一种加工机床中在线测量的测量探头的标定方法
【专利摘要】一种加工机床中在线测量的测量探头的标定方法，用于对机械加工机床的在线测量探头进行标定，其特征在于，包括以下步骤：一，在机床校准后的可固定标准量棒的元件上安装标准量棒作为标定参照；二，使用测量探头碰触标准量棒任意位置多次，并记录碰触时测量探头的坐标数据；三，对步骤二记录的测量数据进行处理，拟合得出一个半圆轮廓；四，由拟合得到的半圆轮廓计算出圆心位置坐标，将该圆心坐标与标准量棒的圆心及半径、测量探头半径进行几何处理，即得到测量探头中心的坐标。该标定方法具有设计结构与安装过程简单、节省空间、成本低廉的优点。
【专利说明】
一种加工机床中在线测量的测量探头的标定方法
技术领域
[0001]本发明属于机械加工领域，特别是涉及一种加工机床的测量探头的标定方法。
【背景技术】
[0002]机械加工是先进制造技术的基层作业，是先进制造系统中最基本最活跃的环节，其基本目标是在低成本、高生产率的条件下保证产品的质量。机械加工在线测量技术能够在现场对加工工件进行测量，实时反馈装配与加工的质量，在一定程度上在线对刀具磨损以及温升进行实时补偿以提高加工精度与质量。特别是在多品种小批量生产条件下，研究先进的在线测量技术意义尤其重大，因为在线测量是加工测量一体化技术的重要组成部分，是保证质量和提高生产率的重要手段。
[0003]现有的测量系统一般利用标准球作为标定物，对所需标定的三坐标探头进行标定。但在在线测量中，由于机床的限制，并不是所有的机床均拥有足够的自由度以及空间来安装三坐标探头以及标准球。安装三坐标探头以及标准球的在线测量标定方式条件限制较多且成本较高，故而国内所生产机床大多不包含在线测量系统，大大制约着我国加工制造的精度与质量的提高。
【发明内容】
[0004]本发明为解决上述问题，提出了一种加工机床中在线测量的测量探头的标定方法，该方法无需使用成本较高的三坐标探头和标准球，能够适应国内生产的大多数机床在在线测。
[0005]一种加工机床中在线测量的测量探头的标定方法，用于对机械加工机床的在线测量探头进行标定，其特征在于，包括以下步骤:
[0006]步骤一，在机床校准后的可固定标准量棒的元件上安装标准量棒作为标定参照；
[0007]步骤二，使用测量探头碰触标准量棒任意位置多次，并记录碰触时测量探头的坐标数据；
[0008]步骤三，对步骤二记录的测量数据进行处理，拟合得到一个半圆轮廓；
[0009]步骤四，由拟合得到的半圆轮廓计算出圆心位置坐标，将该圆心坐标与标准量棒的圆心及半径、测量探头半径进行几何处理，即得到测量探头中心的坐标。
[0010]本发明提供的加工机床中在线测量的测量探头的标定方法，还可以具有这样的特征:其中，标准量棒安装在顶针上。
[0011]本发明提供的加工机床中在线测量的测量探头的标定方法，还可以具有这样的特征:其中，测量探头安装在可进行旋转的机床主轴上且可随着机床主轴运动。
[0012]本发明提供的加工机床中在线测量的测量探头的标定方法，还可以具有这样的特征:其中，测量探头可旋转地安装在机床主轴上。
[0013]本发明提供的加工机床中在线测量的测量探头的标定方法，还可以具有这样的特征:其中，测量探头为接触式探头。
[0014]本发明提供的加工机床中在线测量的测量探头的标定方法，还可以具有这样的特征:其中，测量探头与加工机床的控制部连接，当测量探头受到一定压力时，加工机床停止当前操作同时将此时的坐标记录在控制部中。
[0015]本发明提供的加工机床中在线测量的测量探头的标定方法，还可以具有这样的特征:其中，步骤二中测量探头碰触标准量棒的不同角度的不同位置。
[0016]本发明提供的加工机床中在线测量的测量探头的标定方法，还可以具有这样的特征:其中，步骤三中使用Matlab、Mathmatica、Maple以及OriginLab软件中的任意一种来完成拟合。
[0017]发明作用与效果
