CN112475591B - 一种双摆头式五轴联动激光加工机床以及工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双摆头式五轴联动激光加工机床以及工作方法，属于激光加工数控技术以及智能制造技术领域。其技术要点在于，床身、X轴移动机构、Y轴移动机构、Z轴移动机构、A轴转动机构、B轴转动机构、C轴转动机构、激光光路装置、转接板、激光头。采用本申请的一种双摆头式五轴联动激光加工机床以及工作方法，能够加工复杂曲线曲面。

Description

一种双摆头式五轴联动激光加工机床以及工作方法
技术领域
本发明涉及激光加工数控技术以及智能制造技术领域，更具体地说，尤其涉及一种双摆头式五轴联动激光加工机床以及工作方法。
背景技术
激光加工机床在制造领域有着广泛的应用。随着工业生产的需要，五轴联动激光加工机床应用而生(首台国产五轴联动激光加工机床研制成功[J].激光与光电子学进展,2009(12):4-4；W.JG.五轴联动激光加工机床[J].军民两用技术与产品,2009(12):28-28.)。
例如：西安交通大学在CN102000911A本发明公开了一种五轴联动激光加工机床，包括底座和床身两部分。床身包括安装于底座的立柱模块和平台模块两个模块，立柱模块包括Z 轴子模块和A轴回转运动模块，Z轴模块上有竖直方向运动的Z轴溜板，溜板上安装有A轴回转运动模块，激光头安装于A轴末端，随A轴回转。平台模块部分由一个XY工作台和安装于该工作台之上的C轴回转运动模块组成。C轴由力矩电机驱动，C轴上设有回转工作台，工件通过专用夹具呈立式安装于回转工作台。本发明结构布局新颖、尺寸紧凑、加工精度高，同时能显著提高加工效率。
又如：中国科学院宁波材料技术与工程研究所在CN204470781U提供了一种基于反射镜导光的五轴联动激光加工机床，包括底座、激光器、X轴运动模组、Y轴运动模组、Z轴运动模组、旋转摆动头及用于将激光器所发出的激光束导入Z轴运动模组上扫描振镜的多个反射镜，其中所述旋转摆动头包含有用于形成该激光加工机床A轴的A轴伺服电机和A轴中空回转减速机，以及用于形成该激光加工机床C轴的C轴伺服电机和C轴中空回转减速机。本发明通过合理的结构设置，将五轴联动的运动方式与反射镜的导光作用有效结合，保证了该激光加工机床在工作时的稳定性以及对于激光器安装位置的灵活性。
但是，上述两种五轴联动功能仍然较为单一，其无法适应复杂曲面的操作，因此，仍然有必要进行进一步研发。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种双摆头式五轴联动激光加工机床、工作方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种双摆头五轴联动激光加工机床，包括：床身、X轴移动机构、Y轴移动机构、Z轴移动机构、A轴转动机构、B轴转动机构、C轴转动机构、激光光路装置、转接板、激光头；
其中，Y轴移动机构包括：第一电机、第一联轴器、第一丝杠机构、第一导轨，所述第一电机安装固定在床身上，第一电机的输出轴连接第一联轴器，第一联轴器与第一丝杆机构连接；所述第一导轨的轴线方向与第一丝杆机构的轴线方向平行；Y轴移动机构的传输方向称为Y轴方向；
其中，X轴移动机构包括：第二电机、第二联轴器、第二丝杠、第二导轨、移动平台板，所述移动平台板的下方设置有导轨槽，所述移动平台板的下方设置有导轨槽与第一导轨适配；第二丝杠、第二导轨均设置在移动平台板的上方；所述移动平台板的下方还固定有设置螺纹孔的块体，所述螺纹孔与第一丝杠机构适配；
所述第二电机安装固定在移动平台板上，第二电机的输出轴连接第二联轴器，第二联轴器与第二丝杠连接；所述第二导轨的轴线方向与第二丝杆机构的轴线方向平行；X轴移动机构的传输方向称为X轴方向；所述第二丝杆机构的轴线方向与第一丝杆机构的轴线方向相互垂直；
通过X轴移动机构和Y轴移动机构两个方向的运动形成了工作台在水平面上的“十字”运动；
其中，所述C轴转动机构包括：C轴平台板、第三电机、工作台，所述C轴平台板的下方设置有导轨槽，所述C轴平台板的下方设置的导轨槽与第二导轨适配；所述C轴平台板的下方还固定有设置螺纹孔的块体，所述螺纹孔与第二丝杠机构适配；在C轴平台板的上方设置有第三电机；所述第三电机驱动工作台转动；C轴转动机构的转动中心线为竖直线，即其旋转面为水平面；工作台转动支撑在C轴平台板上；
