一种多轴数控机床在机测量精度评估装置及方法与流程

1.本发明涉及在机测量技术领域，具体涉及一种多轴数控机床在机测量精度评估装置及方法。


背景技术：

2.为辅助加工，提升加工效率和加工智能化水平，多轴数控机床通常配置了机床测头，机床测头可以用于工件在机测量，实现工件找正、工件加工坐标系建立、序中工件关键特征检测、序后工件关键特征检测。目前普遍存在，机床测头在序中工件关键特征检测、序后工件关键特征检测使用率较低。原因是序中工件关键特征、序后工件关键特征的精度较高，而多轴数控机床在机测量精度缺乏有效的评估装置及方法，导致序中工件关键特征检测、序后工件关键特征检测通常使用离线三坐标测量机进行检测，这样造成工件的二次装夹以及工件流转等待，降低了加工效率。
3.因此，发明人提供了一种多轴数控机床在机测量精度评估装置及方法。


技术实现要素：

4.(1)要解决的技术问题
5.本发明实施例提供了一种多轴数控机床在机测量精度评估装置及方法，解决了机床测头在序中工件关键特征检测、序后工件关键特征检测使用率较低的技术问题。
6.(2)技术方案
7.本发明的第一方面提供了一种多轴数控机床在机测量精度评估装置，包括底座和至少五个标准球；其中，第一标准球、第二标准球、第三标准球及第四标准球的球心与各自在所述底座上的投影点的分别位于同一立方体的八个顶点上，第五标准球在所述底座上的投影点与所述立方体在所述底座上的投影面的中心点重合且其高度为所述立方体的高度的一半；其余的所述标准球的球心均位于所述立方体的对角线上。
8.进一步地，所述标准球的数量为4n+1，其中，n为正整数。
9.进一步地，多轴数控机床在机测量精度评估装置还包括多个标准球杆，每个所述标准球杆的一端固定于所述底座，其另一端用于固定对应的所述标准球。
10.进一步地，所述底座的横截面为正方形。
11.本发明的第二方面提供了一种利用上述的多轴数控机床在机测量精度评估装置的评估方法，当所述标准球为五个时，该方法包括以下步骤：
12.在多轴数控机床工作台上固定放置所述在机测量精度评估装置，使用千分表进行拉直，使机床x轴平行于与所述第一标准球和所述第二标准球所对应的方向底座边；
13.从机床调出测头，使用测头测量平行于x轴的所述第一标准球和所述第二标准球的球心，计算两个球心距离，重复测量至少三次，依据测量结果确定x轴测量精度、x轴测量重复性；
14.使用测头测量平行于机床y轴方向的所述第一标准球和所述第二标准球的球心，
计算两个球心距离，重复测量至少三次，依据测量结果确定y轴测量精度、y轴测量重复性；
15.使用测头测量所述第一标准球的球心，测量所述第一标准球周边的底座上表面，计算球心与底座上表面的距离，重复测量至少三次，依据测量结果确定z轴测量精度、z轴测量重复性；
16.使用测头分别测量所述第一标准球、所述第五标准球的球心，计算两个球心距离，重复测量至少三次，确定每次测量与校准值的差值绝对值中最大的第一绝对值、测量的最大值与最小值的第一差值；
17.使用测头分别测量所述第二标准球、所述第五标准球的球心，计算两个球心距离，重复测量至少三次，确定每次测量与校准值的差值绝对值中最大的第二绝对值、测量的最大值与最小值的第二差值；
18.使用测头分别测量所述第三标准球、所述第五标准球的球心，计算两个球心距离，重复测量至少三次，确定每次测量与校准值的差值绝对值中最大的第三绝对值、测量的最大值与最小值的第三差值；
19.使用测头分别测量所述第四标准球、所述第五标准球的球心，计算两个球心距离，重复测量至少三次，确定每次测量与校准值的差值绝对值中最大的第四绝对值、测量的最大值与最小值的第四差值；
20.确定所述第一绝对值、所述第二绝对值、所述第三绝对值及所述第四绝对值中的最大值为对角线测量精度；
21.确定所述第一差值、所述第二差值、所述第三差值及所述第四差值中的最大值为对角线测量重复性；
22.确定所述x轴测量精度、所述y轴测量精度、所述z轴测量精度及所述对角线测量精度中的最大值为在机测量精度；
23.确定所述x轴测量重复性、所述y轴测量重复性、所述z轴测量重复性及所述对角线测量重复性中的最大值为在机测量重复性。
24.进一步地，所述确定每次测量与校准值的差值绝对值中最大的第一绝对值、测量的最大值与最小值的第一差值，具体为：
25.记三次测量值为d
s1-1
、d
s1-2
、d
s1-3
，取d
s1-1
与校准值l
cr1
的差值绝对值、d
s1-2
