数控机床原位检测系统测头预行程的标定装置及标定方法

1.本发明属于零件制造过程中数控加工精度原位检测技术领域，具体涉及一种数控机床原位检测系统测头预行程的标定装置，本发明还涉及一种数控机床原位检测系统测头预行程的标定方法。


背景技术：

2.工件的数控加工精度原位检测技术省去了工件在机床与检测设备之间的转运，避免了工艺基准不重合造成的制造误差，减小了不必要时间物力消耗，减轻了劳动强度，提高了生产力，对实现产品制造过程智能化、高效化、高精度化具有重大意义。
3.触发式测头是原位检测系统的关键组成，某型号测头的典型结构参见图1。原位检测时，当探针1接触到工件，生成触发信号，数控系统响应该信号，记录下该点的坐标值。按要求测量多个测点，通过数据处理，可生成检测报告。
4.测头测量工作时序如图2所示。测头探针与被测工件接触的时刻为t1，测头发出触发信号的时刻为t2，数控系统响应触发信号时刻为t3；测头的预行程即为t1至t3时段内测头与被测工件的相对位移量。相关研究表明，由于数控系统记录的测点位置与探针和被测工件的实际接触位置存在偏差(即预行程)而造成检测误差，占原位检测总体误差中的比重高达60％以上。补偿是减小测头预行程影响原位检测精度的有效手段，而测头预行程的测量标定值是否精准，是补偿精度高低的决定因素。
5.通常，三维触发式测头可被触发的方向包括xy平面内任意方向(径向)及+z方向(轴向)。受测头触发机构结构特性的影响，在不同触发方向上，测头的预行程并不一致。因此准确的补偿应具体的沿不同方向进行。测头的轴向预行程与沿其他方向的预行程有很大差别，如图3所示，沿测头z向(轴向)测量，多用于确定工件的加工余量及切削深度，测量结果直接决定了工件的切削工艺参数的选取和最终的加工精度。因此，在测量前必须准确测量测头的轴向预行程。
6.目前，对于测头的轴向预行程，能实现定值测量的方法包括以下两种：一是借助独立测量设备(下称独立法)。将测头安装在具备运动控制、接触状态监测、触发信号识别及位移量测量的设备上，模拟触发式测头的触发测量过程，测量其预行程。考虑到测头的预行程会受到测量工况的影响，测量不应独立于机床运行环境。独立法测量结果并不能准确反映测头测量时的预行程；此外，该法以测头发出触发信号的时刻代替实际测量时数控记录位置坐标的时刻作为预行程的核算基准，使得该方法存在原理误差；第三，独立测量设备造价高昂，操作繁琐，工程适应性差。二是作用半径法。在进行测量结果数据处理时，通常需要对探针半径进行补偿。由于测头存在预行程，实际测量时以探针测球公称半径进行补偿是不准确的。在标准球球面上触测若干个测点，计算出标准球的测量半径，其与标准球公称半径的差值即为包含测头预行程的探针测球作用半径，以此进行补偿，可以在一定程度上减小预行程对测量结果的影响。作用半径法以各个方向上预行程的等效均值代替实际的预行程，均化了误差。然而，触发式测头在各个方向上的预行程并不相同，甚至有较大差别，这种
以平均误差进行补偿的思想，并不适用于沿轴向测量的场合，难以有效提高测量精度。需要特别指出的是，以标准球作为标定体，测量标定时探针与标准球点接触，受两者摩擦角的影响，两者不可避免的存在滑移现象，导致测点数据差生误差，影响标定测量精度。同时，测点数目越多测量数据中的随机误差成分越多，数据拟合误差也越大，因此应尽可能减小测点数目。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种数控机床原位检测系统测头预行程的标定装置，解决了现有技术中存在的预行程检测精度低的问题。
8.本发明的另一目的是提供一种数控机床原位检测系统测头预行程的标定方法。
