一种龙门式多主轴制孔组合机床的零点定义与标定方法
【专利摘要】一种龙门式多主轴制孔组合机床的零点定义与标定方法，所述龙门式组合机床中的子机床为AC摆头的五轴机床。该方法首先建立全局坐标系，将各子机床运动轴和龙门运动轴回零，利用激光跟踪仪测量每个子机床在机床全局坐标系下的Xsp、Ysp、Zsp轴运动方向及Asp、Csp轴线位置；选取各子机床直线轴中行程最长的轴的单位向量为各子机床直角坐标系单位方向向量，使用向量叉乘法修正剩余两直角坐标系单位方向向量，从而建立子机床坐标系和全局坐标系的关系矩阵。本发明使用激光跟踪仪对大型机床机械的零点进行标定，方法简单并能满足制造精度的要求；能够将利用激光跟踪仪测量工件变形和位置的数据方便的纳入NC编程中来，为数字化制孔提供编程的坐标系依据。
【专利说明】
一种龙门式多主轴制孔组合机床的零点定义与标定方法
技术领域
[0001] 本发明涉及航空数字化制造中使用激光跟踪仪进行工件定位测量和机床零点定 义及标定的方法，尤其涉及航空数字化制造中龙门式多主轴制孔组合机床的零点定义和标 定方法。
【背景技术】
[0002] 数控机床是当前航空数字化制造中非常重要的设备，现有的加工机床基本采用对 刀的方式建立工件的加工坐标系，在数控加工NC编程时不需要考虑机床坐标系的相互位置 关系，而在航空数字化制造中，复杂航空异形件铆接孔在制造中占有较大的比重，国内对于 复杂航空件铆接孔大部分采用手工制孔的方式，这依赖于工人的技能纯熟度，工艺过程稳 定性难以保障。随着对航空产品性能及生产效率要求的提升，部分航空制造厂开始使用机 器人及数控机床完成制孔任务，为了提高制孔效率，对于大型航空异形件通常采用龙门式 多主轴的组合机床进行数字化制孔，航空异形件在制孔前预先装配完成，大部分为复杂的 异形曲面，而由于安装变形，工件与真实数字模型会有不可忽略的差异，并且制孔属于中间 工艺过程，二次定位需要重新定位工件位置，因而采用对刀方式实施困难且无法考虑变形 的影响，从而难以满足加工精度要求。因而采用激光跟踪仪对工件位置及变形进行测量，然 后确定工件相对机床的实际位置关系，测量后根据工件相对机床的位置关系在线生成NC加 工程序，这就要求准确定义和标定机床以及各子机床的零点和坐标系，为数控加工提供编 程依据。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是针对龙门式多主轴制孔组合机床加工过程中工件定位与NC程序 编写的问题，提出一种使用激光跟踪仪进行龙门式多主轴组合机床零点定义与标定的方 法，从而为数控加工提供编程依据。
[0004] 本发明的技术方案如下：
[0005] -种龙门式多主轴制孔组合机床的零点定义与标定方法，其特征在于该方法包括 如下步骤：
[0006] S1:建立全局坐标系0-ΧΥΖ:在机床床身上预留标志点和标志面，并利用机床床身 上的标志点和标志面在机床床身上建立全局坐标系;所述的标志点设置在床身的四个角A、 B、C和D，所述的标志面为四个角上的每个角的三个垂直面，A1、B1、C1和D1分别表示四个角 的上表面，42、82、02、02及43、83、03、03表示四个角的两侧表面；
[0007] S2:将各子机床运动轴回零，龙门运动轴回零，利用激光跟踪仪测量各个子机床的 直线运动轴xSP，YSP，zSP在机床全局坐标系下的运动方向分别为m:，.以及两个旋转运 动轴Asp轴轴线卑和Csp轴轴线鳥的位置，得到Asp轴和Csp轴的轴线在全局坐标系中的直线方 程为：U，.v，z) r = e(-w，+ro)和(.r、v，z)r = e(-〇〇，+〇〇)，sp = 1， 2，···，Ν，这里N表示子机床的个数，其中（x，y，z)T为直线^或^上任意一点的坐标，g为轴 线4单位方向向量,?为轴线4单位方向向量，< 为轴线4上的已知点，€为轴线4上的 已知点，为直线^方程的参数，为直线^方程的参数；
