CN116026270B - 一种三轴装刀机的三维扫描测头标定方法 - Google Patents

一种三轴装刀机的三维扫描测头标定方法 Download PDF

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CN116026270B CN202310320333.1A CN202310320333A CN116026270B CN 116026270 B CN116026270 B CN 116026270B CN 202310320333 A CN202310320333 A CN 202310320333A CN 116026270 B CN116026270 B CN 116026270B
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Abstract

本发明提供了一种三轴装刀机的三维扫描测头标定方法，包括S01，标准球安装，S02，球形测针标定，S03，球形测针变形补偿，S04，圆柱测针标定，S05，圆柱测针变形补偿。本发明采用非线性方程组方法构建三轴装刀机的三维扫描测头标定计算模型，采用最小二乘法拟合设备轴位移和测头位移数据，计算出测杆变形补偿系数，实现测头偏移量精确补偿。并且同样可以应用于其他三轴设备的测头标定。

Description

一种三轴装刀机的三维扫描测头标定方法
技术领域
本发明属于精密测量技术领域，具体涉及一种三轴装刀机的三维扫描测头标定方法。
背景技术
三轴装刀机用于螺旋锥齿轮尖齿刀具的安装校正，以确保切削刀具的装刀精度合格。其精度与装刀机的运动控制精度以及所选测头精度密切相关。
随着传感器技术和测量技术的发展，三维扫描测头因其可实现高速测量、高精度测量的特性，三维扫描测头广泛应用于高精度的坐标测量机、齿轮测量中心及其他精密测量设备。三维扫描测头也称三维线性测头，一般具有三个正交的测量方向，其测头的模拟输出信号与测头的压量成正比。安装有三维扫描测头的测量系统的测量值一般由设备轴系位移传感器的坐标值和扫描测头传感器坐标值组成。
现有技术中，装刀机一般为四轴结构，三维扫描测头的标定方法采用的是转台轴固定，通过三根直线轴的移动，单点探测或者连续扫描标准球上的点，运用最小二乘法拟合得到标准球的球心坐标点。而当应用的装刀机为三轴结构，只有一个旋转轴、两个直线轴的时候，无法采用常规标定方法进行探测。因此需要研发一种三轴装刀机的三维扫描测头标定方法。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的上述技术问题之一。为此，本发明提供了一种三轴装刀机的三维扫描测头标定方法，采用非线性方程组构建三轴装刀机的三维扫描测头标定计算模型。
根据本发明实施例的三轴装刀机的三维扫描测头标定方法，包括以下步骤：
S01，标准球安装，将标准球设于转台中心孔；
S02，球形测针标定，通过球形测针探测标准球上下左右四个点坐标，计算标准球球形粗标定值，再控制标准球转动到四个不同转台位置，通过球形测针依次触碰四个位置下的标准球，采集四个位置触碰的标准球球形坐标，构建非线性方程组，计算得到转台坐标系在球形测针测量坐标系中的位置；
S03，球形测针变形补偿，控制球形测针沿径向、切向和轴向对标准球进行触碰测量，采用最小二乘法计算球形测针的径向、切向和轴向的变形补偿系数；
S04，圆柱测针标定，控制标准球转动至圆柱测针正下方，圆柱测针触碰标准球，计算得到转台坐标系在圆柱测针测量坐标系中的位置；
S05，圆柱测针变形补偿，控制圆柱测针处于标准球正上方，通过移动轴实时采集圆柱测针数据，采用最小二乘法计算圆柱测针轴向变形补偿系数。
根据本发明的一些实施方式，所述三轴装刀机包括转台转动轴C轴和平行于C轴轴线的Z轴以及转台径向的X轴，定义所述三轴装刀机的转台切向为Y轴，定义三维扫描测头的坐标系EX、EY、EZ轴分别平行于X、Y、Z轴。
根据本发明的一些实施方式，在步骤S02中，调节C轴，使得标准球处于C轴靠近球形测针的一端，再调节Z/X/C轴，使得球形测针位于标准球中心位置的正前方，通过XZ轴联动触碰标准球上下左右四个点，所有的坐标均在以标准球的中心为球心，半径为R+r的球面上，其中R为标准球半径、r为球形测针半径，对球形测针的球心坐标采用最小二乘法拟合球算法，计算得到标准球球心在球形测针测量坐标系下的位置。
根据本发明的一些实施方式，定义
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为所述三轴装刀机的机器坐标系、/>
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根据本发明的一些实施方式，标准球球心Z坐标
