一种五轴机床刀具姿态及刀尖点位置误差同步检测机构

摘要

本发明公开了一种五轴机床刀具姿态及刀尖点位置误差同步检测机构，包括摆角测量装置、空间位移测量装置、转角测量装置、安装装置和随动平台。摆角测量装置、空间位移测量装置、转角测量装置和随动平台均设置于安装装置上，空间位移测量装置用于测量待测机床刀具的旋转中心点沿设定轨迹运动时刀尖点产生的三轴向微位移量，摆角测量装置和转角测量装置分别用于测量待测机床刀具产生的摆角量、转角量。本发明实现了对五轴数控机床刀具的摆角量和转角量以及刀尖点的三轴向微位移的实时同步精确测量，对高精度机床检测具有积极意义。

说明书

技术领域

本发明涉及一种五轴数控机床刀具运动精度检测机构，特别涉及一种具备RTCP(Rotation tool center point)功能的五轴数控机床的刀具姿态及刀尖点位置误差同步检测机构。

背景技术

数控机床是现代机械制造业的基础，数控机床的精度将直接影响加工产品的质量。五轴联动数控机床是通过在传统三轴联动数控机床上新添加两个转动轴，而使其具备加工复杂空间曲面的能力。根据拓扑结构的不同，五轴数控机床可分为双摆头、双转台、摆头转台等多种类型，凭借着加工复杂空间曲面的优良特性，被广泛应用于飞机零部件、叶轮、螺旋桨等高去除率、高精度工件的加工，在航空航天、精密仪器等领域有着重要的影响。

因两个转动轴的引入使五轴数控机床刀具运动精度的检测变得更加困难，如何判断五轴数控机床是否满足精度要求是当前机床检测领域研究的一大热点。而一些传统的精度检测仪器如激光干涉仪、双球杆仪、激光跟踪仪等在多轴联动机床精度检测方面的局限性逐步显现。由于多数高档五轴数控机床都具备RTCP(绕刀具中心点旋转)功能，利用RTCP功能在机床刀尖点不动时进行多轴联动运动可以准确的判断机床五轴联动过程中刀具的运动误差，了解机床的加工精度状况。基于RTCP功能，国外研制出了一种新型的五轴数控机床刀具运动精度检测仪——R-test检测仪，该检测仪选用通用的球头芯棒，通过三个直线位移传感器测量安装于刀具夹头上的球头刀具球心的空间位移量，来反映机床在进行多轴联动的实际加工过程中其刀具刀尖点的位置误差。然而R-test检测仪只可以用于检测五轴数控机床上刀具刀尖点的三个轴向的位移误差，而不能反映五轴数控机床刀具的姿态即刀具偏离工作台坐标系Z向的摆角量η和绕该方向旋转的转角量θ，这将一定程度上会增加测量结果的不准确性，如图2所示。

发明内容

为了解决现有检测仪器不能在测量机床刀具刀尖点空间位置误差的同时测量出刀具的摆角量和转角量的问题，本发明提供一种五轴机床刀具姿态及刀尖点位置误差同步检测机构，该检测机构可实时反映机床刀具的空间位置误差、摆角量和转角量。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：提供一种五轴机床刀具姿态及刀尖点位置误差同步检测机构，包括：安装装置，用于对各测量装置和随动平台进行定位，安装以及与外部机床连接，安装装置设置有安装台；随动平台，用于构成一个正交的三轴向位移平台，随动平台安装在安装台的下层台面上；转角测量装置，用于测量待测机床刀具的旋转角度，转角测量装置安装在随动平台上；摆角测量装置，用于测量待测机床刀具的摆动角度，摆角测量装置中的球状连接件下部与转角测量装置的上部固定连接，测试时，摆角测量装置的上部与待测机床刀具夹头连接；空间位移测量装置，用于测量待测机床刀具刀尖点在三个正交轴方向上的微位移量，空间位移测量装置安装在安装台的上层台面上。

转角测量装置包括第一光电编码器和连接轴，第一光电编码器用于测量连接轴的旋转角度；连接轴的上端与摆角测量装置的下部紧固连接，下端与第一光电编码器紧固连接，连接轴安装在随动平台上。进一步的，连接轴通过第一轴承被安装在连接轴安装座上，连接轴安装座固定设置于随动平台上，锁紧套和连接轴轴环分别套装于连接轴上，均用于对第一轴承进行轴向定位。