与校准值l
cr1
的差值绝对值、d
s1-3
与校准值l
cr1
的差值绝对值中的最大值，计为s
a1
，取三次测量的最大值与最小值差值，记为s
r1
。
26.进一步地，所述确定每次测量与校准值的差值绝对值中最大的第二绝对值、测量的最大值与最小值的第二差值，具体为：
27.记三次测量值为d
s2-1
、d
s2-2
、d
s2-3
，取d
s2-1
与校准值l
cr2
的差值绝对值、d
s2-2
与校准值l
cr2
的差值绝对值、d
s2-3
与校准值l
cr2
的差值绝对值中的最大值，计为s
a2
，取三次测量的最大值与最小值差值，记为s
r2
。
28.进一步地，所述确定每次测量与校准值的差值绝对值中最大的第三绝对值、测量的最大值与最小值的第三差值，具体为：
29.记三次测量值为d
s3-1
、d
s3-2
、d
s3-3
，取d
s3-1
与校准值l
cr3
的差值绝对值、d
s3-2
与校准值l
cr3
的差值绝对值、d
s3-3
与校准值l
cr3
的差值绝对值中的最大值，计为s
a3
，取三次测量的最大值与最小值差值，记为s
r3
。
30.进一步地，所述确定每次测量与校准值的差值绝对值中最大的第四绝对值、测量的最大值与最小值的第四差值，具体为：
31.记三次测量值为d
s4-1
、d
s4-2
、d
s4-3
，取d
s4-1
与校准值l
cr4
的差值绝对值、d
s4-2
与校准值l
cr4
的差值绝对值、d
s4-3
与校准值l
cr4
的差值绝对值中的最大值，计为s
a4
，取三次测量的最大值与最小值差值，记为s
r4
。
32.进一步地，所述依据测量结果确定x轴测量精度、x轴测量重复性，具体为：
33.记三次测量值为d
x1
、d
x2
、d
x3
，取d
x1
与校准值l
c1
的差值绝对值、d
x2
与校准值l
c1
的差值绝对值、d
x3
与校准值l
c1
的差值绝对值中的最大值xa；取三次测量的最大值与最小值差值为x轴测量重复性，记为xr。
34.(3)有益效果
35.综上，本发明通过多个按照特定空间分布的标准球为机床测头在序中工件关键特征检测、序后工件关键特征检测提供判定依据，对于在机测量精度较高的机床，有助于提高其加工效率。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
37.图1是本发明实施例提供的一种多轴数控机床在机测量精度评估装置的结构示意图；
38.图2是本发明实施例提供的一种多轴数控机床在机测量精度评估装置的俯视图；
39.图3是本发明实施例提供的一种多轴数控机床在机测量精度评估装置的左视图。
40.图中：
41.1-底座；2-第一标准球；3-第二标准球；4-第三标准球；5-第四标准球；6-第五标准球；7-标准球杆。
具体实施方式
42.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
43.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本技术。
44.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
45.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
46.图1是本发明实施例提供的一种多轴数控机床在机测量精度评估装置的结构示意图，如图1-3所示，该装置可以包括底座1和至少五个标准球；第一标准球2、第二标准球3、第三标准球4及第四标准球5的球心与各自在底座1上的投影点的分别位于同一立方体的八个顶点上，第五标准球6在底座1上的投影点与立方体在底座1上的投影面的中心点重合且其高度为立方体的高度的一半；其余的标准球的球心均位于立方体的对角线上。
47.在上述实施方式中，通过多个按照特定空间分布的标准球为机床测头在序中工件关键特征检测、序后工件关键特征检测提供判定依据，使用测头测量平行与x轴、y轴的标准球的球心距离，测量标准球的球心与底座的距离，测量斜对角线的标准球的球心距离，经过计算得到数控机床在机测量精度和重复性。对于在机测量精度较高的机床，有助于提高其加工效率。
48.如图2-3所示，方形底座上放置水平方向等间距(间距为2l)的四个标准球，标准球杆球心距离底座上表面距离为2l，在四个标准球杆围城的区域中心再放置一个标准球，此标准球杆距离底座上表面距离为l。第一标准球2与第二标准球3的球心距离经过校准为l
