁存每个测量点对应的4个碰撞点坐标，所述设定方向包括X轴正方向，X轴负方向，Y轴正方向，Y轴负方向；
根据所述第一旋转轴和第二旋转轴各自测量点对应的4个碰撞点坐标，计算在机床坐标系下的RTCP参数。
优选的，所述RTCP参数包括第一旋转轴的轴线矢量方向、第一旋转轴的轴线偏移坐标、第二旋转轴的轴线矢量方向和第二旋转轴的轴线偏移坐标。
优选的，所述第一旋转轴设置N个测量点，且测量点在第一运动行程之间均匀分布；所述第二旋转轴设置M个测量点，且测量点在第二运动行程之间均匀分布,所述N、M为大于3的正整数。
优选的，所述根据每个测量点对应的4个碰撞点坐标，计算所述待测旋转轴在机床坐标系下的RTCP参数包括以下子步骤：
子步骤41、根据所述第一旋转轴和第二旋转轴上每个测量点对应的4个碰撞点坐标(Xi,Yi,Zi),i＝1,2,3,4，计算每个测量点对应的球心坐标(Xsj,Ysj,Zsj),j＝1,2,...,12；
子步骤42、从所述第一旋转轴对应的球心坐标中随机提取三个球心坐标，并判断随机提取的三个球心坐标是否共线，若随机提取的三个球心坐标不共线，计算所述三个球心坐标对应的初始平面ax+by+cz＝d；
子步骤43、计算每个球心坐标到所述初始平面的第一距离
Figure GDA0003610450490000031
子步骤44、根据所述第一距离，计算第一距离阈值t＝2σ0，并从所述球心坐标中剔除第一局外点，所述第一局外点是到所述初始平面的距离大于所述第一距离阈值的球心坐标；
Figure GDA0003610450490000032
Figure GDA0003610450490000033
子步骤45、重复子步骤42至子步骤44，迭代N次，比较并选择非局外点，对所述非局外点使用特征值法进行平面拟合，获得第一旋转轴的轴线矢量方向V(Ac,Bc,Cc)；
子步骤46、计算所述第一旋转轴对应的每个球心坐标在所述拟合平面上的投影点数据，对投影点数据利用最小二乘法进行圆拟合，得到初始圆心坐标(X0,Y0,Z0)和半径R0；
子步骤47、计算投影点数据中每个坐标到初始圆心坐标(X0,Y0,Z0)的距离与初始半径的差
Figure GDA0003610450490000041
子步骤48、计算第二距离阀值t1＝2σ1从投影数据点中剔除第二局外点，所述第二局外点为到初始圆心坐标的距离与初始半径的差大于所述第二距离阈值的投影数据点；
Figure GDA0003610450490000042
Figure GDA0003610450490000043
子步骤49、重复子步骤47-子步骤48，直到所述投影数据点中不存在第二局外点，对投影数据点利用最小二乘法进行圆拟合，获得第一旋转轴的轴线偏移坐标C(Xc,Yc,Zc)；
子步骤50、以第二旋转轴对应的球心坐标执行子步骤42-子步骤49)，获得所述第二旋转轴的轴线方向矢量V(Aa,Ba,Ca)，所述第二旋转轴的轴线偏移坐标C(Xa,Ya,Za)。
本发明实施例的有益效果是：区别于现有技术的情况，该方法通过在机床主轴上安装触发式测针，工作台通过磁座吸附标准球，用杠杆表校准所述测针，使测针末端小球与主轴轴线重合；机床回零，机床坐标清零，设置第一旋转轴对应的测量点和第二旋转轴对应的测量点；通过编程控制数控系统驱动所述测针沿着设定方向运动至每个测量点，锁存每个测量点对应的4个碰撞点坐标；根据所述工作台和各自测量点对应的4个碰撞点坐标，计算在机床坐标系下的RTCP参数，本发明实施例具有很好的通用性，适用于各类五轴机床；不需要昂贵辅助标定设备，更高效和低成本；标定的RTCP参数具有很高的稳定性，可避免个别异常数据对标定结果的重大影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述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是应用于本发明实施例的标定仪器安装示意图；
