一种五轴混联机床运动学标定的任意姿态测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于接触式测量仪器的测量方法，确切地说，涉及一种用于一种 五轴混联机床运动学标定的任意姿态测量方法，属于空间角度测量技术领域。
【背景技术】
[0002] 五轴混联机床是加工大型航空薄壁件的重要设备，其中由两自由度串联机构和三 自由度并联机构所组成的五轴混联机床具有独特的优势，受到越来越多的关注。五轴混联 机床是结合了串联机构工作空间大和并联机构加速度大和刚度高等的特点，以高速高精加 工为目标的数控机床。国外已有包括德国DST公司开发的Ecospeed混联机床和西班牙 Fatronik公司开发的Space-5H混联加工中心用来加工航空结构件，因此，五轴混联机床具 有广阔应用前景。
[0003] 然而，在制造和装配五轴混联机床过程中，必然会产生误差，这样装配完成后的机 床主轴头的终端（一般指并联机构动平台）会偏离原来设计的终端位置，从而产生终端位 置和姿态误差，也即机床的精度会降低。为了保证机床实际的终端位置和姿态与设计的终 端位置和姿态保持一致，一般通过精度设计或者标定技术去保证机床的精度。精度设计是 在机床设计过程中，对机床各零部件的制造精度和机床装配过程中各环节的装配精度进行 限制，该方法实施成本高，不利于广泛推广。而运动学标定是在机床制造完成之后，通过辨 识机床的运动学模型中的杆件参数来修正控制系统中的模型，进而补偿机床终端误差，提 高机床终端精度。其实施成本低，有利于大范围推广。
[0004] 通常，运动学标定分为以下几个步骤：建模、测量、辨识和补偿。其中，测量是辨识 和补偿的基础，直接决定着标定效果的好坏，其原因在于：一是测量的精度越高，标定补偿 效果越好。由于标定的参数辨识算法一般采用最小二乘算法，最小二乘算法本质上是将测 量信息进行拟合，最终得到最佳的辨识参数。测量信息精度越高，则拟合得到的辨识参数越 准确，标定补偿效果才能越好；二是测量信息越多，则标定补偿效果越好。在最小二乘算法 原理下，测量信息越多在一定程度上可以规避测量误差所引起的参数辨识误差，从而使得 标定补偿效果越好。
[0005] 但是，目前在五轴混联机床运动学标定中，位置测量比较容易实施，而姿态测量比 较困难，其原因在于：一、采用倾角仪、激光跟踪仪、球杆仪、CCD等的专用仪器测量五轴混 联机床姿态时，虽然能够测量任意姿态，但是其成本较高，且一般测量精度达不到运动学标 定所需要的测量精度；二、采用自制测量仪器时，虽然成本较低，但是往往测量步骤繁琐且 测量姿态有限。目前，姿态测量主要面临三大问题：一是测量的成本高；二是测量的姿态受 测量方法的限制，也即无法有效测量整个工作空间的姿态；三、姿态测量繁琐，耗时较长。
【发明内容】
[0006] 本发明针对以上测量问题并结合五轴混联机床结构形式，提出了一种五轴混联机 床运动学标定的任意姿态测量方法；旨在充分利用五轴混联机床的三平动轴独立运动的特 点，结合少量的装置和简单的操作步骤，通过长度测量来计算五轴混联机床并联主轴头动 平台姿态，提高了测量精度和效率，并有效降低测量成本。
[0007] 本发明的第一种技术方案如下：
[0008] -种五轴混联机床运动学标定的任意姿态测量方法，所述的五轴混联机床含有机 床工作台和并联主轴头，并联主轴头具有两转动自由度与一平动自由度，且与机床工作台 还能形成两平动自由度的相对运动，其特征在于所述测量方法包括如下步骤：
[0009] 1).在五轴混联机床的工作台上固定量炔基板，在量炔基板上固定第一量块，第一 量块有三组相互平行的表面，该三组相互平行的表面分别垂直于五轴混联机床的三个平动 轴：X轴、Y轴和Z轴；
[0010] 2).在五轴混联机床的并联主轴头动平台上固定磁性表座和千分表，千分表测杆 的伸长方向沿着并联主轴头动平台法向并指向机床工作台；
[0011] 3).控制五轴混联机床使得并联主轴头动平台摆动到需要测量的姿态，然后五轴 混联机床只能进行X轴、Y轴和Z轴平动，其测量姿态包括：
