專利名稱：一種球頭球心位置檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)控加工技術(shù)領(lǐng)域，特別是精度檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
由于能夠進(jìn)行具有復(fù)雜型面特征的零件加工，五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床目前已成為航空航天、汽車、船舶等聞端制造業(yè)的關(guān)鍵核心設(shè)備。運(yùn)動(dòng)精度是反映機(jī)床性能的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，直接影響零件加工質(zhì)量及機(jī)床的適用加工范圍，精 度檢測(cè)技術(shù)也成為高檔數(shù)控機(jī)床研制、應(yīng)用、調(diào)整的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)。在精度檢測(cè)技術(shù)體系中，檢測(cè)裝置是核心。高精度、快速的精度檢測(cè)裝置能大幅提升精度檢測(cè)效率。當(dāng)前的數(shù)控機(jī)床精度檢測(cè)，常用的工具、量具有十多種如百分表(千分表)、芯棒、球頭、激光干涉儀、水平尺、水平儀、激光跟蹤儀等等，還有一些專用檢驗(yàn)工具用于某些誤差的檢測(cè)。檢測(cè)的精度項(xiàng)包括直線度、垂直度、主軸跳動(dòng)、同軸度、RTCP(RotationTool Center Point，繞刀尖點(diǎn)運(yùn)動(dòng))精度檢測(cè)等幾十種，這其中又以RTCP精度檢測(cè)最為困難，其主要原因在于測(cè)量時(shí)，測(cè)量終端始終處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并融合了多個(gè)誤差源，因而對(duì)檢測(cè)儀器的測(cè)頭性能、以及對(duì)誤差的敏感度要求更高。在眾多的檢測(cè)工具、量具中，標(biāo)準(zhǔn)球頭芯棒(圖I)是目前應(yīng)用最為廣泛的一個(gè)工具，往往通過輔以百分表(千分表)等量具，來對(duì)機(jī)床的絕大多數(shù)聯(lián)動(dòng)精度及部分幾何精度進(jìn)行檢測(cè)。該工具目前是機(jī)床RTCP精度檢測(cè)中應(yīng)用最多的一項(xiàng)工具，在幾乎所有的RTCP精度檢測(cè)項(xiàng)中，都需要借助標(biāo)準(zhǔn)球頭芯棒。標(biāo)準(zhǔn)球頭芯棒的主要參數(shù)為芯棒長度Z、球頭直徑D (圖2)，其精度很高?；谇蝾^芯棒的精度檢測(cè)原理如下將球頭芯棒安裝至主軸上，控制機(jī)床相關(guān)坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)，通過檢測(cè)球頭球心位置變動(dòng)量，計(jì)算得到相關(guān)的誤差數(shù)據(jù)。對(duì)于球頭中心運(yùn)動(dòng)誤差的檢查，目前主要采用百分表在X、Y、Z或者某特定方向指向球頭中心，通過觀察百分表檢測(cè)球頭其中其轉(zhuǎn)角精度、檢測(cè)主要依賴球頭進(jìn)行，通過百分表指針壓縮量來檢測(cè)球頭中心在各個(gè)方向上的偏差量。由于百分表量程有限，并且為保持測(cè)量的準(zhǔn)確性，利用球頭芯棒進(jìn)行精度檢測(cè)時(shí)，需要根據(jù)所測(cè)誤差的特點(diǎn)，仔細(xì)規(guī)劃機(jī)床運(yùn)動(dòng)路徑，保證機(jī)床運(yùn)動(dòng)時(shí)球頭中心不會(huì)發(fā)生大的偏移，即繞球頭中心運(yùn)動(dòng)，因此目前五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的RTCP功能為球頭芯棒的應(yīng)用提供了極大便利。當(dāng)機(jī)床開啟RTCP功能時(shí)，可輕易控制球頭芯棒繞球頭中心運(yùn)動(dòng)(圖3)，從而為球頭中心運(yùn)動(dòng)誤差檢測(cè)提供方便，通過檢測(cè)運(yùn)動(dòng)過程中的球頭中心誤差變化，檢測(cè)數(shù)控機(jī)床的相關(guān)精度情況。