机床主轴头姿态角单值测量量具及测量方法与流程

本发明涉及测量技术领域，具体地，涉及一种测量量具及测量方法。

背景技术：

五轴联动机床在加工复杂零件时，由于省去了多次夹装，大大提高了加工效率。其中五轴联动混联机床，由并联主轴头和串联进给轴组成，有着运动速度快、动态性能好、加工效率高的优点。同时，并联机构结构复杂，存在大量难以直接测量的制造误差和装配误差，需要对主轴头各个不同的位置和姿态进行测量，进而加以标定和补偿，才能达到使用要求。主轴头的位置相对容易测量，而主轴头的姿态角测量则比较复杂。

目前已有多种方法用以测量机构的姿态角，主要有惯性导航方法、立体视觉方法、激光跟踪方法等。惯性导航方法是通过安装惯性传感器，测量运动信息，再经过计算获得姿态角；立体视觉方法通过视觉传感器采集被测物体信息，经过处理、计算获得姿态角；激光跟踪方法是用激光跟踪被测物体上特定三个点的空间坐标，并根据坐标计算姿态角。但是，上述方法的测量精度都无法满足机床测量的要求。

技术实现要素：

鉴于以上问题，本发明的目的是提供一种机床主轴头姿态角单值测量量具及测量方法，以解决现有方法对主轴头姿态角测量精度低的问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一个方面是提供一种机床主轴头姿态角单值测量量具，机床包括工作台，所述工作台沿设定进给轴运动，所述测量量具包括：主体和底座，其中，所述底座呈多边形，所述主体的一端安装在所述底座上，所述主体的另一端为测量斜面，所述测量斜面与所述底座呈设定夹角，所述测量量具通过所述底座安装在机床的工作台上，通过调整安装位置使所述底座的不同边分别与所述设定进给轴平行，测量机床主轴头不同倾斜方向的姿态角。

优选地，所述测量量具还包括多个端块，所述端块安装在所述测量斜面上。

优选地，多个端块在所述测量斜面上均匀分布。

优选地，所述底座呈正多边形。

优选地，所述主体为中空的圆筒形。

本发明的另一个方面是提供一种机床主轴头姿态角单值测量方法，包括以下步骤：

步骤s1，将上述测量量具安装在机床的工作台上，并使得底座的一条边与设定进给轴平行；

步骤s2，通过调节机床驱动轴的进给量调整主轴的倾斜方向，使得主轴与测量量具的测量斜面垂直，测得主轴头在所述倾斜方向下的姿态角；

步骤s3，改变所述测量量具的安装方向，使得底座的另一条边与设定进给轴平行；

步骤s4，重复所述步骤s2和所述步骤s3，直至测得机床主轴头多个不同倾斜方向的姿态角。

优选地，所述步骤s1还包括：

在所述底座的一条边上放置平行度检测装置；通过控制装置控制工作台沿所述设定进给轴进行往返进给运动，调整测量量具的安装位置；通过平行度检测装置测量所述底座的一条边与所述设定进给轴是否平行。

优选地，所述步骤s2还包括：将垂直度检测装置安装在所述主轴上，通过垂直度检测装置测量所述主轴与所述测量斜面是否垂直。

优选地，所述测量斜面上安装有多个端块，所述垂直度检测装置包括千分表和横杆，将垂直度检测装置安装在所述主轴上，通过垂直度检测装置测量所述主轴与所述测量斜面是否垂直的步骤包括：将所述千分表放置在所述端块上，并通过所述横杆与机床主轴头连接；通过控制装置控制主轴旋转，所述千分表在多个端块上的示数差异均在设定差值内时，判定所述主轴与所述测量斜面垂直。

优选地，所述机床主轴头姿态角单值测量方法用于测量五轴联动混联机床的主轴头的姿态角。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

