CN114147539B - 一种柱面加工装置以及柱面夹角的装夹偏差判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柱面加工装置以及柱面夹角的装夹偏差判定方法，涉及机床加工技术领域，包括步骤：根据标准入射角度控制第一安装平台和第二安装平台进行基于正切关系的相对移动；根据第一安装平台的实际照射点与初始照射点的差值，获取激光发生器实际入射角度与标准入射角度之间的角度偏差量；获取第二安装平台调装有正多棱柱后，激光射线经柱体已加工面反射至位敏探测接收器上的光斑初始点；控制第二安装平台移动，并通过位敏探测接收器获取光斑偏移点与光斑初始点的偏移量；根据偏移量，获取柱体实际调装与标准调装之间的调装偏差量；根据总偏差量对加工面进行二次精加工。本发明利用激光镜反射，实现对正多棱柱柱面间装夹角度偏差的判断。

Description

一种柱面加工装置以及柱面夹角的装夹偏差判定方法

技术领域

本发明涉及机床加工技术领域，具体涉及一种柱面加工装置以及柱面夹角的装夹偏差判定方法。

背景技术

角度是最常见的几何量之一，角度测量技术按测量原理可以分为机械式、电磁式和光学方法测角等。

而对于高精度尺寸要求的正棱柱加工过程中，需要高精度的装夹角度来保证棱柱相邻柱面的夹角尺寸。通常采用分度盘作为工装夹具的支撑基座，进行角度的精确定位。但是高精度分度盘成本较高，且夹具设计过程中增加了结构的复杂性，给装夹系统引入了新的误差。

发明内容

为了降低正棱柱加工过程中，由于装夹偏差导致的加工精度缺失，本发明提出了一种柱面加工装置，所述加工装置包括：

底座，所述底座上设有第一轴向上的第一轨道和第二轴向上的第二轨道，所述第一轴向垂直于所述第二轴向；

第一安装平台和第二安装平台，均设置在所述底座上，所述第一安装平台可通过第一轨道沿第一轴向移动，所述第二安装平台可通过第二轨道沿第二轴向移动；

激光发生器和工件装夹装置，均设置在所述第一安装平台上；

位敏探测接收器和加工主轴，均设置在所述第二安装平台上。

进一步地，所述加工主轴上设有车刀，所述工件装夹装置装夹有柱体后，柱体经车刀加工生成平行于第二轴向的待加工面，所述激光发生器的入射激光经柱体柱面镜面反射于位敏探测接收器。

本发明还提出了一种用于柱面夹角的装夹偏差判定方法，包括沿第一轴向移动的第一安装平台，和沿与第一轴向水平垂向的第二轴向移动的第二安装平台，所述第一安装平台上设有接收第二轴向射线的位敏探测接收器，具体步骤如下：

S1：根据标准入射角度调整第二安装平台上的激光发生器的角度，记录初始照射点；

S2：根据标准入射角度，控制第一安装平台和第二安装平台进行基于正切关系的相对移动；

S3：根据第一安装平台的实际照射点与初始照射点的差值，基于正切关系获取激光发生器实际入射角度与标准入射角度之间的角度偏差量；

S4：第二安装平台调装有柱体后，获取激光射线经柱体已加工面反射至位敏探测接收器上的光斑初始点；

S5：控制第二安装平台移动，并通过位敏探测接收器获取光斑偏移点与光斑初始点的偏移量；

S6：根据偏移量，基于正切关系获取柱体实际调装与标准调装之间的调装偏差量。

进一步地，所述已加工面为镜面，所述第一安装平台上设有车刀，柱体调装于第二安装平台后，经车刀初步加工，生成平行于第二轴向的待加工面，步骤S6之后还包括步骤：

S7：基于角度偏差量和调装偏差量之和获取棱柱已加工面与待加工面间的夹角与标准柱面夹角间的总偏差量；

S8：根据总偏差量通过车刀对待加工面进行二次精加工。

进一步地，所述柱体经加工后为正多棱柱，标准入射角度为根据正多棱柱的标准柱面夹角进行获取，所述待加工面经二次精加工后为已加工面。

进一步地，所述S3步骤中，角度偏移量的获取可表示为如下公式：

式中，β为标准入射角度，N为正多棱柱的棱数，d₁为实际照射点与初始照射点的差值，L₁为第二安装平台相对移动过程中移动的距离，D为实际入射角度下第一安装平台根据正切关系应该移动的距离，E₁为角度偏移量。

