CN112526924B - 一种五轴双摇篮结构机床用3d测头的标定方法 - Google Patents

一种五轴双摇篮结构机床用3d测头的标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种数控机床在机测量技术领域，尤其涉及一种五轴双摇篮结构机床用3D测头标定方法。该方法包括：3D测头预估长度输入刀具表，在五轴双摇篮结构机床A轴C轴回零下，使用3D测头测量标准球上四个点，根据工件坐标计算标准球球心，并得到测针球头半径；在倾斜面加工模式下，让标准球绕A轴回转中心旋转一定角度，使用3D测头测量标准球上四个点，根据工件坐标计算标准球球心，根据两组标准球球心差异得到3D测头长度。本发明仅使用标准球就能够简便快速的对五轴双摇篮结构机床用3D测头标定，在频繁更换3D测头和测针时，以及机床工作台面有工装夹具和工件时，该方法可以省去工装夹具的拆装时间，提高了3D测头标定效率。

Description

一种五轴双摇篮结构机床用3D测头的标定方法
技术领域
本发明涉及数控机床在机测量技术领域，尤其涉及一种五轴双摇篮结构机床用3D测头的标定方法。
背景技术
目前，五轴双摇篮结构机床用3D测头在使用前要先进行标定，需要将3D测头长度、测针球头半径输入到刀具表中对应的刀具参数中，才能进行后续的工件测量。现有技术中，五轴双摇篮结构机床3D测头的长度标定方法多采用如下方式：使用3D测头测量机床工作台中心，取机床坐标Z向测量值与工作台面中心的机床坐标Z向值的差值作为3D测头的长度值，测针球头半径标定多使用3D测头测量环规，取环规直径测量值与环规校准值的差值绝对值的二分之一为测针球头半径。在测量过程中存在的问题是：五轴双摇篮结构机床的工作台面常采用洼心设计，表现为外圈高中心低，机床使用过程中，零件的工装夹具往往覆盖了工作台中心，3D测头不易直接对工作台面中心进行测量；工作台面中心往往带有切削液、油污、切屑等污染物，在需要更换3D测头测针时，3D测头长度的标定需要拆卸工作夹具并清洁工作台面中心才能进行，使得3D测头的长度标定效率和标定精度都较低。
因此，发明人提供了一种不依赖机床工作台面中心和环规进行3D测头标定的方法，能够简便快速得到3D测头长度和测针球头半径。
发明内容
(1)要解决的技术问题
本发明所要解决的技术问题是：提供一种不依赖机床工作台面中心和环规进行3D测头标定的方法，能够简便快速得到3D测头长度和测针球头半径。
(2)技术方案
本发明的技术方案是：一种五轴双摇篮结构机床用3D测头的标定方法，包括以下步骤：
步骤1：将测量3D测头的长度预估值LP输入到刀具表中对应的刀具参数中；
步骤2：安装3D测头到机床主轴上；固定一直径为D且不大于30mm的标准球在机床工作台上；
步骤3：初定工件坐标系：操作机床A轴C轴回零，得到机床坐标X0和Y0；移动3D测头到标准球目测最高点上方，测量标准球最高点的机床坐标值Z’，根据标准球直径为D，机床Z轴原点坐标
Figure BDA0002826968360000021
将X0、Y0、Z0输入到工件坐标系；其中，X轴、Y轴、Z轴为直角坐标系，A轴为绕X轴旋转的旋转轴，C轴为绕Z轴旋转的旋转轴；
步骤4：数控系统运行四点测球程序，在Z轴负向、X轴正向、X轴负向、Y轴正向分别与标准球赤道上的点发生碰撞；
步骤5：复核确定工件坐标系：从步骤4测量得到四组工件坐标值(XP1-0,YP1-0,ZP1-0)，(XP2-0,YP2-0,ZP2-0)，(XP3-0,YP3-0,ZP3-0)，(XP4-0,YP4-0,ZP4-0)，
