CN117047561A - 探头校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机床加工技术领域，公开了一种探头校准方法，该探头校准方法包括以下步骤：将已知长度的基准刀具安装在机床的主轴上，使基准刀具移动至固定在机床上的探头校准装置上方且不与探头校准装置接触；释放探头校准装置，探头校准装置的上表面作为Z向基准面与基准刀具弹性抵接，锁定探头校准装置，使Z向基准面在Z向的坐标固定，Z向基准面的Z向坐标值即为Z向基准坐标；将待校准探头安装在主轴上，使待校准探头抵接Z向基准面，获得主轴的端面Z向坐标，主轴的端面Z向坐标减去待校准探头的理论长度所得的值与Z向基准坐标值之间的差值即为待校准探头在Z向的校准变量。上述探头校准方法简化了探头Z向校准过程，操作简单。

Description

探头校准方法

技术领域

本发明涉及机床加工技术领域，尤其涉及一种探头校准方法。

背景技术

使用探头用于机床上的测量是已知的，所述探头一般为接触类型，例如在与待加工工件或与待设定工具接触后即刻触发信号的接触式触发探头。当触发信号发出时，可以从机床的刻度尺或其它位置变换器取得读数。

探头使用前，需要进行校准并在使用期间每隔一定的周期再校准，以确定探头在机床的坐标系中的基准位置或偏移。在现有技术中，对探头Z向坐标的校准通常需要借助已知长度的基准刀具、环规和量块，已知长度的基准刀具安装在主轴上，随后手动移动主轴使基准刀具位于环规上表面，通过量块确定基准刀具与环规之间的距离(基准刀具与环规不能直接接触，避免撞击风险)，环规上表面为Z向基准面，其Z向坐标值等于主轴端面(主轴安装基准刀具或探头一端的端面)的Z向坐标-基准刀具长度-量块高度，将该值填入坐标系中即为Z向基准坐标值，在获取该值过程中，需要手动移动主轴使基准刀具与环规表面的高度刚好为量块高度，校准时间长，而且相对误差较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种探头校准方法，能够简化探头校准工序，快速找到探头Z向基准坐标，减少操作时间，提高校准效率和校准精度。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

探头校准方法，包括以下步骤：

S1、将已知长度的基准刀具安装在机床的主轴上，移动所述主轴，使所述基准刀具移动至固定在所述机床上的探头校准装置上方且不与所述探头校准装置接触；

S2、释放所述探头校准装置，所述探头校准装置的上表面作为Z向基准面与所述基准刀具弹性抵接，锁定所述探头校准装置，使所述Z向基准面在Z向的坐标固定，所述Z向基准面的Z向坐标值即为Z向基准坐标；

S3、将待校准探头安装在所述主轴上，移动所述主轴，使所述待校准探头抵接所述Z向基准面，获得所述主轴的端面Z向坐标，所述主轴的端面Z向坐标减去所述待校准探头的理论长度所得的值与所述Z向基准坐标值之间的差值即为所述待校准探头在Z向的校准变量。

作为优选，在将所述基准刀具和所述待校准探头安装到所述主轴前，需要将所述基准刀具以及所述待校准探头的长度输入到机床的控制系统内。

作为优选，还包括对探头X向和Y向的校准，主要步骤如下：

所述主轴带动所述待校准探头移动并与柱规的壁面的多个位置接触，将所述待校准探头测得的所述柱规的直径与所述柱规的实际直径比较，得到所述待校准探头在XY向的校准变量。

作为优选，在将所述基准刀具和所述待校准探头安装在所述主轴后，需要对所述基准刀具与所述主轴的同轴度以及所述待校准探头与所述主轴的同轴度进行调整。

作为优选，所述探头校准装置包括：

底座；

Z向基准块，所述Z向基准块的上表面为Z向基准面；

弹性件，连接所述底座和所述Z向基准块，使所述Z向基准块保持沿Z向远离所述底座的趋势；

锁紧组件，包括锁紧所述底座和所述Z向基准块的第一状态以及松开所述底座和所述Z向基准块的第二状态。

作为优选，所述探头校准装置还包括柱规，所述Z向基准块嵌设于所述柱规上，且所述Z向基准面凸出于所述柱规的端面。

作为优选，所述弹性件为压缩弹簧，所述底座内开设沿所述压缩弹簧轴向设置的导向孔，所述柱规远离所述Z向基准面的一侧连接有柱规杆，所述柱规杆插入所述导向孔内与所述压缩弹簧连接。

