一种五轴联动机床回转轴线几何参数测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及数控系统、机床结构参数测量技术领域，以实现一种五轴联动机床回 转轴线几何参数测量方法。
【背景技术】
[0002] 旋转刀具中心控制RTCP(Rotational Tool Center Point)技术，是五轴联动数控 系统极其重要的功能，RTCP功能可以直接编程刀具中心点的轨迹，使得数控程序独立于具 体的机床结构，数控系统会自动计算并保持刀具中心总始终在编程轨迹上，由旋转轴运动 引起的非线性误差都会被直线轴的运动所补偿。五轴机床不具备RTCP功能时，旋转轴运动 时刀具围绕旋转轴中心旋转，刀具中心点在工件坐标系中发生变化。
[0003] 五轴机床回转轴线几何参数即RTCP参数的测量精度高低决定了RTCP功能的好坏。 传统手工测量方法使用检棒、百分表和方规测量RTCP参数。其缺陷和局限性如下：
[0004] 1)未测量主动轴与从动轴轴线方向，默认两轴线与相应坐标轴平行，且相互正交， 这是手工测量方法的前提。但是在实际中，两轴线不一定与坐标轴平行，也不一定相互正 交，此测量前提是无法保证的，这样便会带来测量误差。
[0005] 2)-般的检棒球头圆度以及球头球心与主轴回转轴线同心度精度低，并不适用于 高精测量场合，使得测量产生误差。
[0006] 3)双转台结构测量时要求主动轴能在正向或者负向旋转90°，并非所有机床具备 这个角度行程。
[0007] 4)操作步骤繁琐，自动化程度低，测量结果好坏往往与机床测试人员经验有很大 关系。
[0008] 为解决手工测量精度缺陷和使用局限性，最大限度实现测量的自动化，实现旋转 刀具中心点精确控制，需要寻求一种更好的测量方法。
【发明内容】
[0009] 为解决手工测量五轴机床RTCP参数精度缺陷和场合使用局限性，本发明提供一种 五轴联动机床回转轴线几何参数测量方法，实现RTCP参数的自动测量。
[0010] 本发明使用触发式测头和标准球作为测量仪器，基于HNC8二次开发五轴机床几何 参数自动测量功能界面。HNC8是武汉华中数控股份有限公司研发的高档型数控系统，并提 供了二次开发平台，用于各类复杂的功能和专用界面开发。数控系统为用户配备了强有力 的类似于高级语言的宏程序功能，用户可以使用宏变量进行算术运算、逻辑运算和循环以 及子程序操作。
[0011] 为实现上述目的，本发明提供一种五轴联动机床回转轴线几何参数测量方法，包 括以下步骤：
[0012] S1:仪器安装，根据机床结构类型，安装触发式测头和标准球，并用杠杆表对测头 探针进行主轴同心校准；
[0013] S2:参数设置，在数控系统上设置测量参数，包括测量类型、旋转轴显示顺序、旋转 轴名、安全高度、定位速度、中间速度、触发速度、标准球半径、刀具长度和刀具半径10个基 本参数以及8个主动轴示教点和8个从动轴示教点，所述示教点是用来确定标准球与测头相 对位置，并进行碰撞的基准点；
[0014] S3:碰撞采集，通过数控系统，根据步骤S2确定的10个基本参数以及8个主动轴示 教点和8个从动轴示教点坐标，驱动测头探针与标准球进行碰撞并锁存碰撞时机床坐标系 下的坐标X、Y、Z，各个示教点碰撞4次;碰撞过程如下：
[0015] 测头探针在Z轴负方向与标准球顶点进行碰撞锁存机床坐标点1，在X轴正方向与 标准球赤道碰撞锁存机床坐标点2，在X轴负方向与标准球赤道碰撞锁存机床坐标点3，在Y 轴正或负方向与标准球赤道碰撞锁存机床坐标点4;