根据球面方程公式，求出标准球球心坐标(XS0，YS0，ZS0)(XS0-XP1)2+(YS0-YP1)2+(ZS0-ZP1)2＝(XS0-XP2)2+(YS0-YP2)2+(ZS0-ZP2)2(XS0-XP2)2+(YS0-YP2)2+(ZS0-ZP2)2＝(XS0-XP3)2+(YS0-YP3)2+(ZS0-ZP3)2(XS0-XP3)2+(YS0-YP3)2+(ZS0-ZP3)2＝(XS0-XP4)2+(YS0-YP4)2+(ZS0-ZP4)2
将X1＝X0+XS0、Y1＝Y0+YS0、Z1＝Z0+ZS0、输入工件坐标系；
步骤6：重复步骤4，测量得到四组工件坐标值(XP1-1,YP1-1,ZP1-1)，(XP2-1,YP2-1,ZP2-1)，(XP3-1,YP3-1,ZP3-1)，(XP4-1,YP4-1,ZP4-1)，求出标准球球心坐标(XS1,YS1,ZS1)；
步骤7：在数控系统倾斜面加工模式下，标准球绕A轴回转中心旋转θ度，再重复步骤4，测量得到四组工件坐标值(XP1-2,YP1-2,ZP1-2)，(XP2-2,YP2-1,ZP2-2)，(XP3-2,YP3-2,ZP3-2)，(XP4-2,YP4-2,ZP4-2)，求出标准球球心坐标(XS2,YS2,ZS2)；所述θ不等于0°。
步骤8：计算3D测头长度值
Figure BDA0002826968360000031
其中，
Figure BDA0002826968360000032
进一步地，在步骤7中，当所述θ＝－90°时，ΔL1＝ZS2-YS1，ΔL2＝YS2+ZS1，3D测头的长度值为
Figure BDA0002826968360000033
进一步地，所述步骤6还可计算出标准球直径
Figure BDA0002826968360000034
测针球头半径值
Figure BDA0002826968360000035
进一步地，步骤2中安装3D测头到机床主轴上后先使用千分表对3D测头进行主轴同心校准，使同心误差不大于2μm。
进一步地，所述标准球3固定在Y轴正方向上且远离C轴回转中心。
(3)有益效果
本发明不需要依赖机床工作台面中心和环规，仅使用标准球就能够简便快速的对五轴双摇篮结构机床用3D测头标定，在频繁更换3D测头和测针时，以及机床工作台有工装夹具和工件时，该方法可以省去工装夹具的拆装时间，提高了3D测头标定效率。
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是本发明实施例的一种3D测头标定示意图；
图2为3D测头长度补偿计算示意图。
图中：
1-机床主轴；2-3D测头；3-标准球；4-A轴回转中心；5-C轴回转中心。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例
图1是本发明实施例的图1是本发明实施例的一种3D测头标定示意图；图2为3D测头长度补偿计算示意图。下面结合附图1-2和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。
步骤1：使用机外对刀仪或者卡尺测量3D测头的长度预估值LP，将LP值输入到刀具表中对应的刀具参数中；
步骤2：安装3D测头到机床主轴1上，手动旋转3D测头2，使用千分表对3D测头2的测针球头进行主轴同心校准，使同心误差不大于2μm，
步骤3：操作机床A轴C轴回零，机床坐标X0和Y0，固定一直径为D且不大于30mm的标准球3在机床工作台上，将标准球3固定在Y轴正方向上且远离C轴回转中心5；其中，X轴、Y轴、Z轴为直角坐标系，A轴为绕X轴旋转的旋转轴，C轴为绕Z轴旋转的旋转轴；
步骤4：通过手轮移动测头到标准球目测最高点上方，测量标准球3最高点的机床坐标值Z’，根据标准球3直径为D，计算
Figure BDA0002826968360000054
将X0、Y0、Z0输入工件坐标系；
步骤5：数控系统运行四点测球程序，分别在Z轴负向、X轴正向、X轴负向、Y轴正方向与标准球3赤道上的点发生碰撞；