9.本发明所采用的第一技术方案是，数控机床原位检测系统测头预行程的标定装置，包括触发式测头，触发式测头端部设有探针，探针底部竖直对应位置处设置有正三棱锥台，加长杆顶端与正三棱锥台底部相接触并相互固定，加长杆底端与磁力表座固定，磁力表座侧面还设置有限位结构。
10.本发明第一技术方案的特点还在于，
11.加长杆上开有平行于杆长方向的腰型通槽，紧定螺钉穿过腰型通槽拧紧在磁力表座上的螺孔内，从而实现正三棱锥台与磁力表座的连接固定。
12.限位结构具体结构为：磁力表座上安装有紧定螺钉的立面边缘固定有立位挡块及卧位挡块。
13.立位挡块及卧位挡块均为长立方体形状且朝向一致，立位挡块及卧位挡块相互平行并与磁力表座垂直。
14.本发明所采用的第二技术方案是，数控机床原位检测系统测头预行程的标定方法，具体按照以下步骤实施：
15.步骤1、通过磁力表座将正三棱锥台吸附在数控机床工作台上；
16.步骤2、调节机床x轴、y轴和z轴的位置，将触发式测头上的探针定位在正三棱锥台某截面处，记录此时的z轴坐标z1；
17.步骤3、保持z轴不动，x轴、y轴联动，在正三棱锥台的待测截面上触测均匀分布在三条边上的6个点，即每条边上的2个点，记录下每个测点的位置坐标(xi、yi)，i＝a、b、c、d、e、f，其中，a、b、c、d、e、f表示被测截面上三条边上各测点的名称；
18.步骤4、对步骤3得到的一系列坐标值分别进行被测截面三条边的直线方程计算，得到被测截面正三角形三条边的直线方程及三个顶点坐标，进而得到被测截面的边长l，具体如下：
19.设直线df的方程为
20.y
df
＝k
·
x+b
21.其中，k为直线的斜率，b为直线的截距，
22.将测点a的坐标(xa、ya)及测点b的坐标(xb、yb)带入上式，即求得直线df的方程；同理，将测点f的坐标(xf、yf)及测点e的坐标(xe、ye)得直线de的方程；将测点d的坐标(xd、yd)及测点c的坐标(xc、yc)得直线ef的方程；
23.将直线df的方程与直线de的方程联立并求解，得点d的坐标(xd、yd)；同理，将直线
de的方程与直线ef的方程联立求解，得点e的坐标(xe、ye)；将直线df的方程与直线ef的方程联立求解，得点f的坐标(xf、yf)，根据两点间距离公式得
[0024][0025]
步骤5、结合正三棱锥台的顶面边长l及正三棱锥侧面与底面的二面角α，得到被测截面与锥台顶面间的理论距离δh：
[0026][0027]
步骤6、将触发式测头沿z轴向上移动，使得触发式测头探针高于正三棱锥台；
[0028]
步骤7、x轴、y轴插补联动，将触发式测头的探针定位在正三棱锥台的顶面正上方；
[0029]
步骤8、数控机床带动触发式测头沿z轴向下运动触测正三棱锥台顶面上的任意点，记录触发时z轴坐标z2；
[0030]
步骤9、结合步骤5得到的被测截面与锥台顶面间的理论距离δh、步骤2得到的锥台面z轴坐标z1，得到触发式测头轴向预行程τ，
[0031]
τ＝
△
h-[(z
2-r)-(z1+r
·
cosα)]
[0032]
式中，r为探针测球半径，α为正三棱锥侧面与底面的二面角；
[0033]
测量完毕，取下测量装置。
[0034]