[0016] 或者，测头探针在Z负方向与标准球顶点进行碰撞锁存机床坐标点1，在Y轴正方向 与标准球赤道碰撞锁存机床坐标点2，在Y轴负方向与标准球赤道碰撞锁存机床坐标点3，在 X轴正或负方向与标准球赤道碰撞锁存机床坐标点4;
[0017] S4:RTCP参数计算，根据锁存的碰撞点坐标，计算各个示教点相对应的标准球球心 坐标;使用最小二乘数据处理方法，对各个标准球球心坐标拟合主动旋转轴与从动旋转轴 轴线方向与空间位置，得到RTCP参数，所述RTCP参数包括主动轴轴线方向矢量、从动轴轴线 方向矢量、主动轴轴线偏移矢量和从动轴轴线偏移矢量。
[0018] 进一步的，所述的几何参数测量方法的步骤S1中，对于双摆头和混合型结构机床 采用主轴装夹标准球而工作台放置测头的安装方式，对于双转台类型机床采用主轴装夹测 头而转台放置标准球的安装方式。
[0019] 进一步的，所述的几何参数测量方法的步骤S2的示教点选取过程中，主动旋转轴 或从动旋转轴在保持任一角度，在Z方向测头探针与标准球最高点附近刚好接触时，此时机 床坐标系下的五个轴坐标即为示教点坐标;在主动旋转轴行程范围，均匀获取8个主动轴示 教点;在从动旋转轴行程范围，均匀获取8个从动轴示教点。
[0020] 进一步的，所述的几何参数测量方法，根据8个主动轴示教点和8个从动轴示教点， 采用最小二乘法分别拟合出标准球球心坐标，计算RTCP参数方法如下：
[0021] 根据主动轴轴线参数11(￥1，01)与从动轴轴线参数1^(￥2,02)，计算直线1^1与直线 L2之间公垂线段L3(T1，T2)，点T1为L3在L1上的垂足，点T2为L3在L2上的垂足；
[0022] 其中：L1(V1，D1)是由方向矢量VI和D1确定的直线，L2(V2，D2)是由方向矢量V2和 D2确定的直线;D1是由主动轴示教点拟合的轨迹圆圆心，其位于主动轴轴线上，VI为所述轨 迹圆平面法矢，是主动轴轴线的方向；D2是由从动轴示教点拟合的轨迹圆圆心，是从动轴轴 线上的一点，V2为所述轨迹圆平面法矢，是从动轴轴线的方向；
[0023]最后，得到的RTCP参数分别为:主动轴轴线方向矢量VI、从动轴轴线方向矢量V2、 主动轴轴线偏移矢量(T2-T1)、从动轴轴线偏移矢量T1;上述矢量均以机床坐标原点为基 准。
[0024]进一步的，所述的几何参数测量方法中，测量参数的赋值、碰撞锁存和计算，可利 用数控系统G代码实现。所述碰撞动作是采集所需坐标数据的基础，这些数据最终用来计算 RTCP参数。碰撞原理在于，测头探针刚好触碰标准球并开始产生微小形变时，测头发出触发 信号，机床控制测头探针立即返回，并锁存测头探针刚好触碰标准球时的机床坐标。
[0025] 所述的几何参数测量方法，计算RTCP参数关键在于标准球球心计算和球心圆拟 合，原理如下：
[0026] 1)球心计算
[0027]根据步骤S 3中主动轴示教点处碰撞锁存的机床坐标系下4个空间坐标点
(.i 一求取主动轴示教点处标准球球心坐标Bai(X，Y，Z)(i = l，2··· 8)，公式如下：
[0028] (Χ-Χ1)2+(Υ-Υ1)2+(Ζ-Ζ1)2 = (Χ-Χ2)2+(Υ-Υ2)2+(Ζ-Ζ2)3
[0029] (Χ-Χ1)2+(Υ-Υ1)2+(Ζ-Ζ1)2 = (Χ-Χ3)2+(Υ-Υ3)2+(Ζ-Ζ3)2
[0030] (Χ-Χ1)2+(Υ-Υ1)2+(Ζ-Ζ1)2 = (Χ-Χ4)2+(Υ-Υ4)2+(Ζ-Ζ4)2
[0031 ]同样可得从动轴示教点处标准球球心坐标Bpi (Χ，Υ，Ζ)(? = 1，2···8)。
[0032] 2)球心圆拟合
