一种用于数控机床旋转轴误差标定的方法和装置与流程

[0001]
本发明涉及数控加工技术领域，尤其涉及一种用于数控机床旋转轴误差标定的方法和装置。


背景技术：

[0002]
五轴数控机床是工业常见的加工设备。数控机床几何误差是指由机床的原始制造误差，机床零部件制造和安装过程中因表面质量、几何尺寸、相互之间的位置误差等，造成机床某些零件的位置产生偏差，从而引起的机床运动误差。对于五轴数控机床其直线进给轴和旋转进给轴由两种不同的拓扑结构构成，因此检测方法与辨识理论均存在差异。通常分别检测直线轴和旋转轴的几何误差。数控机床直线轴误差标定方法已较为成熟，但旋转轴误差标定方法仍是现在研究的难点。
[0003]
解耦基于多体系统理论和齐次坐标变换为基础的旋转轴误差物理模型中的未知参数需要多种位姿标定的结果，多位姿标定时直线轴和旋转轴同时产生误差，但是在旋转轴误差物理模型中解耦困难。


技术实现要素：

[0004]
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
[0005]
为此，本发明的目的在于提出一种用于数控机床旋转轴误差标定的方法和装置，其目的是为了通过直线轴小范围单轴重复运动配合旋转轴运动实现旋转轴误差标定。
[0006]
根据本发明的用于数控机床旋转轴误差标定的方法包括：在数控机床主轴上安装r-test(三维定位测头，trinity probe)测头；数控机床进行旋转轴运动标定球阵的各个球心的第一坐标位置；在标定球阵和r-test测头不移动情况下，数控机床进行直线轴运动带动r-test测头标定球阵的各个球心的第二坐标位置；将球阵安装在三坐标测量机上，标定球阵的各个球心的第三坐标位置；根据球阵的各个球心的第三坐标位置和球阵的各个球心的第一坐标位置计算球阵的安装误差，将安装误差表达为齐次变换矩阵，以及将第三坐标位置表达在机床安装坐标系中作为第四坐标位置；根据球阵的各个球心的第四坐标位置和球阵的各个球心的第一坐标位置计算数控机床的旋转轴误差。
[0007]
另外，根据本发明的用于数控机床旋转轴误差标定的方法还可以具有如下附加的技术特征：
[0008]
根据本发明的一些实施例，r-test测头通过数控机床的刀柄安装在数控机床主轴上。
[0009]
根据本发明的一些实施例，四个位置包括：
[0010]
第一位置为标定球板上的圆周周心与数控机床的c轴重合；
[0011]
第二位置为标定球板上的圆周周心与数控机床的c轴重合且与第一位置沿数控机床的c轴间隔预设距离；
[0012]
第三位置为标定球板上的圆周周心与数控机床的b轴重合；
[0013]
第四位置为标定球板上的圆周周心与数控机床的b轴重合且与第三位置沿机床b轴间隔预设距离。
[0014]
根据本发明的一些实施例，数控机床进行旋转轴运动标定球阵的各个球心的第一坐标位置，包括控制数控机床的直线轴移动使r-test测头位于各个标定球上方，控制r-test测头测量各个标定球的球心坐标。
[0015]
根据本发明的一些实施例，在标定球阵和r-test测头不移动情况下，数控机床进行直线轴运动带动r-test测头标定球阵的各个球心的第二坐标位置，包括：控制数控机床的直线轴移动使r-test测头位于各个标定球上方，控制r-test测头测量各个标定球的球心坐标。
[0016]
根据本发明的一些实施例，根据球阵的各个球心的第三坐标位置和球阵的各个球心的第一坐标位置计算球阵的安装误差，包括获得在各个标定球的理想球心位置和实际球心位置根据公式计算机床坐标系的理想球心位置，其中，公式为：
[0017][0018]
其中，表示b轴第i个转角角度和c轴第j个转角角度，
r
q(x)表示在参考坐标系下的实际球心位置，d
x
(y)表示误差转换矩阵，分别表示b轴轴线沿x、z方向的平移误差和绕y、z方向的旋转误差，
r
q
*
(h)表示在参考坐标系下的理想球心位置。
[0019]
根据本发明的一些实施例，根据球阵的各个球心的第四坐标位置和球阵的各个球心的第一坐标位置计算数控机床的旋转轴误差，包括利用最小二乘法，使用公式进行b平面拟合，其中，公式为：
[0020][0021]
其中，a、b、c分别为平面方程待求系数，
