本發(fā)明涉及一種機(jī)床主軸中軸線位置獲取裝置及獲取方法。

背景技術(shù)：

在操作車床進(jìn)行切削加工前，通常需要確定車床主軸中軸線位置，即工件旋轉(zhuǎn)軸線的位置。目前，已知許多手工獲取車床主軸中軸線的方法，比如，有專利文獻(xiàn)描述了通過(guò)試探性切削，并利用觸碰式測(cè)量探針測(cè)量工件徑向?qū)χ命c(diǎn)的位置，來(lái)估算車床主軸中軸線的方法。但使用這類方法耗時(shí)較長(zhǎng)，嚴(yán)重影響加工效率，并且需要對(duì)待加工工件進(jìn)行犧牲性切削，難以滿足現(xiàn)代化工業(yè)制造的要求。

在所述背景技術(shù)部分公開(kāi)的上述信息僅用于加強(qiáng)對(duì)本發(fā)明的背景的理解，因此它可以包括不構(gòu)成對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個(gè)主要目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的至少一種缺陷，提供一種機(jī)床主軸中軸線位置獲取裝置及獲取方法，其能精確確定機(jī)床主軸中軸線位置且無(wú)需對(duì)工件進(jìn)行犧牲性切削。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一種機(jī)床主軸中軸線位置獲取裝置，所述機(jī)床包括支撐平臺(tái)、分別安裝于所述支撐平臺(tái)上的機(jī)床主軸和刀架，所述刀架用于安裝刀具。所述機(jī)床主軸中軸線位置獲取裝置包括Hexapod移動(dòng)平臺(tái)、輔助校準(zhǔn)件、激光傳感器和控制器。Hexapod移動(dòng)平臺(tái)包括上平臺(tái)、下平臺(tái)以及連接于所述上平臺(tái)和下平臺(tái)之間的6根伸縮桿，所述下平臺(tái)安裝于所述刀架上，所述刀具安裝于所述上平臺(tái)中央位置，該Hexapod移動(dòng)平臺(tái)具有分別沿X軸方向、Y軸方向和Z軸方向移動(dòng)的移動(dòng)自由度以及分別沿U方向、V方向和W方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度共計(jì)6個(gè)自由度；輔助校準(zhǔn)件用于安裝到所述機(jī) 床主軸端部，包括一扁圓柱形端板，該扁圓柱形端板的中軸線與所述機(jī)床主軸的中軸線在同一直線上，該扁圓柱形端板的端面與所述機(jī)床主軸的中軸線垂直；激光傳感器安裝于所述上平臺(tái)上；控制器能控制所述Hexapod移動(dòng)平臺(tái)的上平臺(tái)沿著6個(gè)自由度中的一個(gè)或多個(gè)自由度活動(dòng)，并控制所述激光傳感器在所述上平臺(tái)活動(dòng)過(guò)程中對(duì)所述扁圓柱形端板進(jìn)行掃描，并將掃描數(shù)據(jù)發(fā)送給所述控制器，所述控制器根據(jù)該掃描數(shù)據(jù)獲得所述機(jī)床主軸中軸線位置在Hexapod坐標(biāo)系中的直線方程。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種機(jī)床主軸中軸線位置獲取方法，用于一機(jī)床，所述機(jī)床包括支撐平臺(tái)、分別安裝于所述支撐平臺(tái)上的機(jī)床主軸和刀架，所述刀架用于安裝刀具，所述機(jī)床主軸中軸線位置獲取方法，包括以下步驟：

提供一Hexapod移動(dòng)平臺(tái)，其包括上平臺(tái)、下平臺(tái)以及連接于所述上平臺(tái)和下平臺(tái)之間的6根伸縮桿，所述下平臺(tái)安裝于所述刀架上，所述刀具安裝于所述上平臺(tái)中央位置，該Hexapod移動(dòng)平臺(tái)具有分別沿X軸方向、Y軸方向和Z軸方向移動(dòng)的移動(dòng)自由度以及分別沿U方向、V方向和W方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度共計(jì)6個(gè)自由度，將所述下平臺(tái)安裝于所述刀架上；將所述刀具安裝于所述上平臺(tái)中央位置；

提供一激光傳感器，并將其安裝于所述上平臺(tái)上；

提供一輔助校準(zhǔn)件，并將其安裝到所述機(jī)床主軸端部，該輔助校準(zhǔn)件包括一扁圓柱形端板，該扁圓柱形端板的中軸線與所述機(jī)床主軸的中軸線在同一直線上，該扁圓柱形端板的端面與所述機(jī)床主軸的中軸線垂直；以及

