CN112388389A - 五轴联动数控机床旋转轴线位置误差检测方法及检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机床检测领域，旨在解决现有技术中的机床旋转轴误差检测使用复杂、检测耗时长的问题，提供机床旋转轴线位置误差检测方法及五轴联动数控机床旋转轴线位置误差检测方法。机床旋转轴线位置误差检测装置包括支座和三个位移传感器；三个所述位移传感器分别安装于所述支座上；第三个所述位移传感器的方向线经过前两个所述位移传感器的方向线的交点，且位于前两个所述位移传感器的方向线所限定的平面之外。本发明的有益效果是能够方便快速地实现旋转轴误差的检测。

Description

五轴联动数控机床旋转轴线位置误差检测方法及检测装置

技术领域

本发明涉及机床检测领域，具体而言，涉及机床旋转轴线位置误差检 测方法及五轴联动数控机床旋转轴线位置误差检测方法。

背景技术

一些结构件，如飞机结构件朝着大型化、整体化和高精度化趋势的发 展，对五轴数控机床的精度提出了更高要求。

旋转轴作为五轴机床区别于三轴机床的标志，其几何精度对零件的加 工精度有直接的影响。用于检测旋转轴精度的装置和方法也在不断地发展 和改进。

目前，关于数控机床旋转轴精度检验的装置和方法有很多，其中应用 较为广泛的主要是角摆仪检测方法、球杆仪检测方法、RTCP球头检测方法。 然而，这些检测方法均存在检测仪器安装复杂、检测耗时长等问题。

发明内容

本发明旨在提供一种机床旋转轴线位置误差检测装置，以解决现有技 术中的机床旋转轴误差检测使用复杂、检测耗时长的问题。

本发明的实施例是这样实现的：

一种机床旋转轴线位置误差检测装置，其包括支座和三个位移传感器。 三个所述位移传感器分别安装于所述支座上；第三个所述位移传感器的方 向线经过前两个所述位移传感器的方向线的交点，且位于前两个所述位移 传感器的方向线所限定的平面之外。

本方案中的机床旋转轴线位置误差检测装置使用时，以其支座固定设 置在机床上，在机床主轴上连接一末端为球体的球头检棒，使机床主轴进 行包括待测旋转轴旋转的复合运动，通过三个位移传感器测得球体对应各 位移传感器方向线方向的位移值，通过位移值的大小或由三个位移值计算 出球体球心位移量变化的大小作为评价旋转轴线误差的指标。

由此，本方案中的机床旋转轴线位置误差检测装置能够方便快速地实 现旋转轴误差的检测。

在一种实施方式中：

三个所述位移传感器均为接触式位移传感器，且三个位移传感器的测 头到所述交点的距离相等。

在一种实施方式中：

三个所述位移传感器均为接触式位移传感器，三个位移传感器的测头 具有接触面，三个接触面分别倾斜朝上，并能够在三者之上支撑一球体， 且使接触面对球体的支撑力的方向经过该球体的球心。

在一种实施方式中：

三个所述位移传感器的方向线之间的夹角两两相等。

在一种实施方式中：

所述支座具有三个绕一中轴线周向分布的安装面，三个所述位移传感 器分别安装于三个所述安装面之上。

在一种实施方式中：

所述支座的上部设置为下大上小的凸台体，所述凸台体的侧面由三个 上端朝中轴线方向倾斜的矩形面和三个下大上小且上端朝中轴线方向倾斜 的梯形面相间连接围成，三个所述矩形面分别作为三个所述安装面。

在一种实施方式中：

各个安装面上分别安装有传感器座，所述位移传感器连接于所述位移 传感器座。

在一种实施方式中：

所述支座的底面垂直于所述中轴线。

在一种实施方式中：

所述支座包括座件和盖板；所述位移传感器设置于所述座件上；

所述座件具有朝下的开口腔，所述盖板连接于所述座件下端，并封闭 所述开口腔；

所述开口腔内设置有连接各个所述位移传感器的数据接收处理系统。

在一种实施方式中：

所述机床旋转轴线位置误差检测装置还包括定位安装座；所述定位安 装座的下端面设置有用于定位安装在机床上的安装部，上端面设置有用于 承载和对所述支座进行定位和固定的定位连接结构。

