本发明涉及数控机床在机测量技术领域，具体的说，是一种数控机床用3d测头的测尖球心位置自动校准方法。
背景技术：
目前数控机床用的3d测头，在使用时首先需要校准3d测头的测尖球心位置，才能进行后续的3d测头标定及实际测量。对于3d测头的测尖球心位置的校准，通常的做法是使用3d测头与某个基准平面的距离，获取测尖顶端z向坐标后，减去测尖理论半径值即认为是该3d测头的测尖球心位置。这种方法实现了3d测头的测尖球心在竖直方向的校准，但是，缺点是没有考虑到由于3d测头的测针轴线与安装3d测头的测座主轴轴线发生偏移时测尖球心在水平方向的偏移量。而测针发生水平偏移是经常会发生的，其结果是测尖等效半径与实际半径不一致，导致测量不准确。影响3d测头测针位置精度的因素有：第一类是3d测头测座，在数控机床加工过程中，3d测头测座需进行频繁更换装夹，产生位置精度变化导致3d测头测针位置偏离；第二类是测量点位数据量大、测量频繁，3d测头测针在频繁测量过程中产生复位精度误差；第三类是设备本身的定位精度误差，设备在长时间使用过程中，产生位置精度变化，使3d测头测针产生位置误差。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种数控机床用3d测头的测尖球心位置自动校准方法，用于解决现有技术中3d测头的测尖球心位置发生水平方向的偏移造成测量数据不准确的问题。
为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案实现：
一种数控机床用3d测头的测尖球心位置自动校准方法，包括步骤：
s1)安装3d测头和固定标定球，所述3d测头包括安装数控机床主轴上的测针和与测针连接的测尖；
s2)在标定球的球心所在水平面的圆周上，选定四个等分点，在水平方向上平移3d测头，使测尖球心与等分点的连线在所述水平面上，然后分别测量3d测头的测尖球心与所述四个等分点的最短距离；
s3)根据所述最短距离，计算3d测头的测尖球心的偏移量和偏移方向；
s4)将所述偏移量和偏移方向作为补偿量，自动校准测尖球心位置。
工作原理：
3d测头包括安装在数控机床的主轴的测针和与测针连接的测尖，3d测头可以在垂直于主轴的360°平面内传输信号，用3d测头测量3d测尖球心分别与标定球水平面内的最大圆周上的四个等分点的距离，这四个等分点，这四个等分点中相对的两点为直径上的两个端点，两条直径垂直相交与标定球的球心，将所述最大圆周划分为四个象限，分别平移3d测头至所述四个等分点，保证3d测头的测尖不发生旋转，在靠近等分点的位置，多次测量与标定球球心的距离，直到存在一个与等分点的最短距离，则此时的测尖球心与等分点和标定球球心在一条直线上，采用同样的方法，测出与其他等分点之间的最短距离。比较和计算所述四个最短距离，得到测尖球心在两个互相垂直的方向的偏移数值x1和y1，然后由勾股定理和反三角函数计算得出测尖球心在四个等分点所在平面上的偏移量和偏移方向。将所述计算得出的偏移量和偏移方向作为补偿量，并将此补偿值写入与cnc控制器中内置的标准程序中，在执行测量中，自动校准测尖球心位置。
进一步地，所述步骤s1)具体为：
s1.1)将3d测头安装在数控机床的主轴上，固定标定球，确定标定球的球心坐标为(0,0)；
s1.2)以标定球的球心所在的水平面建立坐标轴，确定x轴和y轴；
s1.3)调整3d测头的位置，使3d测头的测尖球心在x轴与y轴所在的平面上。
工作原理：
将3d测头安装在数据机床的主轴上，并固定好标定球，由测量程序读出标定球的球心位置，定为坐标原点，并在水平面上确定x轴和y轴，再由测量程序测量测尖球心相对于坐标原点的坐标，并调整3d测头的位置，使测尖球心与所述x轴和y轴确定的平面上，便于测量测尖与四个等分点之间的距离的时候，测尖球心位于同一个参考平面。
进一步地，所述步骤s2)中包括：
s2.1)在标定球的球心所在水平面与标定球面相交的点组成的圆周上，设定四个等分点r1、r2、r3和r4，坐标分别为r1(-r，0)、r2(r，0)、r3(0，r)和r4(0，-r)，r为所述标定球的标准半径；