[0008] S3:基于各子机床的机床坐标系定义，利用步骤S2中的测量数据并由几何关系分 别计算各子机床A SP轴和Csp轴轴线公垂线，并计算各子机床公垂线与该子机床Csp轴轴线的 交点T SP，将该交点作为该子机床AC摆头腕心，从腕心位置沿"轴轴线向刀尖方向偏移"轴 摆长距离Lsp，将偏移后的点(V乍为子机床坐标系原点；
[0009] S4:设^勺正方向与龙门的正方向一致，由步骤S2得到每个子机床直线运动方向 的单位方向向量，将其中行程最长的轴的单位方向向量作为该子机床直角坐标 系的相应轴的单位方向向量，利用向量叉乘的方法修正剩余两个直线轴的直角坐标系单位 方向向量，利用每个子机床坐标系原点和相应的直角坐标系单位方向向量，得到每个子机 床坐标系相对于机床全局坐标系的齐次旋转矩阵~7；= ^ ，从而完成了龙 0 0 0 1 门式多主轴制孔组合机床的零点定义与标定。
[0010] 本发明所述步骤S1中建立机床全局坐标系包括如下步骤：
[0011] 311:利用激光跟踪仪(1)测量平面4131、(：1和01，将四个平面拟合为一个平面，该 平面作为机床全局坐标系的X轴和Y轴组成的XY平面，相应的垂直XY平面向上的向量为Z轴 单位方向向量<4;
[0012] S12:测量A、B、C和D四个角中其中一个角的两个侧平面，分别计算两个侧平面与步 骤S11中XY平面的交线，计算两条交线的交点作为全局坐标系的原点0;
[0013] S13:在龙门上固定一个激光跟踪仪的靶球，移动龙门，使激光跟踪仪跟踪该靶球， 利用测量的数据拟合直线，来回测量多次，将多次测量结果平均得到龙门运动的单位方向 向量，取龙门运动的正单位方向向量€为全局坐标系X方向的正方向单位方向向量；
[0014] S14:计算机床全局坐标系的Y方向为
'修正全局坐标系Z方向为
使4., 两两垂直，从而建立机床全局坐标系ο-χγζ。
[0015] 所述步骤S3中得到子机床原点0@的方法为:计算/^与^公垂线与C轴轴线Ζζ 的交点+
[0016] 其中：
[0017] hsp为腕心点坐标在轴线乓,上的参数值，#为1$,和磉公垂线与4确定的平面的单位 法向量，计算符号< > =-?二表示向量5和5的点积;确定机床原点位置A为久=L + V<， Lsp为A轴摆长。
[0018] 本发明所述步骤S4利用向量叉乘的方法修正剩余两个轴的直角坐标系单位方向 向量的方法为:若子机床的最长行程为Xsp轴，其单位方向向量为ζ，则Y sp和zsp单位方向向量 修正为
；.若子机床的最长行程为Ysp轴，其单位方向向量为 则XsjPZsp单位方向向量修正为
；若子机床的最长行程为zsp 轴，其单位方向向量为ξρ，则Xsp和Ysp单位方向向量修正为
[0019] 本发明具有以下优点及突出性的技术效果：
[0020] 本发明的优点在于：1)使用激光跟踪仪进行大型机床零点标定方法简单并能满足 制造精度的要求;2)利用机床床身上的标志点和标志面定义机床的全局坐标系，方便在机 床大修和零点丢失后利用测量的方式重新找回；3)按照本发明中的方法定义和标定多轴复 合机床零点后，能够将利用激光跟踪仪测量工件变形和位置的数据方便的纳入NC编程中 来，为数字化制孔提供编程的坐标系依据。
【附图说明】
[0021 ]图1为本发明方法的流程图。
[0022]图2为本发明实施例中的机床布局轴测图。