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取四个触碰点球形测针坐标Z坐标的平均值。
根据本发明的一些实施方式，在步骤S03中，计算标准球球心与测量坐标系X轴重合，即Y坐标为0的两个位置的X轴坐标和C轴坐标，计算标准球球心的Y坐标为R+r时的位置X轴坐标和C轴坐标；
标准球位于转台轴线右侧时，其球心与X轴重合的位置记为
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同理，C轴角度为
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根据本发明的一些实施方式，步骤S04中，定义
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根据本发明实施例的三轴装刀机的三维扫描测头标定方法，至少具有以下有益效果：本发明采用非线性方程组方法构建三轴装刀机的三维扫描测头标定计算模型，采用最小二乘法拟合设备轴位移和测头位移数据，计算出测杆变形补偿系数，实现测头偏移量精确补偿。并且同样可以应用于其他三轴设备的测头标定。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：
图1为本方法所应用的一种具体机床的结构示意图；
图2为圆柱测针标定的示意图；
图3为球形测针标定的示意图；
图4为球形测针标定计算的示意图；
图5为球形测针EX、EZ变形补偿系数计算的示意图；
图6为球形测针EY变形补偿系数计算的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下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，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。
在本发明的描述中，多个指的是两个以上。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参照图1至图6所示，本发明一种实施例的三轴装刀机的三维扫描测头标定方法，包括以下步骤：
S01，标准球101安装，将标准球101设于转台100中心孔；
S02，球形测针102标定，通过球形测针102探测标准球101上下左右四个点坐标，计算标准球101球形粗标定值，再控制标准球101转动到四个不同转台100位置，通过球形测针102依次触碰四个位置下的标准球101，采集四个位置触碰的标准球101球形坐标，构建非线性方程组，计算得到转台100坐标系在球形测针102测量坐标系中的位置；
S03，球形测针102变形补偿，控制球形测针102沿径向、切向和轴向对标准球101进行触碰测量，采用最小二乘法计算球形测针102的径向、切向和轴向的变形补偿系数；
S04，圆柱测针103标定，控制标准球101转动至圆柱测针103正下方，圆柱测针103触碰标准球101，计算得到转台100坐标系在圆柱测针103测量坐标系中的位置；
S05，圆柱测针103变形补偿，控制圆柱测针103处于标准球101正上方，通过移动轴实时采集圆柱测针103数据，采用最小二乘法计算圆柱测针103轴向变形补偿系数。
根据本发明的一些实施方式，所述三轴装刀机包括转台100转动轴C轴和平行于C轴轴线的Z轴以及转台径向的X轴，定义所述三轴装刀机的转台100切向为Y轴，定义三维扫描测头的坐标系EX、EY、EZ轴分别平行于X、Y、Z轴。
根据本发明的一些实施方式，在步骤S02中，调节C轴，使得标准球101处于C轴靠近球形测针102的一端，再调节Z/X/C轴，使得球形测针102位于标准球101中心位置的正前方，通过XZ轴联动触碰标准球101上下左右四个点，所有的坐标均在以标准球101的中心为球心，半径为R+r的球面上，其中R为标准球101半径、r为球形测针102半径，对球形测针102的球心坐标采用最小二乘法拟合球算法，计算得到标准球101球心在球形测针102测量坐标系下的位置。
根据本发明的一些实施方式，定义
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由于圆柱测针103的EX、EY方向不参与测量，故不需要考虑变形补偿，只需考虑圆柱测针103在EZ方向的变形。
C轴角度为
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时，圆柱测针103触碰标准球101的顶部中心点，按照计算球形测针102在EZ方向变形补偿系数的方法得到圆柱测针103在EZ方向的变形补偿系数。
本发明具有以下优势：
1、本发明采用非线性方程组方法构建三轴装刀机的三维扫描测头标定计算模型。