图2是本发明实施例提供的一种五轴联动机床RTCP参数标定方法的流程图；
图3是本发明实施例中探针测针与标准球碰撞路径示意图；
图4是本发明实施例提供的第一旋转轴拟合的轴线矢量方向和轴线偏移坐标；
图5是本发明实施例提供的第二旋转轴拟合的矢量方向和轴线偏移坐标；
图6是本发明实施例提供的第一旋转轴和第二旋转轴的矢量方向和轴线偏移坐标。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参见图1，为更好理解本发明的五轴联动机床RTCP参数标定方法的实施例，以下均以双转台五轴联动机床来说明。如图1所示，该双转台五轴联动机床包括两个旋转轴，第一旋转轴(C轴)和第二旋转轴(A轴)，工作台固连在第一旋转轴上。本申请中涉及的待标定参数为：
1)第一旋转轴的轴线矢量方向；
2)第一旋转轴的轴线偏移坐标；
3)第二旋转轴的轴线矢量方向；
4)第二旋转轴的轴线偏移坐标。
具体地，下面结合附图，对本发明实施例作进一步阐述。
本发明实施例提供了一种五轴联动机床RTCP参数标定方法，该方法可用于双转台五轴联动机床的RTCP参数标定，请参见图2，其示出了一种五轴联动机床RTCP参数标定方法的流程图，该方法包括但不限于以下步骤：
步骤21：在机床主轴上安装触发式测针，工作台通过磁座吸附标准球，用杠杆表校准所述测针，使测针末端小球与主轴轴线重合。
在本发明实施例中，如图3所示，在机床主轴上安装触发式测针，工作台通过磁座吸附标准球，用杠杆表校准所述测针，使测针末端小球与主轴轴线重合或尽可能重合。
步骤22：机床回零，机床坐标清零，设置第一旋转轴对应的测量点和第二旋转轴对应的测量点。
在本发明实施例中，所述第一旋转轴设置N个测量点，且测量点在第一运动行程之间均匀分布；所述第二旋转轴设置M个测量点，且测量点在第二运动行程之间均匀分布,所述N、M为大于3的正整数，具体的，所述第一旋转轴设置12个测量点，且测量点在0～360°之间均匀分布；所述第二旋转轴设置11个测量点，且测量点在-90°～10°之间均匀分布。
步骤23：编程控制数控系统驱动所述测针沿着设定方向运动至每个测量点，锁存每个测量点对应的4个碰撞点坐标，所述设定方向包括X轴正方向，X轴负方向，Y轴正方向，Y轴负方向。
在本发明实施例中，对于第一旋转轴，通过编程让数控系统驱动测针沿着设定方向运动到测量点，如图3所示，既驱动测针分别沿X轴正方向，X轴负方向，Y轴正方向，Y轴负方向与标准球进行碰撞并锁存碰撞点的机床坐标系下的X、Y、Z坐标值，得到每个测量点对应的4个碰撞点坐标。同样的方式可以得到第二旋转轴碰撞点的坐标。
步骤24：根据所述第一旋转轴和第二旋转轴各自测量点对应的4个碰撞点坐标，计算在机床坐标系下的RTCP参数。
在本发明实施例中，所述RTCP参数包括第一旋转轴的轴线矢量方向、第一旋转轴的轴线偏移坐标、第二旋转轴的轴线矢量方向和第二旋转轴的轴线偏移坐标。
具体的，步骤24包括以下子步骤：
子步骤41、根据所述第一旋转轴和第二旋转轴上每个测量点对应的4个碰撞点坐标(Xi,Yi,Zi),i＝1,2,3,4，计算每个测量点对应的球心坐标(Xsj,Ysj,Zsj),j＝1,2,...,12；其中，
(X1-XS)2+(Y1-YSj)2+(Z1-ZSj)2＝(X2-XSj)2+(Y2-YSj)2+(Z2-ZSj)2
(X1-XSj)2+(Y1-YSj)2+(Z1-ZSj)2＝(X3-XSj)2+(Y3-YSj)2+(Z3-ZSj)2
(X1-XSj)2+(Y1-YSj)2+(Z1-ZSj)2＝(X4-XSj)2+(Y4-YSj)2+(Z4-ZSj)2
通过本步骤可获得第一旋转轴的测量点对应的球心坐标如下：
序号 x y z
1 20.5220 0.0500 -51.0375
2 17.7353 10.2280 -51.0760
3 10.2165 17.7972 -51.0834
4 0.0487 20.5179 -50.9902
5 -10.3065 17.7972 -51.0834