綜上，球頭芯棒目前是五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床精度檢測(cè)的主要工具，而基于球頭芯棒的精度檢測(cè)方法的關(guān)鍵是能夠準(zhǔn)確檢測(cè)球頭中心的運(yùn)動(dòng)誤差。當(dāng)前測(cè)量球頭中心運(yùn)動(dòng)誤差的最常見技術(shù)方案是基于百分表，通過在球頭的三個(gè)方向架表來測(cè)量球頭中心運(yùn)動(dòng)誤差(圖4)，測(cè)量某些機(jī)床的尺寸/幾何/RTCP精度情況。采用這種技術(shù)方案時(shí)，對(duì)球頭中心位置誤差的檢測(cè)一般需要三個(gè)步驟1.沿機(jī)床X軸方向架表，調(diào)整機(jī)床使得百分表針盡可能沿X向指向球頭球心，控制機(jī)床根據(jù)設(shè)定的軌跡運(yùn)動(dòng)，通過百分表測(cè)量球頭球心沿X方向的運(yùn)動(dòng)誤差；2.沿機(jī)床Y軸方向架表，調(diào)整機(jī)床使得百分表針盡可能沿Y向指向球頭球心，控制機(jī)床根據(jù)設(shè)定的軌跡運(yùn)動(dòng)，通過百分表測(cè)量球頭球心沿Y方向的運(yùn)動(dòng)誤差；3.沿機(jī)床Z軸方向架表，調(diào)整機(jī)床使得百分表針盡可能沿Z向指向球頭球心，控制機(jī)床根據(jù)設(shè)定的軌跡運(yùn)動(dòng)，通過百分表測(cè)量球頭球心沿Z方向的運(yùn)動(dòng)誤差。完成上述誤差測(cè)量后，即得到球頭中心運(yùn)動(dòng)誤差情況，進(jìn)而計(jì)算得到機(jī)床誤差。由于測(cè)量精度主要取決于測(cè)量前的百分表安裝精度一表針沿某固定方向指向球頭球心，因此保證現(xiàn)有技術(shù)一測(cè)量精確的關(guān)鍵是準(zhǔn)確安裝百分表，保證其指針能沿給定方向指向球頭中心?，F(xiàn)有技術(shù)一的主要缺點(diǎn)有四個(gè)方面
I.測(cè)量過程繁瑣，測(cè)量時(shí)間長。球心的運(yùn)動(dòng)誤差包含3個(gè)分量(X/Y/Z)，因此需要分別在各個(gè)方向檢測(cè)，每個(gè)方向 的檢測(cè)都要重新安裝、調(diào)整百分表，測(cè)量過程繁瑣，耗時(shí)長。2.只能測(cè)量球頭處于靜止?fàn)顟B(tài)下的運(yùn)動(dòng)誤差，不能記錄球頭在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中的誤差。用百分表測(cè)量時(shí)，只能在被測(cè)物體處于靜止?fàn)顟B(tài)下表針才會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)方可讀取位移數(shù)值，因此現(xiàn)有技術(shù)一只能測(cè)量球頭在各靜止?fàn)顟B(tài)下的誤差量，不能實(shí)時(shí)記錄整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程的誤差值。3.測(cè)量精度較差,尤其是在球心存在較大運(yùn)動(dòng)誤差時(shí)?，F(xiàn)有技術(shù)一中百分表在測(cè)量過程中位置始終不變(圖5)，因此當(dāng)球頭偏擺導(dǎo)致球心偏離百分表指針?biāo)阜较驎r(shí)(球心從O0偏至0)，球心沿測(cè)量方向的實(shí)際運(yùn)動(dòng)誤差(Ztl)將不等于百分表測(cè)量值(Z1),當(dāng)球頭偏移越大時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)一的測(cè)量誤差也越大。
4.只能測(cè)量球心沿某固定方向的運(yùn)動(dòng)誤差(如沿機(jī)床X、Y、Z方向)，不易檢測(cè)球心沿任意方向的運(yùn)動(dòng)誤差?，F(xiàn)有技術(shù)一對(duì)球心沿某方向運(yùn)動(dòng)誤差的測(cè)量都是基于百分表，當(dāng)需要測(cè)量球心沿某個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)誤差時(shí)，需調(diào)整百分表使其表針能夠沿該方向指向球心。由于實(shí)際應(yīng)用中，百分表的調(diào)整均依靠人手工進(jìn)行，除了很好標(biāo)記的機(jī)床X、Y、Z方向外，球頭沿其余方向的運(yùn)動(dòng)誤差均無法測(cè)量。