[0023]图3为本发明实施例中组合机床各轴正方向定义示意图。
[0024] 图4为本发明实施例中坐标系定义示意图。
[0025] 图5为本发明实施例中子机床单元2坐标系定义示意图。
[0026] 图6为本发明实施例中子机床单元2拟合轴线和腕心计算分析图。
[0027] 图中：1-激光跟踪仪;2-龙门导轨安装基座;3-机床床身;4-龙门左立柱;5-左立柱 子机床Y2轴;6-左立柱子机床Z2轴;7-左立柱子机床X2轴;8-左立柱子机床C2轴;9-左立柱子 机床A 2轴;10-龙门横梁；11-横梁子机床Yi轴；12-横梁子机床Xi轴;13-横梁子机床Zi轴；14-横梁子机床Ci轴；15-横梁子机床Αι轴；16-龙门右立柱；17-右立柱子机床Y3轴；18-右立柱子 机床X 3轴；19-右立柱子机床Z3轴;20-右立柱子机床C3轴;21-右立柱子机床A 3轴;22-地桥子 机床Z4轴;23-地桥子机床X4轴;24-地桥子机床C4轴;25-地桥子机床A4轴;26-地桥子机床Y4 轴。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】做进一步详细描述。以下实施 例用于说明本发明，但不限于本发明的范围。
[0029] 如图1所示，本发明所述的龙门式多主轴制孔组合机床的零点定义和利用激光跟 踪仪对零点进行标定的方法，包括步骤:S1，建立全局坐标系0-ΧΥΖ:在机床床身上预留标志 点和标志面，并利用机床床身上的标志点和标志面在机床床身上建立全局坐标系;所述的 标志点设置在床身的四个角A、B、C和D，所述的标志面为四个角上的每个角的三个垂直面， 八131、(：1和01分别表示四个角的上表面42、82、02、02及43、83、03、03表示四个角的两侧表 面;S2:将各子机床运动轴回零，龙门运动轴回零，利用激光跟踪仪测量各个子机床的直线 运动轴xSP，Y SP，zSP在机床全局坐标系下的运动方向分别为m，以及两个旋转运动轴 Asp轴轴线Z4和C sp轴轴线/^的位置，得到Asp轴和Csp轴的轴线在全局坐标系中的直线方程 为：（笔，,zf = < + 5丄/《e (-沈，+cfi)和(Αχ，ζ)Γ = < + 左》 2，···，Ν，这里N表示子机床的个数，其中（x，y，z)T为直线1^或<上任意一点的坐标，为轴 线1^单位方向向量,?为轴线14单位方向向量，巧为轴线4上的已知点，^为轴线?上的 已知点为直线4方程的参数，<为直线方程的参数;S3:基于各子机床的机床坐标系 定义，利用步骤S2中的测量数据并由几何关系分别计算各子机床A SP轴和CSP轴轴线公垂线， 并计算各子机床公垂线与该子机床CSP轴轴线的交点T SP，将该交点作为该子机床AC摆头腕 心，从腕心位置沿Csp轴轴线向刀尖方向偏移A sp轴摆长距离Lsp，将偏移后的点^^乍为子机床 坐标系原点；S4:设Xst^9正方向与龙门的正方向一致，由步骤S2得到每个子机床直线运动方 向的单位方向向量将其中行程最长的轴的单位方向向量作为该子机床直角坐标 系的相应轴的单位方向向量，利用向量叉乘的方法修正剩余两个直线轴的直角坐标系单位 方向向量，利用每个子机床坐标系原点和相应的直角坐标系单位方向向量，得到每个子机 床坐标系相对于机床全局坐标系的齐次旋转矩阵Α?Τσ= ^ ~ ，从而完成了龙 0 0 0 1 门式多主轴制孔组合机床的零点定义与标定。
[0030] 本发明旨在利用机床床身上的标志点和标志面定义机床全局坐标系，并通过激光 跟踪仪对龙门式多主轴制孔组合机床子机床的零点进行标定，得到组合机床中各子机床相 对机床全局坐标系的变换矩阵关系，从而为数控制孔编程提供理论依据。
