CN113770809A - 一种数控机床空间定位精度检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种数控机床空间定位精度检测装置及方法，所述数控机床包括两个相对设置的机床立柱；所述装置包括定位环、线尺盒和检测机构，两机床立柱相对的一面均设置有N个定位环，所有定位环之间围成立体空间；其中，N为大于等于2的自然数，线尺盒与所述定位环的数量相等，线尺盒分别设置在机床立柱上靠近对应定位环的位置，每个线尺盒的自回复测量线活动穿过对应位置的定位环且每个线尺盒的自回复测量线的线头连接有连接头，检测机构位于两机床立柱之间，检测机构的一端用于连接机床主轴，检测机构的另一端用于连接每个连接头，本申请具有检测范围广、效率高、成本低的优点。

Description

一种数控机床空间定位精度检测装置及方法

技术领域

本申请涉及机床空间检测技术领域，尤其涉及一种数控机床空间定位精度检测装置及方法。

背景技术

大型龙门类数控机床可以保持待加工工件不动，仅移动刀具便可以实现大范围加工，在大型航空、航天结构零件加工方面具有独特的优势。然而，由于加工行程长、龙门跨度大、运动单元重等因素，龙门五轴数控机床的空间定位误差较大，加工精度始终难以得到有效保证。即使忽略设计成本，通过各种设计方法使得机床具有较高的原始精度，机床的关键部件也会随着加工过程的进行发生磨损，机床的加工精度也必然随着加工时间的持续而降低。提高龙门数控机床定位精度的有效方法是对误差进行补偿，这一切又必须以准确获取定位误差为基础。

目前，进行数控机床空间定位精度的检测时，检测装置一次安装只能对单个线性轴空间定位精度进行测量，检测范围小，效率低，且成本也较高。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种数控机床空间定位精度检测装置及方法，旨在解决现有数控机床空间定位精度检测方法检测范围小、效率低、且成本也较高的技术问题。

为实现上述目的，本申请的实施例提供一种数控机床空间定位精度检测装置，所述数控机床包括两个相对设置的机床立柱；所述装置包括定位环、线尺盒和检测机构，两机床立柱相对的一面均设置有N个定位环，所有定位环之间围成立体空间；其中，N为大于等于2的自然数，线尺盒与所述定位环的数量相等，线尺盒分别设置在机床立柱上靠近对应定位环的位置，每个线尺盒的自回复测量线活动穿过对应位置的定位环且每个线尺盒的自回复测量线的线头连接有连接头，检测机构位于两机床立柱之间，检测机构的一端用于连接机床主轴，检测机构的另一端用于连接每个连接头。

可选地，定位环包括螺纹柱和标准环，螺纹柱螺纹连接于机床立柱，标准环与螺纹柱连接，自回复测量线活动穿过标准环。

可选地，检测机构包括刀柄和检测球，刀柄用于连接机床主轴，检测球连接在刀柄底部，每个连接头均连接在检测球上。

可选地，检测球上开设有2N个指向球心的插孔，连接头插接在对应插孔内。

可选地，线尺盒的材质为磁性材料，且线尺盒可磁性吸附在机床立柱上。

为实现上述目的，本申请的实施例还提供一种基于所述的数控机床空间定位精度检测装置的检测方法，包括以下步骤：

获取所述定位环围成的立体空间的中心坐标，以获取的所述中心坐标作为测量起始位置；

使机床主轴带动所述检测机构从所述测量起始位置运动至所述立体空间内的测量位置；

基于不同方向的所述自回复测量线与所述检测机构的距离构造距离方程；

获取所述检测机构在所述测量位置的实际坐标，将所述实际坐标与所述检测机构对应所述测量位置的理论位置坐标进行对比，得到机床主轴运动至所述测量位置时的空间定位误差。

可选地，所述距离方程的表达式为：

(X_i-X₀)²+(Y_i-Y₀)²+(Z_i-Z₀)²＝L_i ²；

其中，X_i，Y_i，Z_i(i＝1,2,3,...,2N)分别为2N个所述定位环的中心坐标值，L_i(i＝1,2,3,...,2N)分别为2N个所述定位环中心点到所述检测机构的距离，X₀，Y₀，Z₀为所述检测机构位置的实际坐标。

可选地，所述获取所述检测机构在所述测量位置的实际坐标，具体包括：

在所述距离方程的表达式中任选4组，每一组通过平方公式展开并两两相减消去二次项，分别得到求解所述检测机构的实际坐标的四组解，四组解分别表示为P_m(X_m，Y_m，Z_m)、P_n(X_n，Y_n，Z_n)、P_p(X_p，Y_p，Z_p)、P_q(X_q，Y_q，Z_q)；

