一种基于测头的并联机床摆角偏差自动化检测及补偿方法与流程

1.本发明涉及数控加工控制测量技术领域，具体是指一种基于测头的并联机床摆角偏差自动化检测及补偿方法。


背景技术：

2.在机械加工领域，产品的产出质量受设备本身精度及可靠性影响，特别是航空结构件高效、高精度的加工需求，对数控设备的精度快速保障提出了更高的要求。一种3-prs并联结构机床使用三个直线z轴独立运动模拟摆角动作，旋转中心为刀具中心点，其独特的运动学设计，结合最低的移动质量，保证了足够的静态、动态、热态刚度，并采用虚拟轴控制技术，伺服驱动系统执行元件精度高、可靠性好、效应速度块，能够满足高速度、高精密零件的加工需求，加工效率是同类设备的1～3倍，并联机床已经成功运用于高精度加工行业。
3.目前并联机床和常规数控设备的检测器具多为芯棒、球头、百分表等，依靠专业人员手动检测；而且并联机床与常规数控机床在结构上存在差异，致使其精度检测和补偿方式也存在差异；受工作经验影响，不同人员对数控机床精度的认知不同，致使检测方式存在差异，检测出的精度往往不径相同，不仅效率低下也无法保证精度检测的一致性及稳定性，而且3-prs并联机床的摆角为虚拟轴，并不真实存在，当摆角出现偏差时，偏差值无法直接对摆角进行补偿。
4.现有申请号为202110721898.1的中国专利公开了一种主轴安装误差及主轴与c轴同轴度的检测与辨识方法，主要是通过测量c轴与主轴不同转角位置时的位置偏差计算主轴安装误差，这种方法在测量时带入了c轴旋转偏差，无法精确反应摆角偏差，而且没有涵盖虚拟轴机床摆角出现偏差时如何进行补偿值计算；另外，该方法测量点位采集单一，只采取了球体一层圆度，需要人工干预，容易造成测量点位误差，所用测量仪器使用繁琐，无法实现工业自动化测量。


技术实现要素：

5.为解决目前数控设备精度人工检测效率及底下、不稳定，且并联轴机床角度出现偏差时补偿值计算困难的问题，本发明提供了一种通过执行编制的标准程序驱动测头及球头实现并联机床摆角偏差自动检测及补偿，整个检测及补偿过程无人工干预，效率高，精度稳定的基于测头的并联机床摆角偏差自动化检测及其补偿方法。
6.本发明通过下述技术方案实现：一种基于测头的并联机床摆角偏差自动化检测及补偿方法，包括以下步骤：
7.(1)将测头固定基座安装在工作台上，将测头安装在测头固定基座上，将长球头和短球头分别安装在刀库中；
8.(2)执行编译的测量程序使测头分别测量长球头和短球头的球心坐标，通过两个球头的球心坐标位置计算得出摆角偏差；
9.(3)将计算出的偏差值去调正机床摆角位置，计算出摆角调正前后的z轴坐标变化
量，此变化量即为摆角偏差补偿值，通过测量程序可直接补偿至数控系统，最终实现摆角偏差的自动化补偿。
10.为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤(1)中，长球头和短球头的直径相同，且测量获得长球头和短球头的直径数据。
11.为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤(2)中计算长球头的球心坐标的具体过程为：
12.(2.1.1)计算x/y轴方向上的长球头的球心坐标ball1_x、ball1_y：需要延x/y轴正负方向逼近长球头测量球体上的多层圆度坐标，根据多层圆度坐标获得x/y轴方向上的长球头的球心坐标ball1_x、ball1_y；
13.(2.1.2)移动长球头至测头顶部10mm处，测量测头顶部坐标三次并得出z坐标(z1、z2、z3)；
14.(2.1.3)移动工作台，使测量头置于x/y轴方向上的长球头的球心坐标ball1_x、ball1_y上，测量长球头的球头顶部坐标z1，可计算得出长球心z坐标ball1_z＝z1-球头半径。
15.为了更好地实现本发明的方法，进一步地，，所述步骤(2.1)计算x/y轴方向上的长球头的球心坐标ball1_x、ball1_y的具体过程为：
