本發(fā)明涉及一種測量裝置及測量方法，特別是關(guān)于一種五軸聯(lián)動機床主軸頭姿態(tài)角測量裝置及測量方法。

背景技術(shù)：

五軸機床由于其刀具姿態(tài)的靈活性，在切削加工中可實現(xiàn)避免多次裝夾、降低夾具成本、減小切削力、提高刀具壽命等目的，極大地提高了加工效率。同時，五軸聯(lián)動機床也被認(rèn)為是解決葉輪、葉片、大型轉(zhuǎn)子、大型柴油機軸加工的唯一途徑，是機械裝備制造業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)。由于五軸聯(lián)動機床機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在大量加工、裝配誤差，因此，對于五軸聯(lián)動機床，需要通過精確測量主軸頭的姿態(tài)角等信息，對機床結(jié)構(gòu)誤差加以標(biāo)定和補償，以達(dá)到高精度加工的要求。

目前，國內(nèi)外針對物體空間姿態(tài)角的測量已發(fā)展了多種方法，主要包括非接觸式和接觸式方法。較為常見的非接觸式測量方法如激光跟蹤儀測量法和CCD(Charge-coupled Device，電荷耦合元件)測量系統(tǒng)，其中，激光跟蹤儀測量方法利用激光跟蹤儀測量被測物體上三個點的空間坐標(biāo)，從而推算出物體的空間姿態(tài)角。但激光跟蹤儀一般測量誤差較大，無法實現(xiàn)高精度測量。而CCD測量系統(tǒng)為一多相機交匯測量系統(tǒng)，可測量相機交匯場中的空間曲線軌跡。CCD測量系統(tǒng)如果采用面陣列則測量精度較低，如果采用線陣列，則需要配備專門的光學(xué)系統(tǒng)和處理電路，成本較高，且CCD測量系統(tǒng)對環(huán)境依賴性強，在多點測量時誤差較大。針對非接觸式測量的上述缺點，一些學(xué)者采用附加測量機構(gòu)進(jìn)行接觸式測量，例如在被測物體與測量基準(zhǔn)之間加裝被動支鏈，利用被動支鏈上的附加傳感器計算被測物體姿態(tài)角。另外，還有利用六根拉桿式直線位移傳感器或六個拉線編碼器測量物體上六個點到基準(zhǔn)點的距離，從而解算出物體在空間中的位置和姿態(tài)，但這類方法裝配復(fù)雜，難以適于五軸聯(lián)動機床主軸頭姿態(tài)角的測量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單且使用方便的五軸聯(lián)動機床主軸頭姿態(tài)角測量裝置及測量方法

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種五軸聯(lián)動機床主軸頭姿態(tài)角測量裝置，其特征在于：它包括安裝在五軸聯(lián)動機床的主軸頭上的基準(zhǔn)裝置和安裝在所述五軸聯(lián)動機床的工作臺上的檢測裝置；所述基準(zhǔn)裝置包括基準(zhǔn)平面和垂直于所述基準(zhǔn)平面設(shè)置的夾持部，所述夾持部插置在所述五軸聯(lián)動機床的所述主軸頭的刀柄中；所述檢測裝置包括緊固連接在所述五軸聯(lián)動機床的所述工作臺上的基板，在所述基板上緊固連接垂直于所述基板的固定部，所述固定部與垂直于所述基板設(shè)置的長度計緊固連接。

所述夾持部為與所述刀柄相配合的圓柱形結(jié)構(gòu)。

所述夾持部通過多個可調(diào)節(jié)螺栓與所述基準(zhǔn)平面緊固連接。

所述固定部通過多個螺釘與所述基板緊固連接。

一種五軸聯(lián)動機床主軸頭姿態(tài)角測量方法，其包括以下步驟：1)將基板調(diào)至邊緣分別與五軸聯(lián)動機床的X、Y軸平行；2)調(diào)節(jié)五軸聯(lián)動機床的X、Y軸，使待測姿態(tài)的五軸聯(lián)動機床的主軸頭上的基準(zhǔn)平面進(jìn)入長度計的量程范圍；3)在長度計的量程范圍內(nèi)設(shè)置至少三組關(guān)于X、Y軸的坐標(biāo)，用長度計測量不同組X、Y軸的坐標(biāo)下基準(zhǔn)平面的Z軸坐標(biāo)；4)根據(jù)步驟3)中測量出的多組坐標(biāo)，用空間平面方程Ax+By+Cz+D＝0擬合基準(zhǔn)平面，得到系數(shù)A、B、C、D；5)由于基準(zhǔn)平面垂直于五軸聯(lián)動機床的Z軸，因此可以根據(jù)沿Z軸軸線的向量(A、B、C)，獲取五軸聯(lián)動機床主軸頭的姿態(tài)角。

