CN114859820A - 一种多轴数控机床在机测量数据补偿方法及其*** - Google Patents

一种多轴数控机床在机测量数据补偿方法及其*** Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种多轴数控机床在机测量数据补偿方法及其***，该方法包括在所有机床的旋转轴为零位状态下，通过测头测量预置的标准球的基准坐标点得到第一坐标；将所述旋转轴转动至在机测量时的旋转角度；通过测头测量所述标准球的基准坐标点得到第二坐标；根据所述第一坐标和所述第二坐标得到补偿量，以实现对在机测量时的误差补偿。通过多根旋转轴和预置的标准球测算补偿量，以实现对在机测量时的误差补偿，有助于解决现有技术中缺乏对工件进行在机测量提供补偿，进而导致精度不高的技术问题。

Description

一种多轴数控机床在机测量数据补偿方法及其***
技术领域
本发明涉及数控机床在机测量领域，尤其是一种多轴数控机床在机测量数据补偿方法及其***。
背景技术
多轴数控机床，比如比较常见的五轴数控机床，其优势在于可以加工复杂曲面类零件，避免了零件多次装夹，一次装夹完成后可对零件进行多方位多角度加工，大大提高了加工生产效率。为满足加工闭环控制、智能化加工、加工质量控制等要求，在机测量已成为五轴机床的必备功能。与测量机用测头不同，在机用测头为固定式测头，其自身无法旋转，借助五轴机床两个旋转轴的转动，可以使测头相对于工件或者工件相对于测头发生角度变化，有效扩充了测头的测量使用范围和实用性，并极大降低了测量过程中测头可能与工件发生的干涉碰撞风险，可实现复杂曲面、斜孔等测量。在需要旋转轴多次参与测量定位的五轴机床在机测量过程中，由于旋转轴定位误差、RTCP误差等影响，导致工件的实际测量结果与真实结果偏差较大。在无法进行误差补偿的情况下，为了保证测量精度，实际操作往往是在旋转轴零位下进行工件测量，导致工件的某些关键形位公差、尺寸公差无法在机评估，这样大大降低了五轴机床的在机测量范围和实用性。因此，发明人提供了一种五轴数控机床在机测量数据补偿方法，通过补偿旋转轴参与测量定位后的工件坐标，实现多轴机床在旋转轴参与测量定位后的精准测量。
本领域技术人员正在寻找一种多轴数控机床在机测量数据补偿方法，有助于解决现有技术中缺乏对工件进行在机测量提供补偿，进而导致精度不高的技术问题。
发明内容
有鉴于现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种多轴数控机床在机测量数据补偿方法，通过多根旋转轴和预置的标准球测算补偿量，以实现对在机测量时的误差补偿，有助于解决现有技术中缺乏对工件进行在机测量提供补偿，进而导致精度不高的技术问题。
在一实施例中，在所有机床的旋转轴为零位状态下，通过测头测量预置的标准球的基准坐标点得到第一坐标；
将所述旋转轴转动至在机测量时的旋转角度；
通过测头测量所述标准球的基准坐标点得到第二坐标；
根据所述第一坐标和所述第二坐标得到补偿量，以实现对在机测量时的误差补偿。
在一实施例中，所述将所述旋转轴转动至在机测量时转动的位置步骤前，该方法还包括根据加工工件的在机测量数值确定参与测量的所述旋转轴和对应的转动角度。
在一实施例中，所述根据所述第一坐标和所述第二坐标得到补偿量，以实现对在机测量时的误差补偿步骤后，该方法还包括：
所述加工工件加工完成后，通过所述测头对所述加工工件进行在机测量并利用所述补偿量计算得到测算数据。
在一实施例中，所述基准坐标点为所述标准球的球心。
在一实施例中，所述通过测头测量预置的标准球的基准坐标点得到第一坐标为通过测头测量所述标准球的球极一点和赤道四点，利用最小二乘法拟合得到所述标准球的第一坐标。
在一实施例中，参与测量的所述旋转轴包括第一旋转轴和第二旋转轴，所述机床为五轴数控机床。
在一实施例中，在机测量数据为多个，且每一个所述机测量数据分别对应所述旋转轴和对应的转动角度。