在一种实施方式中：

所述机床旋转轴线位置误差检测装置还包括球头检棒；所述球头检棒 一端为用于连接机床主轴的连接部，另一端设置为球状的球头端。

在一种实施方式中：

其中所述机床旋转轴指五轴联动数控机床。

本发明实施例还提供一种机床旋转轴线位置误差检测装置，其包括三 个相对位置固定的位移传感器。第三个所述位移传感器的方向线经过前两 个所述位移传感器的方向线的交点，且位于前两个所述位移传感器的方向 线所限定的平面之外。

本发明实施例还提供一种五轴联动数控机床旋转轴线位置误差检测方 法，其特征是，基于前述的机床旋转轴线位置误差检测装置，所述检测方 法包括以下步骤：

以支座固定设置在机床上，在机床主轴上连接一末端为球体的球头检 棒，使机床主轴以RTCP功能模式运动，通过三个位移传感器测得球体对应 各位移传感器方向线方向的位移值，通过三个位移值计算出的球体球心位 移量变化波动作为评价旋转轴线误差的指标。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中提及 之附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例， 因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1中示出了本发明实施例中的机床旋转轴线位置误差检测装置的三维视图

图2为图1的第一视角视图（图中额外示出了球头检棒的连接部）；

图3为图1的第二视角视图；

图4中示出了本发明实施例中的机床旋转轴线位置误差检测装置的俯视图；

图5中示出了本发明实施例中的机床旋转轴线位置误差检测装置的俯视图（盖板隐藏）；

图6中示出了本发明实施例中的支座的俯视图；

图7示出了盖板的三维图；

图8示出了盖板的仰视图；

图9示出了定位安装座的三维视图。

图标：10-机床旋转轴线位置误差检测装置；11-支座；12-位移传感器； 13-方向线；14-交点；15-测头；16-接触面；17-中轴线；18-安装面；19- 凸台体；20-矩形面；21-梯形面；22-传感器座；23-螺纹孔；24-底面；25- 座件；26-盖板；27-开口腔；28-数据接收处理系统；29-沉头螺钉孔；31- 传感器接头；32-功率放大器；33-通讯模块；34-可充电电池；35-开孔； 36-空心棱柱体；37-网络接口；38-充电接口；39-显示屏；40-定位安装座； 41-安装部；42-定位连接结构；43-圆盘体；44-定位凸块；45-凸柱；46- 凸边；47-定位凹槽；48-通孔；49-螺纹连接孔；51-球头检棒；52-连接部； 53-球体。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本 发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描 述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。 通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配 置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限 制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本 发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获 得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一 旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步 定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、 “下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示 的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品 使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述， 而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位 构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，本发明的描述中若 出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗 示相对重要性。

此外，本发明的描述中若出现“水平”、“竖直”等术语并不表示要 求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向 相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可 以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定， 若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例 如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械 连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连， 可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

参见图1-图5，本实施例提出一种机床旋转轴线位置误差检测装置10， 其包括支座11和三个位移传感器12。三个所述位移传感器12分别安装于 所述支座11上。第三个所述位移传感器12的方向线13经过前两个所述位 移传感器12的方向线13的交点14，且位于前两个所述位移传感器12的方 向线13所限定的平面之外。

可选地，本实施例所述机床旋转轴线位置误差检测装置10额外配置一 球头检棒51作为配件。所述球头检棒51一端为用于连接机床主轴的连接 部52，另一端设置为球状的球体53。当然，球头检棒51也可不包括在本 装置中，而是在检测前通过其他方式获得。

本方案中的机床旋转轴线位置误差检测装置10使用时，以其支座11 固定设置在机床上，在机床主轴上连接一末端为球体的球头检棒51，使机 床主轴进行包括待测旋转轴旋转的复合运动，通过三个位移传感器12测得 球体对应各位移传感器12方向线13方向的位移值，通过位移值的大小或 由三个位移值计算出球体球心位移量变化的大小作为评价旋转轴线误差的 指标。