进一步地，所述S6步骤中，调装偏差量的获取可表示为如下公式：

式中，d₂为偏移量，L₂为所述S5步骤中发射平台移动的距离，E₂为调装偏差量。

进一步地，所述S4步骤前，还包括步骤:

S40：控制第二安装平台和第一安装平台返回初始位置。

进一步地，所述S3步骤前，还包括步骤：

S21：判断实际照射点与初始照射点的差值是否小于预设差值，若是，进入步骤S4，若否，进入步骤S22；

S22：调整激光发生器的角度使实际照射点与初始照射点一致后，控制第一安装平台和第二安装平台返回初始位置，返回步骤S2。

进一步地，所述S6步骤前，还包括步骤：

S51：判断偏移量是否小于预设偏移量，若是，进入步骤S6，若否，进入步骤S52；

S52：调整柱体的安装角度使光斑偏移点与光斑初始点一致后，控制第二安装平台返回初始位置，返回步骤S5。

与现有技术相比，本发明至少含有以下有益效果：

（1）本发明所述的一种柱面加工装置以及柱面夹角的装夹偏差判定方法，基于机床精加工过程中已加工面的镜面效应，利用激光镜面反射，进行三角函数的计算从而测算出激光发射器角度调节过程中的角度误差，以及工件调装过程中的角度误差，从而得出整体误差，对加工过程中的加工面进行二次精加工；

（2）通过平台间的相对移动，在确定激光发生器自身的角度误差后对其进行调整，从而减小激光发生器的角度误差；

（3）通过对已调装柱体的第二安装平台进行移动，在确定了工件调装过程中的角度误差后对其进行调整，从而减小由于调装造成的角度误差；

（4）将车刀设于第一安装平台，从而保证加工过程中加工面始终平行于第二轴向，从而确定基准角度，在无需额外测量基准角度的情况下，避免角度不确定导致的测量不确定性。

附图说明

图1为一种用于柱面夹角的装夹偏差判定方法的方法步骤图；

图2为一种柱面加工装置的示意图；

图3为入射角度判定示意图；

图4为加工平台相对移动示意图；

图5为正多棱柱调装判定示意图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例一

为了满足正多棱柱加工的精度要求，减小测量过程中由于器械安装带来的误差，本发明提出了一种用于柱面夹角的装夹偏差判定方法，该方法所对应的柱面加工装置如图2所示，包括：

底座，所述底座上设有第一轴向上的第一轨道和第二轴向上的第二轨道，所述第一轴向垂直于所述第二轴向；

第一安装平台1和第二安装平台4，均设置在所述底座上，所述第一安装平台可通过第一轨道沿第一轴向移动，所述第二安装平台可通过第二轨道沿第二轴向移动；

激光发生器3和工件装夹装置8，均设置在所述第一安装平台上；

位敏探测接收器5和加工主轴6，均设置在所述第二安装平台上。

其中，激光发生器通过激光固定装置2以入射角β安装于底座第二轴向（定义为y轴）上的第二安装平台（对应第一安装平台），工件7通过工件夹紧装置安装于第二安装平台上，并调整工件的角度来保证反射光线平行于主轴（第二轴向），以此保证工件安装角度尺寸的精度。同时，还在第二轴向水平垂向的第一轴向（定义为x轴）移动上设有第一安装平台（对应第二安装平台）。而在加工主轴上还设有车刀9，当工件随第二安装平台靠近车刀时，车刀割削工件，使工件产生平行于xz平面的切割面。