6 -17.8116 10.2280 -51.0760
7 -20.5240 0.0500 -51.0375
8 -17.7373 -10.2950 -51.0018
9 -10.2185 -17.7497 -50.9954
10 -0.0507 -20.5281 -51.0897
11 10.3045 -17.7497 -50.9954
12 17.8096 -10.2950 -51.0018
通过本步骤可获得第二旋转轴的测量点对应的球心坐标如下：
Figure GDA0003610450490000071
Figure GDA0003610450490000081
这里把第一旋转轴的第5个点(可以任意)改为(10.3065，22.7972，-45.0834)和第二旋转轴的第5个点(可以任意)修改为(-16.6516，7.6956，-78.0681)。设置这两个不合理的数据点，以模拟实际应用中可能出现的错误数据点。
子步骤42、从所述第一旋转轴对应的球心坐标中随机提取三个球心坐标，并判断随机提取的三个球心坐标是否共线，若随机提取的三个球心坐标不共线，计算所述三个球心坐标对应的初始平面ax+by+cz＝d；
子步骤43、计算每个球心坐标到所述初始平面的第一距离
Figure GDA0003610450490000082
子步骤44、根据所述第一距离，计算第一距离阈值t＝2σ0，并从所述球心坐标中剔除第一局外点，所述第一局外点是到所述初始平面的距离大于所述第一距离阈值的球心坐标；
Figure GDA0003610450490000083
Figure GDA0003610450490000084
子步骤45、重复子步骤42至子步骤44，迭代N次，比较并选择非局外点，对所述非局外点使用特征值法进行平面拟合，获得第一旋转轴的轴线矢量方向V(Ac,Bc,Cc)；
子步骤46、计算所述第一旋转轴对应的每个球心坐标在所述拟合平面上的投影点数据，对投影点数据利用最小二乘法进行圆拟合，得到初始圆心坐标(X0,Y0,Z0)和半径R0；
子步骤47、计算投影点数据中每个坐标到初始圆心坐标(X0,Y0,Z0)的距离与初始半径的差
Figure GDA0003610450490000091
子步骤48、计算第二距离阀值t1＝2σ1从投影数据点中剔除第二局外点，所述第二局外点为到初始圆心坐标的距离与初始半径的差大于所述第二距离阈值的投影数据点；
Figure GDA0003610450490000092
Figure GDA0003610450490000093
子步骤49、重复子步骤47-子步骤48，直到所述投影数据点中不存在第二局外点，对投影数据点利用最小二乘法进行圆拟合，获得第一旋转轴的轴线偏移坐标C(Xc,Yc,Zc)；如图4所示的第一旋转轴拟合的轴线矢量方向和轴线偏移坐标。
子步骤50、以第二旋转轴对应的球心坐标执行子步骤42-子步骤49)，获得所述第二旋转轴的轴线方向矢量V(Aa,Ba,Ca)，所述第二旋转轴的轴线偏移坐标C(Xa,Ya,Za)，如图5所示的第一旋转轴拟合的轴线矢量方向和轴线偏移坐标，而如图6示出了第一旋转轴和第二旋转轴的矢量方向和轴线偏移坐标，可明显看出本发明的效果优于现有最小二乘法获得RTCP参数。
本发明实施例提供了一种五轴联动机床RTCP参数标定方法，该方法通过在机床主轴上安装触发式测针，工作台通过磁座吸附标准球，用杠杆表校准所述测针，使测针末端小球与主轴轴线重合；机床回零，机床坐标清零，设置第一旋转轴对应的测量点和第二旋转轴对应的测量点；通过编程控制数控系统驱动所述测针沿着设定方向运动至每个测量点，锁存每个测量点对应的4个碰撞点坐标；根据所述第一旋转轴和第二旋转轴各自测量点对应的4个碰撞点坐标，计算在机床坐标系下的RTCP参数，本发明实施例具有很好的通用性，适用于各类五轴机床；不需要昂贵辅助标定设备，更高效和低成本；标定的RTCP参数具有很高的稳定性，可避免个别异常数据对标定结果的重大影响。
