机床主轴头姿态角多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，涉及一种机床主轴头姿态角测量量具及测量方法。

背景技术：

相比于传统的车床、铣床、钻床等，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。而五轴联动混联机床，由于主轴头安装在并联机构上，有着运动速度快、动态性能好的优点，在加工过程中，配合串联进给轴运动，加工效率很高。与此同时，并联机构结构复杂，制造和装配引起的误差难以直接测量，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，而姿态角的测量则比较复杂。

目前已有多种方法用以测量主轴头的姿态角，主要有惯性导航方法、立体视觉方法、激光跟踪方法等。三者都通过检测设备的监测信息进行计算得到姿态角。惯性导航方法是通过惯性传感器，测量运动信息；立体视觉方法通过视觉传感器采集被测物体视觉信息；激光跟踪方法是采集被测物体上特定三个点的空间坐标信息。上述方法测量精度和计算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多值测量量具及测量方法，以克服现有技术的不足，使得测量精度满足机床测量要求。

为了实现上述目的，本发明的一个方面是提供一种机床主轴头姿态角多值测量量具，包括：底座、校准凸台和至少两个测量斜面，测量斜面均安装在所述底座上，且与所述底座呈设定夹角，所述校准凸台与所述底座连接，所述校准凸台用于校准所述底座在所述工作台上的安装方向，所述测量量具通过所述底座安装在机床的工作台上，且所述校准凸台与所述设定进给轴平行，通过将机床主轴分别与不同的测量斜面垂直，测量机床主轴头不同倾斜方向的姿态角。

优选地，每个测量斜面与所述底座的夹角相同。

优选地，每个测量斜面上均安装有多个端块，所述端块用于连接检测机床主轴与测量斜面之间垂直度的垂直度检测装置。

优选地，所述校准凸台、所述底座、所述测量斜面和所述端块连接成一体。

优选地，多个端块在所述测量斜面上均匀分布。

为了实现上述目的，本发明的另一个方面提供了一种机床主轴头姿态角多值测量方法，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，并使得校准凸台与设定进给轴平行；

步骤s2，调节机床驱动轴的进给来调整主轴的倾斜方向，使得主轴位于第一倾斜方向，与测量量具的一个测量斜面垂直，测得主轴头在所述第一倾斜方向下的姿态角；

步骤s3，改变机床驱动轴的进给来改变主轴的倾斜方向，使得主轴位于第二倾斜方向，与测量量具的另一个测量斜面垂直，测得主轴头在所述第二倾斜方向下的姿态角；

步骤s4，重复所述步骤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：

在所述校准凸台上放置平行度测量装置；

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；

通过平行度测量装置测量所述校准凸台与所述设定进给轴是否平行。

优选地，所述步骤s2还包括：将垂直度测量装置安装在所述主轴上，通过垂直度测量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，所述垂直度测量装置包括千分表和横杆，

将垂直度测量装置安装在所述主轴上，通过垂直度测量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多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：

本发明的测量量具结构简单，制造成本较低；本发明可以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。

本发明的测量量具有多个测量斜面，一次安装就可以测量多组数据，进一步降低了人为操作引入的误差，提高了测量效率。

本发明的测量方法可以通过数控系统实现，操作方便、测量效率较高。

附图说明

图1是本发明所述测量量具的立体示意图；

图2是本发明所述测量量具的俯视示意图；

图3是本发明所述测量量具的侧视示意图；

图4是本发明所述测量方法的流程示意图；

图5是本发明中测量量具与工作台的安装示意图；

图6是本发明中测量量具与主轴头安装的立体示意图；

图7是本发明中测量量具与主轴头安装的侧视示意图。

附图标记：1、底座，2、测量斜面，3、校准凸台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。

本发明的机床主轴头姿态角多值测量量具用于对机床主轴头的姿态角进行测量，尤其是五轴联动混联机床中的主轴头姿态角的测量。在五轴联动混联机床的标定工作中，需要测量工作空间内允许倾斜的最大倾斜角。利用本发明的测量量具可以测得主轴头的倾斜角。机床包括工作台5，用于安装工件，所述工作台5沿设定进给轴运动，当工作台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是本发明所述测量量具的立体示意图，图2是本发明所述测量量具的俯视示意图，图3是本发明所述测量量具的侧视示意图，如图1-图3所示，本发明所述机床主轴头姿态角测量量具包括：底座1、校准凸台和至少两个测量斜面2，测量斜面2均安装在所述底座1上，且与所述底座1呈设定夹角，各个测量斜面2与底座1之间的夹角可以相同，也可以不同。所述校准凸台与所述底座1连接，所述校准凸台用于校准所述底座1在所述工作台5上的安装方向，所述测量量具通过所述底座1安装在机床的工作台5上，且所述校准凸台与所述设定进给轴平行，通过将机床主轴分别与不同的测量斜面2垂直，测量机床主轴头不同倾斜方向的姿态角。当校准凸台与设定进给轴平行之后，测量量具的安装方向已经确定，在测量主轴头不同倾斜方向的姿态角的过程中，测量量具的安装位置不再变化，则测得的姿态角的个数与测量斜面2的数目相同，各个姿态角的大小等于相应的测量斜面2与底座1之间的夹角。

在本发明的一个实施例中，所述测量量具应用于测量五轴联动混联机床主轴头的姿态角，由于在五轴联动混联机床的标定工作中，只需要精确测量工作空间内的最大倾斜角。以实例中的机床为例，工作空间允许倾斜的最大角度是40°，在标定工作中，只需要精确测量每个方向的最大角度，故多个测量斜面2与底座1的夹角优选为相同，且优选为40°。