2、采用最小二乘法拟合设备轴位移和测头位移数据，计算出测杆变形补偿系数，实现测头偏移量精确补偿。
3、并且同样可以应用于其他三轴设备的测头标定。
上面结合实施例对本发明作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (4)

1.一种三轴装刀机的三维扫描测头标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01，标准球安装，将标准球设于转台中心孔；
S02，球形测针标定，通过球形测针探测标准球上下左右四个点坐标，计算标准球球形粗标定值，再控制标准球转动到四个不同转台位置，通过球形测针依次触碰四个位置下的标准球，采集四个位置触碰的标准球球形坐标，构建非线性方程组，计算得到转台坐标系在球形测针测量坐标系中的位置；
S03，球形测针变形补偿，控制球形测针沿径向、切向和轴向对标准球进行触碰测量，采用最小二乘法计算球形测针的径向、切向和轴向的变形补偿系数；
S04，圆柱测针标定，控制标准球转动至圆柱测针正下方，圆柱测针触碰标准球，计算得到转台坐标系在圆柱测针测量坐标系中的位置；
S05，圆柱测针变形补偿，控制圆柱测针处于标准球正上方，通过移动轴实时采集圆柱测针数据，采用最小二乘法计算圆柱测针轴向变形补偿系数；
所述三轴装刀机包括转台转动轴C轴和平行于C轴轴线的Z轴以及转台径向的X轴，定义所述三轴装刀机的转台切向为Y轴，定义三维扫描测头的坐标系EX、EY、EZ轴分别平行于X、Y、Z轴；
在步骤S02中，调节C轴，使得标准球处于C轴靠近球形测针的一端，再调节Z/X/C轴，使得球形测针位于标准球中心位置的正前方，通过XZ轴联动触碰标准球上下左右四个点，所有的坐标均在以标准球的中心为球心，半径为R+r的球面上，其中R为标准球半径、r为球形测针半径，对球形测针的球心坐标采用最小二乘法拟合球算法，计算得到标准球球心在球形测针测量坐标系下的位置；
定义
Figure QLYQS_1
为所述三轴装刀机的机器坐标系、/>
Figure QLYQS_2
为球形测针坐标系、/>
Figure QLYQS_3
为转台坐标系，测量坐标系/>
Figure QLYQS_4
由机器坐标系和球形测针坐标系线性合成；
记测量坐标系
Figure QLYQS_5
与转台坐标系/>
Figure QLYQS_6
重合时在机器坐标系中的坐标为（/>
Figure QLYQS_7
），标准球球心到C轴的距离为d，标准球初始位置C1在转台坐标系/>
Figure QLYQS_8
的初始角度/>
Figure QLYQS_9
；
在步骤S02中，先保持球形测针在C轴右侧的标准球球心位置，旋转C轴使标准球顺时针触碰球形测针，此时C轴坐标记为
Figure QLYQS_11
，标准球球心坐标记为/>
Figure QLYQS_14
，球形测针的球心坐标记为/>
Figure QLYQS_17
；再旋转C轴使标准球逆时针触碰球形测针，此时C轴坐标记为/>
Figure QLYQS_13
，标准球球心坐标记为/>
Figure QLYQS_15
，球形测针的球心坐标记为/>
Figure QLYQS_19
；之后再控制球形测针保持在C轴左侧的标准球球心位置，旋转C轴使标准球逆时针触碰球形测针，此时C轴坐标记为/>
Figure QLYQS_21
，标准球球心坐标记为/>
Figure QLYQS_12
，球形测针的球心坐标记为/>
Figure QLYQS_16
；再旋转C轴使标准球顺时针触碰球形测针，此时C轴坐标记为/>
Figure QLYQS_18
，标准球球心坐标记为/>
Figure QLYQS_20
，球形测针的球心坐标记为/>
Figure QLYQS_10
；
上述四个位置的坐标值表示如下：
标准球球心坐标
Figure QLYQS_22
记为（/>
Figure QLYQS_23
）；
球形测针球心坐标
Figure QLYQS_24
记为（/>
Figure QLYQS_25
）；
其中i为测量点序号1、2、3、4；
在标准球旋转触碰过程中，球形测针的球心在Z向高度保持不变，那么标准球球心Z坐标
Figure QLYQS_26
为球形测针球心Z轴坐标值，球形测针触碰标准球四个位置点时，球形测针球心到标准球球心的距离为定值R+r；
根据标准球球心
Figure QLYQS_27
到球形测针球心/>
Figure QLYQS_28
的距离/>
Figure QLYQS_29
为定值R+r的关系，建立方程组为：
Figure QLYQS_30
=R+r；
解上述非线性方程组，可得四个未知参数的解，分别为转台旋转中心在测量坐标系
Figure QLYQS_31
中的坐标/>
Figure QLYQS_32
、/>
Figure QLYQS_33
