CN105159228A - 五轴联动数控机床实现rtcp功能的五轴标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的五轴标定方法是利用空间立体几何概念建立机床的运动结构立体几何模型，通过简单的测量，运用数学运算公式分析计算出各旋转轴偏心距以及刀尖至旋转中心的距离，即五轴转换所需的几何矢量。将所计算出的数据分别填入五轴变换所需的机床参数中，从而达到五轴标定的目的。本发明所涉及的标定方法只需操作人员具备数学几何知识，对操作人员要求低，操作步骤简单、清晰，适用范围广，可以应用到各类运动结构的五轴数控设备的RTCP功能标定。

Description

五轴联动数控机床实现RTCP功能的五轴标定方法

技术领域

本发明涉及数控机床技术领域，具体涉及一种五轴联动数控机床实现RTCP功能的五轴标定方法。

背景技术

五轴联动数控机床是一种科技含量高、精密度高，专门用于加工复杂曲面的机床，这种机床***对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械等行业，有着举足轻重的影响力。

RTCP功能是五轴联动的特征功能，该功能表现的特点是，当只有旋转轴运动时(具有五轴联动功能的***可以有两个旋转轴同时旋转)，通过三个直线轴的实时同步补偿运动，使刀具或工件上的某一特定点在空间的位置始终保持不动。即刀具或工件绕这一特定点作旋转运动。这一特定点一般是刀尖与工件接触切削的那点，即切削点。

要实现五轴联动RTCP功能，必须知道机床的运动结构形式、旋转轴之间的位置关系、旋转轴的偏心距以及刀尖至旋转中心的距离。这个过程就是五轴联动数控机床实现RTCP功能的五轴标定过程。

目前实现五轴联动RTCP功能所需的旋转轴的偏心距以及刀尖至旋转中心的距离的确定方法有两种，一是机床生产厂家在机械结构设计过程中确定旋转轴的偏心距以及刀尖至旋转中心的距离，这种方法需要知道机床机械结构的精确尺寸及旋转轴之间的位置尺寸，而机床生产厂家特别是进口机床生产厂家出于技术保密，往往只提供机械结构的示意图，而没有提供精确尺寸，当机床RTCP精度下降需要维修或机床需要大修时，由于无法提供精确的旋转轴偏心距以及刀尖至旋转中心的距离，使得RTCP功能及精度无法达到机床加工精度要求；二是采用数控***生产厂家所提供的五轴标定测量功能，如西门子数控***所提供的选项功能CYCLE996测量循环功能，通过测量球体的三维位置来计算出五轴坐标转换所需的几何矢量。使用CYCLE996无需对于机床的基础机械构造有详细了解，执行测量也无需机床的尺寸图和结构图，机床通过执行CYCLE996测量循环功能，从而自动实现五轴标定过程。但是采用这种方法对设备要求高，需要机床具备在线测量功能及相应的选项功能，同时要求操作者对数控***熟悉，而不同的数控***其操作方法也不同，所以只有少部分人能完全掌握。

发明内容

本发明克服了现有技术中对设备要求高，需要机床具备在线测量功能及相应的选项功能，同时要求操作者对数控***熟悉，而不同的数控***其操作方法也不同的不足，提供一种采用建立立体几何数学模型、测量计算旋转轴对应各坐标轴分矢量从而完成五轴标定的五轴联动数控机床实现RTCP功能的五轴标定方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种五轴联动数控机床实现RTCP功能的五轴标定方法，它包括：

a、准备标定前的测量工具，所述测量工具包括大理石平尺、方尺、百分表、磁力表座架、长球头棒、短球头棒和方块；

b、通过大理石平尺、方尺、百分表以及磁力表座架确定基本坐标轴的几何精度，以及各个坐标轴中X轴、Y轴、Z轴之间的垂直度，然后确定第一旋转轴和第二旋转轴的运动“零”点；