16.获得多层圆度坐标，即圆1坐标[(x1、x2)、(y1、y2)]，圆2坐标[(x3、x4)、(y3、y4)]，圆n坐标[(xn、xn+1)、(yn、yn+1)]；将通过圆1坐标x1与x2平均值计算出xa1、通过y1与y2平均值计算出ya1，即圆1中心坐标为(xa1、ya1)；通过圆2坐标x3与x4平均值计算出xa2、通过y3与y4平均值计算出ya2，即圆2中心坐标为(xa2、ya2)；通过圆n坐标xn与x+1平均值计算出xan、通过yn与yn+1平均值计算出yan，即圆1中心坐标为(xan、yan)；则长球头球心x坐标ball1_x＝(xa1+xa2+
…
+xan)/n，长球头球心y坐标ball1_y＝(ya1+ya2+
…
+yan)/n。
[0017]
为了更好地实现本发明的方法，进一步地，，所述步骤(2)中计算短球头的球心坐标的具体过程为：
[0018]
(2.2.1)计算x/y轴方向上的短球头的球心坐标ball2_x、ball2_y：需要延x/y轴正负方向逼近短球头测量球体上的多层圆度坐标，根据多层圆度坐标获得x/y轴方向上的短球头的球心坐标ball2_x、ball2_y；
[0019]
(2.2.2)移动短球头至测头顶部10mm处，测量测头顶部坐标三次并得出z坐标(z1、z2、z3)；
[0020]
(2.2.3)移动工作台，使测量头置于x/y轴方向上的短球头的球心坐标ball2_x、ball2_y上，测量短球头的球头顶部坐标z2，可计算得出短球心z坐标ball1_z＝z2-球头半径。
[0021]
为了更好地实现本发明的方法，进一步地，，所述步骤(2.1)计算x/y轴方向上的短球头的球心坐标ball2_x、ball2_y的具体过程为：
[0022]
获得多层圆度坐标，即圆1坐标[(x1、x2)、(y1、y2)]，圆2坐标[(x3、x4)、(y3、y4)]，圆n坐标[(xn、xn+1)、(yn、yn+1)]；将通过圆1坐标x1与x2平均值计算出xa1、通过y1与y2平均值计算出ya1，即圆1中心坐标为(xa1、ya1)；通过圆2坐标x3与x4平均值计算出xa2、通过y3与y4平均值计算出ya2，即圆2中心坐标为(xa2、ya2)；通过圆n坐标xn与x+1平均值计算出xan、通过yn与yn+1平均值计算出yan，即圆1中心坐标为(xan、yan)；则短球头球心x坐标
ball2_x＝(xa1+xa2+
…
+xan)/n，短球头球心y坐标ball2_y＝(ya1+ya2+
…
+yan)/n。
[0023]
为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤(2)中通过两个球头的球心坐标位置计算得出摆角偏差的具体过程为：
[0024]
a0偏差θ1＝arctan(ball1_y-ball2_y)/(ball1_z-ball2_z)
[0025]
b0偏差θ2＝arctan(ball1_x-ball2_x)/(ball1_z-ball2_z)。
[0026]
为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤(3)中，摆角偏差补偿值的具体计算过程为：
[0027]
读取当前z1、z2、z3坐标分别为h1＝$aa_im[z1]、h2＝$aa_im[z2]、h3＝$aa_im[z3]，移动a/b轴摆角偏差使a/b轴摆正，读取当前z1、z2、z3坐标分别为h4＝$aa_im[z1]、h5＝$aa_im[z2]、h6＝$aa_im[z3]，可计算得出摆角偏差补偿值comp_z1＝h1-h4、comp_z2＝h2-h5、comp_z3＝h3-h6，读取机床z1、z2、z3当前补偿
[0028]
h7＝$ma_refp_move_dist_corr[1,z1]
[0029]
h8＝$ma_refp_move_dist_corr[1,z2]
[0030]
h9＝$ma_refp_move_dist_corr[1,z3]
[0031]
将补偿值自动写入机床：
[0032]
$ma_refp_move_dist_corr[1,z1]＝comp_z1+h7
[0033]