然后构造最小二乘函数如下：

令

最小，即对

求偏导：

然后解得X₀，Y₀，Z₀，即得到所述检测机构在所述测量位置的实际坐标。可选地，所述空间定位误差的表达式如下：

δ_x＝X₀-X_理论；

δ_y＝Y₀-Y_理论；

δ_z＝Z₀-Z_理论；

式中，δ_x、δ_y、δ_z分别为机床主轴在X，Y，Z轴的空间定位误差，X_理论、Y_理论、Z_理论分别为机床主轴运行到所述测量位置时的理论位置。

本申请所能实现的有益效果如下：

本申请通过检测球的移动位置来反应机床主轴的位置变化，反应灵敏，保证检测精度，同时充分利用线尺机构中自回复测量线的测量距离长和自回复的特性，实现大范围空间定位精度的测量，仅通过一次定位，即可达到检测结果可综合反映多轴机床空间定位误差的效果，提高了检测效率，同时本申请中的装置整体结构简单、可靠，操作难度低，大大降低了使用成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本申请一种数控机床空间定位精度检测装置的结构示意图；

图2为本申请中定位环的结构示意图；

图3为本申请中线尺机构的结构示意图；

图4为本申请中检测机构的结构示意图。

附图标记：

110-机床立柱，120-定位环，121-螺纹柱，122-标准环，130-线尺机构，131-线尺盒，132-自回复测量线，133-连接头，140-检测机构，141-刀柄，142-检测球，1421-插孔，150-机床主轴。

本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

另外，若本申请实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

实施例1

参照图1-图4，本实施例提供一种数控机床空间定位精度检测装置，所述数控机床包括两个相对设置的机床立柱110；所述装置包括定位环120、线尺盒131和检测机构140，两机床立柱110相对的一面均设置有N个定位环120，即定位环120一共设置有2N个，所有定位环120之间围成立体空间；其中，N为大于等于2的自然数，即定位环120数量至少4个，数量越多，测量精度越高，线尺盒131与所述定位环120的数量相等，线尺盒131分别设置在机床立柱110上靠近对应定位环120的位置，每个线尺盒131的自回复测量线132活动穿过对应位置的定位环120且每个线尺盒131的自回复测量线132的线头连接有连接头133，检测机构140位于两机床立柱110之间，检测机构140的一端用于连接机床主轴150，检测机构140的另一端用于连接每个连接头133。这里线尺盒131、自回复测量线132和连接头133即组成用于测量的线尺机构130。

目前数控机床空间定位精度的检测主要是采用激光干涉仪测量法，激光干涉仪测量法虽然具有测量精度高、测量数据稳定等优点，但安装与调试过程比较复杂，且一次安装只能对单个线性轴空间定位精度进行测量，因此具有检测范围小，效率低，且成本也较高的问题。因此，为了满足当前对于大型龙门五轴数控机床空间定位精度的快速、便捷检测需求，设计发明一种大行程龙门机床空间定位精度检测方法具有重大的工程意义，在机床制造企业和大型数控加工企业都有着广泛的应用前景。

因此，在本实施例中，通过定位环120、线尺机构130和检测机构140在机床立柱110上的设置，检测时，可通过机床主轴150带动检测机构140从测量起始位置运动至立体空间任一位置，然后基于不同方向的2N条自回复测量线132与检测球142的距离构造距离方程，获取检测球142球心位置的实际坐标，并与检测球142理论位置坐标进行对比，即可得到机床主轴150运动至对应位置时的空间定位误差，本申请通过检测球142的移动位置来反应机床主轴150的位置变化，反应灵敏，保证检测精度。

需要说明的是，自回复测量线132的自回复特性与现有卷尺的自回复功能原理相同，在无外力约束下，自回复测量线132会自动回绕于线尺盒131内，从而保证自回复测量线132与检测机构140连接时的绷紧状态，即保证自回复测量线132始终处于直线状态，保证了测量距离的准确性，这里在自回复测量线132上设置刻度标识，便于直接读数。

因此，基于本实施例的检测装置测量时与现有激光干涉仪测量法具有以下优点：

(1)可弥补现有空间定位精度检测方法操作繁琐、效率低的缺陷：目前，数控机床空间定位精度的检测主要是采用激光干涉仪测量法，安装与调试过程比较复杂，需反复移动机床进行激光校准，本实施例装置操作简便，均为简单的机械连接操作，且不存在校准问题；

(2)充分利用自回复测量线132测量距离长和自回复的特性，快速实现大范围空间定位精度的测量：激光跟踪仪受限于自身测量原理无法快速实现大范围空间定位精度测量，每测一个位置需多次进行调整，而本实施例装置充分利用自回复测量线132测量距离长和自回复的特性，不受机械结构约束，只需移动机床主轴150便可实现下一测量点的空间定位精度检测，测量效率高，覆盖范围大；