前述三条方向线13交于同一点(即前述交点14)，且在初始状态下， 该交点14即和待检测球体53的球心重合。

本实施例中，三个所述位移传感器12均为接触式位移传感器12，且三 个位移传感器12的测头15到所述交点14的距离相等。可选地，三个位移 传感器12的测头15具有接触面16，三个接触面16分别倾斜朝上，并能够 在三者之上支撑一球体，且使接触面16对球体的支撑力的方向经过该球体 的球心。例如，接触面16可以是球弧面或平面，球体在支撑于三者之上时， 和各接触面16之间相切。

本实施例中，可选地，三个所述位移传感器12的方向线13之间的夹 角两两相等。如此，三个位移传感器12在平面上的投影线之间的夹角均为 120°。

配合参见图6，所述支座11具有三个绕一中轴线17周向分布的安装面 18，三个所述位移传感器12分别安装于三个所述安装面18之上。一般可 设置该中轴线17为支座11整体的中轴线17。可选地，三个安装面18之间 也呈夹角均为120°的周向均匀分布方式，以适应位移传感器12的安装。

本实施例中，可选地，所述支座11的上部设置为下大上小的凸台体19， 所述凸台体19的侧面由三个上端朝中轴线17方向倾斜的矩形面20和三个 下大上小且上端朝中轴线17方向倾斜的梯形面21相间连接围成，三个所 述矩形面20分别作为三个所述安装面18。如此可方便地实现安装于其上的 位移传感器12的方向线13在三者上方相交，并实现三者的测头15形成三 个支撑点，协同支撑球体。

本实施例中所述的位移传感器12的方向线13指位移传感器12的测头 15的伸缩方向所在直线，对于测头15呈杆状的位移传感器12，其方向线 13可选择测头15的几何中轴。

本实施例中，位移传感器12可以直接固定于安装面18，也可如本实施 例中那样采用在各个安装面18上分别安装有传感器座22，所述位移传感器 12连接于所述位移传感器12支座11的方式固定，只需满足前述对安装后 的位移传感器12的方向线13的限制条件即可。传感器座22在安装面18 上的安装方式可以为，在安装面18上开设螺纹孔23，传感器座22通过螺 钉和螺纹孔23的配合锁紧固定于安装面18上。

本实施例中，为保证支座11在正常平放时中轴线17呈竖向，所述支 座11的底面24设置为垂直于所述中轴线17。如此，使用时只需支座11以 其底面24配合支撑于水平台面上时，即可保证中轴线17的竖直，为后续 检测做准备。

配合参见图5和图7，所述支座11包括座件25和盖板26，所述位移 传感器12设置于所述座件25上。所述座件25具有朝下的开口腔27，所述 盖板26连接于所述座件25下端，并封闭所述开口腔27。所述开口腔27内 设置有连接各个所述位移传感器12的数据接收处理系统28。

前述的座件25和盖板26之间可以设置为可拆卸连接，以方便打开或 关闭开口腔27。例如可采用螺钉连接的方式实现座件25和盖板26的连接， 在盖板26上设置沉头螺钉孔29，座件25下端面设置对应沉头螺钉孔29的 连接孔(图中未示出)。

数据接收处理系统28可采用常用的传感器数据接收处理方案。例如， 本实施例中，在开口腔27内设置传感器接头31、功率放大器32、通讯模 块33和可充电电池34。位移传感器12的接线通过安装面18上的开孔35 穿入到开口腔27内，并连接于传感器接头31；功率放大器32用于对接收 到的位移信号进行放大，通讯模块33用于将接收到的数据传输给上位机进 行处理，可充电电池34为整个系统供电。可选地，本实施例中，支座11 的凸台体19之下设置为空心棱柱体36(凸台体19也可是内部空心结构)， 传感器接头31、功率放大器32、通讯模块33和可充电电池34等可合理地 安装在空心棱柱体36的内壁面上，并且可在空心棱柱体36的侧壁上开设 网络接口37以作为网络模块的对外接口；当然，也可采用能够实现无线通 信的通讯模块33；相似地，可在空心棱柱体36的侧壁上开设用于给可充电 电池34充电的充电接口38；还可在空心棱柱体36的侧壁上设置用于显示 可充电电池34电量的显示屏39，具体适合实现显示电量为现有技术，在此 不赘述。

配合参见图8，本实施例中，可选地，所述机床旋转轴线位置误差检测 装置10还包括定位安装座40；所述定位安装座40的下端面设置有用于定 位安装在机床上的安装部41，上端面设置有用于承载和对所述支座11进行 定位和固定的定位连接结构42。