如图1所示，本发明所述的装夹偏差判定方法主要包括步骤：

S1：根据标准入射角度调整第二安装平台上的激光发生器的角度，记录初始照射点；

S2：根据标准入射角度，控制第一安装平台和第二安装平台进行基于正切关系的相对移动；

S21：判断实际照射点与初始照射点的差值是否小于预设差值，若是，进入步骤S4，若否，进入步骤S22；

S22：调整激光发生器的角度使实际照射点与初始照射点一致后，控制第一安装平台和第二安装平台返回初始位置，返回步骤S2；

S3：根据第一安装平台的实际照射点与初始照射点的差值，基于正切关系获取激光发生器实际入射角度与标准入射角度之间的角度偏差量；

S40：控制第二安装平台和第一安装平台返回初始位置；

S4：第二安装平台调装有柱体后，获取激光射线经柱体已加工面反射至位敏探测接收器上的光斑初始点；

S5：控制第二安装平台移动，并通过位敏探测接收器获取光斑偏移点与光斑初始点的偏移量；

S51：判断偏移量是否小于预设偏移量，若是，进入步骤S6，若否，进入步骤S52；

S52：调整柱体的安装角度使光斑偏移点与光斑初始点一致后，控制第二安装平台返回初始位置，返回步骤S5；

S6：根据偏移量，基于正切关系获取柱体实际调装与标准调装之间的调装偏差量；

S7：基于角度偏差量和调装偏差量之和获取柱体已加工面与待加工面间的夹角与标准柱面夹角间的总偏差量；

S8：根据总偏差量通过车刀对待加工面进行二次精加工。

需要注意的是，已加工面为镜面，柱体调装于第二安装平台后，经车刀初步加工，生成平行于第二轴向的待加工面。

同时，柱体经加工后为正多棱柱，标准入射角度为根据正多棱柱的标准柱面夹角进行获取，可表示为如下公式：

如图3所示，本实施例以正六棱柱为例，α为正六棱柱的内角，β为标准入射角度，N为正多棱柱的棱数。

整体上，本发明所指出的判定发法分为3个部分，也即是激光发射角度误差确定阶段（S1步骤至S3步骤）、工件调装角度误差确定阶段（S4步骤至S6步骤），以及二次加工阶段（S7步骤至S8步骤）。

在正常情况下，激光发射器如果完全按照入射角度进行安装，其发射出的射线并不会出现角度误差。但是，在激光发生器安装过程中，由于安装精度无法完全满足要求，导致安装后的激光发生器其入射角度还是存在一定的角度偏差，同时，在多次使用后，平台的震动也有可能导致激光发生器发生入射角度微量偏移。因此，在激光发生器每次投入使用时，都需要对其进行调校。

这里，在入射角度无偏差的理想状态下，本发明是利用三角函数，结合平台相对移动过程中对角以及对边相等的特点，通过对第一安装平台实际移动距离的测算从而获取实际的入射角度。因为如果入射角度存在偏差，平台相对移动过程中所形成的平行四边形是与无偏差下的理想平行四边形是存在偏差的（也即是第二安装平台上的移动距离相同，但第一安装平台上的实际照射距离D与理想状态下的照射距离D’存在偏差）。

如图4所示，通过移动第二安装平台距离L₁，再根据标准入射角度，利用正切关系确定第一安装平台的移动距离，也即是

。此时，若是激光的入射角度没有偏差，那么此时激光射线在位敏探测接收器上的实际照射点应当与初始照射点相同，而如果入射角度存在偏差，那么此时位敏探测接收器就会感应到偏差距离d₁（实际照射点与初始照射点的差值）。那么，当前实际入射角度下，第一安装平台实际应当移动的标准距离应为，

根据第一安装平台的标准距离，那么就可以求得当前的实际入射角度与标准入射角度的角度偏差量，

同时，为了避免角度偏差量过大，当d₁大于预设差值时，调整激光固定装置以改变激光发生器的入射角度，使激光仍照射于位敏探测接收器上的初始照射点，并控制两个平台返回初始位置，并重复相应步骤。

而在对激光发生器进行调校完成后，就需要将正多棱柱安装至第二安装平台上，如图5所示，在大致调整角度后，通过工件夹紧装置固定，使激光的入射角度大致与主轴平行，放置位敏探测接收器， 记录光斑初始点。而后移动第二安装平台距离L₂，观察反射光线在位敏接收探测器上的偏移距离d₂。此时若偏移距离小于预设偏移量，则可直接计算调装误差量，否则微调工件使反射光斑与初始光斑位置重合，并移动第二安装平台至初始位置，重复相应步骤。

其中，调装误差量可表示为如下公式：

式中，d₂为偏移量，L₂为所述S5步骤中发射平台移动的距离，E₂为调装偏差量。

最后，结合角度偏差量和调装偏差量之和即为总角度偏差量，根据该总偏差量即可对加工面进行二次精加工。

需要说明的是，放置在第二安装平台上的柱体可以是任意形状的柱体，只要通过车刀进行基加工面的确认后，即可进行下一加工面的切削，从而逐个完成正多棱柱各棱柱面的切削。

综上所述，本发明所述的一种柱面加工装置以及柱面夹角的装夹偏差判定方法，基于机床精加工过程中已加工面的镜面效应，利用激光镜面反射，进行三角函数的计算从而测算出激光发射器角度调节过程中的角度误差，以及工件调装过程中的角度误差，从而得出整体误差，对加工过程中的加工面进行二次精加工。