本发明的测量量具可对机床主轴头不同倾斜方向的姿态角进行测量，结构简单，精加工面积较小，制造成本较低。

本发明的测量方法利用简单的测量量具即可实现机床主轴头不同倾斜方向的姿态角，操作方便、测量效率较高。

本发明可充分利用混联机床中串联进给轴的精度优势，降低了人为操作引入的误差，保证了测量精度。

附图说明

图1是本发明所述机床主轴头姿态角单值测量量具的结构示意图；

图2是本发明所述机床主轴头姿态角单值测量量具在另一视角下的结构示意图；

图3是本发明所述机床主轴头姿态角单值测量量具在再一视角下的结构示意图；

图4是本发明所述机床主轴头姿态角单值测量方法的流程示意图；

图5是本发明中机床主轴头姿态角单值测量量具与工作台的安装示意图；

图6是本发明中机床主轴头姿态角单值测量量具与主轴头的安装立体示意图；

图7是本发明中机床主轴头姿态角单值测量量具与主轴头的安装侧视示意图。

附图标记：1、主体，2、底座，3、测量斜面，4、端块，5、工作台，6、千分表，7、横杆，8、主轴头。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明所述的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。

本发明所述机床主轴头姿态角单值测量量具，用于对机床主轴头姿态角进行测量。机床包括工作台5，工作台5用于安装工件，所述工作台5沿设定进给轴运动，工作台5可以沿两条进给轴运动时，设定进给轴可以是两条进给轴中的任意一个，选定设定进给轴之后，在安装测量量具时，相对于所选定的设定进给轴安装。

图1是本发明所述机床主轴头姿态角单值测量量具的结构示意图，图2是本发明所述机床主轴头姿态角单值测量量具在另一视角下的结构示意图，图3是本发明所述机床主轴头姿态角单值测量量具在再一视角下的结构示意图，如图1-图3所示，所述测量量具包括：主体1和底座2，其中，所述底座2呈多边形，优选为正多边形，所述主体1的一端安装在所述底座2上，所述主体1的另一端为测量斜面3，所述测量斜面3与所述底座2呈设定夹角，设定夹角为锐角，所述测量量具通过所述底座2安装在机床的工作台5上，通过调整所述测量量具的安装位置使所述底座2的不同边分别与所述设定进给轴平行，机床主轴头8与测量斜面3垂直，测量得到机床主轴头8不同倾斜方向的姿态角。设定夹角的大小决定了可以测得的主轴头8的姿态角大小，对于同一测量量具可以测得的姿态角大小相同，而倾斜方向随着量具的安装方向而不同，当底座2的各个边分别与设定进给轴平行时，均可以得到一个倾斜方向的姿态角，因此，通过本发明的测量量具可以测得与底座2的边数相同数目的倾斜方向的姿态角。

本发明所述测量量具结构简单，制造成本低，并可以实现通过一个测量量具测得多个不同倾斜方向姿态角的效果，从而提高测量效率。

需要说明的是，本发明中，主体1与底座2可以是两个分离的部件，通过螺栓等部件连接在一起，如图1所示，也可以将主体1与底座2加工成一体，本发明不做具体限定。并且，本发明中，底座2的边可以凸出于主体1的端面周边，也可以与主体1的端面周边平齐。例如，主体1呈圆筒形时，内部可以中空，圆筒形主体1的底部端面呈圆形，顶部端面相对于底部端面倾斜一定角度，作为测量斜面3，底座2的各个边可以凸出于主体1底部的圆形端面的圆周；主体1的底部端面呈多边形时，则底座2的各个边既可以凸出于主体1底部的多边形端面的外周，也可以与主体1底部的多边形端面的外周平齐。

为了保证测量量具的测量精度，在测量时，需要保证主轴头8与测量斜面3的垂直精度。在一个实施例中，使用垂直度检测装置测量主轴头8与测量斜面3的垂直度，需要保证测量斜面3的加工精度。而保证整个测量斜面3的加工精度将增加制造成本，优选地，所述测量量具还包括多个端块4，所述端块4安装在所述测量斜面3上，所述端块4用于与垂直度检测装置连接，使得在确保主轴头8与测量斜面3的垂直精度时，只需保证端块4的端面的加工精度即可，大大减少了精加工面积，降低制造成本。多个端块4的顶面位于同一平面内，对多个端块经过磨削加工以保证精度，可以减少测量斜面的精加工面积。