其中，Z轴移动机构安装在床身的竖向机架上，包括：第四电机、第四联轴器、第四丝杠机构、第四导轨，第四电机驱动第四丝杆机构转动；第四丝杠机构、第四导轨的方向平行，均为竖直方向；
其中，激光光路装置包括：激光光路装置竖向移动板、激光光路装置壳体、激光光路系统，B轴转动机构包括：激光光路装置竖向移动板，激光光路装置竖向移动板的竖向面上设置有与第四导轨相适配的导槽；竖向移动板的竖向面上设置有带螺纹孔的块体，所述螺纹孔与第四丝杠机构适配；
所述激光光路系统设置在激光光路装置壳体内，激光光路装置壳体与激光光路装置竖向移动板固接，使得激光光路装置壳体悬臂设置在床身的竖向机架前方；
其中，B轴转动机构包括：第五电机、转接板，所述第五电机固定在激光光路装置壳体上，第五电机驱动转接板转动，转接板转动设置在激光光路装置壳体上；
所述转接板包括：固定在一起的水平板与竖向板；具体而言，水平板设置在激光光路装置壳体上；
其中，A轴转动机构包括：第六电机、筒体，所述第六电机固定在转接板的竖向板上，第六电机驱动筒体转动，筒体转动设置在转接板的竖向板上；
其中，激光头固定设置在A轴转动机构的筒体上，且激光头激光光路装置的激光光路系统连通，使得激光从激光头射出；
进一步，通过Z轴移动机构，B轴转动机构、A轴转动机构，能够调节激光头的高度、激光头的朝向。
进一步，B轴转动机构的转动中心线为竖直线，即其旋转面为水平面。
进一步，A轴转动机构的转动中心线为水平线，即其旋转面为竖向面。
一种双摆头五轴联动激光加工机床的工作方法(在加工前，需要预先进行标定，所述标定方法见实施例1)，包括：
X轴移动机构、Y轴移动机构、C轴转动机构用来调节工件的X向位置、Y向位置、以及朝向，具体如下：
当Y轴移动机构启动时，通过Y轴移动机构的第一丝杠机构与X轴移动机构的移动平台板的设置螺纹孔的块体配合，X轴移动机构的移动平台板沿着Y轴方向移动，进而带动C轴转动机构的工作台沿着Y轴方向移动；
当X轴移动机构启动时，通过X轴移动机构的第二丝杠机构与C轴转动机的C轴平台板下方设置螺纹孔的块体配合，C轴平台板板沿着X轴方向移动，进而带动C轴转动机构的工作台沿着X轴方向移动；
当C轴转动机构启动时，调节C轴转动机构的工作台的转动，进而调整C轴转动机构的工作台上的工件的朝向；
Z轴移动机构、B轴转动机构、A轴转动机构用来调节激光头的高度以及朝向：
当Z轴移动机构启动时，通过Z轴移动机构的第四丝杠机构与激光光路装置竖向移动板的设置螺纹孔的块体配合，激光光路装置竖向移动板板沿着Z轴方向移动，进而带动：激光光路装置壳体、转接板、A轴转动机构的筒体、激光头沿着Z轴方向移动；
当B轴转动机构启动时，转接板朝向会旋转，即带动激光头在X轴-Y轴平面的朝向转动；
当A轴转动机构启动时，调节A轴转动机构的筒体的转动，进而A轴转动机构的筒体的激光头的朝向，具体而言是，带动激光头在竖向面的朝向转动。
一种双摆头式五轴联动激光加工机床的工作方法，在加工时，需要在机床坐标系与工件坐标系进行坐标变换，采用下式进行变换：
Figure BDA0002799402930000041
px表示工件坐标系下激光光束位置坐标的X方向分量；
py表示工件坐标系下激光光束位置坐标的Y方向分量；
pz表示工件坐标系下激光光束位置坐标的Z方向分量；
X表示C轴工作台沿X轴方向移动的位移量；
Y表示C轴工作台沿Y轴方向移动的位移量；
Z表示激光光路装置沿着Z轴方向的位移量；
B表示B轴转动机构自其起始状态的转动角；
A表示A轴转动机构自其起始状态的转动角；
i表示工件坐标系下激光光束姿态的X方向分量；
j表示工件坐标系下激光光束姿态的Y方向分量；
k表示工件坐标系下激光光束姿态的Z方向分量；
RA表示激光焦点到A轴轴线的距离；
RB表示激光焦点到B轴轴线的距离；
LtA表示：激光头的轴线方向与A轴轴线之间的垂直距离；
LAB，表示：A轴轴线与B轴轴线的垂直距离；
xt表示：激光焦点与C轴中心重合时，C轴中心自X轴零点沿着X轴方向移动的距离；
yt表示：激光焦点与C轴中心重合时，C轴中心自Y轴零点沿着Y轴方向移动的距离；
zt表示：激光焦点与C轴中心重合时，A轴转动机构沿着Z轴零点沿着Z轴方向移动的距离。
一种双摆头式五轴联动激光加工机床的工作方法，在加工时，需要在机床坐标系与工件坐标系进行坐标变换，采用下式进行变换：
Figure BDA0002799402930000051
本发明的有益效果是：
