一种五轴联动机床主轴头姿态角测量装置及测量方法与流程

本发明涉及一种测量装置及测量方法，特别是关于一种五轴联动机床主轴头姿态角测量装置及测量方法。

背景技术：

五轴机床由于其刀具姿态的灵活性，在切削加工中可实现避免多次装夹、降低夹具成本、减小切削力、提高刀具寿命等目的，极大地提高了加工效率。同时，五轴联动机床也被认为是解决叶轮、叶片、大型转子、大型柴油机轴加工的唯一途径，是机械装备制造业中的关键技术。由于五轴联动机床机械结构复杂，存在大量加工、装配误差，因此，对于五轴联动机床，需要通过精确测量主轴头的姿态角等信息，对机床结构误差加以标定和补偿，以达到高精度加工的要求。

目前，国内外针对物体空间姿态角的测量已发展了多种方法，主要包括非接触式和接触式方法。较为常见的非接触式测量方法如激光跟踪仪测量法和CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)测量系统，其中，激光跟踪仪测量方法利用激光跟踪仪测量被测物体上三个点的空间坐标，从而推算出物体的空间姿态角。但激光跟踪仪一般测量误差较大，无法实现高精度测量。而CCD测量系统为一多相机交汇测量系统，可测量相机交汇场中的空间曲线轨迹。CCD测量系统如果采用面阵列则测量精度较低，如果采用线阵列，则需要配备专门的光学系统和处理电路，成本较高，且CCD测量系统对环境依赖性强，在多点测量时误差较大。针对非接触式测量的上述缺点，一些学者采用附加测量机构进行接触式测量，例如在被测物体与测量基准之间加装被动支链，利用被动支链上的附加传感器计算被测物体姿态角。另外，还有利用六根拉杆式直线位移传感器或六个拉线编码器测量物体上六个点到基准点的距离，从而解算出物体在空间中的位置和姿态，但这类方法装配复杂，难以适于五轴联动机床主轴头姿态角的测量。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种结构简单且使用方便的五轴联动机床主轴头姿态角测量装置及测量方法

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种五轴联动机床主轴头姿态角测量装置，其特征在于：它包括安装在五轴联动机床的主轴头上的基准装置和安装在所述五轴联动机床的工作台上的检测装置；所述基准装置包括基准平面和垂直于所述基准平面设置的夹持部，所述夹持部插置在所述五轴联动机床的所述主轴头的刀柄中；所述检测装置包括紧固连接在所述五轴联动机床的所述工作台上的基板，在所述基板上紧固连接垂直于所述基板的固定部，所述固定部与垂直于所述基板设置的长度计紧固连接。

所述夹持部为与所述刀柄相配合的圆柱形结构。

所述夹持部通过多个可调节螺栓与所述基准平面紧固连接。

所述固定部通过多个螺钉与所述基板紧固连接。

一种五轴联动机床主轴头姿态角测量方法，其包括以下步骤：1)将基板调至边缘分别与五轴联动机床的X、Y轴平行；2)调节五轴联动机床的X、Y轴，使待测姿态的五轴联动机床的主轴头上的基准平面进入长度计的量程范围；3)在长度计的量程范围内设置至少三组关于X、Y轴的坐标，用长度计测量不同组X、Y轴的坐标下基准平面的Z轴坐标；4)根据步骤3)中测量出的多组坐标，用空间平面方程Ax+By+Cz+D＝0拟合基准平面，得到系数A、B、C、D；5)由于基准平面垂直于五轴联动机床的Z轴，因此可以根据沿Z轴轴线的向量(A、B、C)，获取五轴联动机床主轴头的姿态角。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明充分利用机床自身结构特点，降低了制造成本，简化了结构及测量环节，因此引入误差少，可以达到较高的测量精度。2、本发明的测量方法利用了五轴联动机床直线进给轴闭环控制的特点，使得结构大为简化，降低了测量成本。3、本发明测量方法均通过五轴联动机床的数控程序实现，因此测量速度快、测量效率高、且易于实现自动化测量。4、本发明可以应用于多种类型结构的五轴联动机床主轴头姿态角的测量、对机床装配完成后主轴头的结构误差进行辨识，以及加工前机床坐标系与工件坐标系的对正，适用范围广。

