一種五軸聯動機床回轉軸線幾何參數測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及數控系統、機床結構參數測量技術領域，以實現一種五軸聯動機床回 轉軸線幾何參數測量方法。
【背景技術】
[0002] 旋轉刀具中心控制RTCP(Rotational Tool Center Point)技術，是五軸聯動數控 系統極其重要的功能，RTCP功能可以直接編程刀具中心點的軌跡，使得數控程序獨立于具 體的機床結構，數控系統會自動計算并保持刀具中心總始終在編程軌跡上，由旋轉軸運動 引起的非線性誤差都會被直線軸的運動所補償。五軸機床不具備RTCP功能時，旋轉軸運動 時刀具圍繞旋轉軸中心旋轉，刀具中心點在工件坐標系中發生變化。
[0003] 五軸機床回轉軸線幾何參數即RTCP參數的測量精度高低決定了RTCP功能的好壞。 傳統手工測量方法使用檢棒、百分表和方規測量RTCP參數。其缺陷和局限性如下：
[0004] 1)未測量主動軸與從動軸軸線方向，默認兩軸線與相應坐標軸平行，且相互正交， 這是手工測量方法的前提。但是在實際中，兩軸線不一定與坐標軸平行，也不一定相互正 交，此測量前提是無法保證的，這樣便會帶來測量誤差。
[0005] 2)-般的檢棒球頭圓度以及球頭球心與主軸回轉軸線同心度精度低，并不適用于 高精測量場合，使得測量產生誤差。
[0006] 3)雙轉臺結構測量時要求主動軸能在正向或者負向旋轉90°，并非所有機床具備 這個角度行程。
[0007] 4)操作步驟繁瑣，自動化程度低，測量結果好壞往往與機床測試人員經驗有很大 關系。
[0008] 為解決手工測量精度缺陷和使用局限性，最大限度實現測量的自動化，實現旋轉 刀具中心點精確控制，需要尋求一種更好的測量方法。
【發明內容】
[0009] 為解決手工測量五軸機床RTCP參數精度缺陷和場合使用局限性，本發明提供一種 五軸聯動機床回轉軸線幾何參數測量方法，實現RTCP參數的自動測量。
[0010] 本發明使用觸發式測頭和標準球作為測量儀器，基于HNC8二次開發五軸機床幾何 參數自動測量功能界面。HNC8是武漢華中數控股份有限公司研發的高檔型數控系統，并提 供了二次開發平臺，用于各類復雜的功能和專用界面開發。數控系統為用戶配備了強有力 的類似于高級語言的宏程序功能，用戶可以使用宏變量進行算術運算、邏輯運算和循環以 及子程序操作。
[0011] 為實現上述目的，本發明提供一種五軸聯動機床回轉軸線幾何參數測量方法，包 括以下步驟：
[0012] S1:儀器安裝，根據機床結構類型，安裝觸發式測頭和標準球，并用杠桿表對測頭 探針進行主軸同心校準；
[0013] S2:參數設置，在數控系統上設置測量參數，包括測量類型、旋轉軸顯示順序、旋轉 軸名、安全高度、定位速度、中間速度、觸發速度、標準球半徑、刀具長度和刀具半徑10個基 本參數以及8個主動軸示教點和8個從動軸示教點，所述示教點是用來確定標準球與測頭相 對位置，并進行碰撞的基準點；
[0014] S3:碰撞采集，通過數控系統，根據步驟S2確定的10個基本參數以及8個主動軸示 教點和8個從動軸示教點坐標，驅動測頭探針與標準球進行碰撞并鎖存碰撞時機床坐標系 下的坐標X、Y、Z，各個示教點碰撞4次;碰撞過程如下：
[0015] 測頭探針在Z軸負方向與標準球頂點進行碰撞鎖存機床坐標點1，在X軸正方向與 標準球赤道碰撞鎖存機床坐標點2，在X軸負方向與標準球赤道碰撞鎖存機床坐標點3，在Y 軸正或負方向與標準球赤道碰撞鎖存機床坐標點4;