$ma_refp_move_dist_corr[1,z2]＝comp_z1+h8
[0034]
$ma_refp_move_dist_corr[1,z3]＝comp_z1+h9。
[0035]
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
[0036]
(1)本发明通过测头检测长短不同球头球心位置计算摆角偏差的的方法能够真实反映机床摆角偏差；
[0037]
(2)本发明中精度检测和补偿过程通过调用程序自动执行，避免人工干预，减小人为误差；
[0038]
(3)本发明的检测及补偿过程实现全自动化，只需执行程序，无需专业人员即可操作；
[0039]
(4)本发明克服了传统的依靠人工的检测及补偿方式，效率更高，精度检测更稳定。
附图说明
[0040]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其他特征、目的和优点将会变得更为明显：
[0041]
图1为本发明的检测过程示意图；
[0042]
图2为本发明的检测球体上多层圆度示意图；
[0043]
图3为本发明的摆角偏差示意图。
[0044]
其中：1—短球头，2—长球头，3—测头，4—测头固定基座，5—工作台。
具体实施方式
[0045]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附
图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0046]
实施例1：
[0047]
本实施例的提供一种基于测头的并联机床摆角偏差自动化检测及其补偿方法，将测头固定基座安装在工作台上，将测头安装在测头固定基座上，将球头放置在刀库中；执行编译的测量程序使测头测量两个球头的球心坐标，通过两个球头球心坐标位置可计算得出摆角偏差；移动摆角的摆角偏差实现摆角自动调正，通过计算其z轴坐标的变化得出具体补偿值；读取系统补偿数值并与得出的补偿值进行计算，最终实现摆角偏差的自动化补偿。
[0048]
使用的设备，如图1所示，具体包括短球头1、长球头2、测头3、测头固定基座4、工作台5。
[0049]
测量前将测头固定基座安装在工作台上，将测头安装在测头固定基座上，安装精度无要求；将长短两个球头安装在刀库中，并将球头长度、直径输入刀具列表中，便于测量程序调用；以上安装步骤只在第一次测量时需要，后续测量无需重复安装。
[0050]
执行测量程序，移动球头至测头顶部10mm处，测量球头顶部坐标3次，判断测头重复探测误差是否满足要求；测头延x/y轴正负方向逼近长球头测量球体上的多层圆度坐标，并通过计算得出球头球心坐标ball1_x、ball1_y；移动机床至长球头中心坐标ball1_x、ball1_y，测量球头顶部坐标z，可计算得出长球头球心坐标ball1_z＝z-球头半径；根据同样测量方法可计算得出短球头球心坐标ball2_x、ball2_y、ball2_z；通过长短球头精确的球心坐标计算摆角偏差。
[0051]
执行测量程序，将z轴移动到任意固定坐标，读取当前z1、z2、z3坐标并赋值局部变量，移动a/b轴摆角偏差使a/b轴摆正，读取当前z1、z2、z3坐标并赋值局部变量，此时可得出摆角偏差补偿值；读取机床z1、z2、z3当前补偿值并赋值局部变量，将机床当前补偿值与角度补偿值进行计算，并将计算得出的数值自动写入机床。
[0052]
实施例2：
[0053]
本实施例的提供一种基于测头的并联机床摆角偏差自动化检测及其补偿方法的详细过程如下：
[0054]
步骤s1：测量准备，将测头固定基座安装在工作台上，将测头安装在测头固定基座上，将两个球头安装在刀库中；步骤s2：执行编译的测量程序驱动测头与长球头进行测量，分别延x/y轴正负方向逼近长球头测量球体上的多层圆度坐标[(x1、x2)、(y1、y2)]、[(x3、x4)、(y3、y4)]、
…