步骤6：测量得到四组工件坐标值(XP1-0,YP1-0,ZP1-0)，(XP2-0,YP2-0,ZP2-0)，(XP3-0,YP3-0,ZP3-0)，(XP4-0,YP4-0,ZP4-0)，根据四组工件坐标值有球面坐标方程公式得到如下等式：
(XS0-XP1)2+(YS0-YP1)2+(ZS0-ZP1)2＝(XS0-XP2)2+(YS0-YP2)2+(ZS0-ZP2)2 (1)
(XS0-XP2)2+(YS0-YP2)2+(ZS0-ZP2)2＝(XS0-XP3)2+(YS0-YP3)2+(ZS0-ZP3)2 (2)
(XS0-XP3)2+(YS0-YP3)2+(ZS0-ZP3)2＝(XS0-XP4)2+(YS0-YP4)2+(ZS0-ZP4)2 (3)
步骤7：进行公式(1)，(2)，(3)简化为
Figure BDA0002826968360000051
Figure BDA0002826968360000052
Figure BDA0002826968360000053
步骤8：令K1＝XP2-XP1，K2＝YP2-YP1，K3＝ZP2-ZP1，K4＝XP3-XP2，K5＝YP3-YP2，K6＝ZP3-ZP2，K7＝XP4-XP3，K8＝YP4-YP3，K9＝ZP4-ZP3，令
Figure BDA0002826968360000061
Figure BDA0002826968360000062
步骤9：公式(4)，(5)，(6)简化为
K1XS0+K2YS0+K3ZS0＝C1 (7)
K4XS0+K5YS0+K6ZS0＝C2 (8)
K7XS0+K8YS0+K9ZS0＝C3 (9)
步骤10：将公式(7)与(8)进行运算，公式(8)与(9)进行运算，
(K2K4-K5K1)YSO+(K3K4-K6K1)ZSO＝C1K4-C2K1 (10)
(K5K7-K8K4)YSO+(K6K7-K9K4)ZSO＝C2K7-C3K4 (11)
步骤11：令J1＝K2K4-K5K1，J2＝K3K4-K6K1，J3＝K5K7-K8K4，J4＝K6K7-K9K4；令B1＝C1K4-C2K1，B2＝C2K7-C3K4
步骤12：公式(10)，(11)简化为
J1YS0+J2ZS0＝B1 (12)
J3YS0+J4ZS0＝B2 (13)
步骤13：将公式(12)与(13)进行运算，得到
Figure BDA0002826968360000063
由公式(12)得到
Figure BDA0002826968360000064
由公式(7)得到
Figure BDA0002826968360000065
步骤14：将X1＝X0+XS0、Y1＝Y0+YS0、Z1＝Z0+ZS0输入工件坐标系；
步骤15：重复步骤5，测量得到四组工件坐标值(XP1-1,YP1-1,ZP1-1)，(XP2-1,YP2-1,ZP2-1)，(XP3-1,YP3-1,ZP3-1)，(XP4-1,YP4-1,ZP4-1)，求出标准球球心坐标(XS1,YS1,ZS1)，和球直径D1，测针球头半径值
Figure BDA0002826968360000066
步骤16：在数控系统倾斜面加工模式下，标准球3绕A轴回转中心4旋转负90度，重复步骤5，测量得到四组工件坐标值(XP1-2,YP1-2,ZP1-2)，(XP2-2,YP2-1,ZP2-2)，(XP3-2,YP3-2,ZP3-2)，(XP4-2,YP4-2,ZP4-2)，求出标准球球心坐标(XS2,YS2,ZS2)，ZS2-YS1与YS2+ZS1近似相等，如ZS2-YS1＞0，LP偏小，如ZS2-YS1＜0，LP偏大，3D测头的长度值
Figure BDA0002826968360000071
关于均化误差解释：LR＝LP+△L，理论上ΔL＝ΔL1＝ΔL2，实际取ΔL1和ΔL2的平均值作为ΔL。