s2.2)将3d测头平移靠近等分点r1，使3d测头的测尖球心位于x轴上，测量3d测头的测尖球心与r1的最短距离r1以及此时测尖球心坐标(-r1-r,0)；将3d测头移平至靠近等分点r2，使3d测头的测尖球心位于x轴上，测量3d测头的测尖球心与r2的最短距离r2以及此时测尖球心坐标(r2+r,0)；将3d测头平移靠近等分点r3，使3d测头的测尖球心位于y轴上，测量3d测头的测尖球心与r3的最短距离r3以及此时测尖球心坐标(0，r3+r)；将3d测头平移靠近等分点r4，使3d测头的测尖球心位于y轴上，测量3d测头的测尖球心与r4的最短距离r4以及此时测尖球心坐标(0，-r4-r)。
工作原理：
标定球的球心所在水平面，即赤道平面上的四个等分点，分别用坐标r1(-r，0)、r2(r，0)、r3(0，r)和r4(0，-r)表示，其中r1和r2的连线是一条直径，r3和r4的连线是另一条直径，与r1和r2的连线垂直于标定球的球心。将3d测头平移靠近等分点r1，使3d测头的测尖外圆周与r1接触，读出此时测尖球心的坐标(-r1-r,0)，平移3d测头，采用同样的方法，依次测得靠近等分点r2时的测尖球心坐标(r2+r,0)，靠近等分点r3时的测尖球心坐标(0，r3+r)和靠近等分点r4时的测尖球心坐标(0，-r4-r)。在3d测头的测针轴线与主轴轴线没有发生偏移的时候，r1＝r2＝r3＝r4,当测针轴线与主轴轴线发生偏移的时候，r1≠r2，r3≠r4。
进一步地，所述步骤s2.2)中使3d测头的测尖球心位于x轴上的具体步骤为：
s2.2.1)采用目测的方法平移3d测头，直至3d测头的测针与标定球的r1接触；
s2.2.2)测量此时测尖球心的坐标；
s2.2.1)根据步骤s2.2.2)的测量结果，调整3d测头的位置，直至3d测头的测尖球心的y坐标为0。
工作原理：
先采用目测的方法平移3d测头，使接近标定球圆周上的等分点r1，读出此时的测尖球心的坐标，如果y坐标不为0，说明3d测头的测尖球心不在r1与r3的连线上，继续调整位置，直到满足测尖球心的y坐标为0。其他三个等分点采用同样的方法，使测尖球心位于r1与r2的连线或r3与r4的连线。
进一步地，所述步骤s3)包括：
s3.1)判断，如果：
a)r1＞r2，3d测头的测尖球心沿x轴的负方向偏移，偏移量为(r1-r2)/2；
b)r2＞r1，3d测头的测尖球心沿x轴的正方向偏移，偏移量为(r2-r1)/2；
c)r3＞r4，3d测头的测尖球心沿y轴的正方向偏移，偏移量为(r3-r4)/2；
d)r4＞r3，3d测头的测尖球心沿y轴的负方向偏移，偏移量为(r4-r3)/2；
s3.2)计算3d测头的测尖球心的偏移量和偏移方向：
如果r1＞r2且r3大于r4，则3d测头的测尖球心，相对于标定球的球形偏移位移为
如果r1＞r2且r3＜r4，则3d测头的测尖球心，相对于标定球的球形偏移位移为
如果r1＜r2且r3＞r4，则3d测头的测尖球心，相对于标定球的球形偏移位移为
如果r1＜r2且r3＜r4，则3d测头的测尖球心，相对于标定球的球形偏移位移为
工作原理：
将步骤s2)测得的r1、r2、r3和r4进行比较，如果r1≠r2、r3≠r4，即|r1-r2|/2即为测尖球心在x轴方向上与主轴轴线的偏移数值，|r3-r4|/2为测尖球心在y轴方向上与主轴轴线上的偏移数值，则即总的偏离量为：
r1大于r2且r3大于r4时，偏移角度为
r1大于r2且r4大于r3时，偏移角度为
r2大于r1且r3大于r4时，偏移角度为
r2大于r1且r4大于r3时，偏移角度为
将计算得出的偏移量和偏移角度作为补偿量，由测量程序自动加入，实现3d测头的测尖球心位置的自动校准。
进一步地，所述步骤s3还包括：将所述补偿量与设定的允许误差范围比较，如果超出所述允许误差范围，则终止测量并发出报警，手动校正3d测头的位置，重复步骤s1)-步骤s3)，如果没有超出所述允许误差范围，则进入步骤s4)。