附图说明

图1是本发明的基准装置安装在五轴联动机床主轴头上的结构示意图；

图2是本发明的测量装置安装在五轴联动机床工作台上的结构示意图；

图3是本发明的基准装置的结构示意图；

图4是本发明的长度计的结构示意图；

图5是本发明的长度计基座的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1、图2所示，本发明包括安装在五轴联动机床主轴头100上的基准装置1和安装在五轴联动机床工作台101上的检测装置2。

如图1、图3所示，基准装置1包括一基准平面11和一轴线垂直于基准平面11设置的夹持部12。夹持部12插置在五轴联动机床主轴头100的刀柄102中。

如图2、图4、图5所示，检测装置2包括紧固连接在五轴联动机床工作台101上的基板21，在基板21上紧固连接一垂直于基板21的固定部22，固定部22与一垂直于基板21设置的长度计23紧固连接。

上述实施例中，夹持部12可为圆柱形结构，用于与刀柄102相匹配。

上述实施例中，夹持部12通过多个可调节螺栓13与基准平面紧固连接。

上述实施例中，固定部22通过多个螺钉与基板21紧固连接。

上述实施例中，如图4所示，长度计23包括长度计本体231和滑动连接在长度计本体231内的可伸缩测杆232，使可伸缩测杆232可相对于长度计本体231运动。在长度计本体231内还设置有光栅尺(图中未示出)，光栅尺用于测量可伸缩测杆232的相对移动量，并以电信号的方式通过信号线输出给外部设备，从而实现对被测物体的接触式测量。

上述实施例中，如图3所示，夹持部12的圆柱度和基准平面11的平面度应不大于3微米。在装配过程中，可通过三坐标测量机的测量及微调夹持部12的多个可调节螺栓13，保证夹持部12的轴线与基准平面11的平面的垂直度不大于5微米。

上述实施例中，如图5所示，基板21的上表面平面度应不大于3微米。在装配过程中，可通过三坐标测量机的测量并微调固定部22与基板21间的螺钉，保证可伸缩测杆232与基板21的垂直度不大于10微米。

本发明还包括一种基于上述装置的五轴联动机床主轴头姿态角的测量方法，其包括以下步骤：

1)将基板21调至边缘分别与五轴联动机床的X、Y轴平行。

2)调节五轴联动机床的X、Y轴，使待测姿态的五轴联动机床主轴头100上的基准平面11进入长度计23的量程范围；

3)在长度计23的量程范围内设置至少三组关于X、Y轴的坐标(x,y)，用长度计23测量出不同坐标下基准平面11的长度计示数，即Z轴坐标，并记录；

4)根据步骤3)中的多组坐标，用空间平面方程Ax+By+Cz+D＝0拟合基准平面11，得到系数A、B、C、D；

5)由于基准平面11垂直于五轴联动机床的Z轴，因此可以根据沿Z轴轴线的向量(A、B、C)，获取五轴联动机床主轴头100的姿态角。

本发明中应用的五轴联动机床应满足以下要求：机床主轴头100为双摆头结构，即机床工作台102不旋转、不摆动，工件固定在工作台102上，在加工过程中静止不动；机床主轴头100具有两个摆动转轴和三个直线进给轴，三个直线进给轴分别为与工作台100垂直的Z轴、与Z轴垂直的X轴以及同时与X轴和Z轴垂直的Y轴；机床的X轴、Y轴和Z轴均设置有光栅尺或其他高精度位移检测装置；机床可利用位移检测信号实现主轴头100位置的全闭环控制。当然，目标机床也可以是满足上述要求的混联型虚拟轴机床或其他机床。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、设置位置及其连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。