此3D测头标定方法在配置雷尼绍3D测头RMP600的大连科德五轴双摇篮结构机床KMC800上进行了验证，标定结果3D测头长度为232.022mm，测针球头半径为2.966mm,误差2％以内(实际测头长度为232.038mm，测针球头半径为3mm)。需要说明的是：测头是弹性装置，使用测头测量是依靠测量时测头发生弯曲而产生的信号进行测头触发判断，因此测头的长度标定结果和球头半径标定结果比真实值要小。
基于标定结果，3D测头可准确用于工件坐标系找正和工件测量。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (5)

1.一种五轴双摇篮结构机床用3D测头的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将测量3D测头的长度预估值LP输入到刀具表上对应的刀具参数中；
步骤2：安装3D测头到机床主轴上；固定一个直径为D且不大于30mm的标准球在机床工作台上；
步骤3：初定工件坐标系：操作所述机床A轴C轴回零，得到机床坐标X0和Y0；移动所述3D测头到标准球目测最高点上方，测量所述标准球最高点的机床坐标值Z’，机床Z轴原点坐标
Figure FDA0002826968350000011
将X0、Y0、Z0输入到工件坐标系；其中，X轴、Y轴、Z轴为直角坐标系，A轴为绕X轴旋转的旋转轴，C轴为绕Z轴旋转的旋转轴；
步骤4：数控系统运行四点测球程序，在Z轴负向、X轴正向、X轴负向、Y轴正向分别与标准球赤道上的点发生碰撞；
步骤5：复核确定工件坐标系：从所述步骤4测量得到四组工件坐标值(XP1-0,YP1-0,ZP1-0)，(XP2-0,YP2-0,ZP2-0)，(XP3-0,YP3-0,ZP3-0)，(XP4-0,YP4-0,ZP4-0)，根据球面方程公式，求出标准球球心坐标(XS0,YS0,ZS0)，将X1＝X0+XS0、Y1＝Y0+YS0、Z1＝Z0+ZS0、输入工件坐标系；
步骤6：重复所述步骤4，测量得到四组工件坐标值(XP1-1,YP1-1,ZP1-1)，(XP2-1,YP2-1,ZP2-1)，(XP3-1,YP3-1,ZP3-1)，(XP4-1,YP4-1,ZP4-1)，求出标准球球心坐标(XS1,YS1,ZS1)；
步骤7：在数控系统倾斜面加工模式下，标准球绕A轴回转中心旋转θ度，再重复步骤4，测量得到四组工件坐标值(XP1-2,YP1-2,ZP1-2)，(XP2-2,YP2-1,ZP2-2)，(XP3-2,YP3-2,ZP3-2)，(XP4-2,YP4-2,ZP4-2)，求出标准球球心坐标(XS2,YS2,ZS2)；所述θ不等于0°；
步骤8：计算3D测头长度值
Figure FDA0002826968350000021
其中，
Figure FDA0002826968350000022
2.根据权利要求1所述的五轴双摇篮结构机床用3D测头的标定方法，其特征在于，所述步骤7中，当所述θ＝－90°时，ΔL1＝ZS2-YS1，ΔL2＝YS2+ZS1，3D测头的长度值为
Figure FDA0002826968350000023
3.根据权利要求2所述的五轴双摇篮结构机床用3D测头的标定方法，其特征在于，由所述步骤6计算出测针球头半径
Figure FDA0002826968350000024
4.根据权利要求1或2任一所述的五轴双摇篮结构机床用3D测头的标定方法，其特征在于，所述步骤2中安装3D测头到机床主轴上后，先使用千分表对3D测头进行主轴同心校准，使同心误差不大于2μm。
5.根据权利要求1或2任一所述的五轴双摇篮结构机床用3D测头的标定方法，其特征在于，所述标准球固定在Y轴正方向上且远离C轴回转中心。
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