c、建立需要标定的BA双摆头机床结构轴线的关系模型，得出实现五轴联动数控机床实现PTCP功能的运动结构；

d、建立需要标定的五轴数控机床五轴标定的立体几何模型，得出需要标定的第一旋转轴和第二旋转轴的偏心距，测量得出第一旋转轴半径R_A和第二旋转轴半径R_B；

e、分别测量第一旋转轴安装短球头棒的旋转半径R_A1，测量第一旋转轴安装长球棒的旋转半径R_A2；

f、分别测量第二旋转轴安装短球头棒的旋转半径R_B1，测量第二旋转轴安装长球头棒的旋转半径R_B2；。

g、通过步骤c中的运动结构，结合步骤e、f中的测量值R_A1、R_A2、R_B1、R_B2分别结合公式

$\begin{array}{cc}{Z}_A=\frac{R_{A1}^2-R_{A2}^2-L_1^2+L_2^2}{2\left(L_1{\mathrm{-L}}_2\right)}& Y_A=\sqrt{R_{A1}^2-{\[\frac{R_{A1}^2-R_{A2}^2+{\left(L_1{\mathrm{-L}}_2\right)}^2}{2\left(L_1{\mathrm{-L}}_2\right)}\]}^2}\end{array}$

$\begin{array}{cc}{Z}_B=\frac{R_{B1}^2-R_{B2}^2-L_1^2+L_2^2}{2\left(L_1{\mathrm{-L}}_2\right)}& X_B=\sqrt{R_{B1}^2-{\[\frac{R_{B1}^2-R_{B2}^2+{\left(L_1{\mathrm{-L}}_2\right)}^2}{2\left(L_1{\mathrm{-L}}_2\right)}\]}^2}\end{array}$

计算得出第一矢量值Z_A、、第二矢量值Y_A、第三矢量值Z_B和第四矢量值X_B，其中L₁为短球头棒至主轴端面的长度，L₂为长球头棒至主轴端面的长度。

更进一步的技术方案是，所述步骤e具体包括：

h、使用百分表将方块的两个表面分别与X轴和Y轴运动轴线调试平行；

i、在第一旋转轴上安装短球头棒，将短球头棒分别沿着X轴、Y轴、Z轴三个方向去贴靠方块的三个表面，并分别记录每次靠近后数控***显示的X值、Y值、Z值，然后利用X值、Y值、Z值分别加短球头棒半径和二分之一方块边长后即得出第一坐标值P₁(x₁,y₁,z₁)；

j、将第一旋转轴旋转一定角度后，记录第一旋转轴的角度增量Δ│θ│，重复上述步骤h-i，得出第二坐标值P₂(x₂,y₂,z₂)；

k、结合第一坐标值P₁(x₁,y₁,z₁)、第二坐标值P₂(x₂,y₂,z₂)和角度增量Δ│θ│通过公式

$R_{A1}=\frac{\sqrt{{(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2+{(z_1-z_2)}^2}}{2\·Sin\frac{\left|\mathrm{\θ}\right|}{2}}$

得出第一旋转轴安装短球头棒的旋转半径R_A1；

l、将第一旋转轴旋转不同角度后，重复检测、记录、计算上述R_A1三次以上，以各次R_A1的平均值作为R_A1的最终结果。

m、在第一旋转轴上安装长球头棒，重复上述步骤h-l，计算得出第一旋转轴安装长球棒的旋转半径R_A2。

更进一步的技术方案是，所述步骤f具体包括：

n、使用百分表将方块的两个表面分别与X轴和Y轴运动轴线调试平行；

o、在第二旋转轴上安装短球头棒，将短球头棒分别沿着X轴、Y轴、Z轴三个方向去贴靠方块的三个表面，并分别记录每次靠近后数控***显示的X值、Y值、Z值，然后利用X值、Y值、Z值分别加长球头棒半径和二分之一方块边长后即得出第三坐标值P₃(x₃,y₃,z₃)；

p、将第二旋转轴旋转一定角度后，记录第二旋转轴的角度增量Δ│θ│，重复上述步骤n-p，得出第四坐标值P₄(x₄,y₄,z₄)；

q、结合第三坐标值P₃(x₃,y₃,z₃)、第二坐标值P₄(x₄,y₄,z₄)和角度增量Δ

│θ│通过公式

$R_{B1}=\frac{\sqrt{{(x_3-x_4)}^2+{(y_3-y_4)}^2+{(z_3-z_4)}^2}}{2\·Sin\frac{\left|\mathrm{\Φ}\right|}{2}}$

得出第二旋转轴安装短球头棒的旋转半径R_B1；

r、将第二旋转轴旋转不同角度后，重复检测、记录、计算上述R_B1三次以上，以各次R_B1的平均值作为R_B1的最终结果。

s、在第一旋转轴上安装长球头棒，重复上述步骤n-r，计算得出第二旋转轴安装长球棒的旋转半径R_B2。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明针对五轴联动数控***，采用建立立体几何数学模型、测量计算旋转轴对应各坐标轴分矢量从而完成五轴标定。通过在实际生产中的应用证明，此方法具有操作简单，机床五轴标定精度符合五轴数控设备RTCP功能加工精度要求，对人员及硬件、环境要求低，标定效率高的特点，适用于各类运动结构形式，也可以推广到其他数控***，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明中BA双摆头机床结构轴线的关系模型示意图。

