] 上述实施例中，若在驱动主轴头5沿X、Y直线进给轴运动过程中长度计3超量程， 则驱动主轴头5沿Z直线进给轴运动，使球形测头11将测头31压缩回到长度计3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。
[0063] 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W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。
【主权项】
1. 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。2. 如权利要求1所述的一种五轴联动机床主轴头姿态角测量装置，其特征在于，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 床满足以下要求：所述主轴头为双摆头结构，具有两个摆动转轴和三个直线进给轴，所述三 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轴以及同时与所述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。3. 如权利要求1所述的一种五轴联动机床主轴头姿态角测量装置，其特征在于，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； 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； 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微米以内。4. 如权利要求2所述的一种五轴联动机床主轴头姿态角测量装置，其特征在于，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； 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； 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微米以内。5. 如权利要求3或4所述的一种五轴联动机床主轴头姿态角测量装置，其特征在于，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。6. 如权利要求3或4所述的一种五轴联动机床主轴头姿态角测量装置，其特征在于，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。7. 如权利要求2或4所述的一种五轴联动机床主轴头姿态角测量装置，其特征在于，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。8. -种基于如权利要求1至7中任一项所述的五轴联动机床主轴头姿态角测量装置实 现的五轴联动机床主轴头姿态角测量方法，包括以下步骤： 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； 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（xk，yk，zk); 3) 根据步骤2)得到的围绕主轴头的n个姿态点的位置坐标（xk，yk，zk)，利用圆方程 对这n个姿态点进行拟合，得到一个拟合圆；以该拟合圆的圆心坐标（夂/,f)作为主轴头 的基准点坐标，建立主轴头的姿态向量ak= (xk-x%yk_y%zk-z，； 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：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， 〇)，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ak' =Uk'，yk'，z');从而建立主轴头的姿态角方程组为： ak=R?ak'，（I<k<n且n彡3); 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0、xk'、yk'和z'，其中l<k<n且n彡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巾和9。9.如权利要求8所述的一种五轴联动机床主轴头姿态角测量方法，其特征在于，所述 步骤2)中测量绕主轴头n个姿态点的位置坐标，包括以下步骤： 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； 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； 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多10)个点记录X直线进给轴的位置坐标 X11，…，X11，以及相应的伸缩式测量端被压缩量Z11,…，Z11;利用圆方程对这1个点的位置坐 标（Xu,Zu)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， 以及相应的X直线进给轴的位置坐标X1，其中I<i<1; ④ 将主轴头的X直线进给轴的位置坐标固定为X1，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多10)个点记录Y直线进给轴的位置坐标yn，…，ylni，以及相应的伸缩式测量端被压缩 量zn，…，21|11;利用圆方程对这m个点的位置坐标（y^Zl])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Z1，以及对应的Y直线进给轴的位置坐标yi， 其中I<j<I;从而确定围绕主轴头的一个姿态点的位置坐标为（Xl，yi，Z1); ⑤ 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（X2,y2,Z2); ⑥ 重复步骤⑤，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),I<k<n且n彡3。10.如权利要求9所述的一种五轴联动机床主轴头姿态角测量方法，其特征在于，所述 步骤③~⑥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 坐标值加以修正，得到准确的姿态点位置坐标。
【专利摘要】本发明涉及一种五轴联动机床主轴头姿态角测量装置及测量方法，其中，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，固定安装在五轴联动机床的主轴头上的球头检棒夹具，具有伸缩式测量端的接触式位移测量装置和固定安装在五轴联动机床的工作台上的基座；球头检棒固定安装在球头检棒夹具的一端，且使安装后的球头检棒的轴线与主轴头的轴线平行且相隔一段距离；接触式位移测量装置固定安装在基座上，且使伸缩式测量端的轴线与工作台垂直。本发明可以广泛应用于具有典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。
【IPC分类】B23Q17/22
【公开号】CN105127840
【申请号】CN201510566478
【发明人】李铁民, 张京雷, 姜峣, 吴军
【申请人】清华大学
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年9月8日