c1
，第一标准球2与第三标准球杆4的球心距离经过校准为l
c2
，第一标准球2的球心与底座表面的距离经过校准为l
c3
，第一标准球2与第六标准球6的球心距离经过校准为l
cr1
，第二标准球3与第六标准球6的球心距离经过校准为l
cr2
，第三标准球4与第六标准球6的球心距离经过校准为l
cr3
，第四标准球5与第六标准球6的球心距离经过校准为l
cr4
。
49.作为一种可选的实施方式，标准球的数量为4n+1，其中，n为正整数。标准球的数量是根据实际需要评估的精度进行选取的，除了中心处的标准球之外，其余的标准球四个一组均按照正方形的形式分布设置，如果对于精度的要求越高，标准球的数量也就相应地设置更多，同时整个操作过程也就更加繁琐，需要重复多次两个标准球之间的球心距离。
50.作为一种可选的实施方式，如图1所示，多轴数控机床在机测量精度评估装置还包括多个标准球杆7，每个标准球杆7的一端固定于底座1，其另一端用于固定对应的标准球。其中，对于标准球的具体设置方式不做限定，可以是采用标准球杆7进行固定支撑，也可以是在标准球的上方设置拉杆/拉绳进行固定悬挂。
51.作为一种可选的实施方式，底座1的横截面为正方形。具体地，底座1的具体形状不做限定，设置成正方形是为了适配于几个标准球所形成的立方体，同时可以将尺寸限定为最小尺寸，节省成本。
52.本发明实施例提供了一种利用上述的多轴数控机床在机测量精度评估装置的评估方法，当标准球为五个时，该方法包括以下步骤：
53.s101、在多轴数控机床工作台上固定放置在机测量精度评估装置，使用千分表进行拉直，使机床x轴平行于与第一标准球和第二标准球所对应的方向底座边；
54.s102、从机床调出测头，使用测头测量平行于x轴的第一标准球和第二标准球的球心，计算两个球心距离，重复测量至少三次，依据测量结果确定x轴测量精度、x轴测量重复性；
55.s103、使用测头测量平行于机床y轴方向的第一标准球和第二标准球的球心，计算两个球心距离，重复测量至少三次，依据测量结果确定y轴测量精度、y轴测量重复性；
56.s104、使用测头测量第一标准球的球心，测量第一标准球周边的底座上表面，计算球心与底座上表面的距离，重复测量至少三次，依据测量结果确定z轴测量精度、z轴测量重复性；
57.s105、使用测头分别测量第一标准球、第五标准球的球心，计算两个球心距离，重复测量至少三次，确定每次测量与校准值的差值绝对值中最大的第一绝对值、测量的最大值与最小值的第一差值；
58.s106、使用测头分别测量第二标准球、第五标准球的球心，计算两个球心距离，重复测量至少三次，确定每次测量与校准值的差值绝对值中最大的第二绝对值、测量的最大值与最小值的第二差值；
59.s107、使用测头分别测量第三标准球、第五标准球的球心，计算两个球心距离，重复测量至少三次，确定每次测量与校准值的差值绝对值中最大的第三绝对值、测量的最大值与最小值的第三差值；
60.s108、使用测头分别测量第四标准球、第五标准球的球心，计算两个球心距离，重复测量至少三次，确定每次测量与校准值的差值绝对值中最大的第四绝对值、测量的最大值与最小值的第四差值；
61.s109、确定第一绝对值、第二绝对值、第三绝对值及第四绝对值中的最大值为对角线测量精度；
62.s110、确定第一差值、第二差值、第三差值及第四差值中的最大值为对角线测量重复性；
63.s111、确定x轴测量精度、y轴测量精度、z轴测量精度及对角线测量精度中的最大值为在机测量精度；
64.s112、确定x轴测量重复性、y轴测量重复性、z轴测量重复性及对角线测量重复性中的最大值为在机测量重复性。
65.在上述实施方式中，使用测头测量平行与x轴、y轴的标准球的球心距离，测量标准球的球心与底座的距离，测量斜对角线的标准球的球心距离，经过计算得到数控机床在机测量精度和重复性。
66.作为一种可选的实施方式，步骤105中，确定每次测量与校准值的差值绝对值中最大的第一绝对值、测量的最大值与最小值的第一差值，具体为：记三次测量值为d
s1-1
、d
s1-2
、d
s1-3
，取d
s1-1
与校准值l
cr1
的差值绝对值、d
s1-2
与校准值l
cr1
的差值绝对值、d
s1-3
与校准值l
cr1
的差值绝对值中的最大值，计为s
a1
，取三次测量的最大值与最小值差值，记为s
r1
。