現(xiàn)有技術(shù)二也是通過百分表檢測(cè)球頭中心運(yùn)動(dòng)誤差(圖6)，三個(gè)百分表安裝在一個(gè)呈三向垂直的表座上，可同時(shí)檢測(cè)球頭沿三個(gè)垂直方向的運(yùn)動(dòng)誤差(一般為機(jī)床的X/Υ/Ζ三個(gè)方向)。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)一，其測(cè)量原理不變，但由于采用了一個(gè)專用表座，使得百分表調(diào)整過程大幅縮減，且一次可完成三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)誤差的測(cè)量，因此其效率要比技術(shù)一高很多。目前該項(xiàng)技術(shù)已申請(qǐng)專利《一種五坐標(biāo)動(dòng)態(tài)精度檢測(cè)工具》，專利申請(qǐng)?zhí)枮?01120185412. 9。由于采用了與現(xiàn)有技術(shù)一同樣的測(cè)量原理，因此現(xiàn)有技術(shù)二的的主要缺點(diǎn)和前者
一樣
I.只能測(cè)量球頭處于靜止?fàn)顟B(tài)下的運(yùn)動(dòng)誤差，不能記錄球頭在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中的誤差。用百分表測(cè)量時(shí)，只能在被測(cè)物體處于靜止?fàn)顟B(tài)下表針才會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)方可讀取位移數(shù)值，因此現(xiàn)有技術(shù)二只能測(cè)量球頭在各靜止?fàn)顟B(tài)下的誤差量，不能實(shí)時(shí)記錄整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程的誤差值。2.測(cè)量精度較差,尤其是在球心存在較大運(yùn)動(dòng)誤差時(shí)?，F(xiàn)有技術(shù)二中百分表在測(cè)量過程中位置始終不變(圖5)，因此當(dāng)球頭偏擺導(dǎo)致球心偏離百分表指針?biāo)阜较驎r(shí)(球心從00偏至01)，球心沿測(cè)量方向的實(shí)際運(yùn)動(dòng)誤差(LO)將不等于百分表測(cè)量值(LI)，當(dāng)球頭偏移越大時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)二的測(cè)量誤差也越大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是機(jī)床繞刀具中心運(yùn)動(dòng)全行程的球頭中心位置誤差的自動(dòng)、快速、精確測(cè)量與記錄的問題。
本發(fā)明一種球頭球心位置檢測(cè)裝置，包括三個(gè)伸縮式長度測(cè)量桿，三個(gè)伸縮式長度測(cè)量桿的測(cè)頭與球頭下半球面相接觸。 本發(fā)明球頭球心位置檢測(cè)裝置，還包括底座，伸縮式長度測(cè)量桿分別通過三個(gè)支架安裝于底座，
球頭球心位置檢測(cè)裝置，伸縮式長度測(cè)量桿的傾斜角度和位置可通過支架調(diào)節(jié)。球頭球心位置檢測(cè)裝置，伸縮式長度測(cè)量桿中心線匯聚于一點(diǎn)。球頭球心位置檢測(cè)裝置，三個(gè)伸縮式長度測(cè)量桿在水平面上的投影呈中心對(duì)稱，相互之間夾角為120°。球頭球心位置檢測(cè)裝置，三個(gè)伸縮式長度測(cè)量桿與水平面的夾角相等。球頭球心位置檢測(cè)裝置，三個(gè)伸縮式長度測(cè)量桿的前端測(cè)頭的半徑相同。球頭球心位置檢測(cè)裝置，還包括數(shù)據(jù)處理器，所述的伸縮式長度測(cè)量桿為電子式長度測(cè)量器件，并與數(shù)據(jù)處理器連接，數(shù)據(jù)處理器可實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的記錄和球頭運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算。伸縮式長度測(cè)量桿為電子長度計(jì)或電子百分表，檢測(cè)數(shù)據(jù)可由數(shù)據(jù)處理器計(jì)算處理，實(shí)現(xiàn)球頭球心位置和軌跡的快速計(jì)算。