，标准球球心到转台旋转轴线的距离d，C轴坐标在转台坐标系/>
Figure QLYQS_34
的初始角度
Figure QLYQS_35
。
2.根据权利要求1所述的三轴装刀机的三维扫描测头标定方法，其特征在于，标准球球心Z坐标
Figure QLYQS_36
取四个触碰点球形测针坐标Z坐标的平均值。
3.根据权利要求1所述的三轴装刀机的三维扫描测头标定方法，其特征在于，在步骤S03中，计算标准球球心与测量坐标系X轴重合，即Y坐标为0的两个位置的X轴坐标和C轴坐标，计算标准球球心的Y坐标为R+r时的位置X轴坐标和C轴坐标；
标准球位于转台轴线右侧时，其球心与X轴重合的位置记为
Figure QLYQS_37
，对应C轴角度记为/>
Figure QLYQS_38
，标准球位于转台轴线左侧时，其球心与X轴重合的位置记为/>
Figure QLYQS_39
，对应C轴角度记为/>
Figure QLYQS_40
；
标准球球心坐标
Figure QLYQS_41
记为（/>
Figure QLYQS_42
），i为测量点序号5、6；
标准球球心与X轴重合位置的
Figure QLYQS_43
点的Y向坐标为0，X向坐标为/>
Figure QLYQS_44
，即：
Figure QLYQS_45
，其中i=5、6；
解上述方程组可得
Figure QLYQS_46
、/>
Figure QLYQS_47
点的X向坐标/>
Figure QLYQS_48
、/>
Figure QLYQS_49
和C轴坐标/>
Figure QLYQS_50
、/>
Figure QLYQS_51
；
标准球在转台轴线右侧时，其球心的Y坐标为R+r时的位置记为
Figure QLYQS_52
，对应C轴角度记为/>
Figure QLYQS_53
；
标准球球心坐标
Figure QLYQS_54
记为（/>
Figure QLYQS_55
），
标准球球心与X轴重合位置的
Figure QLYQS_56
点的Y向坐标为R+r，X向坐标为/>
Figure QLYQS_57
，即：
Figure QLYQS_58
解上述方程组可得
Figure QLYQS_59
点的X向坐标/>
Figure QLYQS_60
，C轴坐标/>
Figure QLYQS_61
；
转台转动C轴角度至
Figure QLYQS_62
，即标准球球心与X轴重合的位置，球形测针分别触碰标准球右侧中心点和标准球左侧中心点，计算两点X向坐标的平均值作为标准球球心X坐标/>
Figure QLYQS_63
的精确值；
转台转动C轴角度至
Figure QLYQS_64
，即标准球球心与X轴重合的位置，球形测针分别触碰标准球的右侧中心点和标准球的左侧中心点，计算两点X向坐标的平均值作为标准球球心X坐标/>
Figure QLYQS_65
的精确值；
转台旋转中心在测量坐标系中的坐标精确值为：
Figure QLYQS_66
=（/>
Figure QLYQS_67
）/2；
转台转动C轴角度到
Figure QLYQS_68
，球形测针触碰标准球的正右方中心点，此时球形测针的EX方向预压量大于0.2mm，控制球形测针沿X轴方向分10次步进退出，记录每次步进的球形测针的EX值，用最小二乘法拟合10次步进测得的EX和X轴坐标，以X坐标为标准，得到EX方向的变形补偿系数；
同理，C轴角度为
Figure QLYQS_69
，球形测针触碰标准球的正上方中心点，得到EZ方向的变形补偿系数，C轴角度为/>
Figure QLYQS_70
时，球形测针触碰标准球的正前方中心点，得到测头EY方向的变形补偿系数。
4.根据权利要求3所述的三轴装刀机的三维扫描测头标定方法，其特征在于，步骤S04中，定义
Figure QLYQS_71
为圆柱测针坐标系，测量坐标系/>
Figure QLYQS_72
由机器坐标系和圆柱测针坐标系线性合成；
记测量坐标系
Figure QLYQS_73
与转台坐标系/>
Figure QLYQS_74
重合时在机器坐标系中的坐标为（/>
Figure QLYQS_75
），记测量坐标系/>
Figure QLYQS_76
相对测量坐标系/>
Figure QLYQS_77
在X方向上的偏置为/>
Figure QLYQS_78
；
转动C轴角度到
Figure QLYQS_79
，移动X轴使圆柱测针位于标准球的正上方中心，圆柱测针触碰标准球的正上方中心，圆柱测针地面中心坐标/>
Figure QLYQS_80
记为（/>
Figure QLYQS_81
）；
计算圆柱测针标定值（
Figure QLYQS_82
）分别为：
Figure QLYQS_83
。
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