一种五轴机床的标定方法与流程

本发明涉及五轴机床领域，特别涉及一种五轴机床的标定方法；还涉及一种五轴机床的标定系统、装置以及计算机可读存储介质。

背景技术：

五轴机床包括x直线运动轴、y直线运动轴、z直线运动轴以及a旋转轴与c旋转轴，属于高精密设备，其对机床标定具有较高的精度要求。而目前多采用直接测量的方式进行机床标定，一方面，存在标定过程中的一些参量无法通过直接测量得到的情况，如无法直接测量旋转轴坐标系原点与刀具坐标系原点的相对位置关系；另一方面，直接测量得到参量存在误差，从而严重影响机床的标定精度。

有鉴于此，如何提供一种五轴机床的标定方案，实现五轴机床的简单、高效标定以及提高标定精度是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种五轴机床的标定方法，能够实现五轴机床的简单、高效标定以及提高标定精度；本发明的另一目的是提供一种五轴机床的标定系统、装置以及计算机可读存储介质，均具有上述有益效果。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种五轴机床的标定方法，包括：

获取各运动轴在单轴运动时运动轨迹上的预设数量的坐标点，并根据所述坐标点计算得到各所述运动轴的方向向量及两个旋转轴的交点；

根据各所述运动轴的所述方向向量计算得到所述运动轴间的垂直度；

根据所述交点计算得到旋转轴坐标系与刀具坐标系的相对偏移量以及所述旋转轴坐标系与工件坐标系的相对偏移量；

采集各所述运动轴在预设定点间往复运动时所述预设定点的坐标数据，并根据所述坐标数据得到各所述运动轴的重复定位精度。

可选的，通过激光跟踪仪获取所述坐标点以及采集所述坐标数据。

可选的，所述根据各所述运动轴的所述方向向量计算得到所述运动轴间的垂直度，包括：

根据θ＝cos^-1<n1,n2>计算得到所述运动轴间的所述垂直度；

其中，所述θ为所述垂直度，所述n1与所述n2分别为不同的两个所述运动轴对应的所述方向向量。

可选的，所述根据所述交点计算得到旋转轴坐标系与刀具坐标系的相对偏移量，包括：

选定参考点，根据所述参考点与所述交点计算得到旋转轴坐标系原点相对所述参考点的第一偏移量；

根据所述参考点与可测点所在平面计算得到刀具坐标系原点相对所述参考点的第二偏移量；

根据所述第一偏移量与所述第二偏移量计算得到所述旋转轴坐标系与所述刀具坐标系的相对偏移量。

可选的，所述根据所述交点计算得到旋转轴坐标系与工件坐标系的相对偏移量，包括：

根据x＝y＝0，z＝d+h得到所述旋转轴坐标系与工件坐标系的相对偏移量；

其中，x、y、z分别为所述旋转轴坐标系相对所述工件坐标系在x、y、z坐标轴方向的相对偏移量，d为所述交点与工件台面的距离，h为工件高度。

可选的，所述根据所述坐标数据计算得到各所述运动轴的重复定位精度，包括：

根据以及分别得到各所述运动轴的所述重复定位精度；

其中，rpl为所述重复定位精度，n为所述坐标数据的数量，xj、yj、zj分别为所述坐标数据的x坐标值、y坐标值、z坐标值。

可选的，所述根据所述坐标点计算得到各所述运动轴的方向向量及两个旋转轴的交点，包括：

根据所述坐标点通过最小二乘法拟合得到各所述运动轴的所述方向向量及所述两个旋转轴的交点。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种五轴机床的标定系统，包括：

坐标点获取模块，用于获取各运动轴在单轴运动时运动轨迹上的预设数量的坐标点，并根据所述坐标点计算得到各所述运动轴的方向向量及两个旋转轴的交点；

垂直度计算模块，用于根据各所述运动轴的所述方向向量计算得到所述运动轴间的垂直度；

相对偏移量计算模块，用于根据所述交点计算得到旋转轴坐标系与刀具坐标系的相对偏移量以及所述旋转轴坐标系与工件坐标系的相对偏移量；

重复定位精度计算模块，用于采集各所述运动轴在预设定点间往复运动时所述预设定点的坐标数据，并根据所述坐标数据得到各所述运动轴的重复定位精度。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种五轴机床的标定装置，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述任一项所述的五轴机床的标定方法的步骤。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一项所述的五轴机床的标定方法的步骤。

本发明所提供的五轴机床的标定方法，包括获取各运动轴在单轴运动时运动轨迹上的预设数量的坐标点，并根据所述坐标点计算得到各所述运动轴的方向向量及两个旋转轴的交点；根据各所述运动轴的所述方向向量计算得到所述运动轴间的垂直度；根据所述交点计算得到旋转轴坐标系与刀具坐标系的相对偏移量以及所述旋转轴坐标系与工件坐标系的相对偏移量；采集各所述运动轴在预设定点间往复运动时所述预设定点的坐标数据，并根据所述坐标数据得到各所述运动轴的重复定位精度。

