[发明专利]用于车床的接触式在线检测系统的标定装置和标定方法

权利要求书

1.一种用于车床的接触式在线检测系统的标定方法，车床的机床坐标系是以机床原点O为坐标系原点，X轴方向水平沿工件径向，Z轴水平沿车床主轴方向，X轴、Z轴均以使工件远离刀具的方向为正，所缺少的Y轴根据右手笛卡尔坐标系确定，以竖直向下为正；其特征在于该方法标定包括以下步骤：

步骤1、用于车床的接触式在线检测系统的标定装置包括夹持轴和L型装置主体；所述夹持轴为圆柱体，其一端用于车床卡盘装夹，另一端与L型装置主体长侧的顶端连接，夹持轴的中轴线与L型装置主体长侧的中心线共线；所述L型装置主体的底端开有阶梯孔和第一孔；所述第一孔的中轴线、夹持轴的中轴线和L型装置主体长侧的中心线共线并均与车床主轴的回转中心重合；所述阶梯孔由位于上方的通孔和位于下方的第二孔构成；通孔的中轴线和第二孔的中轴线共线且与车床主轴的回转中心平行；第一孔和通孔的孔中心的连线平行于车床的横向进给方向；通孔的中轴线和第一孔的中轴线平行；第一孔和通孔的半径相同；

将标定装置安装到车床上，其中第一孔的中轴线、夹持轴的中轴线和L型装置主体长侧的中心线共线并均与车床主轴的回转中心重合；通孔的中轴线和第二孔的中轴线共线且与车床主轴的回转中心平行；第一孔和通孔的孔中心的连线平行于车床的横向进给方向；夹持轴固定在车床的三爪卡盘上，将触发式在线检测系统的测头安装到刀台上某一刀号下；第一孔与通孔的孔心距为已知值2a，第一孔和通孔的半径为已知值R，第二孔半径为已知值r；rR；

步骤2、在这一刀号下，通过第一孔进行初步的测头对刀，建立存在预行程误差的工件坐标系，工件坐标系原点O₂'；

步骤3、将测球定位至工件坐标系原点O₂'；测头测量理论测点A₂；A₂位于第一孔上，靠近第二孔的一侧，A₂至L型装置主体底面的距离大于测球直径，小于测杆长度；完成理论测点A₂的测量后，测头返回至工件坐标系原点O₂'；第一孔上的理论测点为A₂，但实际测点为A₂'，得到预行程误差，即理论测点A₂和实际测点A₂'之间的位移；

步骤4、测头在X方向的移动距离为2a，即测球定位至通孔的圆心处；使用测头测量通孔的半径，即测头测量通孔上的固定点B₂；B₂位于通孔上，靠近第一孔的一侧，B₂至L型装置主体底面的距离大于测球直径，小于测杆长度；由于预行程误差的存在，实际测量值为B₂'点坐标；令m＝O₂'B₂'；

步骤5、测头返回之后，测球定位至第二孔的圆心处；使用测头测量第二孔的半径，即测头测量第二孔上的固定点B₃；B₃位于第二孔上，靠近第一孔的一侧，B₃至L型装置主体底面的距离为通孔的深度与B₂至L型装置主体底面的距离之和；由于预行程误差的存在，实际测量值为B₃'点坐标；令n＝O₂'B₃'；

步骤6、测头返回至第二孔的圆心处，接着升至初始高度，完成全部测量过程；

步骤7、结合已知量R、r、a，根据下式求得预行程误差δ和Y向安装误差y：

步骤8、纠正Y向安装误差：若y＝0，则说明Y方向没有安装误差；若|y|＜H₀，H₀是一个垫片的厚度，则调整用于夹持测头的刀柄的顶丝；若|y|≥H₀，则先调整垫片数目和厚度进行粗调，再通过顶丝进行微调；

步骤9、调整后重复步骤1-8，直至y＝0；

步骤10、记录y＝0时的δ值，即为该测头的X+向预行程误差。

2.根据权利要求1所述的用于车床的接触式在线检测系统的标定方法，其特征在于通孔和第一孔的孔心距为L型装置主体的底端长度的一半。

3.根据权利要求1所述的用于车床的接触式在线检测系统的标定方法，其特征在于其特征在于式10和式11的推导过程如下：将测球球心向XOY平面投影成为一个点，标定装置在XOY平面的投影为第一孔、通孔和第二孔，将三维空间关系转换成二维图形表示，其中A₁、A₁'、O₁、O₁'、B₁和B₁'在XOY平面内共线且平行于X向；O₂'、A₂、A₂'、B₂'、B₂、B₃'和B₃在XOY平面内共线且平行于X向；

(1)若不存在Y向安装误差，在工件坐标系下，由于预行程误差的存在工件坐标系原点为O₁'，则点A₁的X坐标测量值为O₁'A₁'，点B₁的X坐标测量值为O₁'B₁'，由于测头具有高重复精度，因此每次产生的预行程误差δ均相等，即A₁A₁'＝B₁B₁'＝δ；同时，根据车床建系的规则，得O₁'A₁'＝O₁A₁＝R，O₁A₁'＝O₁A₁+A₁A₁'＝R+δ；

(2)当Y轴上存在安装误差y时，其中0≤y＜R，其理论测点分别为A₂、B₂和B₃，实际测点分别为A₂'、B₂'和B₃'，所建工件坐标系原点为O₂'；首先，测球与标定装置的三个孔碰撞时，接触力均是沿轴截面径向，因而产生的预行程误差不仅大小相同且均是沿轴截面径向，所以A₂和A₂'均在以第一孔的圆心O₁为圆心以R+δ为半径的圆周上，B₂和B₂'均在以通孔的圆心O₂为圆心以R+δ为半径的圆周上，B₃和B₃'均在以第二孔的圆心O₂为圆心以r+δ为半径的圆周上；其次，根据车床建系的规则，O₂'A₂'＝O₁'A₁'＝R；由以上关系得到式1和式2：

O₂'B₂'＝O₂'A₂'+A₂'B₂'                   (1)

O₂'B₃'＝O₂'A₂'+A₂'B₃'                  (2)

(3)在物理坐标系中，设点O₁坐标为(a,0)，点O₂坐标为(-a,0)，得到A₂'所在圆的方程为式3，B₂'所在方程为式4：

(x-a)²+y²＝(R+δ)²                    (3)

(x+a)²+y²＝(R+δ)²                  (4)联立式3和式4可得式5：

(4)将式5代入式1，可得到式6：

其中，O₂'B₂'是测量值，R和a是已知值；

(5)同理，B₃'所在方程为式7：

(x+a)²+y²＝(r+δ)²                 (7)

联立式3和式7可得式8：

将式8代入式2，可得到式9：

(6)整理式6和式9，令m＝O₂'B₂',n＝O₂'B₃'，即可得到预行程误差δ如式10所示，Y向安装误差y如式11所示：