需要说明的是，本发明对端块4的端面形状以及高度等均无具体限定，只需保证多个端块的顶面位于同一个面内即可。

在一个可选实施例中，多个端块4在所述测量斜面3上均匀分布，使得在使用垂直度检测装置测量主轴头8与测量斜面3的垂直度时，可以通过垂直度检测装置在多个端块4上测得的值之间的差异判定主轴头8与测量斜面3是否垂直。例如，垂直度检测装置包括千分表6和横杆7，千分表6放置在端块4上，并通过横杆7与主轴头8连接，驱动主轴头8旋转后，各个端块4上的千分表6的示数差异均在设定差值±0.01mm以内时，则可判定主轴头8与测量斜面3垂直。

在一个实施例中，所述测量量具与平行度检测装置配合使用，平行度检测装置放置在底座2的边上，用于测量底座2的边与设定进给轴之间的平行度。例如，平行度检测装置包括千分表6，将千分表6固定，使得千分表的测头同底座2与设定进给轴平行的边接触，通过控制工作台5沿设定进给轴进行往返进给运动，不断调整测量量具的安装位置，使得千分表6的示数变化在设定差值±0.01mm以内，则可认为底座2的边与设定进给轴平行。

需要说明的是，本发明所述机床主轴头姿态角测量量具不仅可以用于五轴混联机床中主轴头姿态角的测量，也可以用于其他机床中主轴头姿态角的测量。

图4是本发明所述机床主轴头姿态角单值测量方法的流程示意图，如图4所示，本发明所述机床主轴头姿态角单值测量方法，包括以下步骤：

步骤s1，将上述的测量量具安装在机床的工作台5上，并使得底座2的一条边与设定进给轴平行，具体地，测量量具通过底座2安装在工作台5上，底座2与工作台5通过螺栓连接，便于拆卸，当然，底座2与工作台5的连接方式也不仅限于螺栓连接，也可以是其他可拆卸的连接方式。

步骤s2，通过调节机床驱动轴的进给量调整主轴的倾斜方向，使得主轴与测量量具的测量斜面3垂直，测得主轴头8在所述倾斜方向下的姿态角；

步骤s3，改变所述测量量具的安装方向，使得底座2的另一条边与设定进给轴平行；

步骤s4，重复所述步骤s2和所述步骤s3，进行多方向姿态角的重复测量，直至测得机床主轴头8的多个不同倾斜方向的姿态角。由于主轴与测量斜面3垂直，当底座2的不同边与设定进给轴平行时，测量斜面3的位置不同，导致主轴的倾斜方向不同，因此，可以得到多个倾斜方向下的姿态角，姿态角的大小与测量量具中测量斜面3与底座2之间的设定夹角的大小相同，测得的姿态角的个数与底座2的边数相同。

本发明的测量方法可以实现多个倾斜方向的姿态角测量，操作方便，提高测量效率。

在使底座2的边与设定进给轴平行时，通过平行度检测装置测量底座2的边与设定进给轴之间的平行度，提高测量精度。在一个实施例中，所述步骤s1还包括：在所述底座2的一条边上放置平行度检测装置；通过控制装置控制工作台5沿所述设定进给轴进行往返进给运动，调整测量量具的安装位置，其中，控制装置可以机床系统中的数控系统，在此不再详细描述；通过平行度检测装置测量所述底座2的一条边与所述设定进给轴是否平行。类似地，在步骤s3中，改变测量量具的安装方向使得底座2的另一条边与设定进给轴平行时，也可以通过在底座2的另一条边上放置平行度检测装置测量底座2的另一条边与设定进给轴是否平行。

图5是本发明中机床主轴头姿态角单值测量量具与工作台的安装示意图，如图5所示，平行度检测装置包括千分表6，千分表6的测头同底座2与设定进给轴平行的边接触，通过控制装置令工作台5沿该设定进给轴往返进给运动，使千分表6示数变化在设定差值之内，例如，设定差值可以是±0.01mm，则可认为底座2的边与设定进给轴平行。