可见，本发明所提供的五轴机床的标定方法，通过间接测量的方式实现五轴机床的各项标定。具体而言，获取各运动轴的运动轨迹上的多个坐标点，进而依据此多个坐标点实现各运动轴间垂直度、各坐标系间相对偏移量的标定；采集各运动轴在预设定点间单轴往复运动时，预设定点的坐标数据，进一步根据此坐标数据实现各运动轴的重复定位精度的标定。该标定方法不仅可以实现五轴机床的简单、高效标定，还可以提高标度精度，满足五轴机床的高精度标定的要求。

本发明所提供的五轴机床的标定系统、装置以及计算机可读存储介质，均具有上述有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的一种五轴机床的标定方法的流程示意图；

图2为本发明实施例所提供的一种参考点位置示意图；

图3为本发明实施例所提供的一种可测点位置的示意图；

图4为本发明实施例所提供的一种五轴机床的标定系统的示意图；

图5为本发明实施例所提供的一种五轴机床的标定装置的示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种五轴机床的标定方法，能够实现五轴机床的简单、高效标定以及提高标定精度；本发明的另一目的是提供一种五轴机床的标定系统、装置以及计算机可读存储介质，均具有上述有益效果。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本发明实施例所提供的一种五轴机床的标定方法的流程示意图；参考图1可知，该标定方法包括：

s100：获取各运动轴在单轴运动时运动轨迹上的预设数量的坐标点，并根据所述坐标点计算得到各所述运动轴的方向向量及两个旋转轴的交点；

具体的，本实施例采用间接测量的方式实现机床标定。具体而言，获取各运动轴在单轴运动时运动轨迹上的预设数量的坐标点，进而分别根据各运动轴的运动轨迹上的各坐标点计算得到各运动轴的方向向量以及a旋转轴与c旋转轴的交点。

其中，在一种具体的实施方式中，上述根据坐标点计算得到各运动轴的方向向量及两个旋转轴的交点包括：根据坐标点通过最小二乘法拟合得到各运动轴的方向向量以及两个旋转轴的交点。

具体的，a旋转轴与c旋转轴做旋转运动，以a旋转轴为例：在获取a旋转轴运动轨迹上的m个坐标点pi(xi,yi,zi)的基础上，i∈(1，m)。设a旋转轴的拟合圆，即a圆的圆心坐标为(x0,y0,z0)，进而根据圆方程其中，r为半径，其具体数值可以自行设定，本发明不做唯一限定。展开上式(x-x0)²+(y-y0)²＝r可得x²+y²-2xx0²-2yy0²+x0²+y0²-r＝0。将上述m个坐标点pi(xi,yi,zi)的x坐标值与y坐标值代入x²+y²-2xx0²-2yy0²+x0²+y0²-r＝0，进而利用最小二乘法得取j(x0,y0)最小时的x0，y0分别作为圆心坐标的x坐标值与y坐标值，从而得到圆心坐标。

进一步，根据平面拟合公式ax+by+cz+d＝0，将上述获取到的m个坐标点pi(xi,yi,zi)，代入此平面拟合公式，并利用最小二乘法得选取h(a,b,c,d)最小时对应的a、b、c，并根据实际需要确定常数d的值，从而得到a圆平面的方程。根据上述确定的圆心坐标与此a圆平面方程得到a旋转轴的方向向量，即取过上述圆心、垂直于该a圆平面的向量为a旋转轴的方向向量。同理可得c旋转轴的方向向量。

进一步，根据点向式直线方程得到各旋转轴的直线方程，并联立得到a旋转轴与c旋转轴的交点。其中，(xa，ya，za)为a圆的圆心坐标，为a旋转轴的方向向量，(xb，yb，zb)为c圆的圆心坐标，为c旋转轴的方向向量。

x、y、z运动轴为直线运动，以x运动轴为例：在获取x运动轴的直线运动轨迹上的坐标点p1(xj，yj，zj)，p2(xj，yj，zj)的基础上，根据分别计算得到p1坐标点的均值坐标与p2坐标点的均值坐标其中，n为各坐标点的坐标个数。则x运动轴的方向向量为同理可得y运动轴与z运动轴的方向向量。

另外，对于上述预设数量的具体数值，本发明不做唯一限定，可以根据实际情况进行差异性设置。以及，对于获取上述坐标点以及步骤s500中采集预设定点的坐标数据的具体方式，本发明同样不做具体限定，可以结合实际需要选择合适的方式。