本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點：1、本發(fā)明充分利用機床自身結(jié)構(gòu)特點，降低了制造成本，簡化了結(jié)構(gòu)及測量環(huán)節(jié)，因此引入誤差少，可以達(dá)到較高的測量精度。2、本發(fā)明的測量方法利用了五軸聯(lián)動機床直線進(jìn)給軸閉環(huán)控制的特點，使得結(jié)構(gòu)大為簡化，降低了測量成本。3、本發(fā)明測量方法均通過五軸聯(lián)動機床的數(shù)控程序?qū)崿F(xiàn)，因此測量速度快、測量效率高、且易于實現(xiàn)自動化測量。4、本發(fā)明可以應(yīng)用于多種類型結(jié)構(gòu)的五軸聯(lián)動機床主軸頭姿態(tài)角的測量、對機床裝配完成后主軸頭的結(jié)構(gòu)誤差進(jìn)行辨識，以及加工前機床坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系的對正，適用范圍廣。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的基準(zhǔn)裝置安裝在五軸聯(lián)動機床主軸頭上的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的測量裝置安裝在五軸聯(lián)動機床工作臺上的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的基準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明的長度計的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明的長度計基座的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。

如圖1、圖2所示，本發(fā)明包括安裝在五軸聯(lián)動機床主軸頭100上的基準(zhǔn)裝置1和安裝在五軸聯(lián)動機床工作臺101上的檢測裝置2。

如圖1、圖3所示，基準(zhǔn)裝置1包括一基準(zhǔn)平面11和一軸線垂直于基準(zhǔn)平面11設(shè)置的夾持部12。夾持部12插置在五軸聯(lián)動機床主軸頭100的刀柄102中。

如圖2、圖4、圖5所示，檢測裝置2包括緊固連接在五軸聯(lián)動機床工作臺101上的基板21，在基板21上緊固連接一垂直于基板21的固定部22，固定部22與一垂直于基板21設(shè)置的長度計23緊固連接。

上述實施例中，夾持部12可為圓柱形結(jié)構(gòu)，用于與刀柄102相匹配。

上述實施例中，夾持部12通過多個可調(diào)節(jié)螺栓13與基準(zhǔn)平面緊固連接。

上述實施例中，固定部22通過多個螺釘與基板21緊固連接。

上述實施例中，如圖4所示，長度計23包括長度計本體231和滑動連接在長度計本體231內(nèi)的可伸縮測桿232，使可伸縮測桿232可相對于長度計本體231運動。在長度計本體231內(nèi)還設(shè)置有光柵尺(圖中未示出)，光柵尺用于測量可伸縮測桿232的相對移動量，并以電信號的方式通過信號線輸出給外部設(shè)備，從而實現(xiàn)對被測物體的接觸式測量。

上述實施例中，如圖3所示，夾持部12的圓柱度和基準(zhǔn)平面11的平面度應(yīng)不大于3微米。在裝配過程中，可通過三坐標(biāo)測量機的測量及微調(diào)夾持部12的多個可調(diào)節(jié)螺栓13，保證夾持部12的軸線與基準(zhǔn)平面11的平面的垂直度不大于5微米。

上述實施例中，如圖5所示，基板21的上表面平面度應(yīng)不大于3微米。在裝配過程中，可通過三坐標(biāo)測量機的測量并微調(diào)固定部22與基板21間的螺釘，保證可伸縮測桿232與基板21的垂直度不大于10微米。

本發(fā)明還包括一種基于上述裝置的五軸聯(lián)動機床主軸頭姿態(tài)角的測量方法，其包括以下步驟：

1)將基板21調(diào)至邊緣分別與五軸聯(lián)動機床的X、Y軸平行。

2)調(diào)節(jié)五軸聯(lián)動機床的X、Y軸，使待測姿態(tài)的五軸聯(lián)動機床主軸頭100上的基準(zhǔn)平面11進(jìn)入長度計23的量程范圍；

3)在長度計23的量程范圍內(nèi)設(shè)置至少三組關(guān)于X、Y軸的坐標(biāo)(x,y)，用長度計23測量出不同坐標(biāo)下基準(zhǔn)平面11的長度計示數(shù)，即Z軸坐標(biāo)，并記錄；

4)根據(jù)步驟3)中的多組坐標(biāo)，用空間平面方程Ax+By+Cz+D＝0擬合基準(zhǔn)平面11，得到系數(shù)A、B、C、D；

5)由于基準(zhǔn)平面11垂直于五軸聯(lián)動機床的Z軸，因此可以根據(jù)沿Z軸軸線的向量(A、B、C)，獲取五軸聯(lián)動機床主軸頭100的姿態(tài)角。

本發(fā)明中應(yīng)用的五軸聯(lián)動機床應(yīng)滿足以下要求：機床主軸頭100為雙擺頭結(jié)構(gòu)，即機床工作臺102不旋轉(zhuǎn)、不擺動，工件固定在工作臺102上，在加工過程中靜止不動；機床主軸頭100具有兩個擺動轉(zhuǎn)軸和三個直線進(jìn)給軸，三個直線進(jìn)給軸分別為與工作臺100垂直的Z軸、與Z軸垂直的X軸以及同時與X軸和Z軸垂直的Y軸；機床的X軸、Y軸和Z軸均設(shè)置有光柵尺或其他高精度位移檢測裝置；機床可利用位移檢測信號實現(xiàn)主軸頭100位置的全閉環(huán)控制。當(dāng)然，目標(biāo)機床也可以是滿足上述要求的混聯(lián)型虛擬軸機床或其他機床。

上述各實施例僅用于說明本發(fā)明，其中各部件的結(jié)構(gòu)、設(shè)置位置及其連接方式等都是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等同變換和改進(jìn)，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。