[0012] a.测量并联主轴头动平台法向与X轴向的夹角：控制混联机床X轴、Y轴和Z轴平 动，使得千分表的测杆压缩并将测头压在第一量块的一个表面上，该表面垂直于X轴；然后 控制混联机床X轴运动位移AX，此时千分表的测杆伸长量记为Δ1 ;则并联主轴头动平台
[0013]b.测量并联主轴头动平台法向与Y轴向的夹角：控制混联机床X轴、Y轴和Z轴平 动，使得千分表的测杆压缩并将测头压在第一量块的一个表面上，该表面垂直于Y轴；然后 控制混联机床Y轴运动位移Ay，此时千分表的测杆伸长量记为Δ1 ;则并联主轴头动平台
[0014]c.测量并联主轴头动平台法向与Z轴向的夹角：控制混联机床X轴、Y轴和Z轴平 动，使得千分表的测杆压缩并将测头压在第一量块的一个表面上，该表面垂直于Z轴；然后 控制混联机床Z轴运动位移Δζ，此时千分表的测杆伸长量记为Δ1;则并联主轴头动平台
[0015] 本发明提供的第二种技术方案是：
[0016] -种五轴混联机床运动学标定的任意姿态测量方法，所述的五轴混联机床含有机 床工作台和并联主轴头，并联主轴头具有两转动自由度与一平动自由度，且与机床工作台 还能形成两平动自由度的相对运动，其特征在于所述测量方法包括如下步骤：
[0017] 4).在五轴混联机床的工作台上固定量炔基板，在量炔基板上同时固定第一量块 和第二量块，第一量块有三组相互平行的表面，该三组相互平行的表面分别垂直于五轴混 联机床的三个平动轴：Χ轴、Υ轴和Ζ轴；此时，第二量块有一个垂直于Ζ轴的表面，且该表 面与第一量块的一个垂直于Ζ轴的表面在Ζ轴方向上有高度差Δζ;
[0018] 5).在五轴混联机床的并联主轴头动平台上固定磁性表座和千分表，千分表测杆 的伸长方向沿着并联主轴头动平台法向并指向机床工作台；
[0019] 6).控制五轴混联机床使得并联主轴头动平台摆动到需要测量的姿态，然后五轴 混联机床只能进行X轴、Υ轴和Ζ轴平动，其测量姿态包括：
[0020] a.测量并联主轴头动平台法向与X轴向的夹角：控制混联机床X轴、Y轴和Z轴平 动，使得千分表的测杆压缩并将测头压在第一量块的一个表面上，该表面垂直于X轴；然后 控制混联机床X轴运动位移AX，此时千分表的测杆伸长量记为Δ1 ;则并联主轴头动平台 法向与混联机床X轴运动方向的
[0021] b.测量并联主轴头动平台法向与Y轴向的夹角：控制混联机床X轴、Y轴和Z轴平 动，使得千分表的测杆压缩并将测头压在第一量块的一个表面上，该表面垂直于Y轴；然后 控制混联机床Y轴运动位移Ay，此时千分表的测杆伸长量记为Δ1 ;则并联主轴头动平台 法向与混联机床Y轴运动方向的
[0022] c.测量并联主轴头动平台法向与Z轴向的夹角：控制混联机床X轴、Y轴和Z轴 平动，使得千分表的测杆压缩并将测头压在第一量块的一个表面上，该表面垂直于Z轴；然 后控制混联机床X轴和Y轴运动，使得千分表的测杆压缩并将测头压在第二量块的一个 表面上，该表面垂直于Z轴；此时Δz即由第一量块与第二量块在Z轴向的高度差产生， 千分表的测杆伸长量记为A1 ;则并联主轴头动平台法向与混联机床Z轴运动方向的夹角
[0023] 上述两种技术方案中，所述的五轴混联机床的工作台为固定工作台，或具有X轴 或Y轴的一平动自由度，或具有X轴和Y轴的两平动自由度。
[0024] 优选地，五轴混联机床的X轴和Y轴的线性度小于等于0. 008_，直线度小于等于 0. 01mm，X轴和Y轴之间的垂直度小于等于0.01mm/m。
[0025] 优选地，第一量块和第二量块表面相互平行的表面的平面度和垂直度小于等于 20μm，粗糙度小于等于0· 8μm。
[0026] 优选地，千分表的量程大于等于60mm。
[0027] 本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性的技术效果：①本发明所提出一 种五轴混联机床运动学标定的任意姿态测量方法充分利用了五轴混联机床的结构特点：将 两自由度的串联轴转化为测量工具，有效地降低了测量成本。②可以测量任意位姿（位置 和姿态）的姿态：其测量方法能够测量工作空间中任意姿态，可以有效提高标定效果。③操 作简便：固定完千分表和量块后，仅需控制机床进行X轴、Y轴和Z轴平动即可以实现姿态 测量，极大地简化了姿态测量步骤并降