[(xn、xn+1)、(yn、yn+1)]；步骤s3：计算出长球头精确的球心坐标ball1_x、ball1_y；步骤s4：移动坐标轴至ball1_x、ball1_y，测量球头顶部z坐标，并计算出球心坐标ball1_z；步骤s5：执行编译的测量程序驱动测头与短球头进行测量，分别延x/y轴正负方向逼近短球头测量球体上的多层圆度坐标[(x11、x21)、(y11、y21)]、[(x31、x41)、(y31、y41)]、
…
[(xn1、xn1+1)、(y n1、y n1+1)]；步骤s6：计算出短球头精确的球心坐标ball2_x、ball2_y；步骤s7：移动坐标轴至ball2_x、ball2_y，测量球头顶部z坐标，并计算得出球心坐标ball2_z；步骤s8：通过长短球头精确的球心坐标计算摆角偏差；步骤s9：将计算出的偏差值去调正机床摆角位置，计算出摆角调正前后的z轴坐标变化量，此变化量即为摆角偏差补偿值，通过测量程序可直接补偿至数控系统。
[0055]
所述步骤s1的检测方式可避免工作台的几何精度变化和测头的安装姿态对检测精度的影响。
[0056]
所述步骤s2通过测头与长球头进行测量，移动球头至测头顶部10mm处，测量测头顶部坐标三次并得出z坐标(z1、z2、z3)，通过计算z1、z2、z3平均值自动判断测头重复测量误差是否满足要求。
[0057]
所述步骤s2通过测头与长球头进行测量时，需要延x/y轴正负方向逼近长球头测量球体上的多层圆度坐标，通过不同圆度坐标的结果进行长球头球心计算，减少球头表面局部精度误差带来的影响。
[0058]
所述步骤s3具体指：通过步骤s2中得出球体上的多层圆度坐标[(x1、x2)、(y1、y2)]、[(x3、x4)、(y3、y4)]、
…
[(xn、xn+1)、(yn、yn+1)]计算得出长球头精确的球心坐标ball1_x、ball1_y。测量得出球体上圆1坐标[(x1、x2)、(y1、y2)]，圆2坐标[(x3、x4)、(y3、y4)]，圆n坐标[(xn、xn+1)、(yn、yn+1)]，通过得到的多层圆度坐标可计算出长球头精确的球心坐标。
[0059]
通过得到的多层圆度坐标可计算出长球头精确的球心坐标，如图2所示。具体方法为将通过圆1坐标x1与x2平均值计算出xa1、通过y1与y2平均值计算出ya1，即圆1中心坐标为(xa1、ya1)；通过圆2坐标x3与x4平均值计算出xa2、通过y3与y4平均值计算出ya2，即圆2中心坐标为(xa2、ya2)；通过圆n坐标xn与x+1平均值计算出xan、通过yn与yn+1平均值计算出yan，即圆1中心坐标为(xan、yan)；则长球头球心x坐标ball1_x＝(xa1+xa2+
…
+xan)/n，长球头球心y坐标ball1_y＝(ya1+ya2+
…
+yan)/n。
[0060]
所述步骤s4移动机床至长球头球心坐标ball1_x、ball1_y，测量球头顶部坐标z，可计算得出长球心z坐标ball1_z＝z1-球头半径。
[0061]
所述步骤s5、s6和s7中短球头精确的球心坐标ball2_x、ball2_y、ball2_z的计算方法与权利要求书5、6和7基本一致，同理可得出短球头球心x坐标ball2_x＝(xb1+xb2+
…
+xbn)/n、球心y坐标ball2_y＝(yb1+yb2+
…
+ybn)/n、球心z坐标ball2_z＝z2-球头半径。
[0062]
所述步骤s8通过长短球头精确的球心坐标计算摆角偏差，如图3所示，具体方法为:
[0063]
a0偏差θ1＝arctan(ball1_y-ball2_y)/(ball1_z-ball2_z)
[0064]
b0偏差θ2＝arctan(ball1_x-ball2_x)/(ball1_z-ball2_z)
[0065]
所述步骤s9具体方法为将z轴移动到固定坐标，读取当前z1、z2、z3坐标分别为h1＝$aa_im[z1]、h2＝$aa_im[z2]、h3＝$aa_im[z3]，移动a/b轴摆角偏差使a/b轴摆正，读取当前z1、z2、z3坐标分别为h4＝$aa_im[z1]、h5＝$aa_im[z2]、h6＝$aa_im[z3]，可计算得出摆角偏差补偿值comp_z1＝h1-h4、comp_z2＝h2-h5、comp_z3＝h3-h6，读取机床z1、z2、z3当前补偿