作为优选，所述锁紧组件包括：

锁紧套筒，所述锁紧套筒设置在所述底座上；

旋转轴，沿所述锁紧套筒的轴向设置于所述锁紧套筒外；

锁紧扳手，包括把手和凸轮，所述凸轮套设在所述旋转轴上并与所述旋转轴转动连接；

箍环，位于所述锁紧套筒内部且与所述底座固接，所述箍环的壁面上开设有沿轴向贯通的切割缝，所述切割缝的两侧分别为所述箍环的锁定部和弹性部，所述弹性部保持向所述锁定部移动的趋势，以夹紧所述柱规；

锁紧销，沿所述旋转轴的径向插设于所述旋转轴上，所述锁紧销与所述弹性部固接，所述锁紧销能够插入所述锁定部开设的插孔内；

在所述弹性部的弹性作用下，所述凸轮与所述锁紧套筒的外壁面抵接。

作为优选，所述锁紧套筒的外壁面上设置内凹的限位面，所述限位面的延伸方向与所述切割缝的延伸方向一致。

作为优选，所述底座为磁性吸座。

本发明的有益效果：本发明中的探头校准方法摒弃了以往将环规固定的上表面所在的Z向坐标作为Z向基准坐标的做法，而是设置可向上移动的Z向基准面，由Z向基准面去寻找基准刀具的刀头所在的平面，然后利用锁紧组件将Z向基准面定位于刀头所在的平面，由于Z向基准面与基准刀具弹性抵接，在Z向基准面向基准刀具方向移动时，基准刀具不会产生损坏，因此无需经过多次尝试即可获取Z向基准坐标，提高了探头Z向校准速度，且校准精度高。

附图说明

图1是本发明实施例中寻找Z向基准坐标的校准方法；

图2是本发明实施例中对探头XY向的校准方法；

图3是本发明实施例中探头校准装置的立体结构示意图(锁紧组件处于第一状态)；

图4是本发明实施例中探头校准装置的立体结构示意图(锁紧组件处于第二状态)；

图5是图3中沿M向的剖视图。

图6是图3中沿N向的剖视图。

图中：

1、Z向基准面；2、柱规；3、XY向基准面；4、锁紧套筒；5、限位面；6、锁紧扳手；6-1、把手；6-2、凸轮；7、底座；8、箍环；8-1、锁定部；8-2、弹性部；9、弹性件；10、弹簧安装座；11、柱规杆；12、导向孔；13、锁紧销；14、夹持面；15、主轴；16、基准刀具；17、机床台面；18、待校准探头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

机床上的主轴用于夹持待加工工件或加工工具，主轴相对于机床能够在三个轴线维度X、Y、Z上移动。此移动分别通过X轴电机、Y轴电机以及Z轴电机驱动，机床的控制件根据运行的程序控制X轴电机、Y轴电机以及Z轴电机，且通过在伺服循环中提供位置反馈的X、Y、Z编码器或刻度尺(或其他位置变换器)来测量移动距离，所述控制件通常也控制主轴绕Z轴旋转，控制件可为常规的CNC控制器或单独计算机。当探头的球头与加工工具或待加工工件接触时能够发出触发信号，触发信号能够传递给控制件并记录X、Y、Z编码器或刻度尺的输出，从而给出主轴相对于机床主体在X、Y、Z轴各向的瞬时位置。探头使用前，需要对探头设定基准也就是设定主轴相对于机床的基准位置。

如图1-2所示，本发明的实施例中提出一种探头校准方法，能够实现对探头Z向的快速校准。该校准方法主要包括以下步骤：

S1、将已知长度的基准刀具16安装在主轴15的刀柄上，移动主轴15，使基准刀具16移动至固定在机床台面17上的探头校准装置上方并与探头校准装置间隔一定的距离，该间隔距离的确定高度是不重要的，只要保证基准刀具16与探头校准装置不直接接触即可。

本实施例中，基准刀具16选用BLUM 12mm标准球棒。

S2、释放探头校准装置，探头校准装置的上表面作为Z向基准面1与基准刀具16的刀头弹性抵接，锁定探头校准装置，使Z向基准面1在Z向的坐标固定，此时主轴15的端面Z向坐标值减去基准刀具16的长度L即可得到Z向基准面1的Z向坐标值，Z向基准面1的Z向坐标值即为Z向基准坐标。