提供一控制器，該控制器能控制所述Hexapod移動(dòng)平臺(tái)的上平臺(tái)沿著6個(gè)自由度中的一個(gè)或多個(gè)自由度活動(dòng)，并控制所述激光傳感器在所述上平臺(tái)活動(dòng)過(guò)程中對(duì)所述扁圓柱形端板進(jìn)行掃描，并將掃描數(shù)據(jù)發(fā)送給所述控制器，所述控制器根據(jù)該掃描數(shù)據(jù)獲得所述機(jī)床主軸中軸線位置的直線方程。

由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明的機(jī)床主軸中軸線位置獲取裝置及獲取方法的優(yōu)點(diǎn)和積極效果在于：

本發(fā)明機(jī)床主軸中軸線位置獲取裝置包括安裝于機(jī)床刀架上的具有6個(gè)自由度的Hexapod移動(dòng)平臺(tái)、安裝在Hexapod移動(dòng)平臺(tái)上的激光傳感器、安裝于機(jī)床主軸上的輔助校準(zhǔn)件以及控制器。在Hexapod坐標(biāo)系下，控制器控制Hexapod移動(dòng)平臺(tái)在活動(dòng)過(guò)程中，激光傳感器對(duì)輔助校準(zhǔn)件中的扁圓柱形 端板端面進(jìn)行掃描，并依據(jù)掃描數(shù)據(jù)獲取機(jī)床主軸中軸線的位置方程。本發(fā)明機(jī)床主軸中軸線位置獲取方法，無(wú)需對(duì)工件進(jìn)行犧牲性切削，并能快速準(zhǔn)確獲取機(jī)床主軸中軸線位置方程，大幅提高了工作效率。

附圖說(shuō)明

通過(guò)結(jié)合附圖考慮以下對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明的各種目標(biāo)、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加顯而易見(jiàn)。附圖僅為本發(fā)明的示范性圖解，并非一定是按比例繪制。在附圖中，同樣的附圖標(biāo)記始終表示相同或類似的部件。其中：

圖1是根據(jù)一示例性實(shí)施方式示出的一種機(jī)床主軸中軸線位置獲取裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2A是根據(jù)一示例性實(shí)施方式示出的一種機(jī)床主軸中軸線位置獲取裝置中的Hexapod移動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2B是圖2A的側(cè)視圖。

圖2C是圖2A的俯視圖。

圖3是根據(jù)一示例性實(shí)施方式示出的激光傳感器3在控制器控制下進(jìn)行的一維掃描過(guò)程示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將參考附圖更全面地描述示例實(shí)施方式。然而，示例實(shí)施方式能夠以多種形式實(shí)施，且不應(yīng)被理解為限于在此闡述的實(shí)施方式；相反，提供這些實(shí)施方式使得本發(fā)明將全面和完整，并將示例實(shí)施方式的構(gòu)思全面地傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。圖中相同的附圖標(biāo)記表示相同或類似的結(jié)構(gòu)，因而將省略它們的詳細(xì)描述。

機(jī)床主軸中軸線位置獲取裝置

本發(fā)明機(jī)床主軸中軸線位置獲取裝置，主要應(yīng)用于一機(jī)床，通過(guò)Hexapod移動(dòng)平臺(tái)、激光傳感器、控制器以及輔助校準(zhǔn)件的協(xié)同作用確定出機(jī)床主軸中軸線的位置方程。

參見(jiàn)1。圖1是根據(jù)一示例性實(shí)施方式示出的一種機(jī)床主軸中軸線位置 獲取裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。該機(jī)床主軸中軸線位置獲取裝置主要應(yīng)用于一機(jī)床，當(dāng)然不以此為限，其也可以應(yīng)用于其他的需要確定旋轉(zhuǎn)軸的中軸線位置的場(chǎng)合。下面簡(jiǎn)要介紹機(jī)床的相關(guān)結(jié)構(gòu)，機(jī)床包括支撐平臺(tái)100、分別安裝于支撐平臺(tái)100上的主軸支架110和刀架120。主軸支架110上安裝有機(jī)床主軸10，機(jī)床主軸10上同軸安裝有工件夾具20。刀架120用于安裝刀具30。

機(jī)床主軸中軸線位置獲取裝置包括Hexapod移動(dòng)平臺(tái)1、激光傳感器3、輔助校準(zhǔn)件4以及控制器。該實(shí)施方式中，Hexapod移動(dòng)平臺(tái)1的下平臺(tái)11安裝于刀架120上，刀具30安裝于述上平臺(tái)11中央位置。