本发明的有益效果是，1、本发明通过触测正三棱锥台上平行于底面的任意截面上均匀分布在三条边的6个测点，计算出被测截面边长，进而获得被测截面与正三棱锥台顶面间的理论距离；其与正三棱锥台顶面与被测截面间的实际测量值的差值即为测头轴向预行程，以此对原位测量结果进行补偿修正，可减小预行程对测量精度的影响，提高集成原位检测测量精度。2、本发明以测量标定结果为依据对原位检测结果进行修正，避免了，由于测头触测的测点位置与数控系统记录的测点位置不同所造成的测量误差；避免了现有方法中以测头各个方向上预行程的平均值代替实际的轴向预行程所产生的误差，提高了测量精度。3、本发明方法在数控机床实际原位检测工况下测量触发式测头的预行程，结果真实反应测量过程中测头的预行程特性，可有效提高测量精度。且使用正三棱锥台为测量用具，无需其他设备，使用成本低，操作简便。4、采用触发式测头进行逐点测量，以测点数据作为计算测量结果的基础，测点数据的精度决定了测量结果的精度。测点数目的多寡一方面影响测量效率的高低，另一方面也会对最终测量精度产生影响。由前述分析可知，由于触发式测头的预行程特性，测点数据含有随机误差，测点数目越多随机误差越大，最终测量精度越低；同时，若采用标准球校准测头，探针与标准球为点接触，受摩擦角影响，两者容易产生滑移，导致实际测点数据与理论数据存在偏差，进而引起测量精度的降低。本发明仅需在三棱锥台截面的每条边上采集两个测点，测点数目大大减少。同时，测头预标定体的接触为点与线的接触且以摩擦角为约束设计测量路径及测点位置，极大地避免了测点滑移现象引起的测点误差的产生，能够有效保证预行程标定测量过程的精度。
附图说明
[0035]
图1是触发式测头基本结构示意图；
[0036]
图2是触发式测头触测工作时序图；
[0037]
图3是安装有触发式测头的数控机床结构示意图；
[0038]
图4是本发明触发式测头轴向预行程测量方法的测量原理示意图；
[0039]
图5(a)是本发明触发式测头轴向预行程测量方法测量装置示意图；
[0040]
图5(b)是本发明触发式测头轴向预行程测量方法测量装置另一视角示意图，图5(b)是图5(a)的左视图；
[0041]
图6是本发明数控机床原位检测系统测头预行程的标定装置中立位挡块7及卧位挡块9细节放大图；
[0042]
图7是本发明实施例2的测量示意图。
[0043]
图中，1.探针；2.触发式测头；3.正三棱锥台；4.数控机床工作台；5.加长杆；6.磁力表座；7.立位挡块；8.紧定螺钉；9.卧位挡块。
具体实施方式
[0044]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0045]
本发明数控机床原位检测系统测头预行程的标定装置，参见图1、图3和图5(a)和图5(b)，包括触发式测头2，触发式测头2端部设有探针1，探针1底部竖直对应位置处设置有正三棱锥台3，加长杆5顶端与正三棱锥台3底部相接触并相互固定，加长杆5底端与磁力表座6固定，磁力表座6侧面还设置有限位结构。
[0046]
加长杆5上开有平行于杆长方向的腰型通槽，紧定螺钉8穿过所述腰型通槽拧紧在磁力表座6上的螺孔内，从而实现正三棱锥台3与磁力表座6的连接固定。
[0047]
限位结构具体结构为：磁力表座6上安装有紧定螺钉8的立面边缘固定有立位挡块7及卧位挡块9。
[0048]
立位挡块7及卧位挡块9均为长立方体形状且朝向一致，立位挡块7及卧位挡块9相互平行并与磁力表座6垂直。如图6所示，立位挡块7上的平面ghij与卧位挡块9上的平面klmn相互垂直。借助该结构可实现正三棱锥台立、卧两种位姿的定位；调整正三棱锥台3姿态时，松开紧定螺母8，绕紧定螺母8轴线旋转连接在一起的正三棱锥台3和加长杆5，当加长杆5侧壁与立位挡块7上的平面ghij接触时，拧紧紧定螺母8，此时为立式安装位姿；若将加长杆5绕紧定螺母8轴线旋转当其侧壁与卧位挡块9上的平面klmn接触时，拧紧紧定螺母8，此时为卧式安装位姿。图6是本发明实施例2的测量示意图，其中，细虚线代表测头测量的截面及路径，点化线表示测量完截面后，触测正三棱锥台顶面位置时测头的路径。测量标定时，首先将正三棱锥台可靠的安装在加长杆5顶端，并保证正三棱锥台的底面与加长杆的轴线垂直；松开紧定螺钉8，依据待标定测头的姿态，调整加长杆5的角度位置，定位准确后锁紧紧定螺钉8；最后将整个装置吸附在数控机床工作台4的合适位置即可开始测量标定。
