专利名称：一种基于三球的加工中心多工位坐标统一方法
技术领域：
本发明属于机械制造、检测等技术领域，通过三个或多个标准球，建立空间坐标系，利用坐标变换理论，精确定位转台实际转角的方法，最终达到精确加工，相当于增加了数控加工中心的维数。
背景技术：
对于现在的数控加工中心，由于转台的质量很大，故惯性很大，很难实现转台精确定位，尤其很难实现对心镗孔，会出现产品的合格率低和多次修复现象，提高了成本，面对这些问题，利用激光 干涉仪器可以实现精确的定位，但是成本太高。主要还是采用离线检测和二次修复的办法。这样大大的延长了产品的生产周期和加工成本，同时也降低了精度。
发明内容
针对上述现有技术创造的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种基于三球的加工中心多工位坐标统一方法，结合在机测量功能，很好的解决了以上面临的问题，该方法同时具有机构简单，成本低，使用简单等特点。为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案利用加工中心的在机测量功能，在转台上实现工件的对心镗孔步骤一，首先将被加工工件装卡在加工中心的转台上，并固定好；步骤二，将紧固有三个标准球的夹具固定在转台上，且三个标准球不能共线；步骤三，利用加工中心刀具对工件进行镗孔；步骤四，在刀库中，将刀具换成测头，对三个标准球进行标定，同时测量加工件孔的位置，通过测量软件建立初始工件坐标系。步骤五，将转台旋转180°，利用测头再次对三个标准球进行标定，建立二次工件坐标系，利用坐标变换理论，求出实际旋转地角度。步骤六，再次将测头换成刀具，使刀具沿着角度差的方向进行第二次镗孔，完成了对心镗孔。该方法是借鉴了三坐标测量机中利用标准球进行探测误差的检测方法和坐标变换理论，实现了转台的精确定位。探测误差是使用坐标测量机测量标准球半球上的25个点，用全部25个计算出最小二乘球的中心，并计算最大最小的差值为探测误差，而在加工中心中，以加工中心作为三坐标测量机的机体和运动机构，用测头代替刀具实现的一种在机测量的方法，相当于将整个三坐标测量机移植到了加工中心上，实现了对多个标准球球心的标定，进而建立了工件的一个参考坐标系，无论加工中心怎么运动，它们的相对位置是不变的，再结合了坐标变换理论，就可以实现不同坐标系的统一，坐标变换理论已经在加工中心上及测量上得到了很好的应用。整个的算法是集成在数控系统中或是外接的PC机上， 通过RS232通信实现间接测量控制和算法处理。标准球的夹具必须设计合理，设计了矩阵式的安装孔，根据不同的系统，要调整三个标准球的位置关系，防止干涉，实现正确的测量。为了更好的提高定位精度，可以采用三个以上的标准球建立坐标系，利用更多的冗余数据提高数学模型的精度。同时可以利用一个标准球实现对在机测量测头的标定，进行测头半径补偿。利用的是相对位置的不变性，可以实现任意转角的定位。利用参考坐标系，可以实现工件的装卡的二次精确定位。
图1为工件在工作转台上实现对心镗孔的示意图。其中的标号分别表示1、二次工件坐标系的Y轴，2、加工中心工作转台，3、夹具， 4、角度差，5、旋转后的工件，6、初始工件坐标系的Y轴，7、刀库中刀具8、刀库9、测头10、初始工件坐标系的X轴，11、二次工件坐标系的X轴，12、标准球，13、旋转前的工件，14、旋转前的刀具，15、旋转后的刀具。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步说明。参见图1，本发明涉及的应用工具主要包括加工中心转台及其运动机构，刀库和三球定位装置。所述的加工中心转台就是指加工中心工作转台2，刀库包括刀架8，测头9和刀具7/14/15，三球定位装置主要包括夹具3和三个标准球12。将旋转前的工件13放在加工中心转台2的中心附近并固定，而对于三球定位装置可以同时固定好，也可以将刀具换成测头后再固定，三个标准球可以根据具体的平台调节标准球的位置，实现对标准球进行更多测点分布，提高所建坐标系的精度。加工中心转台2是利用电机可以实现旋转的机构，并带有编码器，其中编码器就是一种利用光栅计数，并带有传感器处理电路的读取装置，用来实现位置的相对或绝度检测。其中，初始工件坐标系的γ轴6和初始工件坐标系的X轴10是旋转前的坐标系， 二次工件坐标系的Y轴1和二次工件坐标系的X轴11是旋转后的实际坐标系，转台旋转后的夹具3采用的是普通铁板。三球定位装置是实现坐标统一的基础，根据它们位置的相对不变性，通过两个坐标系的旋转和平移实现坐标系的统一，可以通过计算得出理论和实际的角度差4，然后将旋转前的工件13映射到二次工件坐标系的Y轴1和二次工件坐标系的 X轴11组成的二次坐标系下，计算出加工起始点，最终使刀具沿着理论和实际的角度差4的矢量方向，从加工起始点开始加工，最终实现精确镗孔。可见该方法非常方便的实现了多工位的坐标统一和定位。使用该方法，可以使加工中心镗孔的精度提高，提高加工的效率和质量，降低次品率，减少离线检测和使用附加设备的费用，可以方便的实现二次装卡定位。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式
仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
权利要求
1.一种基于三球的加工中心多工位坐标统一方法，其特征在于该方法包括下列步骤步骤一，首先将旋转前的工件13装卡在加工中心工作转台2上，并固定好； 步骤二，将紧固有三个标准球12的夹具3固定在加工中心工作转台2上，且三个标准球12不能共线； 步骤三，利用旋转前的刀具14对旋转前的工件13进行镗孔；步骤四，在刀库8中，将旋转前的刀具14换成测头10，对三个标准球12进行标定，同时测量旋转前的工件13孔的位置，通过测量软件建立初始工件坐标系；所述的初始工件坐标系就是利用三个标准球12的球心建立的坐标系；步骤五，将加工中心转台2旋转180°，所述的180°是加工中心工作转台2理论上要旋转的角度，利用测头10再次对三个标准球12进行标定，建立二次工件坐标系，利用坐标变换理论，求出角度差4 ；所述的二次工件坐标系是在加工中心转台2旋转180°后再次利用三个标准球12的球心建立的坐标系；步骤六，再次将测头10换成旋转后的刀具15，使刀具沿着角度差4的方向进行第二次镗孔，完成了对心镗孔。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的加工中心包括X方向、Y方向、Z方向直线运动和W方向转台转动，且为卧式加工中心，刀具和工作转台平行，每个轴都装有高精度编码器，具有在机测量功能。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的标准球12是钢球，选用的是直径为 10mm、最高圆度为0. 08um、尺寸精度为0. 5um、并带有固定杆的钢球。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的夹具3上面带有矩阵式螺孔用来固定标准球，夹具3下面也有锁紧螺栓用于和转台的工作平面固定。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的镗孔是对旋转前的工件13加工一个通孑L。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的测头10是机械式触发测头，用于接触式测量。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的测量软件是基于PC机的具有测量和误差评价功能的软件，也可以是数控系统中增加的测量模块，可以根据测点建立工件坐标系。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的坐标变换理论就是通过矩阵运算，利用平移和旋转变换算法实现一个坐标系向另一个坐标系的变换。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的角度差4就是理论旋转的角度和实际计算得到的角度之差。
全文摘要
本发明公开了一种基于三球的加工中心多工位坐标统一方法，该方法以三球建立的相对位置不变参照系为基准，可以实现对工件任意角度的定位，相当于增加加工中心的运动维数，主要可以实现精确对心镗孔。首先将工件固定在工作转台之上，对工件进行一侧镗孔，然后将刀具换成测头，对标准球和工件加工孔进行标定，然后旋转180°，再次进行标定，利用在机测量的坐标变换算法实现两坐标系的统一，计算理论和实际的角度差，调整主轴的加工方向，进行另一侧镗孔，最终完成。同样也可以实现工件的二次装卡准确定位。
文档编号B23B35/00GK102151866SQ201110064690
公开日2011年8月17日 申请日期2011年3月17日 优先权日2011年3月17日
发明者王金栋, 绍伟, 郭俊杰, 韩浦江 申请人:西安交通大学