參見(jiàn)圖2A、圖2B和圖2C。圖2A是根據(jù)一示例性實(shí)施方式示出的一種機(jī)床主軸中軸線位置獲取裝置中的Hexapod移動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2B和圖2C分別是Hexapod移動(dòng)平臺(tái)的側(cè)視圖、俯視圖。

Hexapod移動(dòng)平臺(tái)1包括上平臺(tái)11、下平臺(tái)12以及連接于上平臺(tái)11和下平臺(tái)12之間的6根伸縮桿13。每根伸縮桿13都可以沿其軸向伸長(zhǎng)縮短，在下平臺(tái)12固定情況下，6根伸縮桿13中各不同位置的伸縮桿13進(jìn)行伸縮動(dòng)作，帶動(dòng)上平臺(tái)11活動(dòng)，從而該上平臺(tái)11具有6個(gè)自由度，分別為沿X軸方向、Y軸方向和Z軸方向移動(dòng)的移動(dòng)自由度以及分別沿U方向、V方向和W方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

參見(jiàn)1。輔助校準(zhǔn)件4可以安裝到機(jī)床主軸10端部。輔助校準(zhǔn)件4包括一扁圓柱形端板41和一圓筒42。圓筒42具有第一端部和第二端部，該第一端部可以安裝于機(jī)床主軸10上，扁圓柱形端板41一體形成或者固定連接于該圓筒42的第二端部。輔助校準(zhǔn)件4的圓筒42與機(jī)床主軸10同軸，也就是說(shuō)，圓筒42的中軸線與機(jī)床主軸10的中軸線在同一直線上。輔助校準(zhǔn)件4的扁圓柱形端板41的端面411與機(jī)床主軸10的中軸線垂直，從而扁圓柱形端板41的端面411的中心點(diǎn)在機(jī)床主軸10的中軸線上。

在一實(shí)施方式中，為了提升校準(zhǔn)精度，輔助校準(zhǔn)件4的圓筒的圓柱度誤差不大于2微米，扁圓柱形端板41的端面411的平面度誤差不大于2微米。

應(yīng)當(dāng)理解，以上對(duì)輔助校準(zhǔn)件4的描述僅為示范性的，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。輔助校準(zhǔn)件4還可以是其他結(jié)構(gòu)形式，例如，輔助校準(zhǔn)件4可以包括一扁圓柱形端板和將扁圓柱形端板固定于機(jī)試主軸10的卡爪或連接筋，等等。輔助校準(zhǔn)件4中只要包含一個(gè)與機(jī)床主軸10中軸線垂直的端面且該端面的中 心點(diǎn)在機(jī)床主軸10中軸線上的結(jié)構(gòu)均可適用于本發(fā)明。

在其他實(shí)施方式中，例如，由于工件端面比較小或者不平整等原因，而需要通過(guò)一工件夾具20將工件安裝到機(jī)床主軸10上的情況下，輔助校準(zhǔn)件4可以安裝到工件夾具20上。

參見(jiàn)1。激光傳感器3安裝于Hexapod移動(dòng)平臺(tái)1的上平臺(tái)11上，可以安裝于鄰近刀具30的位置，但不以此為限。激光傳感器3可以包含一激光信號(hào)發(fā)射器及一激光信號(hào)接收器。

控制器，其能控制Hexapod移動(dòng)平臺(tái)的上平臺(tái)11沿著6個(gè)自由度中的一個(gè)或多個(gè)自由度活動(dòng)，并控制激光傳感器3在上平臺(tái)11活動(dòng)過(guò)程中對(duì)扁圓柱形端板41的端面411進(jìn)行掃描，并將掃描數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器，控制器根據(jù)該掃描數(shù)據(jù)獲得機(jī)床主軸中軸線位置的直線方程。

在一實(shí)施方式中，控制器能控制激光傳感器對(duì)扁圓柱形端板進(jìn)行二維掃描，并根據(jù)該二維掃描數(shù)據(jù)確定機(jī)床主軸的中軸線在Hexapod坐標(biāo)系中的方向向量，控制器能計(jì)算出扁圓柱形端板與激光傳感器之間的距離；控制器能控制激光傳感器對(duì)扁圓柱形端板進(jìn)行一維掃描，并根據(jù)該一維掃描數(shù)據(jù)確定扁圓柱形端板的端面的中心點(diǎn)在Hexapod坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)，從而獲得機(jī)床主軸中軸線位置的直線方程。