第一，本申请提出了一种双摆头式五轴联动激光加工机床的机械结构。
第二，本申请要解决的技术问题具有创新性，其解决了双摆头式五轴联动激光加工机床的技术参数标定；其基础构思在于：确定了要标定的参数：A轴起始转动状态OA、B轴起始转动状态OB、RA、RB、LtA、LAB、xt、yt和zt；。
第三，本申请提出的一种双摆头式五轴联动激光加工机床固有参数标定方法((该创新点与第一点、第二点缺乏单一性，故另案申请))能够实现九项固有联动参数的高精度测量，进而方便地实现五轴坐标变换，有利于机床加工复杂曲线曲面；同时，准确地标定五轴联动参数，有利于提高激光焦点的定位精度，进一步提高激光加工机床的加工精度；
具体方式包括：
一种双摆头式五轴联动激光加工机床固有参数标定方法：
其中，所标定的双摆头式激光加工机床五轴固有参数包括以下九项：A轴起始转动状态 OA、B轴起始转动状态OB、RA、RB、LtA、LAB、xt、yt和zt；
X轴方向为X轴移动机构的传动方向，即第一丝杠机构的轴向方向；
Y轴方向为Y轴移动机构的传动方向，即第二丝杠机构的轴向方向；
Z轴方向为Z轴移动机构的传动方向，即第四丝杠机构的轴向方向；
A轴轴线为A轴转动机构的转动中心线；
B轴轴线为B轴转动机构的转动中心线；
C轴轴线为C轴转动机构的转动中心线；
RA表示激光焦点到A轴轴线的距离；
RB表示激光焦点到B轴轴线的距离；
LtA表示：激光头的轴线方向与A轴轴线之间的垂直距离；
LAB，表示：A轴轴线与B轴轴线的垂直距离；
xt表示：激光焦点与C轴中心重合时，C轴中心自X轴零点沿着X轴方向移动的距离；
yt表示：激光焦点与C轴中心重合时，C轴中心自Y轴零点沿着Y轴方向移动的距离；
zt表示：激光焦点与C轴中心重合时，A轴转动机构沿着Z轴零点沿着Z轴方向移动的距离；
A轴起始转动状态OA表示：使激光头垂直向下的A轴转动机构的状态，即OA状态时，A轴转动机构的转动角为0°；
B轴起始转动状态OB表示：使A轴轴线与X轴方向平行时的B轴转动机构的状态(即B轴电机转动的状态)，即OB状态时，B轴转动机构的转动角为0°；
其标定时，包括以下步骤：
S1，准备标定所需的设备，包括：千分表、打标板、标准量块、工业显微镜；
S2，标定OB：转动B轴转动机构，使得A轴轴线方向与X轴方向大致平行，将千分表固定在工作台上，使千分表的触头接触B轴钣金，移动X轴移动平台一定距离(例如1mm)；
若误差在允许范围内，则OB标定完毕；
若误差超过允许范围，继续旋转B轴直至误差在允许范围内；
S3，标定OA(实质是通过直接标定A轴转动机构的转动角为90°的情形，间接标定OA)：转动A轴转动机构，激光头大致水平，将打标板(竖向设置)竖向固定在工作台上，激光出光在打标板上刻出标志点，前后移动Y轴移动平台一定距离(例如10mm)；
若标志点位置误差(高度方向)在允许范围内，此时的状态为A轴转动机构的转动角为 90°，OA标定完毕；
若误差超过允许范围内，继续旋转A轴直至误差在允许范围内；
S4，标定RB、LAB：在S2、S3完成后，将激光打标板水平放置于工作台，将A轴转动机构、B轴转动机构分别旋转至OA、OB状态，使机床在X轴方向、Y轴方向上分别移动10mm，以便在打标板上打出“十字”靶标，保持A轴转动机构位置不变，分别旋转B轴转动机构-90°(实则上+90°也可)、-180°(+180°与-180°等价)位置打出“十字”靶标；拟合三个“十字”靶标形成一个圆，圆的半径即为B轴旋转半径RB；
B轴转动机构的转动角为0°、-180°(+180°与-180°等价)时两个靶标点之间在Y方向上的距离的一半即为A轴与B轴轴线之间的交错距离LAB；
S5，标定LtA：将B轴转动机构的转动角转回0°位置，旋转A轴转动机构的转动角至-10°位置，机床沿X轴方向移动，在打标板上打出一条线；保持B轴转动机构的转动角不变，将A轴转动机构旋转至10°位置处，启动X轴移动机构，在打标板上打出与上一条平行的直线；拟合圆圆心到两条线的中线的距离即为激光束与A轴轴线之间的交错距离LtA；
即在10°时形成的直线、-10°时形成的直线，在前述两条直线做一条中心直线，即中心直线到10°时形成的直线、-10°时形成的直线的距离相同，拟合圆圆心到中心直线的距离为 LtA；
S6，标定RA：
