一种五轴联动机床主轴头姿态角测量装置及测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种测量装置及测量方法，尤其设及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】
[0002] 五轴联动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、提高刀具寿命等目标，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W补偿，才能达 到高精度加工的要求。
[0003] 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，该方法利用激光跟踪 仪测量被测物体上=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。CCD (Charge-coupled Device,电荷禪合元件）测量 系统由加拿大NodhernDigi公司于1985年研制成功，该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系统如果采用面阵列则测量精度较低，如果采用线 阵列，需要配备专口的光学系统和处理电路，成本较高，且CCD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。此外，吉林大学的苏建等人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 运类方法一般装配复杂，不适于五轴联动机床主轴头姿态角的测量。
【发明内容】
[0004] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种五轴联动机床主轴头姿态角测量装置及 测量方法，克服了现有测量技术成本较高、结构复杂的缺点，便于进行五轴联动机床主轴头 的误差补偿。 阳〇化]为实现上述目的，本发明采取W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，该测量装置包括：一端设置一球形测头、另一端为夹持部的球头检棒， 一端固定安装在所述五轴联动机床的主轴头上、另一端悬空的球头检棒夹具，具有伸缩式 测量端的接触式位移测量装置，和固定安装在所述五轴联动机床的工作台上的基座；所述 球头检棒固定安装在所述球头检棒夹具的悬空端，且使安装后的所述球头检棒的轴线与所 述主轴头的轴线平行且相隔一段距离；所述接触式位移测量装置固定安装在所述基座上， 且使所述伸缩式测量端的轴线与所述工作台垂直。
[0006] 所述测量装置用于测量典型结构的五轴联动机床的主轴头姿态角，所述典型结构 的五轴联动机床满足W下要求：所述主轴头为双摆头结构，具有两个摆动转轴和=个直线 进给轴，所述=个直线进给轴分别为与工作台垂直的Z轴、与所述Z轴垂直的X轴W及同时 与所述X轴和Z轴垂直的Y轴；所述主轴头的X轴、Y轴和Z轴均设置有高精度位移检测装 置，所述机床利用位移检测信号实现所述主轴头位置的全闭环控制。
[0007]所述球头检棒夹具为一杆状结构件，其一端设置一垂直于所述杆件轴线方向的夹 具柄，另一端设置一安装孔；所述球头检棒通过所述安装孔安装在所述球头检棒夹具上，所 述球头检棒夹具通过所述夹具柄安装在所述主轴头的刀具夹具上；
[0008] 所述基座包括底板和与所述底板固定连接的夹具，所述基座通过所述底板固定安 装在所述工作台上，所述接触式位移测量装置通过所述夹具固定安装在所述基座上；
[0009] 所述伸缩式测量端的端部设置一测头，且所述测头为球形，所述球头检棒的球形 测头和所述伸缩式测量端的测头的球度公差均需达到2微米W内。
[0010] 所述安装孔孔径与所述夹持部直径相匹配，所述安装孔侧壁开设有调整缝，垂直 于所述调整缝设置有调整螺钉孔，通过旋紧调整螺钉来装夹所述球头检棒。
[0011] 所述基座在所述工作台上的固定方式与工件在所述工作台上的固定方式相匹配， 所述夹具的结构尺寸与所述接触式位移测量装置的尺寸及安装方式相匹配。
[0012] 所述高精度位移检测装置为光栅尺，所述接触式位移测量装置为长度计。
[0013] 一种五轴联动机床主轴头姿态角测量方法，包括W下步骤：
[0014] 1)将接触式位移测量装置固定安装在基座上，将基座安装在五轴联动机床的工作 台上，使接触式位移测量装置的伸缩式测量端的轴线垂直于工作台； 阳015] 2)测量围绕五轴联动机床的主轴头的n个姿态点的位置坐标（而，yk，Zk);
[0016] 扣根据步骤。得到的围绕主轴头的n个姿态点的位置坐标（而，71^，2山利用圆方 程对运〇个姿态点进行拟合，得到一个拟合圆；^该拟合圆的圆屯、坐标作为主轴 头的基准点坐标，建立主轴头的姿态向量Qk= (Xk-x%yk-/，Zk-z〇;
[0017] 4)建立主轴头的转动矩阵：利用z-y-z欧拉角描述主轴头姿态，从而定义主轴头 的转动矩阵为： 'coscp-sin(pcos6 siivpstn日.