图2为本发明中五轴数控机床五轴标定的立体几何模型示意图

图3为本发明中第一旋转轴旋转分矢量计算示意图。

图4为本发明中第二旋转轴旋转分矢量计算示意图。

图中：1第一旋转轴轴线，2第二旋转轴轴线，3主轴端面至第一旋转轴轴线的Z向矢量，4主轴端面至第一旋转轴轴线的Y向矢量，5主轴端面至第二旋转轴轴线的X向矢量，6第一旋转轴轴线至第二旋转轴轴线的Z向矢量，7主轴，主轴长度L，短球头棒至主轴端面长度L₁，长球头棒至主轴端面长度L₂,第一矢量值Z_A、、第二矢量值Y_A、第三矢量值Z_B和第四矢量值X_B，第一旋转轴安装短球头棒的旋转半径R_A1，第一旋转轴安装长球棒的旋转半径R_A2，第二旋转轴安装短球头棒的旋转半径R_B1，第二旋转轴安装长球棒的旋转半径R_B2。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述。

如图1至4所示的五轴联动数控机床实现RTCP功能的五轴标定方法，它包括以下步骤：

a、准备标定前的测量工具，所述测量工具包括大理石平尺、方尺、百分表、磁力表座架、长球头棒、短球头棒和方块；

b、通过大理石平尺、方尺、百分表以及磁力表座架确定基本坐标轴的几何精度，以及各个坐标轴中X轴、Y轴、Z轴之间的垂直度，然后确定第一旋转轴和第二旋转轴的运动“零”点；

c、建立需要标定的BA双摆头机床结构轴线的关系模型，得出实现五轴联动数控机床实现PTCP功能的运动结构；

d、建立需要标定的五轴数控机床五轴标定的立体几何模型，得出需要标定的第一旋转轴和第二旋转轴的偏心距，测量得出第一旋转轴半径R_A和第二旋转轴半径R_B；

e、分别测量第一旋转轴安装短球头棒的旋转半径R_A1，测量第一旋转轴安装长球棒的旋转半径R_A2；

所述步骤e具体包括：

h、使用百分表将方块的两个表面分别与X轴和Y轴运动轴线调试平行；

i、在第一旋转轴上安装短球头棒，将短球头棒分别沿着X轴、Y轴、Z轴三个方向去贴靠方块的三个表面，并分别记录每次靠近后数控***显示的X值、Y值、Z值，然后利用X值、Y值、Z值分别加短球头棒半径和二分之一方块边长后即得出第一坐标值P₁(x₁,y₁,z₁)；

j、将第一旋转轴旋转一定角度后，记录第一旋转轴的角度增量Δ│θ│，重复上述步骤h-i，得出第二坐标值P₂(x₂,y₂,z₂)；

k、结合第一坐标值P₁(x₁,y₁,z₁)、第二坐标值P₂(x₂,y₂,z₂)和角度增量Δ│θ│通过公式

$R_{A1}=\frac{\sqrt{{(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2+{(z_1-z_2)}^2}}{2\·Sin\frac{\left|\mathrm{\θ}\right|}{2}}$

得出第一旋转轴安装短球头棒的旋转半径R_A1；

l、将第一旋转轴旋转不同角度后，重复检测、记录、计算上述R_A1三次以上，以各次R_A1的平均值作为R_A1的最终结果。

m、在第一旋转轴上安装长球头棒，重复上述步骤h-l，计算得出第一旋转轴安装长球棒的旋转半径R_A2

f、分别测量第二旋转轴安装短球头棒的旋转半径R_B1，测量第二旋转轴安装长球头棒的旋转半径R_B2；。

所述步骤f具体包括：

n、使用百分表将方块的两个表面分别与X轴和Y轴运动轴线调试平行；

o、在第二旋转轴上安装短球头棒，将短球头棒分别沿着X轴、Y轴、Z轴三个方向去贴靠方块的三个表面，并分别记录每次靠近后数控***显示的X值、Y值、Z值，然后利用X值、Y值、Z值分别加长球头棒半径和二分之一方块边长后即得出第三坐标值P₃(x₃,y₃,z₃)；