本發(fā)明的測(cè)量原理為球心位置在空間對(duì)應(yīng)著三個(gè)自由度，當(dāng)球壓緊三個(gè)伸縮式長度測(cè)量桿時(shí)，即可通過三個(gè)伸縮桿的長度檢測(cè)數(shù)值計(jì)算球心位置(圖7)。通過建立3個(gè)伸縮桿長度(7，心/7)與球頭中心位置Cr, j, Z)的函數(shù)關(guān)系式，即可通過伸縮桿長度計(jì)算得到球頭中心位置。使用長度計(jì)(或其他能夠自動(dòng)測(cè)量長度的儀器)作為伸縮桿時(shí)，3個(gè)方向的伸縮量利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)記錄并計(jì)算，基于伸縮桿長度(7，t/7)與球頭中心位置Cr, j, z)的函數(shù)關(guān)系式，即可計(jì)算得到球頭中心位置Cr, J, ζ)，當(dāng)記錄全運(yùn)動(dòng)行程的球頭中心位置后，可繪制球頭中心的運(yùn)動(dòng)軌跡。因?yàn)榍蛐奈恢迷诳臻g對(duì)應(yīng)著三個(gè)自由度，當(dāng)球頭壓緊三個(gè)伸縮式長度測(cè)量桿時(shí)，即可通過三個(gè)長度檢測(cè)數(shù)值計(jì)算球心位置。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
測(cè)量精度高，測(cè)量精度達(dá)到O. Olmm ;可以快速計(jì)算出球心位置；實(shí)現(xiàn)了球頭位置的動(dòng)態(tài)記錄；通過與機(jī)床輸出的理論位置比對(duì)，可以給出球頭運(yùn)動(dòng)的任意方向的誤差值，也就是機(jī)床的任意方向的誤差值；通過機(jī)床的任意方向的誤差值，可完成對(duì)機(jī)床給定誤差的檢測(cè)。


圖I標(biāo)準(zhǔn)球頭芯棒示意圖
圖2標(biāo)準(zhǔn)球頭芯棒尺寸參數(shù)示意圖 圖3 RTCP功能激活時(shí)的運(yùn)動(dòng)示意圖 圖4球頭中心Z/Y向運(yùn)動(dòng)誤差檢測(cè)架表示意圖 圖5百分表沿某方向的測(cè)量誤差示意圖 圖6百分表沿某方向的測(cè)量誤差示意圖 圖7球心位置檢測(cè)示意圖 圖8球心位置檢測(cè)示意圖 圖9單個(gè)測(cè)量支鏈尺寸示意圖(A0A1支鏈) 圖10本發(fā)明的立體示意圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明，但并不因此將本發(fā)明限制在所述的實(shí)施例范圍之中。本測(cè)量機(jī)構(gòu)原理如圖8所示，單個(gè)伸縮式長度桿的測(cè)量支鏈如圖9所示，為得到待檢球心的位置坐標(biāo)，建立測(cè)量坐標(biāo)系O-Jyz :坐標(biāo)系原點(diǎn)O位于
M0BdC15內(nèi)部，#平面與McBfjC15共面，X軸正方向與矢量矹方向一致，,軸朝向Ctl點(diǎn)方向，
正方向向外，z軸垂直#平面向上。圖9和圖10中各參數(shù)定義如下
0測(cè)量坐標(biāo)系的原點(diǎn)，建立在M。B。C。內(nèi)部；
:坐標(biāo)系CHijz的三個(gè)方向；
A0A1 :第I個(gè)伸縮式長度測(cè)量桿，其中A0為該桿處于最大壓縮狀態(tài)下的測(cè)頭球心位置，A1為正常測(cè)量狀態(tài)下該桿的測(cè)頭球心位置；
B0B1 :第2個(gè)伸縮式長度測(cè)量桿，其中Btl為該桿處于最大壓縮狀態(tài)下的測(cè)頭球心位置；B1為正常測(cè)量狀態(tài)下該桿的測(cè)頭球心位置；
C0C1 :第3個(gè)伸縮式長度測(cè)量桿，其中Ctl為該桿處于最大壓縮狀態(tài)下的測(cè)頭球心位置；C1為正常測(cè)量狀態(tài)下該桿的測(cè)頭球心位置；
1:伸縮式長度測(cè)量桿AtlA1的長度(伸長量)； m :伸縮式長度測(cè)量桿BtlB1的長度(伸長量)； η :伸縮式長度測(cè)量桿CtlC1的長度(伸長量)；
P :被測(cè)球頭的球心位置；
R :被測(cè)球頭的半徑；
rC r ):伸縮桿AqA^CqC1的頂端測(cè)頭半徑,單位_ ;
e :伸縮式長度測(cè)量桿的最大伸縮長度(量程)，單位mm，三個(gè)伸縮式長度測(cè)量桿的最大伸縮長度一樣；O1, θ2, θζ :三個(gè)伸縮式長度測(cè)量桿AtlA1, B0B1, C0C1分別與平面AciBciCci的夾角；