[0031] 如图2所示，固定好激光跟踪仪，将机床龙门轴运动到龙门零点位置，各子机床的 运动轴都回零。上述准备工作完成之后，启动激光跟踪仪开始测量，对定义的机床全局坐标 系进行测量以及子机床坐标系相对机床全局坐标系的关系矩阵进行标定，测量和标定包括 如下步骤：
[0032]步骤一:使用激光跟踪仪1对机床床身3上的四个角向上的标志平面A1、B1、C1和D1 及其中一个角的两个侧平面以及龙门的运动方向进行测量，建立机床全局坐标系0-ΧΥΖ。如 图1所示，在机床床身3的工件安装台的上表面上的四个角A、B、C和D的上表面和每个角的侧 表面预先加工有用于测量的精加工平面，在加工四个上平面A1、B1、C1和D1时一次定位加 工，要求一定的平面度与精度，使用激光跟踪仪1测量A1、B1、C1和D1平面，拟合四个小平面 为一个平面得到全局坐标系X轴和Y轴组成的XY平面，平面的向上的单位法向量为Z轴单位 方向向量I，然后测量A、B、C和D角中的某一个角的两个侧平面，分别计算两个侧平面与全 局坐标系XY平面的交线，计算两条交线的交点作为全局坐标系的原点0,例如测量A角的两 个侧平面A2，A3，求解A2，A3与全局坐标系XY平面的交线a2和a3，a2与a3的交点作为坐标系 原点〇，固定革巴球在龙门左立柱4上，运动龙门，使用激光跟踪仪测量龙门的运动方向向量， 以龙门运动的正方向为坐标系X轴的正方向，龙门运动方向的单位方向向量作为坐标系的X 轴方向4,向量叉乘得到全局坐标系的Y方向
，再次修正坐标系ζ方向为 4二tχ 使4两两单位正交;从而建立了机床的全局坐标系〇_χγζ。
[0033] 步骤二:将机床龙门回零，测量各子机床直线运动轴Xsp，Ysp，ZSP的运动方向分别为 ，当子机床坐标系直线运动轴回零时，测量子机床旋转轴AS^CSP的直线位置，得 到轴线方程。
[0034] 如图3所示，各轴的运动正方向表示如图中所示，将靶球安装在各个子机床的主轴 头上，将龙门回零，对每一个子机床，分别移动子机床的直线轴XSP，YSP，ZSP，激光跟踪仪1跟 踪测量，多次测量拟合取平均，得到各轴的运动单位方向向量分别为又:对每个子机 床，龙门回零，子机床的直线运动轴Xsp，Ysp，Zsp回零，旋转轴Asp也回零，开五轴插补功能旋转 c sp轴，激光跟踪仪跟踪靶球，测量拟合圆，得到圆心和指向刀尖的圆面法向量，从而得 到csp轴轴线g方程为= 6 ? e ;接着，子机床的直线运动轴xsp， YSP，ZSP回零，旋转轴CSP回零，关闭五轴插补功能旋转A st4tt，激光跟踪仪1跟踪靶球，测量拟合 圆，得到圆心巧和指向刀尖的圆面法向量< *从而得到ASP轴轴线4方程为 。图2为本发明一个实施例的轴测图，以标定左立柱子 机床为例说明测量过程:左立柱子机床的坐标系原点定义在龙门回零及左立柱子机床所有 轴回零后的刀尖位置，测量时，将龙门回零，从负运动极限到正运动极限多次运动，激光跟 踪仪1测量运动直线，拟合得到运动方向向量^，同样运动左立柱子机床Y2轴5，激光跟踪仪1 测量运动直线，拟合得到运动方向向量_/ 2，运动左立柱子机床的Z2轴6,激光跟踪仪1测量运 动直线，拟合得到运动方向向量龙门依然在回零情况下，将左立柱子机床各直线运动轴 回零，左立柱子机床知轴9回零，打开五轴功能，旋转左立柱子机床(： 2轴8，激光跟踪仪1跟踪 测量固定在左立柱子机床如轴9上的靶球，拟合圆，得到圆心_/f和指向刀尖方向的圆面法向 量6从而得到与刀轴共线的左立柱子机床(： 2轴8轴线方程为+<?终->,+岭 测量左立柱子机床A2轴9轴线方程时，龙门同样在回零状态，左立柱子机床的各直线运动轴 回零，左立柱子机床&轴8回零，关闭五轴插补功能旋转左立柱子机床知轴9,激光跟踪仪1跟 踪靶球，测量拟合圆，得到圆心和指向刀尖的圆面法向量#，从而得到左立柱子机床如轴 9的轴线；方程为(x,.v,::) F = :。