S6-1，采用标准量块测量达标板的厚度；将A轴转动机构、B轴转动机构的转动角分别转回0°位置，打标板水平放置于工作台上，启动Z轴移动机构，使激光头接近打标板平面，使用标准量块刚好穿过激光头与打标板平面之间，即能够知晓：激光头接触达标板时，A轴转动机构自Z轴零点需要移动的距离(激光头接触达标板时，A轴转动机构自Z轴零点需要移动的距离也是间接测量，即：Z轴零点在达标板的上部时，以竖直向下为正时，激光头接触达标板时，A轴转动机构自Z轴零点需要移动的距离＝S6-1得到的距离+标准量块的高度)；
S6-2，将Z轴移动机构固定于某一高度(即激光头的高度不变)，使激光焦点大致落在打标板上，激光出光，机床沿X轴方向移动10mm，使激光在打标板上打出一条直线段，然后关闭激光，使机床沿Y轴方向移动5mm。不断改变Z轴高度，重复上述过程，激光会在打标板上打出一系列直线段，如图11所示，观察刻线质量，利用二分法不断寻找刻线质量最好的一条，此时的Z向高度减掉打标板的Z向高度即为激光焦点至激光头的距离；
S6-3，激光焦点至激光头的距离加上激光头装配半径(激光头装配半径是已知的)即为 A轴旋转半径RA；
S7，标定xt、yt：将A轴转动机构、B轴转动机构分别转回0°角位置，C轴转动机构的中心点自X轴零点移动、C轴转动机构的中心点自Y轴零点移动，使激光头大致对齐C轴中心，将打标板水平放置于工作台上，移动Z轴移动机构使激光焦点落在打标板上，旋转C 轴，会在打标板上画出圆弧，不断调整X、Y轴位置直至在工业显微镜下圆弧直径在误差范围内，此时的C轴转动机构的中心点沿着X轴方向移动的距离、C轴转动机构的中心点沿着 Y轴方向移动的距离即为xt、yt；
S8，标定zt：
Z轴零点低于工作台C轴转动机构的工作台时，以竖向向上为正：撤下打标板，A轴转动机构自Z轴零点移动，使得标准量块刚好穿过激光头与工作台平面之间，此时Z轴移动机构自Z轴零点移动的距离减去标准量块值之差再加上激光焦点至激光头的距离即为zt；
Z轴零点低于工作台C轴转动机构的工作台时，以竖向向下为正：撤下打标板，A轴转动机构自Z轴零点移动，使得标准量块刚好穿过激光头与工作台平面之间，此时A轴移动机构自Z轴零点移动的距离与标准量块值之和再减去激光焦点至激光头的距离即为zt。
进一步，千分表用于OB状态标定过程中，标准量块用于标定RA和Zt测量过程中，工业显微镜用于测量激光打标点的位置及大小。
附图说明
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不构成对本发明的任何限制。
图1为本标定方法的流程图。
图2为参数标定过程示意图。
图3为五轴联动激光加工机床结构的三维设计图。
图4为五轴联动激光加工机床结构在另一视角下的三维设计示意图。
图5为Y轴移动机构3的设计图。
图6为X轴移动机构2的设计图。
图7为Z轴移动机构4的设计图。
图8为OB标定实际过程图。
图9为OA标定实际过程图。
图10为B轴旋转机构的旋转过程图。
图11为RA标定过程刻线图。
图12是LtA、LAB示意说明图。
具体实施方式
实施例1：以五轴联动激光加工机床参数标定过程例对本发明进行具体说明。
对于本申请要解决的问题，其第一步是分析清楚：需要标定哪些参数。
具体分析如下：对于五轴联动激光加工机床而言，其结构如图3-7所示，机床结构包括：床身1、X轴移动机构2、Y轴移动机构3、Z轴移动机构4、A轴转动机构5、B轴转动机构 6、C轴转动机构7、激光光路8、转接板9、激光头10；
其中，Y轴移动机构3包括：第一电机3-1、第一联轴器3-2、第一丝杠机构3-3、第一导轨3-4，所述第一电机3-1安装固定在床身1上，第一电机3-1的输出轴连接第一联轴器3-2，第一联轴器3-2与第一丝杆机构3-3连接；所述第一导轨3-4的轴线方向与第一丝杆机构3-3 的轴线方向平行；Y轴移动机构3的传输方向称为Y轴方向(即丝杆3-3的轴线方向)。
其中，X轴移动机构2包括：第二电机2-1、第二联轴器2-2、第二丝杠2-3、第二导轨2-4、移动平台板，所述移动平台板的下方设置有导轨槽，所述移动平台板的下方设置有导轨槽与第一导轨3-4适配；第二丝杠2-3、第二导轨2-4均设置在移动平台板的上方；所述移动平台板的下方还固定有设置螺纹孔的块体，所述螺纹孔与第一丝杠机构3-3适配；
所述第二电机2-1安装固定在移动平台板上，第二电机2-1的输出轴连接第二联轴器2-2，第二联轴器2-2与第二丝杠2-3连接；所述第二导轨2-4的轴线方向与第二丝杆机构2-3的轴线方向平行；X轴移动机构2的传输方向称为X轴方向；所述第二丝杆机构2-3的轴线方向与第一丝杆机构3-3的轴线方向相互垂直；