在一个实施例中，所述步骤s2还包括：将垂直度检测装置安装在主轴上，通过垂直度检测装置测量所述主轴与所述测量斜面3是否垂直，提高测量精度。

图6是本发明中机床主轴头姿态角单值测量量具与主轴头的安装立体示意图，图7是本发明中机床主轴头姿态角单值测量量具与主轴头的安装侧视示意图，如图6和图7所示，所述测量斜面3上安装有多个端块4，所述垂直度检测装置包括千分表6和横杆7，则将垂直度检测装置安装在所述主轴上，通过垂直度检测装置测量所述主轴与所述测量斜面3是否垂直的步骤包括：

将所述千分表6放置在所述端块4上，并通过所述横杆7与机床主轴头8连接，横杆7与主轴、千分表6均是螺栓连接，当然也可以是其他的可拆卸连接方式；

通过控制装置控制主轴旋转，所述千分表6在多个端块4上的示数差异均在设定差值内时，判定所述主轴与所述测量斜面3垂直，例如，设定差值可以是±0.01mm。通过控制多个端块4的示数差异，减小对测量斜面3的精加工面积，降低制作成本。

需要说明的是，通过千分表6和横杆7组成的垂直度检测装置测量主轴与测量斜面是否垂直时，千分表6也可以直接放置在测量斜面3上，通过横杆7与主轴头连接，通过千分表6在测量斜面3的多个位置处的示数差异均在设定差值内，判定主轴与测量斜面3垂直。但是由于在测量斜面3的多处放置千分表，需要保证整个测量斜面的精加工面积，相比于在多个端块4上放置千分表6而言，会提高制作成本。

优选地，所述机床主轴头姿态角单值测量方法用于测量五轴联动混联机床的主轴头8的姿态角，充分利用混联机床中串联进给轴的精度优势，降低了人为操作引入的误差，保证了测量精度。本发明不限于应用于五轴联动机床，也可以应用于其他机床中。

下面以上述测量量具以及测量方法在五轴联动混联机床主轴头姿态角的测量中的应用为例，进一步说明本发明。

测量量具中的主体1呈圆筒形，一端安装在正八边形底座2上，另一端为测量斜面3，测量斜面3上均布设置有四个端块4。测量量具通过底座2安装在工作台5上，测量斜面3与底座2和工作台5均呈固定夹角α＝40°，可测得主轴头8向八个不同的倾斜方向的呈40°大小的倾斜姿态角。

使用上述量具的姿态角测量方法，包括以下步骤：

精确安装量具，使量具底座2的一条边与设定进给轴平行。将千分表6固定，通过将表座安装在主轴上进行固定，也可以安装在稳固的支架上进行固定，保证安装稳固即可，使得测头定在底座2与设定进给轴平行的边上，通过数控系统令工作台5沿该进给轴往返进给运动，不断调整量具安装位置，使千分表6示数变化在±0.01mm以内，此时可认为底边与机床该进给轴平行。

姿态角测量，调节五轴联动混联机床各驱动轴进给，保证主轴与测量斜面3垂直，可测得主轴倾斜姿态角为α，倾斜方向姿态角可由底座2安装情况唯一确定。具体地，调节驱动轴数据(驱动轴进给量)来调整主轴头8的倾斜方向，令主轴头8与测量斜面3垂直，检测方法为：将千分表6通过横杆7与主轴头8相连，通过数控系统让主轴旋转，千分表6在四个端块4上示数差异均在±0.01mm以内，此时可认为主轴头8和测量斜面3垂直。如果没有达到要求，则继续调节驱动轴数据，直至判定主轴头8和测量斜面3垂直。调节完成后，主轴头8与测量量具的位置关系视图如图7所示，可以测量出主轴头8的姿态角。

改变量具安装方向，使底座2另一边与该进给轴平行，重复姿态角测量的步骤，可分别测出主轴头8八个方向的倾斜姿态角，大小均为α，同时可确定八个倾斜方向姿态角。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。