本实施例中，可选地，定位安装座40包括中间的圆盘体43，上端面的 中间位置设置有定位凸块44，定位凸块44包括和圆盘体43同心的凸柱45 和设置在凸柱45两侧的两个凸边46。在支座11的底面24上可设置对应该 定位凸块44的定位凹槽47。如此，仅需对准定位凸块44和定位凹槽47即 可实现支座11和定位安装座40之间的定位。支座11和定位安装座40之 间的连接可通过螺纹连接的形式实现，如在圆盘体43上分布设置多个通孔 48，而在支座11底面24上设置对应的螺纹连接孔49，如此，通过螺钉即 可实现两者的连接。安装部41可以是设置在圆盘体43下端面的一个或多 个连接销柱。

本实施例中的机床旋转轴线位置误差检测装置10可适用于五轴联动数 控机床。该机床对旋转轴的精度要求高，需要更多、更高精度的检测。

实施例二

本发明实施例还提供一种机床旋转轴线位置误差检测装置10，其和实 施例一相比，区别仅在于未限定制作的使用，即可舍去支座11而采用其他 方式对三个位移传感器12进行固定安装。

实施例三

本发明实施例还提供一种机床旋转轴线位置误差检测装置10，其和实 施例一相比，区别在于在实施例一中三个位移传感器12之外，增加额外的 位移传感器12以不同的方向抵顶球体和测量该方向的位移值，用于辅助检 测球体球心的位移。

实施例四

本发明实施例还提供一种五轴联动数控机床旋转轴线位置误差检测方 法，其基于实施例一中的机床旋转轴线位置误差检测装置10，所述检测方 法包括以下步骤：

以支座11固定设置在机床上，在机床主轴上连接一末端为球体的球头 检棒51，使机床主轴以RTCP功能模式运动，通过三个位移传感器12测得 球体对应各位移传感器12方向线13方向的位移值，通过三个位移值计算 出的球体球心位移量变化波动作为评价旋转轴线误差的指标。

根据三个位移传感器12测得的位移值，可以确定球头检棒51的球心 的变动值，通过球心的变动值即可评价旋转轴线的位置误差参数。其中， 球心的变动值与三个位移传感器12测得的位移值的存在函数关系，其即每 一组三个位移传感器12测得的位移值。具体关系通过几何计算即可求得， 在此不赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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。

工业实用性

本方案中的机床旋转轴线位置误差检测装置通过支座和三个特殊配置 的位移传感器的设置，可方便快捷地测得球体对应各位移传感器方向线方 向的位移值，通过位移值的大小或由三个位移值计算出球体球心位移量变 化的大小作为评价旋转轴线误差的指标，具有工业实用性。

Claims (15)

1.一种机床旋转轴线位置误差检测装置，其特征是：

包括支座和三个位移传感器；

三个所述位移传感器分别安装于所述支座上；第三个所述位移传感器的方向线经过前两个所述位移传感器的方向线的交点，且位于前两个所述位移传感器的方向线所限定的平面之外。

2.根据权利要求1所述的机床旋转轴线位置误差检测装置，其特征是：

三个所述位移传感器均为接触式位移传感器，且三个位移传感器的测头到所述交点的距离相等。

3.根据权利要求1所述的机床旋转轴线位置误差检测装置，其特征是：

三个所述位移传感器均为接触式位移传感器，三个位移传感器的测头具有接触面，三个接触面分别倾斜朝上，并能够在三者之上支撑一球体，且使接触面对球体的支撑力的方向经过该球体的球心。

4.根据权利要求1-3任一项所述的机床旋转轴线位置误差检测装置，其特征是：

所述支座具有三个绕一中轴线周向分布的安装面，三个所述位移传感器分别安装于三个所述安装面之上。

5.根据权利要求4所述的机床旋转轴线位置误差检测装置，其特征是：

所述支座的上部设置为下大上小的凸台体，所述凸台体的侧面由三个上端朝中轴线方向倾斜的矩形面和三个下大上小且上端朝中轴线方向倾斜的梯形面相间连接围成，三个所述矩形面分别作为三个所述安装面。

