一種用于立式加工中心的工件測頭誤差標定裝置的制作方法

本實用新型涉及數控技術領域，具體是一種用于立式加工中心的工件測頭誤差標定裝置。

背景技術：

為提高數控加工精度，減少加工廢品率，提升數控機床智能化水平，在立式加工中心配置觸發式測量系統，可實現序前輔助零件、夾具裝夾和找正，確定加工基準，序中對零件關鍵尺寸進行監測，序后對成品進行檢驗，消除零件二次裝夾誤差。

由于觸發式測量系統安裝時很難保證測頭的中心與立式加工中心的機床主軸的回轉中心完全一致，所以需要對誤差進行標定；另外觸發式測頭從剛碰觸工件到發出觸發信號、控制機床停止運動、讀取機床當前坐標這一系列過程中，會產生碰觸誤差即存在預行程，并且測頭沿著不同方向碰觸誤差也不同，所以在使用觸發式測量系統進行工件加工精度檢測之前，需要對其進行誤差標定。現有的標定方法大多采用標準件如標準球或環規來確定其誤差值，沒有考慮碰觸誤差的各向異性，不能保障沿大角度方向碰觸的測量精度。申請號201310057385.0公開了一種掃描測頭標定方法，采用的標定裝置是標準球，標定原理是驅動掃描測頭按照一定順序在球面上測出足夠多的點，再用數學方法(非線性最小二乘迭代)擬合出一個球面，得到擬合球的半徑及擬合球的球心坐標，由標準球的理論半徑和擬合球半徑得到碰觸誤差，該計算過程將不同方向的碰觸誤差視為同一值，忽略了碰觸誤差的各向異性。另外，該方法需要測量的點數較多并且分布均勻，測點數的選擇直接影響標定精度和效率。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本實用新型擬解決的技術問題是，提供一種用于立式加工中心的工件測頭誤差標定裝置。

本實用新型解決所述標定裝置技術問題的技術方案是，提供一種用于立式加工中心的工件測頭誤差標定裝置，其特征在于該標定裝置由底層、中層和頂層三層結構組成；所述底層為正六棱柱結構，中層為圓柱結構，頂層為長方體結構；所述正六棱柱結構的中心、圓柱結構的中心和長方體結構的中心的連線垂直于水平面，且長方體結構中由長和高組成的側面與正六棱柱的一個側面垂直。

與現有技術相比，本實用新型有益效果在于：本實用新型的標定裝置結構簡單、標定過程操作簡便，同時考慮了各方向碰觸誤差的各向異性，能一次快速標定出測頭的偏心誤差和沿不同方向碰觸的預行程誤差值，具有一定的精度，可以滿足復雜型面零件的測量精度要求。

附圖說明

圖1為本實用新型用于立式加工中心的工件測頭誤差標定裝置的三視圖；其中圖1(a)為主視圖，圖1(b)為右視圖，圖1(c)為俯視圖；

圖2為本實用新型用于立式加工中心的工件測頭誤差標定裝置中測頭沿Z軸負方向碰觸標定裝置的示意圖；

圖3為本實用新型用于立式加工中心的工件測頭誤差標定裝置中測頭沿平行于X軸和Y軸的徑向碰觸標定裝置圓柱結構側面的理論位置與實際位置分布圖；

圖4本實用新型用于立式加工中心的工件測頭誤差標定裝置中測頭沿Y軸方向碰觸標定裝置的示意圖；

圖5本實用新型用于立式加工中心的工件測頭誤差標定裝置中測頭沿X軸方向碰觸標定裝置的示意圖；

圖6本實用新型用于立式加工中心的工件測頭誤差標定裝置中測頭沿與X軸正方向成330°、210°、150°和30°角的方向碰觸標定裝置的示意圖；

具體實施方式

下面給出本實用新型的具體實施例。具體實施例僅用于進一步詳細說明本實用新型，不限制本申請權利要求的保護范圍。

本實用新型提供了一種用于立式加工中心的工件測頭誤差標定裝置(參見圖1，簡稱標定裝置)，該標定裝置由底層101、中層102和頂層103三層結構組成；所述底層101為正六棱柱結構，中層102為圓柱結構，頂層103為長方體結構；所述正六棱柱結構的中心、圓柱結構的中心和長方體結構的中心的連線垂直于水平面，且長方體的一個側面s1與正六棱柱的一個側面s2垂直；正六棱柱的底面邊長為L，圓柱的底面圓直徑為D，長方體長為B、寬為A，三層結構高為H；材料不做具體限定，可采用性質穩定且不易發生形變的材質加工而成。

本實用新型用于立式加工中心的工件測頭誤差標定裝置的工作原理和工作流程是：

(1)將標定裝置安裝在立式加工中心的工作臺面上，安裝時確保正六棱柱結構的側面s2平行于X軸正方向、長方體結構的側面s1平行于Y軸正方向，采用百分表確保平行；

(2)通過百分表確定出標定裝置的幾何中心，即圓柱結構的中心；然后將測頭的坐標系原點定在幾何中心處；開始標定，先對Z軸進行標定，驅動測頭沿Z軸負方向碰觸長方體結構的上表面(參見圖2)；標定裝置的高為H，得到Z軸負方向碰觸誤差E_z，Z₀為測頭碰觸長方體結構的上表面時得到的Z向坐標值，Z₁是無碰觸誤差的Z向坐標值，Z₁可由觸發式測量系統得到：在無測量速度的狀態下，控制測頭運動到碰觸的臨界狀態，記錄此時Z向坐標值Z₁；然后控制測頭運行1μm，測頭觸發，測桿變形，測頭停止運動并回退安全距離，測量系統自動記錄觸發時的主軸位置坐標Z₀；