(3)一次定位，检测结果可综合反映多轴定位误差：激光跟踪仪一次安装只能对单个线性轴空间定位精度进行测量，而本实施例装置可一次定位，通过构建冗余方程组并进行求解，可获取X,Y,Z实际位置坐标,并通过与理论坐标对比，综合获取所有平动轴定位误差；

(4)本实施例装置结构简单、可靠、操作难度低、重复度高，且成本优势明显。

采用实施例1技术方案与现有激光跟踪仪检测方法对比情况如下表1所示：

表1实施例1与激光跟踪仪检测对比情况

	成本	单次测量时间	空间覆盖性
				激光跟踪仪	100万	3小时以上	线性空间
实施例1	5万	0.5小时	任意空间位置

作为一种可选的实施方式，定位环120包括螺纹柱121和标准环122，螺纹柱121螺纹连接于机床立柱110，标准环122与螺纹柱121连接，自回复测量线132活动穿过标准环122。

在本实施例中，标准环122用于自回复测量线132起始位置的精确定位，其内孔略大于自回复测量线132直径，以尽量消除配合间隙导致的起始点位误差，螺纹柱121用于和机床立柱110相连，起固定作用，结构简单，便于组装和拆卸。

作为一种可选的实施方式，检测机构140包括刀柄141和检测球142，刀柄141用于连接机床主轴150，检测球142连接在刀柄141底部，每个连接头133均连接在检测球142上。

在本实施例中，检测球142作为连接头133的载体，其体积在满足8个连接头133分布情况下，应尽可能减小，以减小由于自回复测量线132未指向检测球142球心而产生的距离偏差(计算距离为自回复测量线132距离和检测球142半径之和)，刀柄141用于和机床主轴150相连，从而通过检测球142实时同步反应机床主轴150位置变化。

作为一种可选的实施方式，检测球142上开设有2N个指向球心的插孔1421，连接头133插接在对应插孔1421内。这里可将连接头133和插孔1421以螺纹连接形式配合，也可通过磁性吸附连接，连接方式多样，这里不受限制，具有便于组装和拆卸的作用即可。

作为一种可选的实施方式，线尺盒131的材质为磁性材料，且线尺盒131可磁性吸附在机床立柱110上。通过具有磁性的线尺盒131可直接吸附在机床立柱110上，起固持作用，同时具有方便调整线尺盒131在机床立柱110上安装位置的作用。

实施例2

参照图1-图4，本实施例提供一种基于实施例1中所述的数控机床空间定位精度检测装置的检测方法，包括以下步骤：

获取所述定位环120围成的立体空间的中心坐标，以获取的所述中心坐标作为测量起始位置；

使机床主轴150带动所述检测机构140从所述测量起始位置运动至所述立体空间内的测量位置；

基于不同方向的所述自回复测量线132与所述检测机构140的距离构造距离方程；

获取所述检测机构140在所述测量位置的实际坐标，将所述实际坐标与所述检测机构140对应所述测量位置的理论位置坐标进行对比，得到机床主轴150运动至所述测量位置时的空间定位误差。

在本实施例中，定位环120、线尺机构130和检测机构140安装在机床立柱110上时均为可拆卸结构，可方便安装和拆卸，具有重复使用的效果，且操作简单，在保证检测精度的同时，提高检测效率，并大大降低使用成本，测量时，仅需通过机床主轴150带动检测机构140从测量起始位置运动至立体空间任一位置，然后通过计算即可快速获取机床的空间定位误差。

需要说明的是，本实施例中测量位置以检测机构140的检测球142球心为基准。

作为一种可选的实施方式，所述距离方程的表达式为：

(X_i-X₀)²+(Y_i-Y₀)²+(Z_i-Z₀)²＝L_i ²；

其中，X_i，Y_i，Z_i(i＝1,2,3,...,2N)分别为2N个所述定位环的中心坐标值，L_i(i＝1,2,3,...,2N)分别为2N个所述定位环中心点到所述检测机构140的距离，X₀，Y₀，Z₀为所述检测机构位置的实际坐标。

在本实施例中，构建好2N个距离方程后，定位环120的中心坐标值X_i，Y_i，Z_i为固定值，每个定位环120中心点到检测机构140(以检测球142球心为基准)的距离L_i可通过自回复测量线132读数获取，X₀，Y₀，Z₀即为要求解的值。

作为一种可选的实施方式，获取所述检测机构140在所述测量位置的实际坐标，具体包括：

在所述距离方程的表达式中任选4组，每一组通过平方公式展开并两两相减消去二次项，分别得到求解所述检测机构140的实际坐标的四组解，四组解分别表示为P_m(X_m，Y_m，Z_m)、P_n(X_n，Y_n，Z_n)、P_p(X_p，Y_p，Z_p)、P_q(X_q，Y_q，Z_q)；