在一实施例中，所述通过测头测量所述标准球的基准坐标点得到第二坐标步骤后，该方法还包括：
将所述第一坐标和所述第二坐标转换为同一坐标系下。
在一实施例中，本发明还提供了一种多轴数控机床在机测量数据补偿***，所述补偿***包括多轴数控机床和标准球，以及测头和测量计算模块；
所述标准球安装在所述多轴数控机床的工件加工台上；
测头用于测量所述标准球的空间坐标；
测量计算模块用于在所有机床的旋转轴为零位状态下，通过测头测量预置的标准球的基准坐标点得到第一坐标；将所述旋转轴转动至在机测量时的旋转角度；通过测头测量所述标准球的基准坐标点得到第二坐标；根据所述第一坐标和所述第二坐标得到补偿量，以实现对在机测量时的误差补偿。
在一实施例中，所述补偿***还包括所述多轴数控机床上放置加工后的工件，通过所述测头进行测量时利用所述补偿量矫正所述工件的测量值。
附图说明
图1为本发明一实施例中误差产生的机床在机测量的状态结构示意图；
图2为本发明一实施例中一种多轴数控机床在机测量数据补偿方法的流程示意图；
图3为本发明另一实施例中多轴数控机床在机测量数据补偿***补偿计算过程中的结构100示意图；
图4为本发明另一实施例中多轴数控机床在机测量数据补偿***补偿计算过程中的结构200示意图；
图5为本发明另一实施例中多轴数控机床在机测量数据补偿***补偿计算过程中的结构300示意图。
附图标记：
多轴数控机床 1
标准球 2
测头 3
测量计算模块 4
工件加工台 5
具体实施方式
为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
此处参考附图描述本申请的各种方案以及特征。
通过下面参照附图对给定为非限制性实例的实施例的优选形式的描述，本申请的这些和其它特性将会变得显而易见。
还应当理解，尽管已经参照一些具体实例对本申请进行了描述，但本领域技术人员能够确定地实现本申请的很多其它等效形式，它们具有如权利要求所述的特征并因此都位于借此所限定的保护范围内。
当结合附图时，鉴于以下详细说明，本申请的上述和其它方面、特征和优势将变得更为显而易见。
此后参照附图描述本申请的具体实施例；然而，应当理解，所申请的实施例仅仅是本申请的实例，其可采用多种方式实施。熟知和/或重复的功能和结构并未详细描述以根据用户的历史的操作，判明真实的意图，避免不必要或多余的细节使得本申请模糊不清。因此，本文所申请的具体的结构性和功能性细节并非意在限定，而是仅仅作为权利要求的基础和代表性基础用于教导本领域技术人员以实质上任意合适的详细结构多样地使用本申请。
本说明书可使用词组“在一种实施例中”、“在另一个实施例中”、“在又一实施例中”或“在其它实施例中”，其均可指代根据本申请的相同或不同实施例中的一个或多个。
图1为本发明一实施例中误差产生的机床在机测量的状态结构示意图，如图1所示，类似于五轴数控机床的多轴机床，一般会具有多个旋转轴，而此类机床可以在加工工件上加工出斜孔一类的特征，这需要将测头对准朝向斜孔，然后进行所述斜孔的深度测量，在对准过程中会出现误差，本发明就是在对所述误差进行补偿，另外，这种将加工工件仍然放置在机床上，进行特征测量的方式即为在机测量。
图2为本发明一实施例中一种多轴数控机床在机测量数据补偿方法的流程示意图。如图2所示，在一实施例中，本发明还提供了一种多轴数控机床在机测量数据补偿方法，该补偿方法包括：
S101，在所有机床的旋转轴为零位状态下，通过测头测量预置的标准球的基准坐标点得到第一坐标。
在本步骤中提供了一种在所有机床的旋转轴为零位状态下，通过测头测量预置的标准球的基准坐标点得到第一坐标的具体步骤。
S102，将所述旋转轴转动至在机测量时的旋转角度。
在本步骤中提供了一种将所述旋转轴转动至在机测量时的旋转角度的步骤，即在倾斜面(3+2)加工模式下。
S103，通过测头测量所述标准球的基准坐标点得到第二坐标。