[0018] 较二sincp郎s(pc日s8 -coscpsin目；： -0 SinQcos9
[0019] 5)假设将主轴头转动至主轴轴线与工作台垂直，此时主轴头基准点坐标取为（0， 0,0)，绕主轴头取n个新的姿态点，每一个姿态点Z直线进给轴上的位置坐标均为Z'，此时 主轴头的姿态向量为Qk' =(?'，yk'，Z');从而建立主轴头的姿态角方程组为：
[0020] 曰k=R?曰k'，（l<k<n且n>3);
[0021] 6)求解主轴头的姿态角方程组，得到主轴头的姿态角：主轴头的姿态角方程组包 含了 3Xn个标量方程，未知数为4、白、Xk'、yk'和Z'，其中l<k<n且n>3;当n =3时，方程个数与未知数个数相同，采用求解非线性方程组的牛顿迭代法迭代求解该方 程组；当n> 3时，方程个数多于未知数个数，采用高斯-牛顿法求解该方程组，得到最小二 乘意义下的解；从而得到主轴头的姿态角4和0。
[0022] 所述步骤2)中测量绕主轴头n个姿态点的位置坐标，包括W下步骤：
[0023] ①转动主轴头的两个摆动转轴，使主轴头达到待测姿态；将球头检棒安装在球头 检棒夹具上，再将球头检棒夹具安装在主轴头上，使得球头检棒的轴线与主轴头的轴线大 致平行且相隔一段距离；
[0024] ②驱动主轴头分别沿X、Y直线进给轴运动，使球头检棒的球形测头达到使接触式 位移测量装置的伸缩式测量端被压缩量最大的位置；再驱动主轴头沿Z直线进给轴运动， 使球形测头将伸缩式测量端压缩到接触式位移测量装置量程的一半附近；
[00巧]③驱动主轴头沿X直线进给轴运动，使球形测头在使伸缩式测量端被压缩量最大 的位置附近运动，取球形测头运动过程中的1(1 > 10)个点记录X直线进给轴的位置坐标 Xii,…，Xii,W及相应的伸缩式测量端被压缩量Zii,…，Zii;利用圆方程对运1个点的位置 坐标（xi，，Zi,)进行拟合，得到主轴头沿X直线进给轴运动时伸缩式测量端被压缩量的最大 值，化及相应的X直线进给轴的位置坐标XI，其中1《i《1 ;
[00%] ④将主轴头的X直线进给轴的位置坐标固定为Xi,驱动主轴头沿Y直线进给轴运 动，使球形测头在使伸缩式测量端被压缩量最大的位置附近运动，取球形测头运动过程中 的m(m> 10)个点记录Y直线进给轴的位置坐标yii，…，Yim,W及相应的伸缩式测量端被 压缩量Zii,…，Zim;利用圆方程对运m个点的位置坐标（yi,，zu)进行拟合，得到主轴头沿Y 直线进给轴运动时伸缩式测量端被压缩量的最大值Zi,W及对应的Y直线进给轴的位置坐 标yi，其中1《j《1 ;从而确定围绕主轴头的一个姿态点的位置坐标为（XI，yi，Zi);
[0027] ⑥转动机床主轴电机，使球头检棒绕机床主轴旋转一个角度，重复步骤②~④，测 量得到围绕主轴头的下一个姿态点的位置坐标（?, 72,Z2);
[0028] ⑧重复步骤⑥，直到球头检棒绕机床主轴旋转一周，测量得到围绕主轴头的n个 姿态点的位置坐标数据，其中，第k个姿态点的位置坐标为（Xk，yk，Zk)，1 <k<n且n> 3。
[0029] 所述步骤③~⑧中，在驱动主轴头沿X、Y直线进给轴运动过程中接触式位移测量 装置超量程，则驱动主轴头沿Z直线进给轴运动，使球头测头将伸缩式测量端压缩回到接 触式位移测量装置量程的一半附近，再继续进行测量；同时记录下Z直线进给轴的移动量， 并对测得的Zk坐标值加W修正，得到准确的姿态点位置坐标。
[0030] 本发明由于