需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
通过以上的实施方式的描述，本领域普通技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory,ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory,RAM)等。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (1)

1.一种五轴联动机床RTCP参数标定方法，其特征在于，所述方法包括：
在机床主轴上安装触发式测针，工作台通过磁座吸附标准球，用杠杆表校准所述测针，使测针末端小球与主轴轴线重合；
机床回零，机床坐标清零，设置第一旋转轴对应的测量点和第二旋转轴对应的测量点；
通过编程控制数控系统驱动所述测针沿着设定方向运动至每个测量点，锁存每个测量点对应的4个碰撞点坐标，所述设定方向包括X轴正方向，X轴负方向，Y轴正方向，Y轴负方向；
根据所述第一旋转轴和第二旋转轴各自测量点对应的4个碰撞点坐标，计算在机床坐标系下的RTCP参数；
所述RTCP参数包括第一旋转轴的轴线矢量方向、第一旋转轴的轴线偏移坐标、第二旋转轴的轴线矢量方向和第二旋转轴的轴线偏移坐标；
所述第一旋转轴设置N个测量点，且测量点在运动行程之内均匀分布；所述第二旋转轴设置M个测量点，且测量点在运动行程之内均匀分布,所述N、M为大于3的正整数；
所述根据每个测量点对应的4个碰撞点坐标，计算所述待测旋转轴在机床坐标系下的RTCP参数包括以下子步骤：
子步骤41、根据所述第一旋转轴和第二旋转轴上每个测量点对应的4个碰撞点坐标(Xi,Yi,Zi),i＝1,2,3,4，计算每个测量点对应的球心坐标(Xsj,Ysj,Zsj),j＝1,2,...,12；
子步骤42、从所述第一旋转轴对应的球心坐标中随机提取三个球心坐标，并判断随机提取的三个球心坐标是否共线，若随机提取的三个球心坐标不共线，计算所述三个球心坐标对应的初始平面ax+by+cz＝d；
子步骤43、计算每个球心坐标到所述初始平面的第一距离
Figure FDA0003610450480000021
子步骤44、根据所述第一距离，计算第一距离阈值t＝2σ0，并从所述球心坐标中剔除第一局外点，所述第一局外点是到所述初始平面的距离大于所述第一距离阈值的球心坐标；
Figure FDA0003610450480000022
Figure FDA0003610450480000023
子步骤45、重复子步骤42至子步骤44，迭代N次，比较并选择非局外点，对所述非局外点使用特征值法进行平面拟合，获得第一旋转轴的轴线矢量方向V(Ac,Bc,Cc)；
子步骤46、计算所述第一旋转轴对应的每个球心坐标在所述拟合平面上的投影点数据，对投影点数据利用最小二乘法进行圆拟合，得到初始圆心坐标(X0,Y0,Z0)和半径R0；
子步骤47、计算投影点数据中每个坐标到初始圆心坐标(X0,Y0,Z0)的距离与初始半径的差
Figure FDA0003610450480000024
子步骤48、计算第二距离阀值t1＝2σ1从投影数据点中剔除第二局外点，所述第二局外点为到初始圆心坐标的距离与初始半径的差大于所述第二距离阈值的投影数据点；
Figure FDA0003610450480000025
Figure FDA0003610450480000026
子步骤49、重复子步骤47-子步骤48，直到所述投影数据点中不存在第二局外点，对投影数据点利用最小二乘法进行圆拟合，获得第一旋转轴的轴线偏移坐标C(Xc,Yc,Zc)；
子步骤50、以第二旋转轴对应的球心坐标执行子步骤42-子步骤49)，获得所述第二旋转轴的轴线方向矢量V(Aa,Ba,Ca)，所述第二旋转轴的轴线偏移坐标C(Xa,Ya,Za)。
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