在本步骤中提供了一种通过测头测量所述标准球的基准坐标点得到第二坐标的具体步骤。
S104，根据所述第一坐标和所述第二坐标得到补偿量，以实现对在机测量时的误差补偿。
在本步骤中提供了一种根据所述第一坐标和所述第二坐标得到补偿量，以实现对在机测量时的误差补偿的具体步骤。
在本实施例中提供了一种多轴数控机床在机测量数据补偿方法的具体实施方式。首先，在所有机床的旋转轴为零位状态下，通过测头测量预置的标准球的基准坐标点得到第一坐标，将所述旋转轴转动至在机测量时的旋转角度，通过测头测量所述标准球的基准坐标点得到第二坐标，根据所述第一坐标和所述第二坐标得到补偿量，以实现对在机测量时的误差补偿，有助于解决现有技术中缺乏对工件进行在机测量提供补偿，进而导致精度不高的技术问题。
在一实施例中，所述将所述旋转轴转动至在机测量时转动的位置步骤前，该方法还包括：
根据加工工件的在机测量数值确定参与测量的所述旋转轴和对应的转动角度。
在本实施例中需要在机测量时，其中哪个旋转轴需要转动，这些需要的对应所述转动角度是多少，在机测量也是按照所述工件加工时的工艺要求所定，比如测量一个斜孔的深度，那么此时在机测量所述旋转轴时，需要将测头调整到朝向所述斜孔的方向，而这个调整的过程，需要涉及的所述旋转轴，以及对应的转动角度。
在一实施例中，所述根据所述第一坐标和所述第二坐标得到补偿量，以实现对在机测量时的误差补偿步骤后，该方法还包括：
所述加工工件加工完成后，通过所述测头对所述加工工件进行在机测量并利用所述补偿量计算得到测算数据。
在本实施例中提供了一种将所述补偿量计算得到测算数据上的具体实施方式。
在一实施例中，所述基准坐标点为所述标准球的球心。
在本实施例中提供了一种将所述基准坐标点设定为所述标准球的球心。所述第一坐标，记为工件坐标系wcs0下的球心坐标x0、y0、z0。所述第二坐标，记为工件坐标系wcs1下的球心坐标x1’、y1’、z1’。
在一实施例中，所述通过测头测量预置的标准球的基准坐标点得到第一坐标为通过测头测量所述标准球的球极一点和赤道四点，利用最小二乘法拟合得到所述标准球的第一坐标。
在本实施例中提供了一种对所述标准球通过所述测头进行测量的具体测量方式。
在一实施例中，参与测量的所述旋转轴包括第一旋转轴和第二旋转轴，所述机床为五轴数控机床。
在本实施例中提供了一种所述机床为五轴数控机床，所述旋转轴包括所述第一旋转轴和所述第二旋转轴，具有两根所述旋转轴的具体实施方式。
在一实施例中，在机测量数据为多个，且每一个所述机测量数据分别对应所述旋转轴和对应的转动角度。
在本实施例中提供了一种在机测量数据为多个的具体实施方式。其中，每一个所述在机测量数据都会对应一个所述旋转轴和转动角度，将这些所述旋转轴和对应的转动角度配置形成补偿量表格进行存储。
在一实施例中，所述通过测头测量所述标准球的基准坐标点得到第二坐标步骤后，该方法还包括：
将所述第一坐标和所述第二坐标转换为同一坐标系下。
在本实施例中提供了一种确定多根所述旋转轴的旋转顺序的具体实施方式。此时工件坐标系wcs1下的球心坐标x1’、y1’、z1’与工件坐标系wcs0下的球心坐标x1、y1、z1存在以下关系：
Figure BDA0003453635340000061
对应的所述补偿量：
Figure BDA0003453635340000062
对另一在机测量，第一旋转轴A定位在角度α2、第二旋转轴C定位在角度β2，使用测头测量标准球，得到工件坐标系wcs2下的球心坐标x2’、y2’、z2’。
工件坐标系wcs2下的球心坐标x2’、y2’、z2’与工件坐标系wcs0下的球心坐标x2、y2、z2存在以下关系：
Figure BDA0003453635340000071
对应的所述补偿值：
Figure BDA0003453635340000072