67.作为一种可选的实施方式，步骤106中，确定每次测量与校准值的差值绝对值中最大的第二绝对值、测量的最大值与最小值的第二差值，具体为：记三次测量值为d
s2-1
、d
s2-2
、d
s2-3
，取d
s2-1
与校准值l
cr2
的差值绝对值、d
s2-2
与校准值l
cr2
的差值绝对值、d
s2-3
与校准值l
cr2
的差值绝对值中的最大值，计为s
a2
，取三次测量的最大值与最小值差值，记为s
r2
。
68.作为一种可选的实施方式，步骤107中，确定每次测量与校准值的差值绝对值中最大的第三绝对值、测量的最大值与最小值的第三差值，具体为：记三次测量值为d
s3-1
、d
s3-2
、d
s3-3
，取d
s3-1
与校准值l
cr3
的差值绝对值、d
s3-2
与校准值l
cr3
的差值绝对值、d
s3-3
与校准值l
cr3
的差值绝对值中的最大值，计为s
a3
，取三次测量的最大值与最小值差值，记为s
r3
。
69.作为一种可选的实施方式，步骤108中，确定每次测量与校准值的差值绝对值中最大的第四绝对值、测量的最大值与最小值的第四差值，具体为：记三次测量值为d
s4-1
、d
s4-2
、d
s4-3
，取d
s4-1
与校准值l
cr4
的差值绝对值、d
s4-2
与校准值l
cr4
的差值绝对值、d
s4-3
与校准值l
cr4
的差值绝对值中的最大值，计为s
a4
，取三次测量的最大值与最小值差值，记为s
r4
。
70.作为一种可选的实施方式，步骤102中，依据测量结果确定x轴测量精度、x轴测量重复性，具体为：记三次测量值为d
x1
、d
x2
、d
x3
，取d
x1
与校准值l
c1
的差值绝对值、d
x2
与校准值l
c1
的差值绝对值、d
x3
与校准值l
c1
的差值绝对值中的最大值xa；取三次测量的最大值与最小值差值为x轴测量重复性，记为xr。
71.需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
72.以上仅为本技术的实施例而已，并不限制于本技术。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围内。

技术特征：
1.一种多轴数控机床在机测量精度评估装置，其特征在于，包括底座(1)和至少五个标准球；其中，第一标准球(2)、第二标准球(3)、第三标准球(4)及第四标准球(5)的球心与各自在所述底座(1)上的投影点的分别位于同一立方体的八个顶点上，第五标准球(6)在所述底座(1)上的投影点与所述立方体在所述底座(1)上的投影面的中心点重合且其高度为所述立方体的高度的一半；其余的所述标准球的球心均位于所述立方体的对角线上。2.根据权利要求1所述的多轴数控机床在机测量精度评估装置，其特征在于，所述标准球的数量为4n+1，其中，n为正整数。3.根据权利要求1所述的多轴数控机床在机测量精度评估装置，其特征在于，还包括多个标准球杆(7)，每个所述标准球杆(7)的一端固定于所述底座(1)，其另一端用于固定对应的所述标准球。4.根据权利要求1所述的多轴数控机床在机测量精度评估装置，其特征在于，所述底座(1)的横截面为正方形。5.一种利用如权利要求1-4中任一项所述的多轴数控机床在机测量精度评估装置的评估方法，其特征在于，当所述标准球为五个时，该方法包括以下步骤：在多轴数控机床工作台上固定放置所述在机测量精度评估装置，使用千分表进行拉直，使机床x轴平行于与所述第一标准球和所述第二标准球所对应的方向底座边；从机床调出测头，使用测头测量平行于x轴的所述第一标准球和所述第二标准球的球心，计算两个球心距离，重复测量至少三次，依据测量结果确定x轴测量精度、x轴测量重复性；使用测头测量平行于机床y轴方向的所述第一标准球和所述第二标准球的球心，计算两个球心距离，重复测量至少三次，依据测量结果确定y轴测量精度、y轴测量重复性；使用测头测量所述第一标准球的球心，测量所述第一标准球周边的底座上表面，计算球心与底座上表面的距离，重复测量至少三次，依据测量结果确定z轴测量精度、z轴测量重复性；使用测头分别测量所述第一标准球、所述第五标准球的球心，计算两个球心距离，重复测量至少三次，确定每次测量与校准值的差值绝对值中最大的第一绝对值、测量的最大值与最小值的第一差值；使用测头分别测量所述第二标准球、所述第五标准球的球心，计算两个球心距离，重复测量至少三次，确定每次测量与校准值的差值绝对值中最大的第二绝对值、测量的最大值与最小值的第二差值；使用测头分别测量所述第三标准球、所述第五标准球的球心，计算两个球心距离，重复测量至少三次，确定每次测量与校准值的差值绝对值中最大的第三绝对值、测量的最大值与最小值的第三差值；使用测头分别测量所述第四标准球、所述第五标准球的球心，计算两个球心距离，重复测量至少三次，确定每次测量与校准值的差值绝对值中最大的第四绝对值、测量的最大值与最小值的第四差值；确定所述第一绝对值、所述第二绝对值、所述第三绝对值及所述第四绝对值中的最大值为对角线测量精度；确定所述第一差值、所述第二差值、所述第三差值及所述第四差值中的最大值为对角