S3、将待校准探头18安装在主轴15上，此时，待校准探头18的探针处于C1处，移动主轴15，使待校准探头18接触探头校准装置的Z向基准面1，测量多次获得主轴15的端面Z向坐标的平均值，该平均值减去待校准探头18的理论长度所得的值与Z向基准坐标值之间的差值即为待校准探头18在Z向的校准变量，在后续探头使用过程中校准变量需要补偿到探头检测的Z向坐标值中。

上述探头校准方法在确定Z向基准坐标时，使Z向基准面1沿Z轴移动并与基准刀具16的刀头弹性抵接，将现有技术中主轴15寻找Z向基准面1的动作调整为Z向基准面1寻找主轴15，由于Z向基准面1与基准刀具16的刀头能够弹性抵接，因此不会对基准刀具16产生损害，无需经过多次尝试即可获取Z向基准坐标，提高了探头Z向校准速度，且校准精度高。

本实施例中，在将基准刀具16和待校准探头18安装到主轴15前，需要将基准刀具16以及待校准探头18的长度输入到控制系统内，避免主轴15的端面的Z向初始坐标值小于基准刀具16或待校准探头18的长度。基准刀具16以及待校准探头18的长度可以通过千分表获取。例如，采用0.002mm分辨率千分表。

本实施例中的探头校准方法，还包括对探头X向和Y向的校准。在对Z向校准完毕后，主轴15带动待校准探头18移动并与柱规2的圆形壁面(XY向基准面3)的多个位置接触，根据“不在同一直线上的三点确定一个圆”原理确定柱规2的测量直径，多次测量后得到柱规2的测量直径的平均值，利用该平均值与柱规2的实际直径比较，得到待校准探头18在XY向的校准变量，在后续探头使用过程中，通过对X+、X-、Y+和Y-向待校准探头18与工件接触位置加上或减去上述确定的XY向的校准变量来进行偏移补偿。

参考图2所示对上述步骤进行详细说明。

M1、假设待校准探头18在进行Z向校准时，主轴15在点C1处，主轴15带动待校准探头18分别移动至点C2和点C5与XY向基准面3抵接,点C2、点C5的连线与机床设定的X轴方向平行，且点C1的投影落在点C2和点C5的连线上，根据点C2和点C5得到柱规2的圆心在X向的坐标值Xm(点C2和点C5在X向取得的读数的中点)。

M2、主轴15带动待校准探头18分别移动到点C3和点C4与XY向基准面3抵接，点C3、点C4的X坐标均为Xm，根据点C3和点C4得到柱规2的圆心在Y向的坐标值Ym(点C3和点C4在Y向取得的读数的中点)。

M3、主轴15带动待校准探头18分别移动到点C6和点C7与XY向基准面3抵接，点C6和点C7的Y坐标均为Ym。

由点C6、点C7获得待校准探头18测得的柱规2的测量直径。

需要强调的是，待校准探头18默认每次与XY向基准面3抵接的点不变，也就是说主轴15带动待校准探头18与柱规2的壁面的多个位置接触时，待校准探头18的球头与所述柱规2的壁面接触的点均为同一点，以减少待校准探头18与主轴15的径向偏差对XY向校准的影响。该点定义为固定接触点，测量X+方向时，固定测量点旋转到X+方向，测量Y+方向时，固定测量点旋转到Y+方向，测量X-方向时，固定测量点旋转到X-方向，测量Y-方向时，固定测量点旋转到Y-方向。

M4、重复上述步骤M1-M3,测量多次并得出待校准探头18测得的柱规2的测量直径平均值，利用该平均值与柱规2的实际直径比较，得到待校准探头18在X+、X-、Y+和Y-向的校准变量，上述校准变量均为待校准测头测得的柱规2的测量直径平均值与柱规2的实际直径差的二分之一。

本实施例中，在将基准刀具16和待校准探头18安装在主轴15后，还需要对基准刀具16和待校准探头18与主轴15的同轴度进行调整。具体操作方法是，主轴15带动基准刀具16和待校准探头18绕基准轴线回转一周，使用千分表测量基准刀具16以及待校准探头18圆跳动，若超过预设的跳动值说明基准刀具16和待校准探头18严重偏离主轴15轴心也就是基准轴线，需对主轴15上的刀柄进行居中调节或更换待校准探头18。示例性地，预设的跳动值为0.005mm。