在倾斜面加工模式下，第一旋转轴依次定位在角度α3…αn、第二旋转轴依次定位在角度β3…βn，依次使用测头测量标准球，得到工件坐标系wcs3…wcsn下的球心坐标x3’、y3’、z3’…xn’、yn’、zn’。工件坐标系wcs3…wcsn下的球心坐标xn’、yn’、zn’与工件坐标系wcs0下的球心坐标xn、yn、zn存在以下关系：
Figure BDA0003453635340000073
Figure BDA0003453635340000074
对应的补偿值
Figure BDA0003453635340000075
Figure BDA0003453635340000076
基于上述描述的方法：
步骤1：根据工件的在机测量工艺要求，确定工件的在机测量特征和顺序，规划在机测量路径，确定好需要使用的测头角度(α1，β1)…(αn，βn)。
步骤2：机床上固定标准球，在旋转轴零位状态下，使用测头粗略设置标准球的工件坐标系wcs0，使用测头测量标准球，测量方法为球极一点，赤道四点，通过最小二乘法拟合得到工件坐标系wcs0下的球心坐标x0、y0、z0。
步骤3：在倾斜面(3+2)加工模式下，第一旋转轴定位在角度α1、第二旋转轴定位在角度β1，使用测头测量标准球，测量方法为球极一点，赤道四点，通过最小二乘法拟合得到工件坐标系wcs1下的球心坐标x1’、y1’、z1’。
步骤4：A轴为绕机床X轴旋转的旋转轴，B轴为机床绕Y轴旋转的旋转轴，C轴为机床绕Z轴旋转的旋转轴。根据五轴正交机床的结构，存在六种不同的组合：A为第一旋转轴C为第二旋转轴、C为第一旋转轴A为第二旋转轴、A为第一旋转轴B为第二旋转轴、B为第一旋转轴A为第二旋转轴、B为第一旋转轴C为第二旋转轴、C为第一旋转轴B为第二旋转轴。
第二旋转轴依附在第一旋转轴上，第一旋转轴影响第二旋转轴姿态，第二旋转轴不影响第一旋转轴姿态。
A轴旋转角度a对应的矩阵为
Figure BDA0003453635340000081
B轴旋转b对应的矩阵为
Figure BDA0003453635340000082
C轴旋转角度c对应的矩阵为
Figure BDA0003453635340000083
假设五轴机床机构A为第一旋转轴C为第二旋转轴时，工件坐标系wcs1下的球心坐标x1’、y1’、z1’与工件坐标系wcs0下的球心坐标x1、y1、z1存在以下关系：
Figure BDA0003453635340000084
对应的补偿值
Figure BDA0003453635340000091
步骤5：在倾斜面(3+2)加工模式下，第一旋转轴A定位在角度α2、第二旋转轴C定位在角度β2，使用测头测量标准球，测量方法为球极一点，赤道四点，通过最小二乘法拟合得到工件坐标系wcs2下的球心坐标x2’、y2’、z2’。
工件坐标系wcs2下的球心坐标x2’、y2’、z2’与工件坐标系wcs0下的球心坐标x2、y2、z2存在以下关系：
Figure BDA0003453635340000092
对应的补偿值
Figure BDA0003453635340000093
步骤6：在倾斜面(3+2)加工模式下，第一旋转轴A依次定位在角度α3…αn、第二旋转轴C依次定位在角度β3…βn，依次使用测头测量标准球，测量方法为球极一点，赤道四点，通过最小二乘法拟合得到工件坐标系wcs3…wcsn下的球心坐标x3’、y3’、z3’…xn’、yn’、zn’。工件坐标系wcs3…wcsn下的球心坐标xn’、yn’、zn’与工件坐标系wcs0下的球心坐标xn、yn、zn存在以下关系：
Figure BDA0003453635340000094
Figure BDA0003453635340000095
对应的补偿值
Figure BDA0003453635340000096
Figure BDA0003453635340000101
步骤7：将补偿值写入到数控***中，测量工件时可使用对应的测头角度进行准确测量。