摆角测量装置包括第二光电编码器、心轴、球状连接件和摆动轴，第二光电编码器用于测量心轴的旋转角度；球状连接件用于安装心轴和摆动轴，心轴水平设置于球状连接件内，摆动轴的一端固定于心轴上且二者轴线垂直，测试时，摆动轴的自由端与待测机床刀具夹头连接，且摆动轴的轴线穿过球状连接件的球心，球状连接件与连接轴的一端固定连接。进一步的，心轴通过第二轴承安装于球状连接件内；两个轴承端盖分别安装于心轴的两端，用于对心轴轴向限位，摆动轴通过轴环进行轴向限位，使心轴轴线与摆动轴轴线的交点与球状连接件的球心重合。

空间位移测量装置包括三个结构相同的位移测量单元，各位移测量单元均匀分布于安装台上层台面的同一圆周上；位移测量单元包括固定倾角座和位移传感器；固定倾角座固定于安装台的上层台面上；位移传感器固定于固定倾角座上，其测量头与球状连接件接触且其轴线穿过球状连接件的球心。进一步的，位移传感器的测量头与球状连接件之间还设有接触板，接触板通过柔性铰链设置于固定倾角座上。

安装装置还包括定位环、限位键；三个固定倾角座通过定位环被固定于安装台的上层台面的同一圆周上，限位键使固定倾角座均匀分布于该圆周上。

随动平台包括平台基座、Y向移动件、X向移动件、Z向滑台基座和Z向移动件；平台基座固定于安装台的下层台面上，平台基座上安装Y向移动件，Y向移动件上安装X向移动件，X向移动件上固定安装Z向滑台基座，Z向滑台基座上安装Z向移动件，Z向移动件上固定安装连接轴安装座。进一步的，平台基座通过随动平台托板和过渡垫块固定于安装台的下层台面上，随动平台托板固定于安装台的下层台面上，过渡垫块固定于随动平台托板上，平台基座固定于过渡垫块，Z向滑台基座通过L形支撑座固定于X向移动件上。

本发明提供的五轴机床刀具姿态及刀尖点位置误差同步检测机构的有益效果如下：

(1)对于高档五轴数控机床，在传统的RTCP测试过程中球头芯棒的实际运动包括了空间移动、摆动以及转动几种运动形式，本发明通过在球状连接件内部设置心轴的方式，将摆动运动与空间移动、转动运动分离，这样即保证了刀具摆角量的测量又避免了对其他运动形式测量的干扰；

(2)本发明采用了三轴正交随动平台来跟随球头的空间移动，并通过安装在随动平台上的光电编码器测量出连接轴的转角量即球状连接件的转角量，确保了球状连接件的球心转角的测量不受其球心移动的影响；

(3)五轴数控机床在RTCP测试中，本发明装置可以对待测机床刀具的空间位移误差、摆角量和转角量进行同步实时测量，可更全面的反映刀具姿态以及刀尖点的位置误差情况，并避免了时延的影响；

(4)本发明安装台采用了整体式结构，且将与安装台相连的其他组件集中安装在易于进行表面精加工的顶面和底面，既保证了安装台上下安装层的同轴度、平面度，又减小了制造加工难度，降低了设备成本，并更利于后续测试过程中的定位，提高了测试精度。