p、将第二旋转轴旋转一定角度后，记录第二旋转轴的角度增量Δ│θ│，重复上述步骤n-p，得出第四坐标值P₄(x₄,y₄,z₄)；

q、结合第三坐标值P₃(x₃,y₃,z₃)、第二坐标值P₄(x₄,y₄,z₄)和角度增量Δ│θ│通过公式

$R_{B1}=\frac{\sqrt{{(x_3-x_4)}^2+{(y_3-y_4)}^2+{(z_3-z_4)}^2}}{2\·Sin\frac{\left|\mathrm{\Φ}\right|}{2}}$

得出第二旋转轴安装短球头棒的旋转半径R_B1；

r、将第二旋转轴旋转不同角度后，重复检测、记录、计算上述R_B1三次以上，以各次R_B1的平均值作为R_B1的最终结果。

s、在第一旋转轴上安装长球头棒，重复上述步骤n-r，计算得出第二旋转轴安装长球棒的旋转半径R_B2

g、通过步骤c中的运动结构，结合步骤e、f中的测量值R_A1、R_A2、R_B1、R_B2分别结合公式

$\begin{array}{cc}{Z}_A=\frac{R_{A1}^2-R_{A2}^2-L_1^2+L_2^2}{2\left(L_1{\mathrm{-L}}_2\right)}& Y_A=\sqrt{R_{A1}^2-{\[\frac{R_{A1}^2-R_{A2}^2+{\left(L_1{\mathrm{-L}}_2\right)}^2}{2\left(L_1{\mathrm{-L}}_2\right)}\]}^2}\end{array}$

$\begin{array}{cc}{Z}_B=\frac{R_{B1}^2-R_{B2}^2-L_1^2+L_2^2}{2\left(L_1{\mathrm{-L}}_2\right)}& X_B=\sqrt{R_{B1}^2-{\[\frac{R_{B1}^2-R_{B2}^2+{\left(L_1{\mathrm{-L}}_2\right)}^2}{2\left(L_1{\mathrm{-L}}_2\right)}\]}^2}\end{array}$

计算得出第一矢量值Z_A、、第二矢量值Y_A、第三矢量值Z_B和第四矢量值X_B，其中L₁为短球头棒至主轴端面的长度，L₂为长球头棒至主轴端面的长度。

BA双摆头运动学结构是指：第一旋转轴、第二旋转轴相对于主轴定位端面旋转半径沿各坐标轴分矢量的标定，根据第一旋转轴、第二旋转轴轴旋转半径对应各坐标轴分矢量的相互迭加关系，其沿坐标轴的分矢量路径如图2所示：3→4→5→6，同时根据立方体对边棱线相等原理，结合图3、图4，可推出旋转轴相对于主轴定位端面旋转半径沿各坐标轴分矢量数据，结合西门子840D数控***五轴变换参数，有如下对应关系，±号取决于分矢量与坐标轴的正方向是否一致，一致为“+”。

以上具体实施方式对本发明的实质进行详细说明，但并不能对本发明的保护范围进行限制，显而易见地，在本发明的启示下，本技术领域普通技术人员还可以进行许多改进和修饰，需要注意的是，这些改进和修饰都落在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (3)

1.一种五轴联动数控机床实现RTCP功能的五轴标定方法，其特征在于：它包括以下步骤：

a、准备标定前的测量工具，所述测量工具包括大理石平尺、方尺、百分表、磁力表座架、长球头棒、短球头棒和方块；

b、通过大理石平尺、方尺、百分表以及磁力表座架确定基本坐标轴的几何精度，以及各个坐标轴中X轴、Y轴、Z轴之间的垂直度，然后确定第一旋转轴和第二旋转轴的运动“零”点；

c、建立需要标定的BA双摆头机床结构轴线的关系模型，得出实现五轴联动数控机床实现PTCP功能的运动结构；

d、建立需要标定的五轴数控机床五轴标定的立体几何模型，得出需要标定的第一旋转轴和第二旋转轴的偏心距，测量得出第一旋转轴半径R_A和第二旋转轴半径R_B；

e、分别测量第一旋转轴安装短球头棒的旋转半径R_A1，测量第一旋转轴安装长球棒的旋转半径R_A2；

f、分别测量第二旋转轴安装短球头棒的旋转半径R_B1，测量第二旋转轴安装长球头棒的旋转半径R_B2；。

g、通过步骤c中的运动结构，结合步骤e、f中的测量值R_A1、R_A2、R_B1、R_B2分别结合公式

$\begin{array}{cc}{Z}_A=\frac{R_{A1}^2-R_{A2}^2-L_1^2+L_2^2}{2\left(L_1{\mathrm{-L}}_2\right)}& Y_A=\sqrt{R_{A1}^2-{\[\frac{R_{A1}^2-R_{A2}^2+{\left(L_1{\mathrm{-L}}_2\right)}^2}{2\left(L_1{\mathrm{-L}}_2\right)}\]}^2}\end{array}$