[0018]根据本发明提供的加工机床中在线测量的测量探头的标定方法，因为测量探头安装在机床主轴上，直接利用主轴进行测量以及标定动作，并可进行旋转操作，故而具有设计结构与安装过程简单、节省空间、成本低廉的优点；另外使用标准量棒作为标定参照物并安装在机床现有的固定装置上，因此无需增加额外的标定参照物;又由于测量点位置具有任意性，故而在线测量的标定程序的设计较为简单。
【附图说明】
[0019]图1是本发明的加工机床中在线测量的测量探头的标定方法标定工作时的磨齿机床标定总体示意图；
[0020]图2为测量探头工作以及停机状态下的位置示意图；
[0021 ]图3为测量探头测量以及标定状态下的位置示意图；以及
[0022]图4为测量探头标定时各个部件的位置示意图；
[0023]图5为测量探头测量位置示意图。
【具体实施方式】
[0024]为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的加工机床中在线测量的测量探头的标定方法的原理步骤使用效果作具体阐述。
[0025]实施例
[0026]图1是本发明的加工机床中在线测量的测量探头的标定方法标定工作时的磨齿机床标定总体示意图。
[0027]如图1所示，磨齿机床包括底座1、导轨2、导轨3、立柱4、砂轮5、砂轮主轴电机6、测量探头7、金刚轮8、顶针9a与9b、工件主轴电机10、标准量棒11、导轨12以及图中未显示的控制部。
[0028]其中，由于导轨2、导轨3与立柱4中旋转轴的存在，机床主轴有三个自由度，分别为前后移动的Y轴、左右移动的X轴以及旋转轴B轴，而工件的固定装置为一对顶针9a与9b，右侧顶针9b通过导轨12可左右移动以便装夹，同时由于工件主轴电机10，可绕A轴进行旋转操作。各轴的位置以及动作通过各轴上的传感器、传动电机以及控制台之间相互连接进行信息交互与动作控制。在机床校准后的顶针9a与9b之间安装标准量棒11作为标定参照。
[0029]图2为测量探头工作以及停机状态下的位置示意图。
[0030]图3为测量探头测量以及标定状态下的位置示意图。
[0031 ]图4为测量探头标定时各个部件的位置示意图。
[0032]如图2所示，测量探头7安装在磨齿机床主轴上传动电机的侧面，此状态为收缩状态，进行加工以及停机时测量探头处于此位置;在进行测量以及标定时，测量探头将会旋转90。，如图3、4所示。
[0033]如图2，测量探头7处于伸出状态时，即可进行标定工作。
[0034]第一，将标准量棒11安装在机床的固定装置顶针9a与9b上并加以固定；
[0035]第二，通过机床立柱4的Y轴的向前运动，将测量探头7对标准量棒11进行碰触，碰触时记录机床的各轴坐标值(X、Y、A、B轴的坐标值)；至此完成首次碰触。碰触完成后，沿Y轴后移，撤出测量探头7。
[0036]在上次测量的基础上，对B轴一定的角度旋转，然后再进行二次碰触。同样，记录碰触时机床各轴的坐标值。接下来，即为以上操作的重复。为保持标定的高精度可碰触多点。
[0037]第三，由于机床的尺寸、标准量棒的直径、探头长度、探头直径等参数条件已知，故而当得到机床的各轴坐标值后即可得到测量探头7的位置。
[0038]第四，根据多个碰触时的测量探头的位置，依靠Matlab、Mathmatica、Maple以及OriginLab程序功能即可拟合出虚拟的量棒的圆心位置坐标，本实施例中使用的是Matlab。
[0039]圆的拟合，理论上，由机床所测量的点都应位于标准量棒的外圆上，但是由于采用的是接触式测量，在测量的过程中，测量探头部分需要有一定的变形量，才会产生触发信号，从而使得实际测量位置偏离理论位置，导致测量存在一定的误差。
[0040]图5为测量探头测量位置示意图
[0041]测量位置的变化关系及测量的位置偏差示意图如图5所示，由于接触式测头需要通过测杆的变形从而产生触发信号，所以当测头逐渐向底端移动时，此时将产生较大的偏差值。