[0033] 标准球球心的轨迹是空间平面上的一个圆。依据Bai(X，Υ，Ζ(? = 1，2···8)8个标准 球球心坐标，使用最小二乘法拟合轨迹圆圆心D1 (X，Υ，Ζ)与轨迹圆平面法矢VI (X，Υ，Ζ)，轨 迹圆圆心D1(X，Y，Z)是主动轴轴线上的一点，轨迹圆平面法矢V1(X，Y，Z)是主动轴轴线的方 向；依据B Pi (Χ，Υ，Ζ)(? = 1，2···8) 8个标准球球心坐标使用最小二乘法拟合轨迹圆圆心D2 (Χ，Υ，Ζ)与轨迹圆平面法矢V2(X，Y，Z)，轨迹圆圆心D2(X，Y，Z)是从动轴轴线上的一点，轨迹 圆平面法矢V2 (X，Υ，Z)是从动轴轴线的方向。
[0034] 3)RTCP参数计算
[0035]根据主动轴轴线参数1^1(￥1，01)与从动轴轴线参数1^(￥2,02)，计算直线1^1与直线 L2之间公垂线段L3(T1，T2)，点T1(X，Y，Z)为L3在L1上的垂足，点T2(X，Y，Z)为L3在L2上的垂 足。L1(V1，D1)表示由方向矢量VI和D1确定的直线，L2(V2，D2)表示由方向矢量V2和D2确定 的直线。
[0036] RTCP参数分别为：主动轴轴线方向矢量V1(X，Y，Z)、从动轴轴线方向矢量V2(X，Y， 2)、主动轴轴线偏移矢量〇2-1'1)0，￥，2)、从动轴轴线偏移矢量110，￥，2)。上述矢量均以 机床坐标原点为基准。
[0037] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，可以取得如下有 益的效果：
[0038] 1)使用标准球和触发式测头作为测量仪器，设备简单，安装方便。其对于双摆头、 双转台和混合结构，两回转轴线正交与非正交、相交与相贯都适用，具有广泛的适用性。
[0039] 2)可在数控系统上进行二次开发，形成独立的测量模块界面，机床测量人员输入 测量参数，进行简单操作便能完成整个测量过程，极大降低了对机床测量人员的要求。
[0040] 3)测量模块中数据处理模块能精确计算轴线方向和轴线偏移，改变了手动无法测 量回转轴线方向和精度不足的局限，实现了旋转刀具中心点的精确控制。
[0041]总而言之，本发明方法可以既方便又精确测量RTCP参数，极大简化了机床测量人 员的操作。
【附图说明】
[0042] 图1是本发明实施例方法中测试机床及测试仪器安装示意图；
[0043] 图2是本发明实施例方法中步骤流程示意图。
【具体实施方式】
[0044] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明，并不用于限定本发明。
[0045] 图1是本发明实施例中测试对象拓璞C50AC双转台五轴机床实物图，A转台为主动 轴，C转台为从动轴，测量对象RTCP参数为：
[0046] 1)A转台旋转轴轴线方向；
[0047] 2)C转台旋转轴轴线方向；
[0048] 3)A转台旋转轴轴线偏移；
[0049] 4)C转台旋转轴轴线偏移。
[0050] 图2是本发明实施例方法中步骤流程示意图，结合该图对本发明进行进一步详细 说明。
[0051] 1、仪器安装。图1为测试仪器安装示意图，主轴上安装测头，C转台上以磁力座吸附 直径25mm标准球。用杠杆表对测头探针进行主轴同心校准，使得探针末端圆球球心与主轴 轴线高度重合，校准时杠杆表针跳动2um以内。
[0052] 2、参数设置。
[0053] 1)测量类型:双转台类型；
[0054] 2)旋转轴显示顺序:示教点坐标顺序与系统设定一致；
[0055] 3)旋转轴名:主动轴名在前，从动轴名在后，AC;
[0056] 4、安全高度：测头探