$\begin{array}{cc}{Z}_B=\frac{R_{B1}^2-R_{B2}^2-L_1^2+L_2^2}{2\left(L_1{\mathrm{-L}}_2\right)}& X_B=\sqrt{R_{B1}^2-{\[\frac{R_{B1}^2-R_{B2}^2+{\left(L_1{\mathrm{-L}}_2\right)}^2}{2\left(L_1{\mathrm{-L}}_2\right)}\]}^2}\end{array}$

计算得出第一矢量值Z_A、、第二矢量值Y_A、第三矢量值Z_B和第四矢量值X_B，其中L₁为短球头棒至主轴端面的长度，L₂为长球头棒至主轴端面的长度。

2.根据权利要求1所述的五轴联动数控机床实现RTCP功能的五轴标定方法，其特征在于，所述步骤e具体包括：

h、使用百分表将方块的两个表面分别与X轴和Y轴运动轴线调试平行；

i、在第一旋转轴上安装短球头棒，将短球头棒分别沿着X轴、Y轴、Z轴三个方向去贴靠方块的三个表面，并分别记录每次靠近后数控***显示的X值、Y值、Z值，然后利用X值、Y值、Z值分别加短球头棒半径和二分之一方块边长后即得出第一坐标值P₁(x₁,y₁,z₁)；

j、将第一旋转轴旋转一定角度后，记录第一旋转轴的角度增量Δ│θ│，重复上述步骤h-i，得出第二坐标值P₂(x₂,y₂,z₂)；

k、结合第一坐标值P₁(x₁,y₁,z₁)、第二坐标值P₂(x₂,y₂,z₂)和角度增量Δ│θ│通过公式

$R_{A1}=\frac{\sqrt{{(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2+{(z_1-z_2)}^2}}{2\·Sin\frac{\left|\mathrm{\θ}\right|}{2}}$

得出第一旋转轴安装短球头棒的旋转半径R_A1；

l、将第一旋转轴旋转不同角度后，重复检测、记录、计算上述R_A1三次以上，以各次R_A1的平均值作为R_A1的最终结果。

m、在第一旋转轴上安装长球头棒，重复上述步骤h-l，计算得出第一旋转轴安装长球棒的旋转半径R_A2。

3.根据权利要求1所述的五轴联动数控机床实现RTCP功能的五轴标定方法，其特征在于，所述步骤f具体包括：

n、使用百分表将方块的两个表面分别与X轴和Y轴运动轴线调试平行；

o、在第二旋转轴上安装短球头棒，将短球头棒分别沿着X轴、Y轴、Z轴三个方向去贴靠方块的三个表面，并分别记录每次靠近后数控***显示的X值、Y值、Z值，然后利用X值、Y值、Z值分别加长球头棒半径和二分之一方块边长后即得出第三坐标值P₃(x₃,y₃,z₃)；

p、将第二旋转轴旋转一定角度后，记录第二旋转轴的角度增量Δ│θ│，重复上述步骤n-p，得出第四坐标值P₄(x₄,y₄,z₄)；

q、结合第三坐标值P₃(x₃,y₃,z₃)、第二坐标值P₄(x₄,y₄,z₄)和角度增量Δ│θ│通过公式

$R_{B1}=\frac{\sqrt{{(x_3-x_4)}^2+{(y_3-y_4)}^2+{(z_3-z_4)}^2}}{2\·Sin\frac{\left|\mathrm{\Φ}\right|}{2}}$

得出第二旋转轴安装短球头棒的旋转半径R_B1；

r、将第二旋转轴旋转不同角度后，重复检测、记录、计算上述R_B1三次以上，以各次R_B1的平均值作为R_B1的最终结果。

s、在第一旋转轴上安装长球头棒，重复上述步骤n-r，计算得出第二旋转轴安装长球棒的旋转半径R_B2。