[0035] 步骤三:利用步骤二中的ASP轴轴线方程和CSP轴线方程和ASP轴摆长值L SP计算子机 床原点〇sp的坐标：
[0036] 以左立柱子机床为例说明计算过程。图5为左立柱子机床的局部放大图，左立柱子 机床的坐标系原点定义在龙门回零和左立柱子机床各运动轴回零后刀尖所在位置，左立柱 子机床A2轴摆长值为L2,则参考图6的分析，计算左立柱子机床A2轴9和左立柱子机床C2轴8 轴线公垂线与左立柱子机床C 2轴的轴线的交点T 2作为A C摆头的腕心，坐标为 r,-/?: -er + R(,
[0037] 其中：
[0038] h2为腕心点坐标在轴线乓上的参数值，#为左立柱子机床A2轴9和左立柱子机床C2 轴8的轴线公垂线与左立柱子机床(： 2轴8轴线确定的平面的单位法向量，计算符号 < 5,石>=5 · ?表示向量5和系的点积;确定左立柱子机床原点位置钱为=乃+ A · <，L2为 左立柱子机床A2轴9的摆长值。
[0039] 步骤四：设^勺正方向与龙门的正方向一致，由步骤二得到每个子机床直线运动 方向的单位方向向量ζ,Ι,Ι，将其中行程最长的轴的单位方向向量作为该子机床直角坐 标系的相应轴的单位方向向量，利用向量叉乘的方法修正剩余两个直线轴的直角坐标系单 位方向向量，利用每个子机床坐标系原点和相应的直角坐标系单位方向向量，得到每个子 机床坐标系相对于机床全局坐标系的齐次旋转矩阵~&= & t t ，以左立柱子 0 0 0 1 机床为例，直线运动方向单位方向向量为ζ,Ιξ，运动行程最长的轴为左立柱子机床￥2轴 5，则取左立柱子机床￥2轴5方向的单位方向向量为^，修正左立柱子机床Χ2轴7的单位方向 向量为
，再修正左立柱子机床轴Ζ2轴6单位方向向量为
，得到左立柱 子机床直角坐标系相对于机床的全局坐标系0-ΧΥΖ的齐次变换矩阵为°%=| ^ ^ ， 从而完成左立柱子机床零点的标定。
[0040] 对每一个子机床单元都通过上述的两个步骤处理得到子机床坐标系相对全局坐 标系的齐次变换矩阵，为使用激光跟踪仪进行工件测量及加工NC程序编程提供理论依据。 [0041]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种龙口式多主轴制孔组合机床的零点定义与标定方法，该机床的子机床为A讨罢头 的五轴机床;其特征在于该方法包括如下步骤： S1:建立全局坐标系0-XYZ:在机床床身上预留标志点和标志面，并利用机床床身上的 标志点和标志面在机床床身上建立全局坐标系;所述的标志点设置在床身的四个角A、B、C 型写，所述的标志面为四个角上的每个角的Ξ个垂直面，A1、B1、C1和D1分别表示四个角的上 表面，42、82、〔2、02及43、83、〔3、03表示四个角的两侧表面； S2:将各子机床运动轴回零，龙口运动轴回零，利用激光跟踪仪测量各个子机床的直线 运动轴Xsp，Ysp，Zsp在机床全局坐标系下的运动方向分别为苗，知尽>，从及两个旋转运动轴 Asp轴轴线和Csp轴轴线的位置，得到Asp轴和Csp轴的轴线在全局坐标系中的直线方程 为2，···，Ν，运里N表示子机床的个数，其中（x，y，z)T为直线瑪或L直上任意一点的坐标，磅为 轴线鸟单位方向向量，C为轴线it单位方向向量，巧?