[0042]以本机床为例，如图5所示，测量探头L长度约为80mm，标准量棒的直径为30mm，Δ Θ= 0.0035°，以竖直方向为基准，当Θ为90°时，测量探头产生的滑移量是Θ为0°时的10倍，由此可见，随着测量探头的长度的增加以及测头触发灵敏度的减弱，由此产生的滑移量将进一步增加。在保证精度的前提下，为了获取较多的测量数据，根据测量数据并结合相关经验，Θ的取值范围应不大于40°?50°。
[0043]实施例的作用和有益效果
[0044]根据本实施例提供的加工机床中在线测量的测量探头的标定方法，因为测量探头安装在机床主轴上，直接利用主轴进行测量以及标定动作，并可进行旋转操作，故而具有设计结构与安装过程简单、节省空间、成本低廉的优点；另外使用标准量棒作为标定参照物并安装在机床现有的固定装置上，因此无需增加额外的标定参照物;又由于测量点位置具有任意性，故而在线测量的标定程序的设计较为简单。
[0045]进一步地，由于标准量棒安装在顶针上，利用加工机床自有的夹持固定机构对标准量棒进行夹持固定，省却了设计安装夹持结构的成本，更有利于该标定方法的推广。
[0046]进一步地，由于测量探头为接触式探头，较非接触式探头测量而言，能够适应机床中油液等的污染，保证测量精度，同时技术成熟购置成本低，更适合国内所生产机床大多不包含在线测量系统采用，切合他们的成本省而效果好的要求。[OO47]另外，使用现有的商业化的处理软件Mat lab、Mathmatica、Maple以及OriginLab，易于实现，省去了自行开发处理软件的麻烦。
【主权项】
1.一种加工机床中在线测量的测量探头的标定方法，用于对机械加工机床的在线测量探头进行标定，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一，在机床校准后的可固定标准量棒的元件上安装所述标准量棒作为标定参照；步骤二，使用所述测量探头碰触所述标准量棒任意位置多次，并记录碰触时所述测量探头的坐标数据； 步骤三，对步骤二记录的测量数据进行处理，拟合得到一个半圆轮廓； 步骤四，由拟合得到的所述半圆轮廓计算出圆心位置坐标，将该圆心坐标与所述标准量棒的圆心及半径、所述测量探头半径进行几何处理，即得到所述测量探头中心的坐标。2.根据权利要求1所述的加工机床中在线测量的测量探头的标定方法，其特征在于: 其中，所述标准量棒安装在顶针上。3.根据权利要求1所述的加工机床中在线测量的测量探头的标定方法，其特征在于: 其中，所述测量探头安装在可进行旋转的机床主轴上且可随着所述机床主轴运动。4.根据权利要求3所述的加工机床中在线测量的测量探头的标定方法，其特征在于: 其中，所述测量探头可旋转地安装在所述机床主轴上。5.根据权利要求1所述的加工机床中在线测量的测量探头的标定方法，其特征在于: 其中，所述测量探头为接触式探头。6.根据权利要求1所述的加工机床中在线测量的测量探头的标定方法，其特征在于: 其中，所述测量探头与所述加工机床的控制部连接，当所述测量探头受到一定压力时，所述加工机床停止当前操作同时将此时的坐标记录在所述控制部中。7.根据权利要求1所述的加工机床中在线测量的测量探头的标定方法，其特征在于: 其中，步骤二中所述测量探头碰触所述标准量棒的不同角度的不同位置，为了减小由于所述标准量棒变形所产生的误差，在满足测量要求的情况下应尽可能减小所述标准量棒的长度。8.根据权利要求1所述的加工机床中在线测量的测量探头的标定方法，其特征在于: 其中，步骤三中使用Mat lab、Mathmati ca、Maple以及OriginLab软件中的任意一种来完成拟合。
【文档编号】G01B21/00GK106017377SQ201610592248
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月26日
【发明人】汪中厚, 刘欣荣, 王冰青, 马雅鹤, 曹欢, 徐阐
【申请人】上海理工大学