^ I ^ 2 Λ 3 :三個(gè)伸縮式長度測(cè)量桿AtlA1, B0B1, C0C1在AciBciCci平面投影分別與坐標(biāo)系Ο-χχζ的Z軸正方向的夾角；
a :伸縮式長度測(cè)量桿AtjAi 的方向矢量，且n = [COS(S1)COS(A1) cos(i;)sin(/..) sIn(i;)]T ；辦伸縮式長度測(cè)量桿@的方向矢量，且6=[cos(e2)eos(+;::) COS(I)Sinfe) s〗n(fl2)P ；
c :伸縮式長度測(cè)量桿的方向矢量，且c = [cos(i3)cos(23) cos(e3)sin(A3) sin(03)p。圖9所示結(jié)構(gòu)存在三個(gè)矢量閉環(huán)方程
權(quán)利要求
1.一種球頭球心位置檢測(cè)裝置，其特征在于，包括三個(gè)伸縮式長度測(cè)量桿，三個(gè)伸縮式長度測(cè)量桿的測(cè)頭與球頭下半球面相接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的球頭球心位置檢測(cè)裝置，其特征在于，還包括底座，伸縮式長度測(cè)量桿分別通過三個(gè)支架安裝于底座。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的球頭球心位置檢測(cè)裝置，其特征在于，所述的伸縮式長度測(cè)量桿的傾斜角度和位置可通過支架調(diào)節(jié)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3之一所述的球頭球心位置檢測(cè)裝置，其特征在于，所述的伸縮式長度測(cè)量桿中心線匯聚于一點(diǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的球頭球心位置檢測(cè)裝置，其特征在于，所述的三個(gè)伸縮式長度測(cè)量桿在水平面上的投影呈中心對(duì)稱，相互之間夾角為120°。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的球頭球心位置檢測(cè)裝置，其特征在于，所述的三個(gè)伸縮式長度測(cè)量桿與水平面的夾角相等。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的球頭球心位置檢測(cè)裝置，其特征在于，所述的三個(gè)伸縮式長度測(cè)量桿的前端測(cè)頭的半徑相同。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至7之一所述的球頭球心位置檢測(cè)裝置，其特征在于，還包括數(shù)據(jù)處理器，所述的伸縮式長度測(cè)量桿為電子式長度測(cè)量器件，并與數(shù)據(jù)處理器連接，數(shù)據(jù)處理器可實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的記錄和球頭運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算。
全文摘要
本發(fā)明公開一種球頭球心位置檢測(cè)裝置，包括三個(gè)伸縮式長度測(cè)量桿，三個(gè)伸縮式長度測(cè)量桿的測(cè)頭與球頭下半球面相接觸。本發(fā)明裝置，還包括底座，伸縮式長度測(cè)量桿分別通過三個(gè)支架安裝于底座。本發(fā)明裝置，伸縮式長度測(cè)量桿的傾斜角度和位置可通過支架調(diào)節(jié)。本發(fā)明裝置的伸縮式長度測(cè)量桿中心線匯聚于一點(diǎn)。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)測(cè)量精度高，測(cè)量精度達(dá)到0.01mm；可以快速計(jì)算出球心位置；實(shí)現(xiàn)了球頭位置的動(dòng)態(tài)記錄；通過與機(jī)床輸出的理論位置比對(duì)，可以給出球頭運(yùn)動(dòng)的任意方向的誤差值，也就是機(jī)床的任意方向的誤差值；通過機(jī)床的任意方向的誤差值，可完成對(duì)機(jī)床給定誤差的檢測(cè)。
文檔編號(hào)B23Q17/00GK102962728SQ20121052883
公開日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月11日
發(fā)明者郭志平, 劉大煒, 林海峰, 彭志軍 申請(qǐng)人:成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司