图3为本发明另一实施例中多轴数控机床在机测量数据补偿***补偿计算过程中的结构100示意图，图4为本发明另一实施例中多轴数控机床在机测量数据补偿***补偿计算过程中的结构200示意图，图5为本发明另一实施例中多轴数控机床在机测量数据补偿***补偿计算过程中的结构300示意图。如图3至图5所示，在一实施例中，本发明还提供了一种多轴数控机床在机测量数据补偿***，所述补偿***包括多轴数控机床1和标准球2，以及测头3和测量计算模块4；
标准球2安装在多轴数控机床1的工件加工台5上；
测头3用于测量标准球2空间坐标；
测量计算模块4用于在所有机床的旋转轴为零位状态下，通过测头测量预置的标准球的基准坐标点得到第一坐标；将所述旋转轴转动至在机测量时的旋转角度；通过测头测量所述标准球的基准坐标点得到第二坐标；根据所述第一坐标和所述第二坐标得到补偿量，以实现对在机测量时的误差补偿。
在一实施例中，所述补偿***还包括多轴数控机床1上放置加工后的工件，通过测头2进行测量时利用所述补偿量矫正所述工件的测量值。
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多轴数控机床在机测量数据补偿方法，其特征在于，该补偿方法包括：
在所有机床的旋转轴为零位状态下，通过测头测量预置的标准球的基准坐标点得到第一坐标；
将所述旋转轴转动至在机测量时的旋转角度；
通过测头测量所述标准球的基准坐标点得到第二坐标；
根据所述第一坐标和所述第二坐标得到补偿量，以实现对在机测量时的误差补偿。
2.根据权利要求1所述的多轴数控机床在机测量数据补偿方法，其特征在于，所述将所述旋转轴转动至在机测量时转动的位置步骤前，该方法还包括：
根据加工工件的在机测量数值确定参与测量的所述旋转轴和对应的转动角度。
3.根据权利要求2所述的多轴数控机床在机测量数据补偿方法，其特征在于，所述根据所述第一坐标和所述第二坐标得到补偿量，以实现对在机测量时的误差补偿步骤后，该方法还包括：
所述加工工件加工完成后，通过所述测头对所述加工工件进行在机测量并利用所述补偿量计算得到测算数据。
4.根据权利要求3所述的多轴数控机床在机测量数据补偿方法，其特征在于，
所述基准坐标点为所述标准球的球心。
5.根据权利要求4所述的多轴数控机床在机测量数据补偿方法，其特征在于，
所述通过测头测量预置的标准球的基准坐标点得到第一坐标为通过测头测量所述标准球的球极一点和赤道四点，利用最小二乘法拟合得到所述标准球的第一坐标。
6.根据权利要求5所述的多轴数控机床在机测量数据补偿方法，其特征在于，参与测量的所述旋转轴包括第一旋转轴和第二旋转轴，所述机床为五轴数控机床。
7.根据权利要求6所述的多轴数控机床在机测量数据补偿方法，其特征在于，
在机测量数据为多个，且每一个所述机测量数据分别对应所述旋转轴和对应的转动角度。
8.根据权利要求7所述的多轴数控机床在机测量数据补偿方法，其特征在于，所述通过测头测量所述标准球的基准坐标点得到第二坐标步骤后，该方法还包括：
将所述第一坐标和所述第二坐标转换为同一坐标系下。
9.一种多轴数控机床在机测量数据补偿***，其特征在于，所述补偿***包括：
一多轴数控机床(1)；
一标准球(2)，所述标准球安装在所述多轴数控机床(1)的工件加工台上；
一测头(3)，用于测量所述标准球(2)的空间坐标；
一测量计算模块(4)，用于在所有机床的旋转轴为零位状态下，通过测头测量预置的标准球的基准坐标点得到第一坐标；将所述旋转轴转动至在机测量时的旋转角度；通过测头测量所述标准球的基准坐标点得到第二坐标；根据所述第一坐标和所述第二坐标得到补偿量，以实现对在机测量时的误差补偿。
10.根据权利要求9所述的多轴数控机床在机测量数据补偿***，所述补偿***还包括：
所述多轴数控机床(1)上放置加工后的工件，通过所述测头(2)进行测量时利用所述补偿量矫正所述工件的测量值。
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