[0066]
h7＝$ma_refp_move_dist_corr[1,z1]
[0067]
h8＝$ma_refp_move_dist_corr[1,z2]
[0068]
h9＝$ma_refp_move_dist_corr[1,z3]
[0069]
将补偿值自动写入机床：
[0070]
$ma_refp_move_dist_corr[1,z1]＝comp_z1+h7
[0071]
$ma_refp_move_dist_corr[1,z2]＝comp_z1+h8
[0072]
$ma_refp_move_dist_corr[1,z3]＝comp_z1+h9。
[0073]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不
脱离本发明的原理和宗旨下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种基于测头的并联机床摆角偏差自动化检测及补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将测头固定基座安装在工作台上，将测头安装在测头固定基座上，将长球头和短球头分别安装在刀库中；(2)执行编译的测量程序使测头分别测量长球头和短球头的球心坐标，通过两个球头的球心坐标位置计算得出摆角偏差；(3)将计算出的偏差值去调正机床摆角位置，计算出摆角调正前后的z轴坐标变化量，此变化量即为摆角偏差补偿值，通过测量程序可直接补偿至数控系统，最终实现摆角偏差的自动化补偿。2.根据权利要求1所述的一种基于测头的并联机床摆角偏差自动化检测及补偿方法，其特征在于，所述步骤(1)中，长球头和短球头的直径相同，且测量获得长球头和短球头的直径数据。3.根据权利要求2所述的一种基于测头的并联机床摆角偏差自动化检测及补偿方法，其特征在于，所述步骤(2)中计算长球头的球心坐标的具体过程为：(2.1.1)计算x/y轴方向上的长球头的球心坐标ball1_x、ball1_y：需要延x/y轴正负方向逼近长球头测量球体上的多层圆度坐标，根据多层圆度坐标获得x/y轴方向上的长球头的球心坐标ball1_x、ball1_y；(2.1.2)移动长球头至测头顶部10mm处，测量测头顶部坐标三次并得出z坐标(z1、z2、z3)；(2.1.3)移动工作台，使测量头置于x/y轴方向上的长球头的球心坐标ball1_x、ball1_y上，测量长球头的球头顶部坐标z1，可计算得出长球心z坐标ball1_z＝z1-球头半径。4.根据权利要求3所述的一种基于测头的并联机床摆角偏差自动化检测及补偿方法，其特征在于，所述步骤(2.1)计算x/y轴方向上的长球头的球心坐标ball1_x、ball1_y的具体过程为：获得多层圆度坐标，即圆1坐标[(x1、x2)、(y1、y2)]，圆2坐标[(x3、x4)、(y3、y4)]，圆n坐标[(xn、xn+1)、(yn、yn+1)]；将通过圆1坐标x1与x2平均值计算出xa1、通过y1与y2平均值计算出ya1，即圆1中心坐标为(xa1、ya1)；通过圆2坐标x3与x4平均值计算出xa2、通过y3与y4平均值计算出ya2，即圆2中心坐标为(xa2、ya2)；通过圆n坐标xn与x+1平均值计算出xan、通过yn与yn+1平均值计算出yan，即圆1中心坐标为(xan、yan)；则长球头球心x坐标ball1_x＝(xa1+xa2+
…
+xan)/n，长球头球心y坐标ball1_y＝(ya1+ya2+
…
+yan)/n。5.根据权利要求4所述的一种基于测头的并联机床摆角偏差自动化检测及补偿方法，其特征在于，所述步骤(2)中计算短球头的球心坐标的具体过程为：(2.2.1)计算x/y轴方向上的短球头的球心坐标ball2_x、ball2_y：需要延x/y轴正负方向逼近短球头测量球体上的多层圆度坐标，根据多层圆度坐标获得x/y轴方向上的短球头的球心坐标ball2_x、ball2_y；(2.2.2)移动短球头至测头顶部10mm处，测量测头顶部坐标三次并得出z坐标(z1、z2、z3)；(2.2.3)移动工作台，使测量头置于x/y轴方向上的短球头的球心坐标ball2_x、ball2_y上，测量短球头的球头顶部坐标z2，可计算得出短球心z坐标ball1_z＝z2-球头半径。