r
q
x
(f)、
r
q
y
(f)、
r
q
z
(f)分别表示参考坐标系下通过b轴旋转运动得到实际球心位置的x、y、z坐标值；
[0022]
使用公式，计算转角和其中，公式为：
[0023][0024][0025]
其中，pi表示π，a
x
、b
x
、c
x
分别表示在x安装位置的3个平面方程待求系数，前后分别表示b轴的两个安装位置；
[0026]
然后，根据移动误差，采用最小二乘法在空间平面上遍历寻找圆心位置
[0027]
o(b
b
)＝[q
x
(b
b
) q
y
(b
b
) q
z
(b
b
)]
[0028][0029]
根据本发明的一些实施例，根据球阵的各个球心的第四坐标位置和球阵的各个球心的第一坐标位置计算数控机床的旋转轴误差，包括利用最小二乘法，使用公式进行平面拟合，其中，公式为：
[0030][0031]
其中，a、b、c分别为平面方程待求系数，
r
q
x
(f)、
r
q
y
(f)、
r
q
z
(f)分别表示参考坐标系下通过b轴旋转运动得到实际球心位置的x、y、z坐标值；
[0032]
使用公式，计算转角和其中，公式为：
[0033][0034][0035]
其中，pi表示π，a
x
、b
x
、c
x
分别表示在x安装位置的3个平面方程待求系数，前后分别表示b轴的两个安装位置；
[0036]
然后，根据移动误差，采用最小二乘法在空间平面上遍历寻找圆心位置
[0037]
o(c
d
)＝[q
x
(b
c
) q
y
(b
c
) q
z
(b
c
)]，
[0038][0039]
为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种用于数控机床旋转轴误差标定装置，包括：标定球板、球板支撑架、r-test测头，其中，标定球板上安装有n个标定球，其中，n为正整数，其中，m个标定球分布在一个圆周上，其中，m为正整数且小于等于n，标定球板安装在球板支撑架上的四个位置生成球阵，装置包括：
[0040]
测头安装模块，用于在数控机床主轴上安装r-test测头；
[0041]
第一标定模块，用于数控机床进行旋转轴运动标定球阵的各个球心的第一坐标位置；
[0042]
第二标定模块，用于在标定球阵和r-test测头不移动情况下，数控机床进行直线轴运动带动r-test测头标定球阵的各个球心的第二坐标位置；
[0043]
第三标定模块，用于将球阵安装在三坐标测量机上，标定球阵的各个球心的第三坐标位置；
[0044]
第一计算模块，用于根据球阵的各个球心的第三坐标位置和球阵的各个球心的第一坐标位置计算球阵的安装误差，将所述安装误差表达为齐次变换矩阵，以及将所述第三坐标位置表达在机床安装坐标系中作为第四坐标位置；
[0045]
第二计算模块，用于根据球阵的各个球心的第四坐标位置和球阵的各个球心的第一坐标位置计算数控机床的旋转轴误差。
[0046]
另外，根据本发明上述实施例的用于数控机床旋转轴误差标定装置，还可以具有如下附加的技术特征：
[0047]
进一步地，在本发明的一个实施例中，测头安装模块具体用于将r-test测头通过数控机床的刀柄安装在数控机床主轴上。
[0048]
本发明实施例提供的用于数控机床旋转轴误差标定的方法可以包含如下有益效果：
[0049]
在数控机床主轴上安装r-test测头；数控机床进行旋转轴运动标定球阵的各个球心的第一坐标位置；在标定球阵和r-test测头不移动情况下，数控机床进行直线轴运动带动r-test测头标定球阵的各个球心的第二坐标位置；将球阵安装在三坐标测量机上，标定
test测头通过数控机床的刀柄安装在数控机床主轴上。
[0068]
步骤102，数控机床进行旋转轴运动标定球阵的各个球心的第一坐标位置。
[0069]
具体的，如图4(a)、图4(c)所示，将标定球板分别固定在标定球板上的圆周周心与数控机床的c轴重合的第一位置与标定球板上的圆周周心与数控机床的b轴重合的第三位置，控制数控机床的直线轴移动使r-test测头位于各个标定球上方，如图5所示，控制数控机床的旋转轴转动将标定球转动到r-test侧头下方，控制r-test测头在垂直方向小范围移动，测量各个标定球球心坐标的第一坐标位置。