如图3-图6所示的是本发明实施例中所用的探头校准装置，该探头校准装置包括底座7、Z向基准块、弹性件9和锁紧组件，其中Z向基准块的上表面为Z向基准面1，锁紧组件包括锁紧底座7和Z向基准块的第一状态以及松开底座7和Z向基准块的第二状态，弹性件9连接底座7和Z向基准块，使Z向基准块保持沿Z向远离底座7的趋势。

在对待校准探头18的Z轴进行校准时，上述探头校准装置置于主轴15下方，主轴15下降至与Z向基准块的上表面间隔一定的距离，锁紧组件由第一状态转化为第二状态，Z向基准块在弹性件9作用下，与主轴15上固定的基准刀具16抵接，锁紧组件再次锁紧底座7和Z向基准块，Z向基准面1的Z向坐标也就是主轴15的Z向基准坐标确定。

为了满足对探头X向和Y向的校准，该探头校准装置还包括柱规2，Z向基准块嵌设于柱规2上，且Z向基准面1凸出于柱规2的端面。

可选地，弹性件9采用压缩弹簧，压缩弹簧位于底座7内，底座7上开设与压缩弹簧压缩方向一致的导向孔12，柱规2远离Z向基准面1的一侧连接有柱规杆11，柱规杆11插入导向孔12与压缩弹簧连接，导向孔12同时起到对柱规杆11的导向作用。为了降低压缩弹簧的安装难度，导向孔12沿底座7的轴向贯通底座7设置，压缩弹簧一端与柱规杆11固接，另一端则与封堵于导向孔12远离Z向基准块一端的弹簧安装座10连接。

参考图5-图6所示，锁紧组件通过锁紧柱规杆11实现对柱规2以及嵌设于柱规2上的Z向基准块的锁定。锁紧组件包括锁紧套筒4、锁紧扳手6、旋转轴、箍环8以及锁紧销13，锁紧套筒4设置在底座7上且与底座7同轴，旋转轴沿锁紧套筒4轴向设置于锁紧套筒4外，锁紧扳手6包括把手6-1和凸轮6-2，凸轮6-2套设于旋转轴上并与旋转轴转动连接，把手6-1与凸轮6-2一体成型，用于旋转凸轮6-2，箍环8位于锁紧套筒4内部且与底座7固接，柱规杆11沿轴向穿过箍环8后与压缩弹簧连接，箍环8为环状结构，其内壁面为夹持柱规杆11的夹持面14，箍环8沿轴向开设有贯通箍环8两端的切割缝，切割缝的两侧分别为箍环8的锁定部8-1和弹性部8-2，箍环8采用具有弹性的材料制成，使弹性部8-2保持向锁定部8-1移动的趋势，锁紧销13沿旋转轴的径向插设于旋转轴上，其一端依次穿过锁紧套筒4和弹性部8-2并与锁紧套筒4固接，锁定部8-1上开设有供锁紧销13插入的插孔，在弹性部8-2的弹性作用下，凸轮6-2始终与锁紧套筒4的外壁面抵接。

随着凸轮6-2的旋转，旋转轴与锁紧套筒4之间的距离随之发生变化，进而带动锁紧销13移动，使弹性部8-2与锁紧套筒4之间的间隙也就是切割缝的宽度发生变化，当旋转轴与锁紧套筒4之间的距离减小时，弹性部8-2靠近锁定部8-1，夹紧柱规杆11，此时锁紧组件处于第一状态，当旋转轴与锁紧套筒4之间的距离增大时，弹性部8-2远离锁定部8-1，松开柱规杆11，此时锁紧组件处于第二状态。

本实施例中，为了避免锁紧扳手6在不被期待的情况下旋转，锁紧套筒4的壁面上设置有内凹的限位面5，限位面5的延伸方向与切割缝的延伸方向一致，使凸轮6-2仅受径向力，从而防止凸轮6-2旋转。

考虑到探头校准装置安装的便利性，底座7为磁性吸座，能够直接吸附固定在机床台面17上。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.探头校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将已知长度的基准刀具(16)安装在机床的主轴(15)上，移动所述主轴(15)，使所述基准刀具(16)移动至固定在所述机床上的探头校准装置上方且不与所述探头校准装置接触；