附图说明

图1为双摆头型(AC摆)五轴数控机床结构示意图；

图2为双摆头型(AC摆)五轴数控机床采用传统测试方法时的示意图；

图3为本发明实施例的一种五轴机床刀具姿态及刀尖点位置误差同步检测机构的三维结构视图；

图4为图3的三维局部剖视图；

图5为图3的全剖图；

图6为本发明实施例中随动平台分解示意图；

图7为本发明实施例中摆角测量装置的剖视图；

图8为本发明实施例中位移测量单元沿圆周分布俯视图；

图9为本发明实施例中空间位移测量装置定位安装示意图；

图10为两个空间直角坐标系O-XYZ和O′-X′Y′Z′的变换示意图；

图11为本发明检测机构测量单元的局部坐标系；

图12为图11中坐标系绕Y轴逆时针旋转β角度得到的坐标系；

图13为图12中坐标系绕X′轴旋转α角度得到的坐标系。

θ为转角，η为摆角；安装装置1，安装台11，定位环12，限位键13，连接螺栓14；随动平台2，第一螺栓21，随动平台托板22，过渡垫块23，第二螺栓24，第三螺栓25，平台基座26，第四螺栓27，Z向滑台基座28，Z向移动件29，L形支撑座210，X向移动件211，Y向移动件212；空间位移测量装置3，位移测量单元30，接触板31，柔性铰链32，固定倾角座33，位移传感器34；摆角测量装置4，第二光电编码器41，轴承端盖42，心轴43，球状连接件44，摆动轴45，紧固螺栓46，轴环47，第二轴承48；转角测量装置5，第一光电编码器51，锁紧套52，连接轴轴环53，连接轴安装座54，第一轴承55，连接轴56，内六角螺栓57。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图3所示，本发明的一种五轴机床刀具姿态及刀尖点位置误差同步检测机构包括安装装置1、随动平台2、空间位移测量装置3、摆角测量装置4和转角测量装置5。

其中，安装装置1是用于对各测量装置及随动平台2进行定位、安装以及与外部机床连接的结构件，如图4所示，主要包括安装台11、定位环12、限位键13以及连接螺栓14；安装台11为空间位移测量装置3和随动平台2的安装基座，安装台11分为上下两层，为了保证上下两层的同轴度该安装台采用了整体式结构形式，定位环12为径向定位零件，定位键13为切向定位零件，连接螺栓14是用于将检测系统与外部机床工作平台相连。

随动平台2固定在安装台11的下层台面上，随动平台2为精密正交三轴向位移平台，如图4和图6所示，包括第一螺栓21、随动平台托板22、过渡垫块23、第二螺栓24、第三螺栓25、平台基座26、第四螺栓27、Z向滑台基座28、Z向移动件29、L形支撑座210、X向移动件211和Y向移动件212，平台基座26上安装Y向移动件212，Y向移动件212上安装X向移动件211，L形支撑座210通过第四螺栓27固定在X向移动件211上，Z向滑台基座28固定安装在L形支撑座210的竖直边上，Z向移动件29安装在Z向滑台基座28上，通过上述安装方法组装成一个精密三轴向微位移平台。优选的，平台基座26通过第三螺栓25固定在过渡垫块23上，过渡垫块23通过第二螺栓24固定在随动平台托板22上，最后随动平台托板22通过第一螺栓21固定在安装台11底部，增加过渡垫块23的目的是在保证随动平台2整体平面度的前提下降低加工难度。

如图5，转角测量装置5，用于测量待测机床刀具绕机床工作台坐标系Z轴方向的旋转角度，包括第一光电编码器51、锁紧套52、连接轴轴环53、连接轴安装座54、第一轴承55、连接轴56和内六角螺栓57；其中，连接轴安装座54固定在随动平台2的Z向移动件29上，连接轴56上布置的两个第一轴承55将其安装于连接轴安装座54上，连接轴轴环53与锁紧套52套装于连接轴56上以对两第一轴承55进行轴向定位，连接轴56的下端与第一光电编码器51的中空轴紧固连接，第一光电编码器51固定在连接轴安装座54上，连接轴56的上端通过内六角螺栓57与摆角测量装置4紧固连接。测量时，待测机床刀具夹头绕机床工作台坐标系Z轴方向的旋转角度传动至连接轴56，第一光电编码器51测量连接轴56的旋转角度，从而获得待测机床刀具夹头的旋转角度，即待测机床刀具绕机床工作台坐标系Z轴方向的转角θ。

摆角测量装置4与转角测量装置5固定相连，二者内部结构如图5所示。如图7所示，摆角测量装置4包括第二光电编码器41、轴承端盖42、心轴43、球状连接件44、摆动轴45、锁紧螺栓46、轴环47、第二轴承48；其中，球状连接件44的内孔套入连接轴56的上端，二者通过内六角螺栓57紧固连接，心轴43通过第二轴承48安装在球状连接件44内部且心轴43的轴线穿过球状连接件44的球心，摆动轴45的一端通过锁紧螺栓46固定在心轴43上且二者轴线互相垂直，通过轴环47对摆动轴45进行限位，两个第二轴承48安装于心轴43两侧轴颈上，并通过两个轴承端盖42进行轴向定位，以确保心轴43和摆动轴45的轴线的交点与球状连接件44的球心重合，两个轴承端盖42分加厚型和薄型并固定于球状连接件44上，心轴43的一端穿过加厚型轴承端盖42内孔后与第二光电编码器41的中空轴固定相连，第二光电编码器41固定在加厚型轴承端盖42上，以测量心轴43的转动角度。测量时，摆动轴45的自由端与待测机床刀具夹头紧固连接，刀具的摆动角度即刀具夹头的摆动角度通过摆动轴45传递至心轴43，第二光电编码器41测量心轴43的转动角度从而获得待测机床刀具的摆角η。