即当Y轴移动机构3启动时，通过Y轴移动机构3的第一丝杠机构3-3与X轴移动机构2的移动平台板的设置螺纹孔的块体配合，X轴移动机构2的移动平台板沿着Y轴方向移动。
所述C轴转动机构7包括：C轴平台板、第三电机、工作台，所述C轴平台板的下方设置有导轨槽，所述C轴平台板的下方设置的导轨槽与第二导轨2-4适配；
所述C轴平台板的下方还固定有设置螺纹孔的块体，所述螺纹孔与第二丝杠机构2-3适配；
在C轴平台板的上方设置有第三电机；所述第三电机驱动工作台转动(所述第三电机驱动工作台转动的方式很多，例如：第三电机竖向设置，在第三电机的输出轴上固定设置工作台，此时，C轴转动机构的转动中心线为第三电机的输出轴的中心线；或者：工作台与C轴平台板之间设置有竖向转动杆，竖向转动杆上设置被动齿轮，第三电机的主动齿轮驱动与竖向转动杆上设置的被动齿轮转动，进而使得工作台转动，此时，C轴转动机构的转动中心线为被动齿轮的中心线)。
即，通过X轴移动机构和Y轴移动机构两个方向的运动形成了工件在水平面上的“十字”运动。
C轴转动机构的转动中心线为竖直线，即其旋转面为水平面。
其中，Z轴移动机构4安装在床身的机架上，包括：第四电机4-1、第四联轴器4-2、第四丝杠机构4-3、第四导轨4-4，第四电机4-1驱动第四丝杆机构4-3转动；第四丝杠机构4-3、第四导轨4-4的方向平行，均为竖直方向；
激光光路装置8包括：竖向移动板、激光光路系统，激光光路装置竖向移动板的竖向面上设置有与第四导轨4-4相适配的导槽；竖向移动板的竖向面上设置有带螺纹孔的块体，所述螺纹孔与第四丝杠机构4-3适配；
即通过Z轴移动机构，可以调节激光光路装置、激光头的高度。
其中，B轴转动机构6安装在激光光路装置的下部(对于B轴转动机构6的机械结构，其属于现有技术，其机械结构类似于C轴转动机构)。B轴转动机构的转动中心线为竖直线，即其旋转面为水平面。
所述A轴转动机构5安装在转接板9上(对于A轴转动机构5的机械结构，其属于现有技术，类似于C轴转动机构)。A轴转动机构的转动中心线为水平线，即其旋转面为竖向面。
通过A轴转动机构5、B轴转动机构6来调节激光头10的方向，通过Z轴移动机构4来调节激光头的高度(类似于柱坐标系，两个转角、一个高度)。
激光头10安装于A轴转动机构5上，加工过程中激光可从激光头中穿过，并在激光焦距位置形成焦点。
上面对五轴联动激光加工机床的结构进行了介绍。
第二，五轴坐标变换是其关键技术。具体而言，针对说明书附图3所示的结构的激光加工机床，其五轴坐标变换具体可以表述为：
Figure BDA0002799402930000101
px表示工件坐标系下激光光束位置坐标的X方向分量；
py表示工件坐标系下激光光束位置坐标的Y方向分量；
pz表示工件坐标系下激光光束位置坐标的Z方向分量；
X表示C轴工作台沿X轴方向移动的位移量；
Y表示C轴工作台沿Y轴方向移动的位移量；
Z表示激光光路装置沿着Z轴方向的位移量；
B表示B轴转动机构自其起始状态的转动角；
A表示A轴转动机构自其起始状态的转动角；
i表示工件坐标系下激光光束姿态的X方向分量；
j表示工件坐标系下激光光束姿态的Y方向分量；
k表示工件坐标系下激光光束姿态的Z方向分量；
求解上述公式得到坐标逆变换为：
Figure BDA0002799402930000102
其中：RA、RB、LtA、LAB、xt、yt和zt这七个值是机床固有参数，不随运动位置的改变而改变，需要提前标定。并且，在标定上述七项参数之前，首先要确定A、B轴的起始转动状态，因此若机床需进行五轴坐标变换，必须提前标定上述九项固有参数：即A轴的起始转动点OA、B轴的起始转动点OB、RA、RB、LtA、LAB、xt、yt和zt。
针对如图4-7所示的机床结构，九个参数定义如下：
X轴方向为X轴移动机构2的传动方向，即第一丝杠机构3-3的轴向方向；
Y轴方向为Y轴移动机构3的传动方向，即第二丝杠机构2-3的轴向方向；
Z轴方向为Z轴移动机构的传动方向，即第四丝杠机构的轴向方向；
A轴轴线为A轴转动机构的转动中心线；
B轴轴线为B轴转动机构的转动中心线；
C轴轴线为C轴转动机构的转动中心线；
A轴回转半径RA表示激光焦点到A轴轴线的距离；
B轴回转半径RB表示激光焦点到B轴轴线的距离；
激光束与A轴轴线之间的交错距离LtA，表示：激光头10的轴线方向与A轴轴线之间的垂直距离；