需要说明的是，本发明所述测量量具不仅可以用于测量五轴联动混联机床主轴头的姿态角，同样可以应用于其他形式的机床主轴头姿态角的测量。

本发明中，通过与底座1连接的校准凸台确定测量量具在工作台5上的安装方向，本发明对底座1的形状等无具体限定，例如，底座1可以呈圆形、椭圆形等规则的曲面形状，也可以呈其他任意不规则图形，也可以是曲面形状的组合。校准凸台与底座1可以是螺栓连接，也可以是其他的可拆卸的连接方式。

本发明对测量斜面2的形状无具体限定，可以呈圆形、圆环形、椭圆形等曲面形状，也可以是三角形、四边形等规则的多边形。当多个测量斜面2均呈多边形时，多个测量斜面2不仅存在共用边，还可以存在共用顶点。例如，当测量斜面2呈正三角形时，多个正三角形的顶点可以汇聚于一点。

在一个可选实施例中，所述测量量具还包括顶板，每个测量斜面2的至少一个顶点或一条边连接在所述顶板上。此时，测量斜面2位于顶板和底座1之间，增加测量量具的稳固性。其中，顶板与底座1可以平行，也可以不平行。

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2的垂直精度。测量量具可与垂直度检测装置配合使用，通过垂直度检测装置检测测量斜面2与主轴头8是否垂直，则需要保证整个测量斜面2的加工精度，相应地，会增加制造成本。优选地，每个测量斜面2上均安装有多个端块4，所述端块4用于连接检测机床主轴与测量斜面2之间垂直度的垂直度检测装置。多个端块4在测量斜面上均匀分布。在对主轴头8与测量斜面2的垂直度进行检测时，将垂直度检测装置分别与多个端块4连接，则只需要每个端块4的端面的加工精度，多个端块4的顶部端面位于同一个面内，经过磨削加工以保证精度，大大减少了测量斜面2的精加工面积，降低制造成本。

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4的顶面位于同一个面内即可。

本发明的一个实施例中，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(当没有端块4时，千分表6放置在测量斜面2上)，并通过横杆7与主轴头8连接。在对主轴头8与测量斜面2的垂直度进行检测时，驱动主轴头8旋转，读取千分表6示数，当各个端块4上的千分表6的示数差异均在设定差值(例如，±0.01mm)以内时，则可判定主轴头8与测量斜面2垂直。

为了保证测量精度，所述测量量具还可以与平行度检测装置配合使用，平行度检测装置放置在校准凸台上，用于测量校准凸台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(可以将表座固定稳固的支架上)，使得千分表6的测头放置在校准凸台上，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1的边与设定进给轴平行。

优选地，所述校准凸台、所述底座1、所述测量斜面2和所述端块4连接成一体。

图4是本发明所述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，并使得校准凸台与设定进给轴平行；测量量具通过底座1安装在工作台5上，底座1与工作台5通过螺栓连接，便于拆卸，当然，底座1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，调节机床驱动轴的进给来调整主轴的倾斜方向，使得主轴位于第一倾斜方向，与测量量具的一个测量斜面2垂直，测得主轴头8在所述第一倾斜方向下的姿态角。

步骤s3，改变机床驱动轴的进给来改变主轴的倾斜方向，使得主轴位于第二倾斜方向，与测量量具的另一个测量斜面2垂直，测得主轴头8在所述第二倾斜方向下的姿态角。

步骤s4，重复所述步骤s3，直至测得机床主轴头8在多个不同倾斜方向的姿态角，当测量量具包括n个测量斜面2时，则可测得n组姿态角。

在一个实施例中，所述步骤s1还包括：

在所述校准凸台上放置平行度测量装置；

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；

通过平行度测量装置测量所述校准凸台与所述设定进给轴是否平行。

图5是本发明中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的测头放置在校准凸台上，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1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2是否垂直。

所述垂直度检测装置包括千分表6和横杆7，千分表6放置在测量斜面2上，并通过横杆7与主轴头8连接，检测主轴与测量斜面2是否垂直时，在测量斜面2的多个位置处放置千分表6，旋转主轴头8之后，多个千分表6的示数差异在设定差值内(例如，±0.01mm)，则判定主轴与测量斜面2相互垂直。

由于将千分表6放置在测量斜面2上，需要保证整个测量斜面2的加工精度。图6是本发明中测量量具与主轴头安装的立体示意图，图7是本发明中测量量具与主轴头安装的侧视示意图，如图6和图7所示，优选地，所述测量斜面2上安装有多个端块4，将千分表6放置在端块4上，则只需对端块4的端面进行精加工，即可保证测量精度，减小了精加工面积，降低制作成本。则通过垂直度检测装置测量所述主轴与所述测量斜面2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；

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2垂直。

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

测量量具由底座1、测量斜面2和端块4构成，三者相连为一体。测量斜面2共有4个，与底座1呈固定夹角α＝40°，测量斜面2上均布有3个端块4，端块4经过磨削加工以保证精度，可以测出主轴头8向4个不同的倾斜方向的呈40°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，使校准凸台与进给轴平行。在此实例中具体操作方式为：将千分表6固定，测头放置在校准凸台上，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轴进给，保证主轴头8与测量斜面2垂直，可测得主轴头8倾斜姿态角为α。在此实例中具体操作方式为：调节驱动轴数据(一个或多个驱动轴的进给)，令主轴头8与测量斜面2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在三个端块4上示数差异均在±0.01mm以内，此时可认为主轴头8和量具测量斜面2垂直。如果没有达到要求，则继续调节驱动轴数据。调节完成后，几何关系如图7所示，可以测量出主轴头8的姿态角。

逐次改变五轴联动混联机床各轴进给，保证主轴头8与其余测量斜面2垂直，重复测量姿态角的步骤，共可测得4组姿态角。

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。