[0070]
步骤103，在标定球阵和r-test测头不移动情况下，数控机床进行直线轴运动带动r-test测头标定球阵的各个球心的第二坐标位置。
[0071]
具体的，如图4(b)、图4(d)所示，将标定球板分别固定在标定球板上的圆周周心与数控机床的c轴重合且与第一位置沿数控机床的c轴间隔预设距离的第二位置和标定球板上的圆周周心与数控机床的b轴重合且与第三位置沿机床b轴间隔预设距离的第四位置，控制数控机床的直线轴移动使r-test测头位于各个标定球上方，控制r-test测头测量各个标定球的球心第二坐标位置。
[0072]
步骤104，将球阵安装在三坐标测量机上，标定球阵的各个球心的第三坐标位置。
[0073]
具体的，将标定球板分别安装在三坐标测量机的上述四个位置上，组成球阵，使用三坐标测量机标定球阵的各个球心的第三坐标位置。
[0074]
步骤105，根据球阵的各个球心的第三坐标位置和球阵的各个球心的第一坐标位置计算球阵的安装误差，将安装误差表达为齐次变换矩阵，将第三坐标位置表达在机床安装坐标系中作为第四坐标位置。
[0075]
具体的，如图6所示，由上述测量过程获得在各个安装位置的理想球心位置和实际球心位置再根据理想球心位置和实际球心位置确定球阵的安装误差。其中，根据理想球心位置和实际球心位置计算安装误差使用的公式为公式(1)，公式(1)为：
[0076][0077]
其中，表示b轴第i个转角角度和c轴第j个转角角度，
r
q(x)表示在参考坐标系下的实际球心位置，d
x
(y)表示误差转换矩阵，分别表示b轴轴线沿x、z方向的平移误差和绕y、z方向的旋转误差，
r
q
*
(h)表示在参考坐标系下的理想球心位置。
[0078]
步骤106，根据球阵的各个球心的第四坐标位置和球阵的各个球心的第一坐标位置计算数控机床的旋转轴误差。
[0079]
具体的，如图7(左)所示，在计算b平面的旋转轴误差过程中，利用最小二乘法，使用公式(2)进行平面拟合，其中，公式(2)为：
[0080][0081]
其中，a、b、c分别为平面方程待求系数，
r
q
x
(f)、
r
q
y
(f)、
r
q
z
(f)分别表示参考坐标系下通过b轴旋转运动得到实际球心位置的x、y、z坐标值。
[0082]
使用公式(3)、公式(4)，计算转角和其中：
[0083][0084][0085]
其中，pi表示π，
[0086]
然后，根据移动误差，采用最小二乘法按照公式(5)、公式(6)在空间平面上遍历寻找圆心位置，其中，公式(5)、公式(6)为：
[0087]
o(b
b
)＝[q
x
(b
b
) q
y
(b
b
) q
z
(b
b
)]公式(5)
[0088][0089]
如图7(左)所示，由拟合获得的圆心位置和与在第一位置与第四位置中测量的圆心坐标确定数控机床b平面的旋转轴误差。
[0090]
如图7(右)所示，在计算c平面的旋转轴误差过程中，利用最小二乘法，使用公式(7)进行平面拟合，其中，公式(7)为：
[0091][0092]
其中，a、b、c分别为平面方程待求系数，
r
q
x
(f)、
r
q
y
(f)、
r
q
z
(f)分别表示参考坐标系下通过b轴旋转运动得到实际球心位置的x、y、z坐标值。
[0093]
使用公式(8)、公式(9)，计算转角和其中：
[0094][0095][0096]
其中，pi表示π，
[0097]
然后，根据移动误差，采用最小二乘法按照公式(10)、公式(11)在空间平面上遍历寻找圆心位置，其中，公式(10)、公式(11)为：
[0098]
o(c
d
)＝[q
x
(b
c
) q
y
(b
c
) q
z
(b
c
)]公式(10)
[0099][0100]
如图7(右)所示，由拟合获得的圆心位置和与在第一位置与第四位置中测量的圆心坐标确定数控机床c平面的旋转轴误差。
[0101]
根据数控机床b平面的旋转轴误差和c平面的旋转轴误差确定旋转轴的误差
[0102]