6.根据权利要求4所述的机床旋转轴线位置误差检测装置，其特征是：

各个安装面上分别安装有传感器座，所述位移传感器连接于所述位移传感器座。

7.根据权利要求4所述的机床旋转轴线位置误差检测装置，其特征是：

所述支座的底面垂直于所述中轴线。

8.根据权利要求1所述的机床旋转轴线位置误差检测装置，其特征是：

所述支座包括座件和盖板；所述位移传感器设置于所述座件上；

所述座件具有朝下的开口腔，所述盖板连接于所述座件下端，并封闭所述开口腔；

所述开口腔内设置有连接各个所述位移传感器的数据接收处理系统。

9.根据权利要求1所述的机床旋转轴线位置误差检测装置，其特征是：

所述机床旋转轴线位置误差检测装置还包括定位安装座；所述定位安装座的下端面设置有用于定位安装在机床上的安装部，上端面设置有用于承载和对所述支座进行定位和固定的定位连接结构。

10.根据权利要求1所述的机床旋转轴线位置误差检测装置，其特征是：

三个所述位移传感器的方向线之间的夹角两两相等。

11.根据权利要求1至10任一项所述的机床旋转轴线位置误差检测装置，其特征是：

所述机床旋转轴指五轴联动数控机床。

12.根据权利要求1所述的机床旋转轴线位置误差检测装置，其特征是：

所述机床旋转轴线位置误差检测装置还包括球头检棒；所述球头检棒一端为用于连接机床主轴的连接部，另一端设置为球状的球头端。

13.一种机床旋转轴线位置误差检测装置，其特征是：

包括三个相对位置固定的位移传感器；

第三个所述位移传感器的方向线经过前两个所述位移传感器的方向线的交点，且位于前两个所述位移传感器的方向线所限定的平面之外。

14.一种机床旋转轴线位置误差检测装置，其特征是：

包括座件、盖板、定位安装座、传感器座、数据接收处理系统以及三个位移传感器；

所述座件为下端开口的壳状壁结构，其内部限定开口腔，所述盖板可拆卸地盖合连接于所述座件的下口；

所述座件下部呈六边形截面的空心棱柱体，上部为连接于空心棱柱体上的凸台体，凸台体为下大上小的结构，其侧面由三个上端朝空心棱柱体的中轴线方向倾斜的矩形面和三个下大上小且上端朝中轴线方向倾斜的梯形面相间连接围成，三个所述矩形面分别作为三个安装面；

三个所述位移传感器分别通过传感器座连接于对应安装面上；三个位移传感器的测头沿不同方向倾斜朝上，且三者的测头端部相互靠近并能够共同支撑一球体且使三者的方向线均通过该球体的球心；

所述数据接收处理系统包括连接于开口腔内表面的传感器接头、功率放大器、通讯模块和可充电电池；位移传感器的接线通过安装面上的开孔穿入到开口腔内，并连接于传感器接头；功率放大器用于对接收到的位移信号进行放大，通讯模块用于将接收到的数据传输给上位机进行处理，可充电电池为整个系统供电；在空心棱柱体的侧壁上开设网络接口以作为网络模块的对外接口；在空心棱柱体的侧壁上还开设用于给可充电电池充电的充电接口以及用于显示可充电电池电量的显示屏；

所述定位安装座包括中间的圆盘体，其上端面的中间位置设置有定位凸块，定位凸块包括和圆盘体同心的凸柱和设置在凸柱两侧的两个凸边；支座的底面上设置对应所述定位凸块的定位凹槽；支座和定位安装座的圆盘体之间通过螺纹连接的方式实现可拆卸连接；圆盘体的下端设置安装部，所述安装部为设置在圆盘体下端面的一个或多个连接销柱。

15.一种五轴联动数控机床旋转轴线位置误差检测方法，其特征是，基于权利要求11所述的机床旋转轴线位置误差检测装置，所述检测方法包括以下步骤：

以支座固定设置在机床上，在机床主轴上连接一末端为球体的球头检棒，使机床主轴以RTCP功能模式运动，通过三个位移传感器测得球体对应各位移传感器方向线方向的位移值，通过三个位移值计算出的球体球心位移量变化波动作为评价旋转轴线误差的指标。

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