通过平台间的相对移动，在确定激光发生器自身的角度误差后对其进行调整，从而减小激光发生器的角度误差。通过对已调整正多棱柱的第二安装平台进行移动，在确定了工件调装过程中的角度误差后对其进行调整，从而减小由于调装造成的角度误差。

将车刀设于第一安装平台，从而保证加工过程中加工面始终平行于第二轴向，从而确定基准角度，在无需额外测量基准角度的情况下，避免角度不确定导致的测量不确定性。

需要说明，本发明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（如附图所示）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。 另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”、“一”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。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，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发明中的具体含义。

另外，本发明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，也不在本发明要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于柱面夹角的装夹偏差判定方法，其特征在于，应用该方法的柱面加工装置，包括：

底座，所述底座上设有第一轴向上的第一轨道和第二轴向上的第二轨道，所述第一轴向垂直于所述第二轴向；

第一安装平台和第二安装平台，均设置在所述底座上，所述第一安装平台可通过第一轨道沿第一轴向移动，所述第二安装平台可通过第二轨道沿第二轴向移动；

激光发生器和工件装夹装置，均设置在所述第二安装平台上；

位敏探测接收器和加工主轴，均设置在所述第一安装平台上；

所述加工主轴上设有车刀，所述工件装夹装置装夹有柱体后，柱体经车刀加工生成平行于第一轴向的待加工面，所述激光发生器的入射激光经柱体柱面镜面反射于位敏探测接收器；

具体判定步骤如下：

S1：根据标准入射角度调整第二安装平台上的激光发生器的角度，记录初始照射点；

S2：根据标准入射角度，控制第一安装平台和第二安装平台进行基于正切关系的相对移动；

S3：根据第一安装平台的实际照射点与初始照射点的差值，基于正切关系获取激光发生器实际入射角度与标准入射角度之间的角度偏差量；

S4：第二安装平台调装有柱体后，获取激光射线经柱体已加工面反射至位敏探测接收器上的光斑初始点；

S5：控制第二安装平台移动，并通过位敏探测接收器获取光斑偏移点与光斑初始点的偏移量；

S6：根据偏移量，基于正切关系获取柱体实际调装与标准调装之间的调装偏差量；

所述步骤S6之后还包括步骤：

S7：基于角度偏差量和调装偏差量之和获取柱体已加工面与待加工面间的夹角与标准柱面夹角间的总偏差量；

S8：根据总偏差量通过车刀对待加工面进行二次精加工；

所述已加工面为镜面，所述柱体经加工后为正多棱柱，标准入射角度为根据正多棱柱的标准柱面夹角进行获取，所述待加工面经二次精加工后为已加工面；

所述S3步骤中，角度偏差量的获取可表示为如下公式：

式中，β为标准入射角度，N为正多棱柱的棱数，d₁为实际照射点与初始照射点的差值，L₁为第二安装平台相对移动过程中移动的距离，D为实际入射角度下第一安装平台根据正切关系应该移动的距离，E₁为角度偏差量。

2.如权利要求1所述的一种用于柱面夹角的装夹偏差判定方法，其特征在于，所述S6步骤中，调装偏差量的获取可表示为如下公式：

式中，d₂为偏移量，L₂为所述S5步骤中第二安装平台移动的距离，E₂为调装偏差量。

3.如权利要求1所述的一种用于柱面夹角的装夹偏差判定方法，其特征在于，所述S4步骤前，还包括步骤：

S40：控制第二安装平台和第一安装平台返回初始位置。

4.如权利要求3所述的一种用于柱面夹角的装夹偏差判定方法，其特征在于，所述S3步骤前，还包括步骤：

S21：判断实际照射点与初始照射点的差值是否小于预设差值，若是，进入步骤S4，若否，进入步骤S22；

S22：调整激光发生器的角度使实际照射点与初始照射点一致后，控制第一安装平台和第二安装平台返回初始位置，返回步骤S2。

5.如权利要求3所述的一种用于柱面夹角的装夹偏差判定方法，其特征在于，所述S6步骤前，还包括步骤：

S51：判断偏移量是否小于预设偏移量，若是，进入步骤S6，若否，进入步骤S52；

S52：调整柱体的安装角度使光斑偏移点与光斑初始点一致后，控制第二安装平台返回初始位置，返回步骤S5。

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