機(jī)床主軸中軸線位置獲取方法

本發(fā)明機(jī)床主軸中軸線位置獲取方法，首先提供如本發(fā)明所述的機(jī)床主軸中軸線位置獲取裝置，然后在Hexapod坐標(biāo)系下，控制器控制Hexapod移動(dòng)平臺(tái)在活動(dòng)過(guò)程中，激光傳感器對(duì)輔助校準(zhǔn)件中的扁圓柱形端板端面進(jìn)行掃描，并依據(jù)掃描數(shù)據(jù)獲取機(jī)床主軸中軸線的位置方程。

參見(jiàn)圖3。圖3是根據(jù)一示例性實(shí)施方式示出的激光傳感器3在控制器控制下進(jìn)行的一維掃描過(guò)程示意圖。下面將結(jié)合圖3以及Hexapod坐標(biāo)系詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明機(jī)床主軸中軸線位置獲取方法。

在確定機(jī)床主軸中軸線位置之前，可以將待加工工件通過(guò)工件夾具20如真空吸盤安裝到機(jī)床主軸10端部，將輔助校準(zhǔn)件4安裝到工件夾具20上，在不具有工件夾具20情況下，將輔助校準(zhǔn)件4直接安裝到機(jī)床主軸10端部。

可以使用傳統(tǒng)的調(diào)整方法，調(diào)整保證輔助校準(zhǔn)件4與機(jī)床主軸10的同軸 度，例如調(diào)整方法可以是這樣的：旋轉(zhuǎn)機(jī)床主軸10，測(cè)量輔助校準(zhǔn)件4圓柱面的徑向圓跳動(dòng)值，在跳動(dòng)值出現(xiàn)峰值時(shí)通過(guò)敲擊輔助校準(zhǔn)件4等手段，微調(diào)輔助校準(zhǔn)件4的位置(工件位置得以同步調(diào)整)，人工調(diào)整可以將輔助校準(zhǔn)件4的徑向圓跳動(dòng)值控制在2～3微米以內(nèi)。

當(dāng)然，使輔助校準(zhǔn)件4與機(jī)床主軸10同軸的調(diào)整方法，不限于上述的具體描述，其他的調(diào)整方法如自動(dòng)調(diào)整同軸度方法以及輔助儀器半自動(dòng)調(diào)整同軸度方法均可以適用于本發(fā)明。

在Hexapod坐標(biāo)系下，激光傳感器的激光束發(fā)射點(diǎn)的位置坐標(biāo)為(X_L,Y_L,Z_L)，激光束的發(fā)射方向與Hexapod移動(dòng)平臺(tái)1的上平臺(tái)11的法線方向相同，設(shè)Hexapod的上平臺(tái)11法線方向向量為(U_H,V_H,W_H)，那么激光束的發(fā)射方向也為(U_H,V_H,W_H)。

輔助校準(zhǔn)件4與機(jī)床主軸10的同軸度調(diào)整完成之后，控制器控制激光傳感器3進(jìn)行2維掃描。舉例來(lái)說(shuō)，控制器控制Hexapod移動(dòng)平臺(tái)1的上平臺(tái)11沿著U軸和/或V軸的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，激光傳感器3對(duì)扁圓柱形端板41的端面411進(jìn)行掃描，并將掃描數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器；當(dāng)激光信號(hào)接收器的信號(hào)在掃描過(guò)程中出現(xiàn)峰值時(shí)，該時(shí)刻W軸所在的方向就是機(jī)床主軸10的中軸線方向。因此，通過(guò)2維掃描的方法，可以精確得到機(jī)床主軸10的中軸線的方向向量(U_H,V_H,W_H)。

激光傳感器的激光信號(hào)發(fā)射器能沿Hexapod移動(dòng)平臺(tái)1的z軸方向發(fā)射激光信號(hào)，該激光信號(hào)經(jīng)輔助校準(zhǔn)件4的端面411反射后回到激光信號(hào)接收器?？刂破魍ㄟ^(guò)計(jì)算激光信號(hào)發(fā)出與接收的時(shí)間差，便能準(zhǔn)確計(jì)劃算出輔助校準(zhǔn)件4的端面411與激光傳感器之間的距離，進(jìn)一步計(jì)算出Hexapod移動(dòng)平臺(tái)的上平臺(tái)11的中心點(diǎn)與輔助校準(zhǔn)件4的端面411之間的距離，該距離d滿足等式：