A轴轴线与B轴轴线之间的交错距离LAB，表示：A轴轴线与B轴轴线的垂直距离；
C轴的工作台与C轴的转动中心线成为C轴工作台中心；
X轴方向对应值xt表示：激光焦点与C轴工作台中心重合时，C轴工作台自X轴零点沿着X轴移动的坐标；
Y轴方向对应值yt表示：激光焦点与C轴工作台中心重合时，C轴工作台自Y轴零点沿着Y轴移动的坐标；
Z轴方向对应值zt表示：激光焦点与C轴工作台中心重合时，A轴转动机构自Z轴零点沿着Z轴移动的坐标；；
A轴起始转动点OA表示：使激光头垂直向下时的A轴转动机构的状态(即A轴电机的状态)；
B轴起始转动点OB表示：使A轴轴线与X轴方向平行时的B轴转动机构的状态(即B轴电机转动的状态)；
X向对刀值xt、Y向对刀值yt和Z向对刀值zt为激光焦点与C轴中心重合时机床的坐标。
在上述理论分析的基础上，即已知要标定九项参数。提出如下的标定方法：
如图8所示，大致调整B轴转动机构至B轴起始转动点状态，将千分表固定在工作台上，使触头接触B轴钣金，X轴移动机构2移动1mm。若千分表误差在0.002mm以内，则B轴零点标定完毕，反之，轻微旋转B轴转动机构，直至误差控制在允许范围内。
如图9左图所示，将A轴转动机构大致调整至水平位置，将打标板固定在工作台上，激光出光在打标板上刻出标志点，前后移动Y轴移动机构至图9右图所示位置。若标志点位置误差0.002mm，则A轴零点标定完毕，反之，轻微旋转A轴转动机构，直至误差控制在允许范围内。
如图10所示为B轴旋转机构的标定过程图，在标定好B轴移动机构的转动角0°角后，将激光打标板水平放置于工作台，将A、B轴转动机构分别旋转至各自的0°转动角位置，X轴移动机构、Y轴移动机构上分别移动10mm，在打标板上打出“十字”靶标。保持A轴转动机构不转动，分别在B轴转动机构的转动角位于-90°、-180°位置打出“十字”靶标。拟合三个“十字”靶标形成一个圆，圆的半径即为B轴旋转半径RB，测量RB的长度，结果为 209.476mm。B(B表示B轴转动机构的转动角)＝0°和B＝-180°时两个靶标点之间在Y轴方向上的距离的一半即为A轴与B轴轴线之间的交错距离LAB，测量LAB的长度，结果为 -0.145mm。
将B轴转动机构转回0°位置，旋转A轴转动机构至-10°位置，启动X轴移动机构，在打标板上打出一条线。保持B轴位置不变，将A旋转至10°位置处，同理启动X轴移动机构，在打标板上打出与上一条平行的直线。两条线的中线到拟合圆圆心的距离即为激光束与A轴轴线之间的交错距离LtA，测量LtA的长度，结果为-0.265mm。
表1
Figure BDA0002799402930000121
将A轴转动机构、B轴转动机构分别转回0°位置，打标板水平放置于工作台上，移动Z 轴移动机构，使激光头接近打标板平面，使用标准量块刚好穿过激光头与打标板平面之间，即可得到打标板的Z向高度。激光出光，上下移动Z轴，使激光在打标板上打出一系列直线段(该过程需要Y轴移动机构、X轴移动机构的配合)，如图11所示，观察刻线质量，利用二分法不断寻找刻线质量最好的一条，此时的Z向高度减掉打标板的Z向高度即为激光焦点至激光头的距离。激光焦点至激光头的距离加上激光头装配半径即为A轴旋转半径RA，计算 RA的长度，结果为240.745mm。
将A、B轴分别转回0°位置，移动X、Y轴使激光头大致对齐C轴中心，将打标板水平放置于工作台上，移动机床Z轴使激光焦点落在打标板上，旋转C轴，会在打标板上画出圆弧，不断调整X、Y轴位置直至在工业显微镜下圆弧直径在0.002mm范围内，此时的X、 Y坐标即为机床X向对刀值xt、Y向对刀值yt，结果分别为-179.236mm和25.306mm。
撤下打标板，调整Z轴位置，使得标准量块刚好穿过激光头与工作台平面之间，此时Z 轴坐标值与标准量块值之差再加上激光焦点至激光头的距离即为机床Z向对刀值zt，计算结果为-539.760mm。
最终五轴联动激光加工机床参数标定结果具体见表1。
以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更改或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。

Claims (5)