为轴线正完上的已知点，<为轴线王t 上的已知点，片·；为直线马方程的参数，巧为直线乌方程的参数； S3:基于各子机床的机床坐标系定义，利用步骤S2中的测量数据并由几何关系分别计 算各子机床Asp轴和Csp轴轴线公垂线，并计算各子机床公垂线与该子机床Csp轴轴线的交点 Tsp，将该交点作为该子机床AC摆头腕屯、，从腕屯、位置沿Csp轴轴线向刀尖方向偏移Asp轴摆长 距离Lsp，将偏移后的点作为子机床坐标系原点； S4:设Xsp的正方向与龙口的正方向一致，由步骤S2得到每个子机床直线运动方向的单 位方向向量(pJw疋，，将其中行程最长的轴的单位方向向量作为该子机床直角坐标系的 相应轴的单位方向向量，利用向量叉乘的方法修正剩余两个直线轴的直角坐标系单位方向 向量，利用每个子机床坐标系原点和相应的直角坐标系单位方向向量，得到每个子机床坐 标系相对于机床全局坐标系的齐次旋转矩闻从而完成了龙口式 多主轴制孔组合机床的零点定义与标定。2. 根据权利要求1所述的龙口式多主轴制孔组合机床零点定义与标定方法，其特征在 于，所述步骤S1中建立机床全局坐标系包括如下步骤： 511，利用激光跟踪仪（1)测量平面41、81、(：1和01，将四个平面拟合为一个平面，该平面 作为机床全局坐标系的X轴和巧由组成的XY平面，相应的垂直XY平面向上的向量为巧由单位 方向向量4; S12,测量A、B、C和D四个角中其中一个角的两个侧平面，分别计算两个侧平面与步骤 S11中XY平面的交线，计算两条交线的交点作为全局坐标系的原点0; S13，在龙口上固定一个激光跟踪仪的祀球，移动龙口，使激光跟踪仪跟踪该祀球，利用 测量的数据拟合直线，来回测量多次，将多次测量结果平均得到龙口运动的单位方向向量， 取龙口运动的正单位方向向量良为全局坐标系X方向的正方向单位方向向量； SI 4,计算机床全局坐标系的Υ方向为'修正全局坐标系Ζ方向为使石Jo，餐两两垂直，从而建立机床全局坐标系0-ΧΥΖ。3. 根据权利要求1或2所述的龙口式多主轴制孔组合机床零点定义与标定方法，其特征 在于，所述步骤S3中得到子机床原点Osp的方法为:计算鸟与乌公垂线ii；与C轴轴线乌的交 鼠了巧二K.砖牛玲， 其中：hsp为腕屯、点坐标在轴线马上的参数值，故为马和均公垂线与岛确定的平面的单位法向 量，计算符号 < 瓦6 >:=^ 表示向量0-和哀的点积;确定机床原点位置聲为馬=7w +4,'苗，Lsp 为A轴摆长。4. 根据权利要求3所述的龙口式多主轴制孔组合机床零点定义与标定方法，其特征在 于，所述步骤S4利用向量叉乘的方法修正剩余两个轴的直角坐标系单位方向向量的方法 为：若子机床的最长行程为Xsp轴，其单位方向向量为4,侧Ysp和Zsp单位方向向量修正为;若子机床的最长行程为Ysp轴，其单位方向向量为4，贝化SP和 Zsp单位方向向量修正）·，若子机床的最长行程为Zsp轴，其单 位方向向量为，贝ijXsp和Ysp单位方向向量修正夫。
【文档编号】B23Q17/24GK106078359SQ201610387962
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月2日 公开号201610387962.6, CN 106078359 A, CN 106078359A, CN 201610387962, CN-A-106078359, CN106078359 A, CN106078359A, CN201610387962, CN201610387962.6
【发明人】陈恳, 王国磊, 饶刚, 杨向东, 吴丹, 帅朝林, 郑林斌, 刘顺涛, 陈雪梅, 徐静, 万安, 张继文, 任田雨, 高雨浩, 马信国
【申请人】清华大学