[0049]
数控机床原位检测系统测头预行程的标定方法，具体按照以下步骤实施：
[0050]
步骤1、通过磁力表座6将正三棱锥台3吸附在数控机床工作台4上；
[0051]
步骤2、调节机床x轴、y轴和z轴的位置，将触发式测头2上的探针1定位在正三棱锥台3某截面处，记录此时的z轴坐标z1；
[0052]
步骤3、保持z轴不动，x轴、y轴联动，在正三棱锥台3的待测截面上触测均匀分布在三条边上的6个点，即每条边上的2个点，记录下每个测点的位置坐标(xi、yi)，i＝a、b、c、d、
e、f，其中，a、b、c、d、e、f表示被测截面上三条边上各测点的名称；
[0053]
步骤4、对所述步骤3得到的一系列坐标值分别进行被测截面三条边的直线方程计算，得到被测截面正三角形三条边的直线方程及三个顶点坐标，进而得到被测截面的边长l，具体如下：
[0054]
设直线df的方程为
[0055]ydf
＝k
·
x+b
[0056]
其中，k为直线的斜率，b为直线的截距，
[0057]
将测点a的坐标(xa、ya)及测点b的坐标(xb、yb)带入上式，即求得直线df的方程；同理，将测点f的坐标(xf、yf)及测点e的坐标(xe、ye)得直线de的方程；将测点d的坐标(xd、yd)及测点c的坐标(xc、yc)得直线ef的方程；
[0058]
将直线df的方程与直线de的方程联立并求解，得点d的坐标(xd、yd)；同理，将直线de的方程与直线ef的方程联立求解，得点e的坐标(xe、ye)；将直线df的方程与直线ef的方程联立求解，得点f的坐标(xf、yf)，根据两点间距离公式得
[0059][0060]
步骤5、结合正三棱锥台的顶面边长l及正三棱锥侧面与底面的二面角α，得到被测截面与锥台顶面间的理论距离δh：
[0061][0062]
步骤6、将触发式测头沿z轴向上移动，使得触发式测头探针高于正三棱锥台；
[0063]
步骤7、x轴、y轴插补联动，将触发式测头2的探针1定位在正三棱锥台的顶面正上方；
[0064]
步骤8、数控机床带动触发式测头2沿z轴向下运动触测正三棱锥台顶面上的任意点，记录触发时z轴坐标z2；
[0065]
步骤9、结合步骤5得到的被测截面与锥台顶面间的理论距离δh、步骤2得到的锥台面z轴坐标z1，得到触发式测头轴向预行程τ，
[0066]
τ＝
△
h-[(z
2-r)-(z1+r
·
cosα)]
[0067]
式中，r为探针测球半径，α为正三棱锥侧面与底面的二面角；
[0068]
测量完毕，取下测量装置。
[0069]
触发式测头预行程(轴向)测量方法，采用正三棱锥台作为测量用具，参见图3、图4、图5、图6。其原理为，正三棱锥台上任意截面与顶面间的距离δh可由该截面边长、顶面边长及正三棱锥台侧面与底面的二面角决定。在正三棱锥台某截面上触测沿圆周均匀分布的6个点，并对各测点坐标值进行直线拟合运算，得到被测截面的边长；然后测量被测截面与正三棱锥台顶面之间的距离；最后，综合测头探针半径对测量结果的影响，触发式测头预行程(轴向)为：
[0070]
τ＝
△
h-[(z
2-r)-(z1+r
·
cosα)]
[0071]