[0016] 或者，測頭探針在Z負方向與標準球頂點進行碰撞鎖存機床坐標點1，在Y軸正方向 與標準球赤道碰撞鎖存機床坐標點2，在Y軸負方向與標準球赤道碰撞鎖存機床坐標點3，在 X軸正或負方向與標準球赤道碰撞鎖存機床坐標點4;
[0017] S4:RTCP參數計算，根據鎖存的碰撞點坐標，計算各個示教點相對應的標準球球心 坐標;使用最小二乘數據處理方法，對各個標準球球心坐標擬合主動旋轉軸與從動旋轉軸 軸線方向與空間位置，得到RTCP參數，所述RTCP參數包括主動軸軸線方向矢量、從動軸軸線 方向矢量、主動軸軸線偏移矢量和從動軸軸線偏移矢量。
[0018] 進一步的，所述的幾何參數測量方法的步驟S1中，對于雙擺頭和混合型結構機床 采用主軸裝夾標準球而工作臺放置測頭的安裝方式，對于雙轉臺類型機床采用主軸裝夾測 頭而轉臺放置標準球的安裝方式。
[0019] 進一步的，所述的幾何參數測量方法的步驟S2的示教點選取過程中，主動旋轉軸 或從動旋轉軸在保持任一角度，在Z方向測頭探針與標準球最高點附近剛好接觸時，此時機 床坐標系下的五個軸坐標即為示教點坐標;在主動旋轉軸行程范圍，均勻獲取8個主動軸示 教點;在從動旋轉軸行程范圍，均勻獲取8個從動軸示教點。
[0020] 進一步的，所述的幾何參數測量方法，根據8個主動軸示教點和8個從動軸示教點， 采用最小二乘法分別擬合出標準球球心坐標，計算RTCP參數方法如下：
[0021] 根據主動軸軸線參數11(￥1，01)與從動軸軸線參數1^(￥2,02)，計算直線1^1與直線 L2之間公垂線段L3(T1，T2)，點T1為L3在L1上的垂足，點T2為L3在L2上的垂足；
[0022] 其中：L1(V1，D1)是由方向矢量VI和D1確定的直線，L2(V2，D2)是由方向矢量V2和 D2確定的直線;D1是由主動軸示教點擬合的軌跡圓圓心，其位于主動軸軸線上，VI為所述軌 跡圓平面法矢，是主動軸軸線的方向；D2是由從動軸示教點擬合的軌跡圓圓心，是從動軸軸 線上的一點，V2為所述軌跡圓平面法矢，是從動軸軸線的方向；
[0023]最后，得到的RTCP參數分別為:主動軸軸線方向矢量VI、從動軸軸線方向矢量V2、 主動軸軸線偏移矢量(T2-T1)、從動軸軸線偏移矢量T1;上述矢量均以機床坐標原點為基 準。
[0024]進一步的，所述的幾何參數測量方法中，測量參數的賦值、碰撞鎖存和計算，可利 用數控系統G代碼實現。所述碰撞動作是采集所需坐標數據的基礎，這些數據最終用來計算 RTCP參數。碰撞原理在于，測頭探針剛好觸碰標準球并開始產生微小形變時，測頭發出觸發 信號，機床控制測頭探針立即返回，并鎖存測頭探針剛好觸碰標準球時的機床坐標。
[0025] 所述的幾何參數測量方法，計算RTCP參數關鍵在于標準球球心計算和球心圓擬 合，原理如下：
[0026] 1)球心計算
[0027]根據步驟S 3中主動軸示教點處碰撞鎖存的機床坐標系下4個空間坐標點
(.i 一求取主動軸示教點處標準球球心坐標Bai(X，Y，Z)(i = l，2··· 8)，公式如下：
[0028] (Χ-Χ1)2+(Υ-Υ1)2+(Ζ-Ζ1)2 = (Χ-Χ2)2+(Υ-Υ2)2+(Ζ-Ζ2)3
[0029] (Χ-Χ1)2+(Υ-Υ1)2+(Ζ-Ζ1)2 = (Χ-Χ3)2+(Υ-Υ3)2+(Ζ-Ζ3)2
[0030] (Χ-Χ1)2+(Υ-Υ1)2+(Ζ-Ζ1)2 = (Χ-Χ4)2+(Υ-Υ4)2+(Ζ-Ζ4)2
[0031 ]同樣可得從動軸示教點處標準球球心坐標Bpi (Χ，Υ，Ζ)(? = 1，2···8)。
[0032] 2)球心圓擬合