E_z＝Z₁-Z₀ 式1

(3)標定X-Y平面上的誤差；誤差由兩部分組成：一部分是與碰觸的方向有關的可以正交分解的誤差，統稱為碰觸誤差；另一部分是由于安裝不當造成偏心等因素，導致理論值與測量系統的測量值之間存在固定的偏移量，統稱為偏心誤差；

不考慮碰觸誤差，單獨考慮偏心誤差的作用，當測頭按X+、X-、Y+和Y-方向運動并沿圓柱結構的徑向測量時(參見圖3)，實際的運動軌跡如實線所示，理論的運動軌跡如虛線所示，理論的測頭與圓柱結構的側面的碰觸位置與實際的碰觸位置有固定的偏移量，用矢量(Δx,Δy)表示；測頭半徑為r，由于偏心誤差造成測頭的碰觸方向與被測點方向的矢量方向不一致，使得理論的測頭碰觸點與實際的測頭碰觸點有偏差，由此造成的誤差稱為余弦誤差，在建立模型時必須將余弦誤差考慮進去，在不考慮碰觸誤差的數學模型是：

(x+Δx-r cosα)²+(y+Δy-r sinα)²＝R² 式2

R為圓柱結構底面圓的半徑；

下面過程同時考慮碰觸誤差和偏心誤差，驅動測頭沿平行于Y軸的負方向碰觸圓柱結構的徑向的側面于碰觸點1(參見圖4)，此時的碰觸誤差記為E_270°，得到式3：

(x₁+Δx-rsinα₁)²+(y₁+Δy-rcosα₁+E_270°)²＝R² 式3

R為圓柱結構底面圓的半徑；

驅動測頭沿平行于Y軸的正方向碰觸圓柱結構的徑向的側面于碰觸點2(參見圖4)，此時的碰觸誤差記為E_90°，得到式4：

(x₂+Δx-rsinα₂)²+(y₂+Δy+rcosα₂-E_90°)²＝R² 式4

R為標準圓柱的半徑；

驅動測頭沿Y軸正方向觸碰正六棱柱結構平行于X軸的側面于碰觸點3(參見圖4)，由正六邊形的幾何特性方程得到式5；驅動測頭沿Y軸負方向觸碰正六棱柱結構平行于X軸的側面于碰觸點4(參見圖4)，由正六邊形的幾何特性方程得到式6；正六棱柱的底面邊長為L；

聯立式3、式4、式5和式6，得到一組由偏心誤差(Δx,Δy)、E_270°和E_90°為未知量的關系式；

同樣的，驅動測頭沿平行于X軸的負方向碰觸圓柱結構的徑向的側面于碰觸點5，此時的碰觸誤差記為E_180°，得到式7；驅動測頭沿平行于X軸的正方向碰觸圓柱結構的徑向的側面于碰觸點6，此時的碰觸誤差記為E_0°，得到式8；驅動測頭沿平行于X軸正方向碰觸長方體結構于碰觸點7，得到式9；驅動測頭沿平行于X軸負方向碰觸長方體結構于碰觸點8，得到式10(參見圖5)：

L為正六棱柱的底面邊長；A為長方體的寬；

聯立式7、式8、式9和式10，得到一組關于偏心誤差(Δx,Δy)、E_180°和E_0°為未知量的關系式；

聯立式3、式4、式5、式6、式7、式8、式9和式10求解得到Δx、Δy、E_0°、E_180°、E_90°和E_270°；

Δx的計算步驟如下：

由式5和式6得到

將式11、cosα₁、sinα₁和式12、cosα₂、sinα₂分別代入式3和式4得到：

式13減去式14得到：

同理，可得：

(4)驅動測頭分別沿與X軸正方向成330°、210°、150°和30°角的圓柱結構的徑向觸碰正六棱柱結構的四個側面，碰觸點分別是碰觸點9、碰觸點10、碰觸點11和碰觸點12(參見圖6)，由碰觸點9、碰觸點10、碰觸點11和碰觸點12分別在直線和上，可以得到下列方程組：

求解得到沿與X軸正方向成330°、210°、150°和30°角的碰觸誤差E_330°、E_210°、E_150°和E_30°：

(5)根據上述求得的結果，得到沿任意方向上任意一點的誤差都滿足式29，用于標定X-Y平面任意方向上的誤差；

[x-(E_θ-r)cosθ+Δx]²+[y-(E_θ-r)sinθ+Δy]²＝R² 式29

Δx為最終得到的偏心誤差的X軸方向分量；Δy為最終得到的偏心誤差的Y軸方向分量；θ為測頭碰觸方向與X軸正方向的夾角；

由此得到任一方向上的誤差補償值，即(Δx-(E_θ-r)cosθ，Δy-(E_θ-r)sinθ)，補償到觸發式測量系統中，完成了對測頭的標定。

本實用新型未述及之處適用于現有技術。