由上述可知，在本发明的实施例中，本发明的用于数控机床旋转轴误差标定的方法，在数控机床主轴上安装r-test测头；数控机床进行旋转轴运动标定球阵的各个球心的第一坐标位置；在标定球阵和r-test测头不移动情况下，数控机床进行直线轴运动带动r-test测头标定球阵的各个球心的第二坐标位置；将球阵安装在三坐标测量机上，标定球阵的各个球心的第三坐标位置；根据球阵的各个球心的第三坐标位置和球阵的各个球心的第一坐标位置计算球阵的安装误差，将安装误差表达为齐次变换矩阵，将第三坐标位置表达在机床安装坐标系中作为第四坐标位置；根据球阵的各个球心的第四坐标位置和球阵的各个球心的第一坐标位置计算数控机床的旋转轴误差。由此，通过直线轴小范围单轴重复运动配合旋转轴运动实现旋转轴误差标定。
[0103]
为了实现上述实施例，本发明还提出一种用于数控机床旋转轴误差标定装置。
[0104]
图8为本发明实施例提供的一种用于数控机床旋转轴误差标定装置的结构示意图。
[0105]
如图8所示，该装置包括：测头安装模块801、第一标定模块802、第二标定模块803、第三标定模块804、第一计算模块805、第二计算模块806。
[0106]
测头安装模块801，用于在数控机床主轴上安装r-test测头；
[0107]
第一标定模块802，用于数控机床进行旋转轴运动标定球阵的各个球心的第一坐标位置；
[0108]
第二标定模块803，用于在标定球阵和r-test测头不移动情况下，数控机床进行直线轴运动带动r-test测头标定球阵的各个球心的第二坐标位置；
[0109]
第三标定模块804，用于将球阵安装在三坐标测量机上，标定球阵的各个球心的第三坐标位置；
[0110]
第一计算模块805，用于根据球阵的各个球心的第三坐标位置和球阵的各个球心的第一坐标位置计算球阵的安装误差；
[0111]
第二计算模块806，用于根据球阵的各个球心的第三坐标位置和球阵的各个球心的第二坐标位置计算数控机床的旋转轴误差。
[0112]
进一步的，在本发明的一些实施例中，测头安装模块具体用于将r-test测头通过数控机床的刀柄安装在数控机床主轴上。
[0113]
需要说明的是，前述对方法实施例的解释说明也适用于该实施例的装置，此处不再赘述。
[0114]
本发明实施例的用于数控机床旋转轴误差标定装置，测头安装模块在数控机床主轴上安装r-test测头；第一标定模块数控机床进行旋转轴运动标定球阵的各个球心的第一坐标位置；第二标定模块在标定球阵和r-test测头不移动情况下，数控机床进行直线轴运动带动r-test测头标定球阵的各个球心的第二坐标位置；第三标定模块将球阵安装在三坐标测量机上，标定球阵的各个球心的第三坐标位置；第一计算模块根据球阵的各个球心的第三坐标位置和球阵的各个球心的第一坐标位置计算球阵的安装误差，将安装误差表达为齐次变换矩阵，将第三坐标位置表达在机床安装坐标系中作为第四坐标位置；第二计算模块根据球阵的各个球心的第四坐标位置和球阵的各个球心的第一坐标位置计算数控机床的旋转轴误差。由此，通过直线轴小范围单轴重复运动配合旋转轴运动实现旋转轴误差标定。
[0115]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0116]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者
隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0117]
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
[0118]
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得程序，然后将其存储在计算机存储器中。
[0119]
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
[0120]
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
[0121]
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
[0122]
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。