d＝d₁+Z_L

其中d₁是輔助校準(zhǔn)件4的端面411與激光傳感器3之間的距離，由激光傳感器3測(cè)量得到，Z_L是激光傳感器3的高度

在獲得機(jī)床主軸10的中軸線的方向向量之后，在控制器控制下調(diào)整Hexapod移動(dòng)平臺(tái)1的上平臺(tái)11位置，使上平臺(tái)11的法線方向與機(jī)床主軸10中軸線方向重合。接下來(lái)，控制器控制激光傳感器3進(jìn)行一維掃描。舉例來(lái)說(shuō)，如圖3所示，當(dāng)Hexapod移動(dòng)平臺(tái)1的上平臺(tái)11沿X軸方向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，激光傳感器3對(duì)扁圓柱形端板41的端面411進(jìn)行掃描，并將掃描數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器，當(dāng)激光傳感器3第一次探測(cè)到階躍信號(hào)時(shí)，此時(shí)扁圓柱形端板41的端面411中心點(diǎn)的坐標(biāo)為(X₁,Y₁,Z₁),當(dāng)控制器第二次探測(cè)到階躍信號(hào)時(shí)，此時(shí)扁圓柱形端板41的端面411中心點(diǎn)的坐標(biāo)為(X₂,Y₁,Z₁)。激光傳感器3當(dāng)控制器第一次探測(cè)到階躍信號(hào)時(shí)，此時(shí)扁圓柱形端板41的端面411中心點(diǎn)的坐標(biāo)為(X₃,Y₃,Z₁),當(dāng)激光傳感器3第二次探測(cè)到階躍信號(hào)時(shí)，此時(shí)扁圓柱形端板41的端面411中心點(diǎn)的坐標(biāo)為(X₃,Y₄,Z₁)]。因此，在Hexapod坐標(biāo)系下，輔助校準(zhǔn)件4的扁圓柱形端板41的端面411的位置為最終，獲得機(jī)床主軸10中軸線在Hexapod坐標(biāo)系的直線方程(x,y,z)為：

在確定了機(jī)床主軸10中軸線在Hexapod坐標(biāo)系的直線方程后，即可控制根據(jù)該直線方程進(jìn)行后續(xù)的加工。當(dāng)機(jī)床進(jìn)行加工時(shí)，通過(guò)控制Hexapod移動(dòng)平臺(tái)1的上平臺(tái)11的平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，來(lái)控制刀具30對(duì)工件表面進(jìn)行切削。在Hexapod坐標(biāo)系下，刀具30切削點(diǎn)的位置坐標(biāo)可以由Hexapod移動(dòng)平臺(tái)1的上平臺(tái)11中心位置坐標(biāo)、刀具的幾何參數(shù)以及待加工工件表面形狀計(jì)算出來(lái)，那么刀具切削點(diǎn)的位置坐標(biāo)可表示為(X_T,Y_T,Z_T)，刀具方向與Hexapod移動(dòng)平臺(tái)1的上平臺(tái)11法線方向相同，為(U_H,V_H,W_H)。

以上結(jié)合附圖示例說(shuō)明了本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施例式。但本發(fā)明的實(shí)施例不限于這里所描述的特定實(shí)施例，相反，每個(gè)實(shí)施例的組成部分和/或步驟可與這里所描述的其它組成部分和/或步驟獨(dú)立和分開(kāi)使用。一個(gè)實(shí)施例的每個(gè)組成部分和/或每個(gè)步驟也可與其它實(shí)施例的其它組成部分和/或步驟結(jié)合使用。在介紹這里所描述和/或圖示的要素/組成部分/等時(shí)，用語(yǔ)“一個(gè)”、“一”、“該”、“所述”和“至少一個(gè)”用以表示存在一個(gè)或多個(gè)要素/組成部分/等。術(shù)語(yǔ)“包含”、“包括”和“具有”用以表示開(kāi)放式的包括在內(nèi)的意思并且是指除了列出的要素/組成部分/等之外還可存在另外的要素/組成部分/等。此外，權(quán)利要求書(shū)中的術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”和“第三”等僅作為標(biāo)記使用，不是對(duì)其對(duì)象的數(shù)字限制。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，上述具體實(shí)施方式部分中所示出的具體結(jié)構(gòu)和工藝過(guò)程僅僅為示例性的，而非限制性的。而且，本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可對(duì)以上所述所示的各種技術(shù)特征按照各種可能的方式進(jìn)行組合以構(gòu)成新的技術(shù)方案，或者進(jìn)行其它改動(dòng)，而都屬于本發(fā)明的范圍之內(nèi)。