S2、释放所述探头校准装置，所述探头校准装置的上表面作为Z向基准面(1)与所述基准刀具(16)弹性抵接，锁定所述探头校准装置，使所述Z向基准面(1)在Z向的坐标固定，所述Z向基准面(1)的Z向坐标值即为Z向基准坐标；

S3、将待校准探头(18)安装在所述主轴(15)上，移动所述主轴(15)，使所述待校准探头(18)抵接于所述Z向基准面(1)，获得所述主轴(15)的端面Z向坐标，所述主轴(15)的端面Z向坐标减去所述待校准探头(18)的理论长度所得的值与所述Z向基准坐标值之间的差值即为所述待校准探头(18)在Z向的校准变量。

2.根据权利要求1所述的探头校准方法，其特征在于，在将所述基准刀具(16)和所述待校准探头(18)安装到所述主轴(15)前，需要将所述基准刀具(16)以及所述待校准探头(18)的长度输入到机床的控制系统内。

3.根据权利要求1所述的探头校准方法，其特征在于，还包括对探头X向和Y向的校准，主要步骤如下：

所述主轴(15)带动所述待校准探头(18)移动并与柱规(2)的壁面的多个位置接触，将所述待校准探头(18)测得的所述柱规(2)的直径与所述柱规(2)的实际直径比较，得到所述待校准探头(18)在XY向的校准变量。

4.根据权利要求1所述的探头校准方法，其特征在于，在将所述基准刀具(16)和所述待校准探头(18)安装在所述主轴(15)后，需要对所述基准刀具(16)与所述主轴(15)的同轴度以及所述待校准探头(18)与所述主轴(15)的同轴度进行调整。

5.根据权利要求1所述的探头校准方法，其特征在于，所述探头校准装置包括：

底座(7)；

Z向基准块，所述Z向基准块的上表面为所述Z向基准面(1)；

弹性件(9)，连接所述底座(7)和所述Z向基准块，使所述Z向基准块保持沿Z向远离所述底座(7)的趋势；

锁紧组件，包括锁紧所述底座(7)和所述Z向基准块的第一状态以及松开所述底座(7)和所述Z向基准块的第二状态。

6.根据权利要求5所述的探头校准方法，其特征在于，所述探头校准装置还包括柱规(2)，所述Z向基准块嵌设于所述柱规(2)上，且所述Z向基准面(1)凸出于所述柱规(2)的端面。

7.根据权利要求6所述的探头校准方法，其特征在于，所述弹性件(9)为压缩弹簧，所述底座(7)内开设有沿所述压缩弹簧轴向设置的导向孔(12)，所述柱规(2)远离所述Z向基准面(1)的一侧连接有柱规杆(11)，所述柱规杆(11)插入所述导向孔(12)内与所述压缩弹簧连接。

8.根据权利要求6所述的探头校准方法，其特征在于，所述锁紧组件包括：

锁紧套筒(4)，所述锁紧套筒(4)设置在所述底座(7)上；

旋转轴，沿所述锁紧套筒(4)的轴向设置于所述锁紧套筒(4)外；

锁紧扳手(6)，包括把手(6-1)和凸轮(6-2)，所述凸轮(6-2)套设在所述旋转轴上并与所述旋转轴转动连接；

箍环(8)，位于所述锁紧套筒(4)内部且与所述底座(7)固接，所述箍环(8)沿轴向开设有贯通的切割缝，所述切割缝的两侧分别为所述箍环(8)的锁定部(8-1)和弹性部(8-2)，所述弹性部(8-2)保持向所述锁定部(8-1)移动的趋势，以夹持所述柱规(2)；

锁紧销(13)，沿所述旋转轴的径向插设于所述旋转轴上，所述锁紧销(13)与所述弹性部(8-2)固接，所述锁紧销(13)能够插入所述锁定部(8-1)开设的插孔内；

在所述弹性部(8-2)的弹性作用下，所述凸轮(6-2)与所述锁紧套筒(4)的外壁面抵接。

9.根据权利要求8所述的探头校准方法，其特征在于，所述锁紧套筒(4)的外壁面上设置有内凹的限位面，所述限位面的延伸方向与所述切割缝的延伸方向一致。

10.根据权利要求5-9任一所述的探头校准方法，其特征在于，所述底座(7)为磁性吸座。