如图8所示，空间位移测量装置3包括三个结构相同的位移测量单元30，安装在安装台11的上层台面上，位移测量单元30包括接触板31、柔性铰链32、固定倾角座33以及位移传感器34；其中，固定倾角座33固定于安装台11的上层台面上，定位环12外圆柱面与固定倾角座33内侧面相切，以实现对位移测量单元30的径向定位，安装台11上层台面上开有三条互成120°角的键槽，限位键13使安装台11上的键槽侧面与固定倾角座33下底面的键槽侧面对应重合，以保证三个固定倾角座33夹角互成120°均布在固定圆周上；位移传感器34固定于固定倾角座33上，与水平面成一固定夹角，且三个位移传感器34的轴线相交于球状连接件44的球心；接触板31通过柔性铰链32固定在固定倾角座33上，接触板31的一侧面与位移传感器34的测量头接触，另一侧面与球状连接件44相切接触，使球状连接件44产生的位移量可以实时的传递到球头接触板上，该位移量实时的被位移传感器34测得。最后，将三个位移测量单元30测得的位移量由测量单元坐标系向机床坐标系进行变换，以获得刀尖点在机床坐标系中的位置误差。

根据坐标变换原理，设有两个空间直角坐标系分别为O-XYZ和O′-X′Y′Z′，如图10所示，其坐标原点不一致，存在三个平移参数ΔX、ΔY、ΔZ；它们之间的坐标轴也相互不平行，存在三个旋转参数α、β、γ。同一点A在两个坐标系中的坐标分别为(X，Y，Z)和(X′，Y′，Z′)。显然，这两个坐标系通过坐标的平移和旋转变换可取得一致，坐标间的转换关系如下：

$>\left(\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right)=\lambda ·R·\left(\begin{array}{c}{X}^{\prime }\\ Y^{\prime }\\ Z^{\prime }\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Delta X}\\ \mathrm{\Delta Y}\\ \mathrm{\Delta Z}\end{array}\right)$>

其中，λ为两个坐标间的尺度比例因子，

$>\left(\begin{array}{c}R=R\left(\alpha \right)R\left(\beta \right)R\left(\gamma \right)\\ =\left(\begin{array}{ccc}\cos \beta \cos \gamma -\sin \beta \sin \alpha \sin \gamma & -\cos \beta \sin \gamma -\sin \beta \sin \alpha \cos \gamma & -\sin \beta \cos \alpha \\ \cos \alpha \sin \gamma & \cos \alpha \cos \gamma & -\sin \alpha \\ \sin \beta \cos \gamma +\cos \beta \sin \alpha \sin \gamma & -\sin \beta \sin \gamma +\cos \beta \sin \alpha \cos \gamma & \cos \beta \cos \alpha \end{array}\right)\end{array}\right)$>

R称为坐标间的旋转变换矩阵，[ΔX、ΔY、ΔZ]^T称为平移矩阵。于是，只要求出ΔX、ΔY、ΔZ、α、β、γ、λ这7个转换参数，或者直接求出旋转矩阵和平移矩阵，就可以实现任意两个空间直角坐标系间的变换。

根据上述变换原理，本检测仪中的具体变换过程如图11、图12和图13所示。

图11为本发明检测机构测量单元的局部坐标系，为了将该坐标系中所测得的三轴向位移值转换为机床工作台坐标系下的位移误差值，需要对该坐标系进行两次旋转变换，使之与机床工作台的坐标系各轴向平行。具体旋转变换过程如图12和图13所示，先绕Y轴逆时针旋转β角度，再绕第一次变换后的坐标系的X′轴旋转α角度，即可与机床工作台的坐标系一致。