然后构造最小二乘函数如下：

令

最小，即对

求偏导：

然后解得X₀，Y₀，Z₀，即得到所述检测机构140在所述测量位置的实际坐标。

作为一种可选的实施方式，所述空间定位误差的表达式如下：

δ_x＝X₀-X_理论；

δ_y＝Y₀-Y_理论；

δ_z＝Z₀-Z_理论；

式中，δ_x、δ_y、δ_z分别为机床主轴150在X，Y，Z轴的空间定位误差，X_理论、Y_理论、Z_理论分别为机床主轴150运行到所述测量位置时的理论位置(可直接通过机床上控制面板的读数获取)。

在本实施例中，构建好距离方程(2N个)后，通过一系列计算即可获取机床主轴150在X，Y，Z轴的空间定位误差，计算结果准备，依靠上述计算公式，对空间定位误差的获取具有指导性意义。

以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种数控机床空间定位精度检测装置，其特征在于，所述数控机床包括两个相对设置的机床立柱；

所述装置包括：

定位环，两所述机床立柱相对的一面均设置有N个所述定位环，所有所述定位环之间围成立体空间；其中，N为大于等于2的自然数；

线尺盒，所述线尺盒与所述定位环的数量相等，线尺盒分别设置在所述机床立柱上靠近对应所述定位环的位置，每个所述线尺盒的自回复测量线活动穿过对应位置的定位环且每个所述线尺盒的自回复测量线的线头连接有连接头；

检测机构，所述检测机构位于两所述机床立柱之间，所述检测机构的一端用于连接机床主轴，所述检测机构的另一端用于连接每个所述连接头。

2.根据权利要求1所述的一种数控机床空间定位精度检测装置，其特征在于，所述定位环包括：

螺纹柱，所述螺纹柱螺纹连接于所述机床立柱；

标准环，所述标准环与所述螺纹柱连接，所述自回复测量线活动穿过所述标准环。

3.根据权利要求2所述的一种数控机床空间定位精度检测装置，其特征在于，所述检测机构包括：

刀柄，所述刀柄用于连接所述机床主轴；

检测球，所述检测球连接在所述刀柄底部，每个所述连接头均连接在所述检测球上。

4.根据权利要求3所述的一种数控机床空间定位精度检测装置，其特征在于，所述检测球上开设有2N个指向球心的插孔，所述连接头插接在对应插孔内。

5.根据权利要求1所述的一种数控机床空间定位精度检测装置，其特征在于，所述线尺盒的材质为磁性材料，且所述线尺盒可磁性吸附在所述机床立柱上。

6.一种基于权利要求1-5中任一项所述的数控机床空间定位精度检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取所述定位环围成的立体空间的中心坐标，以获取的所述中心坐标作为测量起始位置；

使机床主轴带动所述检测机构从所述测量起始位置运动至所述立体空间内的测量位置；

基于不同方向的所述自回复测量线与所述检测机构的距离构造距离方程；

获取所述检测机构在所述测量位置的实际坐标，将所述实际坐标与所述检测机构对应所述测量位置的理论位置坐标进行对比，得到机床主轴运动至所述测量位置时的空间定位误差。

7.根据权利要求6所述的一种基于数控机床空间定位精度检测装置的检测方法，其特征在于，所述距离方程的表达式为：

(X_i-X₀)²+(Y_i-Y₀)²+(Z_i-Z₀)²＝L_i ²；

其中，X_i，Y_i，Z_i(i＝1,2,3,...,2N)分别为2N个所述定位环的中心坐标值，L_i(i＝1,2,3,...,2N)分别为2N个所述定位环中心点到所述检测机构的距离，X₀，Y₀，Z₀为所述检测机构位置的实际坐标。

8.根据权利要求7所述的一种基于数控机床空间定位精度检测装置的检测方法，其特征在于，所述获取所述检测机构在所述测量位置的实际坐标，具体包括：

在所述距离方程的表达式中任选4组，每一组通过平方公式展开并两两相减消去二次项，分别得到求解所述检测机构的实际坐标的四组解，四组解分别表示为P_m(X_m，Y_m，Z_m)、P_n(X_n，Y_n，Z_n)、P_p(X_p，Y_p，Z_p)、P_q(X_q，Y_q，Z_q)；

然后构造最小二乘函数如下：

令

最小，即对

求偏导：

然后解得X₀，Y₀，Z₀，即得到所述检测机构在所述测量位置的实际坐标。

9.根据权利要求8所述的一种基于数控机床空间定位精度检测装置的检测方法，其特征在于，所述空间定位误差的表达式如下：

δ_x＝X₀-X_理论；

δ_y＝Y₀-Y_理论；

δ_z＝Z₀-Z_理论；

式中，δ_x、δ_y、δ_z分别为机床主轴在X，Y，Z轴的空间定位误差，X_理论、Y_理论、Z_理论分别为机床主轴运行到所述测量位置时的理论位置。

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