可选的，通过激光跟踪仪获取坐标点以及采集坐标数据。

具体的，鉴于激光跟踪仪具有精度高等优势，所以在进行坐标点获取以及坐标数据采集时，可具体采用激光跟踪仪，以保障数据准确度。

s200：根据各运动轴的方向向量计算得到运动轴间的垂直度；

具体的，在得到各运动轴的方向向量的基础上，进一步，即可根据各运动轴的方向向量计算得到各运动轴彼此之间的垂直度，实现各运动轴间的垂直度的标定。

在一种具体的实施方式中，上述根据各运动轴的方向向量计算得到运动轴间的垂直度包括：根据θ＝cos^-1<n1,n2>计算得到各运动轴间的垂直度，其中，θ为垂直度，n1与n2分别为不同的两个运动轴对应的方向向量。

具体的，本实施例提供了一种具体的计算各运动轴间的垂直度的方式，即通过向量间夹角反应垂直度。具体根据θ＝cos^-1<n1,n2>计算得到各运动轴间的垂直度。以计算a旋转轴与c旋转轴间的垂直度为例，a旋转轴的方向向量为c旋转轴的方向向量为则将a旋转轴与c旋转轴的上述方向向量代入θ＝cos^-1<n1,n2>即可得二者的垂直度。

s300：根据交点计算得到旋转轴坐标系与刀具坐标系的相对偏移量以及旋转轴坐标系与工件坐标系的相对偏移量；

具体的，本步骤旨在进行各坐标系间的相对偏移量的标定。其中，在一种具体的实施方式中，上述根据交点计算得到旋转轴坐标系与刀具坐标系的相对偏移量包括：选定参考点，根据参考点与交点计算得到旋转轴坐标系原点相对参考点的第一偏移量；根据参考点与可测点所在平面计算得到刀具坐标系原点相对参考点的第二偏移量；根据第一偏移量与第二偏移量得到旋转轴坐标系与刀具坐标系的相对偏移量。

具体的，计算旋转轴坐标系原点相对参考点的第一偏移量：选定参考点，如图2所示，进而根据空间点之间距离的欧式公式分别计算a旋转轴与c旋转轴的交点，即旋转轴坐标系原点与参考点的距离d1，参考点到c圆平面在z坐标轴方向的偏移量d2，参考点到a圆平面在x坐标轴方向的偏移量d3，旋转轴坐标系原点到c圆平面在z坐标轴方向的偏移量d4，旋转轴坐标系原点到a圆平面在x坐标轴方向的偏移量d5。进一步，得到旋转轴坐标系原点相对参考点在x坐标轴方向的偏移量为xac＝d3-d5；在z坐标轴方向的偏移量为zac＝d2+d4；在y坐标轴方向偏移量为：

进一步，计算刀具坐标系原点相对参考点的第二偏移量：由于刀尖点不可测，所以可以首先控制五轴机床运动，使刀具的刀尖点与五轴机床的工件台面的可测点接触。其中，此可测点的具体位置可自行设定。然后通过激光跟踪仪采集该可测点所在各平面上的多个坐标点，根据该多个坐标点分别得到各平面的平面方程，进而根据点到面的距离公式计算得到参考点与各构成此可测点的每个平面的距离。例如，如图3所示，可测点为x平面、y平面以及z平面的交点，从而计算参考点到x平面的距离xt，参考点到y平面的距离yt，以及参考点到z平面的距离zt。则刀尖，即刀具坐标系原点相对参考点在x坐标轴方向的偏移量为xt，刀具坐标系原点相对参考点在y坐标轴方向的偏移量为yt，刀具坐标系原点相对参考点在z坐标轴方向的偏移量为zt。

进一步，计算得到旋转轴坐标系与刀具坐标系在各坐标轴方向的相对偏移量：在x坐标轴方向：x＝xac-xt；在y坐标轴方向：y＝yac-yt；在z坐标轴方向：z＝zac-zt。

在一种具体的实施方式中，上述根据交点计算得到旋转轴坐标系与工件坐标系的相对偏移量包括：根据x＝y＝0，z＝d+h得到旋转轴坐标系与工件坐标系的相对偏移量；其中，x、y、z分别为旋转轴坐标系与工件坐标系在x、y、z坐标轴方向的相对偏移量，d为交点与工件台面的距离，h为工件高度。