当计算出的补偿量超出预先设定的允许误差范围相比，测量仪器终止下一步测量，而是发出警报，提示手动校正3d测头的位置，缩小实际误差范围，再重复以上校准步骤，直到补偿量在允许误差范围内，这样，可以提高测量精度。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
(1)本发明通过对四个等分点的测量，计算出测尖球心轴线与主轴轴线之间的偏移量和偏移角度即补偿量，并输入cnc控制器中内置的标准程序中，消除3d测头的测针轴线与主轴轴线发生偏移产生的误差，实现自动补偿找直，在测量开始之前测尖球心位置的自动校准。
(2)本发明中3d测头的测针轴线与主轴轴线发生偏移产生的误差已超出了预先设定的自动找直的精度范围，测量程序将终止并报警提示，需手动校正3d测头测针位置精度，以满足测量精度要求。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
结合附图1所示，一种数控机床用3d测头的测尖球心位置自动校准方法，包括步骤：
s1)安装3d测头和固定标定球，所述3d测头包括安装数控机床主轴上的测针和与测针连接的测尖；
s2)在标定球的球心所在水平面的圆周上，选定四个等分点，在水平方向上平移3d测头，使测尖球心与等分点的连线在所述水平面上，然后分别测量3d测头的测尖球心与所述四个等分点的最短距离；
s3)根据所述最短距离，计算3d测头的测尖球心的偏移量和偏移方向；
s4)将所述偏移量和偏移方向作为补偿量，自动校准测尖球心位置。
工作原理：
3d测头包括安装在数控机床的主轴的测针和与测针连接的测尖，3d测头可以在垂直于主轴的360°平面内传输信号，用3d测头测量3d测尖球心分别与标定球水平面内的最大圆周上的四个等分点的距离，这四个等分点，这四个等分点中相对的两点为直径上的两个端点，两条直径垂直相交与标定球的球心，将所述最大圆周划分为四个象限，分别平移3d测头至所述四个等分点，保证3d测头的测尖不发生旋转，在靠近等分点的位置，多次测量与标定球球心的距离，直到存在一个与等分点的最短距离，则此时的测尖球心与等分点和标定球球心在一条直线上，采用同样的方法，测出与其他等分点之间的最短距离。比较和计算所述四个最短距离，得到测尖球心在两个互相垂直的方向的偏移数值x1和y1，然后由勾股定理和反三角函数计算得出测尖球心在四个等分点所在平面上的偏移量和偏移方向。将所述计算得出的偏移量和偏移方向作为补偿量，并将此补偿值写入与cnc控制器中内置的标准程序中，在执行测量中，自动校准测尖球心位置。
实施例2：
在实施例1的基础上，结合附图1所示，所述步骤s1)具体为：
s1.1)将3d测头安装在数控机床的主轴上，固定标定球，确定标定球的球心坐标为(0,0)；
s1.2)以标定球的球心所在的水平面建立坐标轴，确定x轴和y轴；
s1.3)调整3d测头的位置，使3d测头的测尖球心在x轴与y轴所在的平面上。
工作原理：
将3d测头安装在数据机床的主轴上，并固定好标定球，由测量程序读出标定球的球心位置，定为坐标原点，并在水平面上确定x轴和y轴，再由测量程序测量测尖球心相对于坐标原点的坐标，并调整3d测头的位置，使测尖球心与所述x轴和y轴确定的平面上，便于测量测尖与四个等分点之间的距离的时候，测尖球心位于同一个参考平面。
实施例3：
在实施例2的基础上，结合附图1所示，所述步骤s2)中包括：
s2.1)在标定球的球心所在水平面与标定球面相交的点组成的圆周上，设定四个等分点r1、r2、r3和r4，坐标分别为r1(-r，0)、r2(r，0)、r3(0，r)和r4(0，-r)，r为所述标定球的标准半径；
s2.2)将3d测头平移靠近等分点r1，使3d测头的测尖球心位于x轴上，测量3d测头的测尖球心与r1的最短距离r1以及此时测尖球心坐标(-r1-r,0)；将3d测头移平至靠近等分点r2，使3d测头的测尖球心位于x轴上，测量3d测头的测尖球心与r2的最短距离r2以及此时测尖球心坐标(r2+r,0)；将3d测头平移靠近等分点r3，使3d测头的测尖球心位于y轴上，测量3d测头的测尖球心与r3的最短距离r3以及此时测尖球心坐标(0，r3+r)；将3d测头平移靠近等分点r4，使3d测头的测尖球心位于y轴上，测量3d测头的测尖球心与r4的最短距离r4以及此时测尖球心坐标(0，-r4-r)。
