[发明专利]一种五轴联动机床主轴头姿态角测量装置及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量装置及测量方法，尤其涉及一种五轴联动机床主轴头姿态角测量装置及测量方法。

背景技术

五轴联动机床由于其刀具姿态的灵活性，在切削加工中可实现避免多次装夹、降低夹具成本、减小切削力、提高刀具寿命等目标，极大地提高了加工效率。同时，五轴联动机床也被认为是解决叶轮、叶片、大型转子、大型柴油机轴加工的唯一途径，是机械装备制造业中的关键技术。由于五轴联动机床机械结构复杂，存在大量加工、装配误差，因此，对于五轴联动机床，需要通过精确测量主轴头的姿态角等信息，对机床结构误差加以补偿，才能达到高精度加工的要求。

目前，国内外针对物体空间姿态角的测量已发展了多种方法，主要包括非接触式和接触式方法。较为常见的非接触式测量方法如激光跟踪仪测量法，该方法利用激光跟踪仪测量被测物体上三个点的空间坐标，从而推算出物体的空间姿态角。但激光跟踪仪一般测量误差较大，无法实现高精度测量。CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)测量系统由加拿大NorthernDigi公司于1985年研制成功，该系统为一多相机交汇测量系统，可测量相机交汇场中的空间曲线轨迹。CCD系统如果采用面阵列则测量精度较低，如果采用线阵列，需要配备专门的光学系统和处理电路，成本较高，且CCD系统对环境依赖性强，在多点测量时误差较大。针对非接触式测量的上述缺点，一些学者采用附加测量机构进行接触式测量，例如在被测物体与测量基准之间加装被动支链，利用被动支链上的附加传感器计算被测物体姿态角。此外，吉林大学的苏建等人利用六根拉杆式直线位移传感器或六个拉线编码器测量物体上六个点到基准点的距离，从而解算出物体在空间中的位置和姿态。但这类方法一般装配复杂，不适于五轴联动机床主轴头姿态角的测量。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种五轴联动机床主轴头姿态角测量装置及测量方法，克服了现有测量技术成本较高、结构复杂的缺点，便于进行五轴联动机床主轴头的误差补偿。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种五轴联动机床主轴头姿态角测量装置，其特征在于，该测量装置包括：一端设置一球形测头、另一端为夹持部的球头检棒，一端固定安装在所述五轴联动机床的主轴头上、另一端悬空的球头检棒夹具，具有伸缩式测量端的接触式位移测量装置，和固定安装在所述五轴联动机床的工作台上的基座；所述球头检棒固定安装在所述球头检棒夹具的悬空端，且使安装后的所述球头检棒的轴线与所述主轴头的轴线平行且相隔一段距离；所述接触式位移测量装置固定安装在所述基座上，且使所述伸缩式测量端的轴线与所述工作台垂直。

所述测量装置用于测量典型结构的五轴联动机床的主轴头姿态角，所述典型结构的五轴联动机床满足以下要求：所述主轴头为双摆头结构，具有两个摆动转轴和三个直线进给轴，所述三个直线进给轴分别为与工作台垂直的Z轴、与所述Z轴垂直的X轴以及同时与所述X轴和Z轴垂直的Y轴；所述主轴头的X轴、Y轴和Z轴均设置有高精度位移检测装置，所述机床利用位移检测信号实现所述主轴头位置的全闭环控制。

所述球头检棒夹具为一杆状结构件，其一端设置一垂直于所述杆件轴线方向的夹具柄，另一端设置一安装孔；所述球头检棒通过所述安装孔安装在所述球头检棒夹具上，所述球头检棒夹具通过所述夹具柄安装在所述主轴头的刀具夹具上；

所述基座包括底板和与所述底板固定连接的夹具，所述基座通过所述底板固定安装在所述工作台上，所述接触式位移测量装置通过所述夹具固定安装在所述基座上；

所述伸缩式测量端的端部设置一测头，且所述测头为球形，所述球头检棒的球形测头和所述伸缩式测量端的测头的球度公差均需达到2微米以内。

所述安装孔孔径与所述夹持部直径相匹配，所述安装孔侧壁开设有调整缝，垂直于所述调整缝设置有调整螺钉孔，通过旋紧调整螺钉来装夹所述球头检棒。

所述基座在所述工作台上的固定方式与工件在所述工作台上的固定方式相匹配，所述夹具的结构尺寸与所述接触式位移测量装置的尺寸及安装方式相匹配。

所述高精度位移检测装置为光栅尺，所述接触式位移测量装置为长度计。

一种五轴联动机床主轴头姿态角测量方法，包括以下步骤：

1)将接触式位移测量装置固定安装在基座上，将基座安装在五轴联动机床的工作台上，使接触式位移测量装置的伸缩式测量端的轴线垂直于工作台；

2)测量围绕五轴联动机床的主轴头的n个姿态点的位置坐标(x_k，y_k，z_k)；