1.一种双摆头式五轴联动激光加工机床的工作方法，所述的双摆头五轴联动激光加工机床，包括：床身、X轴移动机构、Y轴移动机构、Z轴移动机构、A轴转动机构、B轴转动机构、C轴转动机构、激光光路装置、转接板、激光头；其中，Y轴移动机构包括：第一电机、第一联轴器、第一丝杠机构、第一导轨，所述第一电机安装固定在床身上，第一电机的输出轴连接第一联轴器，第一联轴器与第一丝杆机构连接；所述第一导轨的轴线方向与第一丝杆机构的轴线方向平行；Y轴移动机构的传输方向称为Y轴方向；其中，X轴移动机构包括：第二电机、第二联轴器、第二丝杠、第二导轨、移动平台板，所述移动平台板的下方设置有导轨槽，所述移动平台板的下方设置有导轨槽与第一导轨适配；第二丝杠、第二导轨均设置在移动平台板的上方；所述移动平台板的下方还固定有设置螺纹孔的块体，所述螺纹孔与第一丝杠机构适配；所述第二电机安装固定在移动平台板上，第二电机的输出轴连接第二联轴器，第二联轴器与第二丝杠连接；所述第二导轨的轴线方向与第二丝杆机构的轴线方向平行；X轴移动机构的传输方向称为X轴方向；所述第二丝杆机构的轴线方向与第一丝杆机构的轴线方向相互垂直；通过X轴移动机构和Y轴移动机构两个方向的运动形成了工作台在水平面上的“十字”运动；其中，所述C轴转动机构包括：C轴平台板、第三电机、工作台，所述C轴平台板的下方设置有导轨槽，所述C轴平台板的下方设置的导轨槽与第二导轨适配；所述C轴平台板的下方还固定有设置螺纹孔的块体，所述螺纹孔与第二丝杠机构适配；在C轴平台板的上方设置有第三电机；所述第三电机驱动工作台转动；C轴转动机构的转动中心线为竖直线，即其旋转面为水平面；工作台转动支撑在C轴平台板上；其中，Z轴移动机构安装在床身的竖向机架上，包括：第四电机、第四联轴器、第四丝杠机构、第四导轨，第四电机驱动第四丝杆机构转动；第四丝杠机构、第四导轨的方向平行，均为竖直方向；其中，激光光路装置包括：激光光路装置竖向移动板、激光光路装置壳体、激光光路系统，B轴转动机构包括：激光光路装置竖向移动板，激光光路装置竖向移动板的竖向面上设置有与第四导轨相适配的导槽；竖向移动板的竖向面上设置有带螺纹孔的块体，所述螺纹孔与第四丝杠机构适配；所述激光光路系统设置在激光光路装置壳体内，激光光路装置壳体与激光光路装置竖向移动板固接，使得激光光路装置壳体悬臂设置在床身的竖向机架前方；其中，B轴转动机构包括：第五电机、转接板，所述第五电机固定在激光光路装置壳体上，第五电机驱动转接板转动，转接板转动设置在激光光路装置壳体上；所述转接板包括：固定在一起的水平板与竖向板；具体而言，水平板设置在激光光路装置壳体上；其中，A轴转动机构包括：第六电机、筒体，所述第六电机固定在转接板的竖向板上，第六电机驱动筒体转动，筒体转动设置在转接板的竖向板上；其中，激光头固定设置在A轴转动机构的筒体上，且激光头激光光路装置的激光光路系统连通，使得激光从激光头射出；
在加工时，需要在机床坐标系与工件坐标系进行坐标变换，其特征在于，采用下式进行变换：
Figure FDA0003176046580000021
px表示工件坐标系下激光光束位置坐标的X方向分量；
py表示工件坐标系下激光光束位置坐标的Y方向分量；
pz表示工件坐标系下激光光束位置坐标的Z方向分量；
X表示C轴工作台沿X轴方向移动的位移量；
Y表示C轴工作台沿Y轴方向移动的位移量；
Z表示激光光路装置沿着Z轴方向的位移量；
B表示B轴转动机构自其起始状态的转动角；
A表示A轴转动机构自其起始状态的转动角；
i表示工件坐标系下激光光束姿态的X方向分量；
j表示工件坐标系下激光光束姿态的Y方向分量；
k表示工件坐标系下激光光束姿态的Z方向分量；
RA表示激光焦点到A轴轴线的距离；
RB表示激光焦点到B轴轴线的距离；
LtA表示：激光头的轴线方向与A轴轴线之间的垂直距离；
LAB，表示：A轴轴线与B轴轴线的垂直距离；
xt表示：激光焦点与C轴中心重合时，C轴中心自X轴零点沿着X轴方向移动的距离；
yt表示：激光焦点与C轴中心重合时，C轴中心自Y轴零点沿着Y轴方向移动的距离；
zt表示：激光焦点与C轴中心重合时，A轴转动机构沿着Z轴零点沿着Z轴方向移动的距离。