线测量重复性；确定所述x轴测量精度、所述y轴测量精度、所述z轴测量精度及所述对角线测量精度中的最大值为在机测量精度；确定所述x轴测量重复性、所述y轴测量重复性、所述z轴测量重复性及所述对角线测量重复性中的最大值为在机测量重复性。6.根据权利要求1所述的多轴数控机床在机测量精度评估方法，其特征在于，所述确定每次测量与校准值的差值绝对值中最大的第一绝对值、测量的最大值与最小值的第一差值，具体为：记三次测量值为d
s1-1
、d
s1-2
、d
s1-3
，取d
s1-1
与校准值l
cr1
的差值绝对值、d
s1-2
与校准值l
cr1
的差值绝对值、d
s1-3
与校准值l
cr1
的差值绝对值中的最大值，计为s
a1
，取三次测量的最大值与最小值差值，记为s
r1
。7.根据权利要求1所述的多轴数控机床在机测量精度评估方法，其特征在于，所述确定每次测量与校准值的差值绝对值中最大的第二绝对值、测量的最大值与最小值的第二差值，具体为：记三次测量值为d
s2-1
、d
s2-2
、d
s2-3
，取d
s2-1
与校准值l
cr2
的差值绝对值、d
s2-2
与校准值l
cr2
的差值绝对值、d
s2-3
与校准值l
cr2
的差值绝对值中的最大值，计为s
a2
，取三次测量的最大值与最小值差值，记为s
r2
。8.根据权利要求1所述的多轴数控机床在机测量精度评估方法，其特征在于，所述确定每次测量与校准值的差值绝对值中最大的第三绝对值、测量的最大值与最小值的第三差值，具体为：记三次测量值为d
s3-1
、d
s3-2
、d
s3-3
，取d
s3-1
与校准值l
cr3
的差值绝对值、d
s3-2
与校准值l
cr3
的差值绝对值、d
s3-3
与校准值l
cr3
的差值绝对值中的最大值，计为s
a3
，取三次测量的最大值与最小值差值，记为s
r3
。9.根据权利要求1所述的多轴数控机床在机测量精度评估方法，其特征在于，所述确定每次测量与校准值的差值绝对值中最大的第四绝对值、测量的最大值与最小值的第四差值，具体为：记三次测量值为d
s4-1
、d
s4-2
、d
s4-3
，取d
s4-1
与校准值l
cr4
的差值绝对值、d
s4-2
与校准值l
cr4
的差值绝对值、d
s4-3
与校准值l
cr4
的差值绝对值中的最大值，计为s
a4
，取三次测量的最大值与最小值差值，记为s
r4
。10.根据权利要求5所述的多轴数控机床在机测量精度评估方法，其特征在于，所述依据测量结果确定x轴测量精度、x轴测量重复性，具体为：记三次测量值为d
x1
、d
x2
、d
x3
，取d
x1
与校准值l
c1
的差值绝对值、d
x2
与校准值l
c1
的差值绝对值、d
x3
与校准值l
c1
的差值绝对值中的最大值x
a
；取三次测量的最大值与最小值差值为x轴测量重复性，记为x
r
。

技术总结
本发明涉及在机测量技术领域，具体涉及一种多轴数控机床在机测量精度评估装置及方法。该评估装置包括底座和至少五个标准球；其中，第一标准球、第二标准球、第三标准球及第四标准球的球心与各自在底座上的投影点的分别位于同一立方体的八个顶点上，第五标准球在底座上的投影点与立方体在底座上的投影面的中心点重合且其高度为立方体的高度的一半；其余的标准球的球心均位于立方体的对角线上。该多轴数控机床在机测量精度评估装置及方法的目的是解决的机床测头在序中工件关键特征检测、序后工件关键特征检测使用率较低问题。后工件关键特征检测使用率较低问题。后工件关键特征检测使用率较低问题。


技术研发人员：李昆 刘勇
受保护的技术使用者：中国航空工业集团公司北京航空精密机械研究所
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/8/13