6.根据权利要求5所述的一种基于测头的并联机床摆角偏差自动化检测及补偿方法，其特征在于，所述步骤(2.1)计算x/y轴方向上的短球头的球心坐标ball2_x、ball2_y的具体过程为：获得多层圆度坐标，即圆1坐标[(x1、x2)、(y1、y2)]，圆2坐标[(x3、x4)、(y3、y4)]，圆n坐标[(xn、xn+1)、(yn、yn+1)]；将通过圆1坐标x1与x2平均值计算出xa1、通过y1与y2平均值计算出ya1，即圆1中心坐标为(xa1、ya1)；通过圆2坐标x3与x4平均值计算出xa2、通过y3与y4平均值计算出ya2，即圆2中心坐标为(xa2、ya2)；通过圆n坐标xn与x+1平均值计算出xan、通过yn与yn+1平均值计算出yan，即圆1中心坐标为(xan、yan)；则短球头球心x坐标ball2_x＝(xa1+xa2+
…
+xan)/n，短球头球心y坐标ball2_y＝(ya1+ya2+
…
+yan)/n。7.根据权利要求6所述的一种基于测头的并联机床摆角偏差自动化检测及补偿方法，其特征在于，所述步骤(2)中通过两个球头的球心坐标位置计算得出摆角偏差的具体过程为：a0偏差θ1＝arctan(ball1_y-ball2_y)/(ball1_z-ball2_z)b0偏差θ2＝arctan(ball1_x-ball2_x)/(ball1_z-ball2_z)。8.根据权利要求7所述的一种基于测头的并联机床摆角偏差自动化检测及补偿方法，其特征在于，所述步骤(3)中，摆角偏差补偿值的具体计算过程为：读取当前z1、z2、z3坐标分别为h1＝$aa_im[z1]、h2＝$aa_im[z2]、h3＝$aa_im[z3]，移动a/b轴摆角偏差使a/b轴摆正，读取当前z1、z2、z3坐标分别为h4＝$aa_im[z1]、h5＝$aa_im[z2]、h6＝$aa_im[z3]，可计算得出摆角偏差补偿值comp_z1＝h1-h4、comp_z2＝h2-h5、comp_z3＝h3-h6，读取机床z1、z2、z3当前补偿h7＝$ma_refp_move_dist_corr[1,z1]h8＝$ma_refp_move_dist_corr[1,z2]h9＝$ma_refp_move_dist_corr[1,z3]将补偿值自动写入机床：$ma_refp_move_dist_corr[1,z1]＝comp_z1+h7$ma_refp_move_dist_corr[1,z2]＝comp_z1+h8$ma_refp_move_dist_corr[1,z3]＝comp_z1+h9。

技术总结
本发明公开了一种基于测头的并联机床摆角偏差自动化检测及补偿方法，包括以下步骤：1)将测头固定基座安装在工作台上，将测头安装在测头固定基座上，将长球头和短球头分别安装在刀库中；2)执行编译的测量程序使测头分别测量长球头和短球头的球心坐标，通过两个球头的球心坐标位置计算得出摆角偏差；3)将计算出的偏差值去调正机床摆角位置，计算出摆角调正前后的Z轴坐标变化量，此变化量即为摆角偏差补偿值，通过测量程序可直接补偿至数控系统，最终实现摆角偏差的自动化补偿。本发明通过执行编制的标准程序驱动测头及球头实现并联机床摆角偏差自动检测及补偿，整个检测及补偿过程无人工干预，效率高，精度稳定。精度稳定。精度稳定。


技术研发人员：代良强 董光亮 郭瑞华 陈学振 李颖 夏远猛 周后川 张伟伟 刘兵 周翔 高峰峰 周超 徐强 陈桑 赵长永 潘崇恺 甘建
受保护的技术使用者：成都飞机工业（集团）有限责任公司
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/7/18