工作原理：
标定球的球心所在水平面，即赤道平面上的四个等分点，分别用坐标r1(-r，0)、r2(r，0)、r3(0，r)和r4(0，-r)表示，其中r1和r2的连线是一条直径，r3和r4的连线是另一条直径，与r1和r2的连线垂直于标定球的球心。将3d测头平移靠近等分点r1，使3d测头的测尖外圆周与r1接触，读出此时测尖球心的坐标(-r1-r,0)，平移3d测头，采用同样的方法，依次测得靠近等分点r2时的测尖球心坐标(r2+r,0)，靠近等分点r3时的测尖球心坐标(0，r3+r)和靠近等分点r4时的测尖球心坐标(0，-r4-r)。在3d测头的测针轴线与主轴轴线没有发生偏移的时候，r1＝r2＝r3＝r4,当测针轴线与主轴轴线发生偏移的时候，r1≠r2，r3≠r4。
实施例4：
在实施例3的基础上，结合附图1所示，所述步骤s2.2)中使3d测头的测尖球心位于x轴上的具体步骤为：
s2.2.1)采用目测的方法平移3d测头，直至3d测头的测针与标定球的r1接触；
s2.2.2)测量此时测尖球心的坐标；
s2.2.1)根据步骤s2.2.2)的测量结果，调整3d测头的位置，直至3d测头的测尖球心的y坐标为0。
工作原理：
先采用目测的方法平移3d测头，使接近标定球圆周上的等分点r1，读出此时的测尖球心的坐标，如果y坐标不为0，说明3d测头的测尖球心不在r1与r3的连线上，继续调整位置，直到满足测尖球心的y坐标为0。其他三个等分点采用同样的方法，使测尖球心位于r1与r2的连线或r3与r4的连线。
实施例5：
在实施例4的基础上，结合附图1所示，所述步骤s3)包括：
s3.1)判断，如果：
a)r1＞r2，3d测头的测尖球心沿x轴的负方向偏移，偏移量为(r1-r2)/2；
b)r2＞r1，3d测头的测尖球心沿x轴的正方向偏移，偏移量为(r2-r1)/2；
c)r3＞r4，3d测头的测尖球心沿y轴的正方向偏移，偏移量为(r3-r4)/2；
d)r4＞r3，3d测头的测尖球心沿y轴的负方向偏移，偏移量为(r4-r3)/2；
s3.2)计算3d测头的测尖球心的偏移量和偏移方向：
如果r1＞r2且r3＞r4，则3d测头的测尖球心，相对于标定球的球形偏移位移为
如果r1＞r2、且r3＜r4，则3d测头的测尖球心，相对于标定球的球形偏移位移为
如果r1＜r2且r3＞r4，则3d测头的测尖球心，相对于标定球的球形偏移位移为
如果r1＜r2且r3＜r4，则3d测头的测尖球心，相对于标定球的球形偏移位移为
工作原理：
将步骤s2)测得的r1、r2、r3和r4进行比较，如果r1≠r2、r3≠r4，即|r1-r2|/2即为测尖球心在x轴方向上与主轴轴线的偏移数值，|r3-r4|/2为测尖球心在y轴方向上与主轴轴线上的偏移数值，则即总的偏离量为：
r1大于r2且r3大于r4时，偏移角度为
r1大于r2且r4大于r3时，偏移角度为
r2大于r1且r3大于r4时，偏移角度为
r2大于r1且r4大于r3时，偏移角度为
将计算得出的偏移量和偏移角度作为补偿量，由测量程序自动加入，实现3d测头的测尖球心位置的自动校准。
实施例6：
在实施例5的基础上，结合附图1所示，所述步骤s3还包括：将所述补偿量与设定的允许误差范围比较，如果超出所述允许误差范围，则终止测量并发出报警，手动校正3d测头的位置，重复步骤s1)-步骤s3)，如果没有超出所述允许误差范围，则进入步骤s4)。
当计算出的补偿量超出预先设定的允许误差范围相比，测量仪器终止下一步测量，而是发出警报，提示手动校正3d测头的位置，缩小实际误差范围，再重复以上校准步骤，直到补偿量在允许误差范围内，这样，可以提高测量精度。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。