2.一种双摆头式五轴联动激光加工机床的工作方法，所述的双摆头五轴联动激光加工机床，包括：床身、X轴移动机构、Y轴移动机构、Z轴移动机构、A轴转动机构、B轴转动机构、C轴转动机构、激光光路装置、转接板、激光头；其中，Y轴移动机构包括：第一电机、第一联轴器、第一丝杠机构、第一导轨，所述第一电机安装固定在床身上，第一电机的输出轴连接第一联轴器，第一联轴器与第一丝杆机构连接；所述第一导轨的轴线方向与第一丝杆机构的轴线方向平行；Y轴移动机构的传输方向称为Y轴方向；其中，X轴移动机构包括：第二电机、第二联轴器、第二丝杠、第二导轨、移动平台板，所述移动平台板的下方设置有导轨槽，所述移动平台板的下方设置有导轨槽与第一导轨适配；第二丝杠、第二导轨均设置在移动平台板的上方；所述移动平台板的下方还固定有设置螺纹孔的块体，所述螺纹孔与第一丝杠机构适配；所述第二电机安装固定在移动平台板上，第二电机的输出轴连接第二联轴器，第二联轴器与第二丝杠连接；所述第二导轨的轴线方向与第二丝杆机构的轴线方向平行；X轴移动机构的传输方向称为X轴方向；所述第二丝杆机构的轴线方向与第一丝杆机构的轴线方向相互垂直；通过X轴移动机构和Y轴移动机构两个方向的运动形成了工作台在水平面上的“十字”运动；其中，所述C轴转动机构包括：C轴平台板、第三电机、工作台，所述C轴平台板的下方设置有导轨槽，所述C轴平台板的下方设置的导轨槽与第二导轨适配；所述C轴平台板的下方还固定有设置螺纹孔的块体，所述螺纹孔与第二丝杠机构适配；在C轴平台板的上方设置有第三电机；所述第三电机驱动工作台转动；C轴转动机构的转动中心线为竖直线，即其旋转面为水平面；工作台转动支撑在C轴平台板上；其中，Z轴移动机构安装在床身的竖向机架上，包括：第四电机、第四联轴器、第四丝杠机构、第四导轨，第四电机驱动第四丝杆机构转动；第四丝杠机构、第四导轨的方向平行，均为竖直方向；其中，激光光路装置包括：激光光路装置竖向移动板、激光光路装置壳体、激光光路系统，B轴转动机构包括：激光光路装置竖向移动板，激光光路装置竖向移动板的竖向面上设置有与第四导轨相适配的导槽；竖向移动板的竖向面上设置有带螺纹孔的块体，所述螺纹孔与第四丝杠机构适配；所述激光光路系统设置在激光光路装置壳体内，激光光路装置壳体与激光光路装置竖向移动板固接，使得激光光路装置壳体悬臂设置在床身的竖向机架前方；其中，B轴转动机构包括：第五电机、转接板，所述第五电机固定在激光光路装置壳体上，第五电机驱动转接板转动，转接板转动设置在激光光路装置壳体上；所述转接板包括：固定在一起的水平板与竖向板；具体而言，水平板设置在激光光路装置壳体上；其中，A轴转动机构包括：第六电机、筒体，所述第六电机固定在转接板的竖向板上，第六电机驱动筒体转动，筒体转动设置在转接板的竖向板上；其中，激光头固定设置在A轴转动机构的筒体上，且激光头激光光路装置的激光光路系统连通，使得激光从激光头射出；
在加工时，需要在机床坐标系与工件坐标系进行坐标变换，其特征在于，采用下式进行变换：
采用下式计算：
Figure FDA0003176046580000041
px表示工件坐标系下激光光束位置坐标的X方向分量；
py表示工件坐标系下激光光束位置坐标的Y方向分量；
pz表示工件坐标系下激光光束位置坐标的Z方向分量；
X表示C轴工作台沿X轴方向移动的位移量；
Y表示C轴工作台沿Y轴方向移动的位移量；
Z表示激光光路装置沿着Z轴方向的位移量；
B表示B轴转动机构自其起始状态的转动角；
A表示A轴转动机构自其起始状态的转动角；
i表示工件坐标系下激光光束姿态的X方向分量；
j表示工件坐标系下激光光束姿态的Y方向分量；
k表示工件坐标系下激光光束姿态的Z方向分量；
RA表示激光焦点到A轴轴线的距离；
RB表示激光焦点到B轴轴线的距离；
LtA表示：激光头的轴线方向与A轴轴线之间的垂直距离；
LAB，表示：A轴轴线与B轴轴线的垂直距离；
xt表示：激光焦点与C轴中心重合时，C轴中心自X轴零点沿着X轴方向移动的距离；
yt表示：激光焦点与C轴中心重合时，C轴中心自Y轴零点沿着Y轴方向移动的距离；
zt表示：激光焦点与C轴中心重合时，A轴转动机构沿着Z轴零点沿着Z轴方向移动的距离。
3.根据权利要求1或2所述的一种双摆头五轴联动激光加工机床的工作方法，其特征在于，通过Z轴移动机构，B轴转动机构、A轴转动机构，能够调节激光头的高度、激光头的朝向。
4.根据权利要求1或2所述的一种双摆头五轴联动激光加工机床的工作方法，其特征在于，B轴转动机构的转动中心线为竖直线，即其旋转面为水平面。
5.根据权利要求4所述的一种双摆头五轴联动激光加工机床的工作方法，其特征在于，A轴转动机构的转动中心线为水平线，即其旋转面为竖向面。
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