具体的，由工件坐标系与旋转轴坐标系的相对位置关系可知，旋转轴坐标系与工件坐标系在x坐标轴方向以及y坐标轴方向的相对偏移量均为0，故只需计算a旋转轴与c旋转轴的交点与工件台面的距离值即可，即只需计算旋转轴坐标系与工件坐标系在z坐标轴方向的相对偏移量。由于工件坐标系建立于工件表面，为避免工件自身的高度对标定准确性的影响。本实施例充分结合工件高度进行标定，即根据x＝y＝0，z＝d+h得到旋转轴坐标系与工件坐标系的相对偏移量。

s400：采集各运动轴在预设定点间往复运动时预设定点的坐标数据，并分别根据坐标数据得到各运动轴的重复定位精度。

具体的，本步骤旨在进行各运动轴的重复定位精度的标定。具体而言，可将激光追踪仪的靶球放置于工件台面的预设位置p2，如图2所示。其中，附图中所示的p2的位置仅是本发明提供的一种位置，而不用作唯一限定，可以根据实际需要选择合适的位置。在各运动轴分别进行单轴运动时，靶球随之在机床的两个预设定点间往复运动多次，在此过程中，采集靶球每次运动到预设定点位置时激光跟踪仪中记录的坐标数据，进而根据此坐标数据分别得到各运动轴的重复定位精度。

在一种具体的实施方式中，上述根据坐标数据得到各运动轴的重复定位精度包括：根据以及分别得到各运动轴的重复定位精度；其中，rpl为重复定位精度，n为坐标数据的数量，xj、yj、zj分别为坐标数据的x坐标值、y坐标值、z坐标值。

具体的，本实施例提供了一种具体的计算重复定位精度的方式，即将采集到的各运动轴在单轴运动时的坐标数据分别代入上述公式，进而对应得到各运动轴的重复定位精度。

综上所述，本发明所提供的五轴机床的标定方法，通过间接测量的方式实现五轴机床的各项标定。具体而言，获取各运动轴的运动轨迹上的多个坐标点，进而依据此多个坐标点实现各运动轴间垂直度、各坐标系间相对偏移量的标定；采集各运动轴在预设定点间单轴往复运动时，预设定点的坐标数据，进一步根据此坐标数据实现各运动轴的重复定位精度的标定。该标定方法不仅可以实现五轴机床的简单、高效标定，还可以提高标度精度，满足五轴机床的高精度标定的要求。

本发明还提供了一种五轴机床的标定系统，下文描述的该标定系统可以与上文描述的标定方法相互对应参照。请参考图4，图4为本发明实施例所提供的五轴机床的标定系统的示意图；结合图4可知，该标定系统包括：

坐标点获取模块10，用于获取各运动轴在单轴运动时运动轨迹上的预设数量的坐标点，并根据坐标点计算得到各运动轴的方向向量及两个旋转轴的交点；

垂直度计算模块20，用于根据各运动轴的方向向量计算得到运动轴间的垂直度；

相对偏移量计算模块30，用于根据交点计算得到旋转轴坐标系与刀具坐标系的相对偏移量以及旋转轴坐标系与工件坐标系的相对偏移量；

重复定位精度计算模块40，用于采集各运动轴在预设定点间往复运动时预设定点的坐标数据，并根据坐标数据得到各运动轴的重复定位精度。

本发明还提供了一种五轴机床的标定装置，请参考图5，图5为本发明实施例所提供的五轴机床的标定装置的示意图；由图5可知，该标定装置包括存储器1和处理器2。其中，存储器1，用于存储计算机程序；处理器2，用于执行计算机程序时实现如下步骤：

获取各运动轴在单轴运动时运动轨迹上的预设数量的坐标点，并根据坐标点计算得到各运动轴的方向向量及两个旋转轴的交点；根据各运动轴的方向向量计算得到运动轴间的垂直度；根据交点计算得到旋转轴坐标系与刀具坐标系的相对偏移量以及旋转轴坐标系与工件坐标系的相对偏移量；采集各运动轴在预设定点间往复运动时预设定点的坐标数据，并根据坐标数据得到各运动轴的重复定位精度。

对于本发明所提供的装置的介绍请参照上述方法的实施例，本发明在此不做赘述。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如下的步骤：

获取各运动轴在单轴运动时运动轨迹上的预设数量的坐标点，并根据坐标点计算得到各运动轴的方向向量及两个旋转轴的交点；根据各运动轴的方向向量计算得到运动轴间的垂直度；根据交点计算得到旋转轴坐标系与刀具坐标系的相对偏移量以及旋转轴坐标系与工件坐标系的相对偏移量；采集各运动轴在预设定点间往复运动时预设定点的坐标数据，并根据坐标数据得到各运动轴的重复定位精度。

该计算机可读存储介质可以包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(read-onlymemory，rom)、随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

对于本发明所提供的计算机可读存储介质的介绍请参照上述方法实施例，本发明在此不做赘述。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置、设备以及计算机可读存储介质而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦写可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本发明所提供的五轴机床的标定方法、系统、装置及计算机可读存储介质进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围。