式中，r为探针测球半径，α为正三棱锥侧面与底面的二面角，z2为正三棱锥顶面对应的z轴位置坐标；z1为被测截面对应的z轴位置坐标，δh为被测截面与锥台顶面间的理论
距离。
[0072]
测量完毕，取下测量装置。
[0073]
实施例1
[0074]
本实施例测量雷尼绍lp2型触发式测头的轴向预行程。将其以立式姿态安装在图3所示的数控机床上，测头轴向为数控机床的z向。
[0075]
将正三棱锥台及测头探针表面擦拭干净，将测量装置吸附在数控机床工作台4的合适位置，保证其在触发式测头2的各方向的工作行程内；完成对正三棱锥台某截面的触测，并记录各测点位置坐标；计算被测截面的三个边的长度；在nc程序的控制下，测量被测截面与正三棱锥台顶面的距离；最后计算测头的轴向预行程。
[0076]
实验结果对比
[0077]
采用本发明测量标定方法的测量结果与采用作用半径法的测量结果见下表1，
[0078]
表1不同测量方法的轴向预行程
[0079][0080]
对比可以发现，作用半径法得到的预行程大于本发明方法得到的预行程。由于测头径向预行程大于沿轴向触发时的预行程，采用均化误差思想的作用半径法，会使得轴向预行程测量值受到其他方向上预行程的影响，所得到的结果存在较大误差。实验表明，以此作为预行程的补偿值，会影响原位检测精度。根据相关文献中的结果，当采用独立设备法测量与本实例相同类型的测头时，轴向预行程在0.002mm左右，远小于本方法得到结果，这是由于独立设备法使得测头的测量独立于其测量工况，且它以测头发出触发信号的时刻代替实际测量时数控记录位置坐标的时刻作为预行程的核算基准，使得测量结果不能反映测头预行程在测量时的真实情况，并不适合于触发式测头预行程的现场补偿。
[0081]
实施例2
[0082]
参见图7，测头卧式安装，轴向为数控机床x向。
[0083]
首先放松紧定螺钉8，将正三棱锥台绕紧定螺钉轴线旋转90
°
，并使得加长杆与卧式位姿挡块9相接触，到位后拧紧紧固螺钉8，并将其吸附机床工作台的合适位置，保证其在触发式测头2的各向运动行程内；
[0084]
然后控制机床各轴运动，将触发式测头探针定位在正三棱锥台截面处并进行试触测，记录触发时的x轴坐标x1(图7中细虚线所示位置)；
[0085]
通过z、y轴插补运动，在待测截面上触测均匀分布的六个点(截面的每条边上2个
测点)，记录下每个测点的位置坐标(zi、yi)；
[0086]
对得到的一系列坐标值进行拟合计算，得到被测截面三条边的直线方程、顶点坐标，并最终计算出截面边长l；
[0087]
调节机床各轴，使得测头探针在x方向上远离正三棱锥台；
[0088]
通过z、y轴插补运动，将测头定位在锥台的顶面范围内；
[0089]
x轴进行触测正三棱锥台顶点，记录测头触发时x轴的坐标x2。
[0090]
数据处理：根据得到的被测截面x向坐标x1、被测截面边长l及锥台顶面的x向坐标x2，按照本发明方法所给出的触发式测头轴向预行程计算公式计算出测头的预行程(轴向)；
[0091]
测量完毕，取下测量用具，将计算所得的测头预行程填写至原位检测数据处理软件补偿表中。

技术特征：
1.数控机床原位检测系统测头预行程的标定装置，其特征在于，包括触发式测头(2)，触发式测头(2)端部设有探针(1)，探针(1)底部竖直对应位置处设置有正三棱锥台(3)，加长杆(5)顶端与正三棱锥台(3)底部相接触并相互固定，加长杆(5)底端与磁力表座(6)固定，磁力表座(6)侧面还设置有限位结构。2.根据权利要求1所述的数控机床原位检测系统测头预行程的标定装置，其特征在于，所述加长杆(5)上开有平行于杆长方向的腰型通槽，紧定螺钉(8)穿过所述腰型通槽拧紧在磁力表座(6)上的螺孔内，从而实现正三棱锥台(3)与磁力表座(6)的连接固定。