若在本发明检测机构的坐标系下X、Y、Z向所测得的位移值分别为ε_X、ε_Y、ε_Z，则经过第一次旋转变换后各轴向的位移变化值为

$>\left(\begin{array}{ccc}{ϵ}_{X^{\prime }}& {ϵ}_{Y^{\prime }}& {ϵ}_{Z^{\prime }}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}{ϵ}_X& {ϵ}_Y& {ϵ}_Z\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}\cos \beta & 0& -\sin \beta \\ 0& 1& 0\\ \sin \beta & 0& \cos \beta \end{array}\right)$>

经过第二次变换后即可得到刀具刀尖点在变换后的坐标系下的位移变化值为

$>\left(\begin{array}{c}\left(\begin{array}{ccc}{ϵ}_{X^{\prime \prime }}& {ϵ}_{Y^{\prime \prime }}& {ϵ}_{Z^{\prime \prime }}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}{ϵ}_{X^{\prime }}& {ϵ}_{Y^{\prime }}& {ϵ}_{Z^{\prime }}\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \alpha & \sin \alpha \\ 0& -\sin \alpha & \cos \alpha \end{array}\right)\\ =\left(\begin{array}{ccc}{ϵ}_X& {ϵ}_Y& {ϵ}_Z\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}\cos \beta & 0& -\sin \beta \\ 0& 1& 0\\ \sin \beta & 0& \cos \beta \end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \alpha & \sin \alpha \\ 0& -\sin \alpha & \cos \alpha \end{array}\right)\\ =\left(\begin{array}{ccc}{ϵ}_X& {ϵ}_Y& {ϵ}_Z\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}\cos \beta & \sin \alpha \sin \beta & -\sin \beta \cos \alpha \\ 0& \cos \alpha & \sin \alpha \\ \sin \beta & -\sin \alpha \cos \beta & \cos \alpha \cos \beta \end{array}\right)\end{array}\right)$>

经过上述两次坐标系变换后所得的坐标系各轴与机床坐标系各轴对应平行，故在检测仪的局部坐标系中测得的位移值，经过两次变换后即为刀尖点在机床工作台坐标系下的位移误差值即[ε_X″ ε_Y″ ε_Z″]。

为了使本发明的方案更加清楚，以下结合本发明的五轴机床刀具姿态及刀尖点位置误差同步检测机构的具体工作过程对本发明的原理作进一步的说明。

在对五轴数控机床进行RTCP测试前，先将本检测机构通过连接螺栓14固定于待检测机床工作台上，并使本检测机构的坐标原点与机床工作台坐标系原点重合，启动机床后使机床刀具夹头定位到机床工作台坐标系原点正上方，再将机床刀具夹头与检测机构中的摆动轴45连接，即完成机床与检测机构的对接。

安装完成后根据实际安装情况控制机床进行刀具姿态微调，以确保球状连接件44与三个接触板31均发生接触，此时将位移传感器34、第二光电编码器41和第一光电编码器51输出值初始化，之后开启RTCP功能，并向数控系统中输入后置指令，以驱动机床刀具旋转中心点沿设定轨迹行走。

由于检测过程中刀具旋转中心点沿设定轨迹行走的过程是一个复合运动过程，刀具绕某一轴的摆角由摆动轴45传递到球头心轴43，心轴43的转动量由固定在球状连接件44上的第二光电编码器41测得，即测得刀具的摆角量η；刀具旋转中心点行走过程中使球状连接件44沿空间各轴向产生位移，从而挤压位移测量单元30中的接触板31，接触板31产生的位移量由另一侧与其接触的位移传感器34测得，即测得刀具刀尖点的位移量；而由机床两转动轴引起球状连接件44绕Z轴的转动传递到连接轴56，其转动量则由与连接轴56紧固连接的第一光电编码器51测得，即测得刀具的转角量θ。

综上，刀具旋转中心点沿设定轨迹行走过程中，五轴数控机床的刀具产生的摆角η、转角θ以及刀尖点产生的空间三轴向微位移量ε_X、ε_Y和ε_Z可分别由两个光电编码器与三个位移传感器实时同步测得，测得数据可实时显示、记录到测控系统中。实测数据中的摆角η、转角θ即表示五轴数控机床刀具的姿态，由实测数据中的ε_X、ε_Y和ε_Z经过一定形式的变换后即可得到五轴数控机床刀尖点的位置误差[ε_X″ ε_Y″ ε_Z″]，通过该五组数据即可反映出五轴数控机床在实际加工过程中刀具刀尖点的位置误差以及刀具的姿态。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。