[0033] 標準球球心的軌跡是空間平面上的一個圓。依據Bai(X，Υ，Ζ(? = 1，2···8)8個標準 球球心坐標，使用最小二乘法擬合軌跡圓圓心D1 (X，Υ，Ζ)與軌跡圓平面法矢VI (X，Υ，Ζ)，軌 跡圓圓心D1(X，Y，Z)是主動軸軸線上的一點，軌跡圓平面法矢V1(X，Y，Z)是主動軸軸線的方 向；依據B Pi (Χ，Υ，Ζ)(? = 1，2···8) 8個標準球球心坐標使用最小二乘法擬合軌跡圓圓心D2 (Χ，Υ，Ζ)與軌跡圓平面法矢V2(X，Y，Z)，軌跡圓圓心D2(X，Y，Z)是從動軸軸線上的一點，軌跡 圓平面法矢V2 (X，Υ，Z)是從動軸軸線的方向。
[0034] 3)RTCP參數計算
[0035]根據主動軸軸線參數1^1(￥1，01)與從動軸軸線參數1^(￥2,02)，計算直線1^1與直線 L2之間公垂線段L3(T1，T2)，點T1(X，Y，Z)為L3在L1上的垂足，點T2(X，Y，Z)為L3在L2上的垂 足。L1(V1，D1)表示由方向矢量VI和D1確定的直線，L2(V2，D2)表示由方向矢量V2和D2確定 的直線。
[0036] RTCP參數分別為：主動軸軸線方向矢量V1(X，Y，Z)、從動軸軸線方向矢量V2(X，Y， 2)、主動軸軸線偏移矢量〇2-1'1)0，￥，2)、從動軸軸線偏移矢量110，￥，2)。上述矢量均以 機床坐標原點為基準。
[0037] 總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，可以取得如下有 益的效果：
[0038] 1)使用標準球和觸發式測頭作為測量儀器，設備簡單，安裝方便。其對于雙擺頭、 雙轉臺和混合結構，兩回轉軸線正交與非正交、相交與相貫都適用，具有廣泛的適用性。
[0039] 2)可在數控系統上進行二次開發，形成獨立的測量模塊界面，機床測量人員輸入 測量參數，進行簡單操作便能完成整個測量過程，極大降低了對機床測量人員的要求。
[0040] 3)測量模塊中數據處理模塊能精確計算軸線方向和軸線偏移，改變了手動無法測 量回轉軸線方向和精度不足的局限，實現了旋轉刀具中心點的精確控制。
[0041]總而言之，本發明方法可以既方便又精確測量RTCP參數，極大簡化了機床測量人 員的操作。
【附圖說明】
[0042] 圖1是本發明實施例方法中測試機床及測試儀器安裝示意圖；
[0043] 圖2是本發明實施例方法中步驟流程示意圖。
【具體實施方式】
[0044] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明，并不用于限定本發明。
[0045] 圖1是本發明實施例中測試對象拓璞C50AC雙轉臺五軸機床實物圖，A轉臺為主動 軸，C轉臺為從動軸，測量對象RTCP參數為：
[0046] 1)A轉臺旋轉軸軸線方向；
[0047] 2)C轉臺旋轉軸軸線方向；
[0048] 3)A轉臺旋轉軸軸線偏移；
[0049] 4)C轉臺旋轉軸軸線偏移。
[0050] 圖2是本發明實施例方法中步驟流程示意圖，結合該圖對本發明進行進一步詳細 說明。
[0051] 1、儀器安裝。圖1為測試儀器安裝示意圖，主軸上安裝測頭，C轉臺上以磁力座吸附 直徑25mm標準球。用杠桿表對測頭探針進行主軸同心校準，使得探針末端圓球球心與主軸 軸線高度重合，校準時杠桿表針跳動2um以內。
[0052] 2、參數設置。
[0053] 1)測量類型:雙轉臺類型；
[0054] 2)旋轉軸顯示順序:示教點坐標順序與系統設定一致；
[0055] 3)旋轉軸名:主動軸名在前，從動軸名在后，AC;
[0056] 4、安全高度：測頭探