3.根据权利要求2所述的数控机床原位检测系统测头预行程的标定装置，其特征在于，所述限位结构具体结构为：磁力表座(6)上安装有紧定螺钉(8)的立面边缘固定有立位挡块(7)及卧位挡块(9)。4.根据权利要求3所述的数控机床原位检测系统测头预行程的标定装置，其特征在于，所述立位挡块(7)及卧位挡块(9)均为长立方体形状且朝向一致，立位挡块(7)及卧位挡块(9)相互平行并与磁力表座(6)垂直。5.数控机床原位检测系统测头预行程的标定方法，其特征在于，基于权利要求4所述的数控机床原位检测系统测头预行程的标定装置，具体按照以下步骤实施：步骤1、通过磁力表座(6)将正三棱锥台(3)吸附在数控机床工作台(4)上；步骤2、调节机床x轴、y轴和z轴的位置，将触发式测头(2)上的探针(1)定位在正三棱锥台(3)某截面处，记录此时的z轴坐标z1；步骤3、保持z轴不动，x轴、y轴联动，在正三棱锥台(3)的待测截面上触测均匀分布在三条边上的6个点，即每条边上的2个点，记录下每个测点的位置坐标(x
i
、y
i
)，i＝a、b、c、d、e、f，其中，a、b、c、d、e、f表示被测截面上三条边上各测点的名称；步骤4、对所述步骤3得到的一系列坐标值分别进行被测截面三条边的直线方程计算，得到被测截面正三角形三条边的直线方程及三个顶点坐标，进而得到被测截面的边长l，具体如下：设直线df的方程为y
df
＝k
·
x+b其中，k为直线的斜率，b为直线的截距，将测点a的坐标(x
a
、y
a
)及测点b的坐标(x
b
、y
b
)带入上式，即求得直线df的方程；同理，将测点f的坐标(x
f
、y
f
)及测点e的坐标(x
e
、y
e
)得直线de的方程；将测点d的坐标(x
d
、y
d
)及测点c的坐标(x
c
、y
c
)得直线ef的方程；将直线df的方程与直线de的方程联立并求解，得点d的坐标(x
d
、y
d
)；同理，将直线de的方程与直线ef的方程联立求解，得点e的坐标(x
e
、y
e
)；将直线df的方程与直线ef的方程联立求解，得点f的坐标(x
f
、y
f
)，根据两点间距离公式得步骤5、结合正三棱锥台的顶面边长l及正三棱锥侧面与底面的二面角α，得到被测截面与锥台顶面间的理论距离δh：
步骤6、将触发式测头沿z轴向上移动，使得触发式测头探针高于正三棱锥台；步骤7、x轴、y轴插补联动，将触发式测头(2)的探针(1)定位在正三棱锥台的顶面正上方；步骤8、数控机床带动触发式测头(2)沿z轴向下运动触测正三棱锥台顶面上的任意点，记录触发时z轴坐标z2；步骤9、结合步骤5得到的被测截面与锥台顶面间的理论距离δh、步骤2得到的锥台面z轴坐标z1，得到触发式测头轴向预行程τ，τ＝
△
h-[(z
2-r)-(z1+r
·
cosα)]式中，r为探针测球半径，α为正三棱锥侧面与底面的二面角；测量完毕，取下测量装置。

技术总结
本发明公开了一种数控机床原位检测系统测头预行程的标定装置，包括触发式测头，触发式测头端部设有探针，探针底部竖直对应位置处设置有正三棱锥台，加长杆顶端与正三棱锥台底部相接触并相互固定，加长杆底端与磁力表座固定，磁力表座侧面还设置有限位结构。本发明还公开了一种数控机床原位检测系统测头预行程的标定方法。本发明解决了现有技术中存在的预行程检测精度低的问题。行程检测精度低的问题。行程检测精度低的问题。


技术研发人员：赵柏涵 薛媛 梁文宏 王冠伟 王洪喜 尹培丽
受保护的技术使用者：西安工业大学
技术研发日：2023.03.23
技术公布日：2023/7/22