龍門制孔機(jī)床點(diǎn)位精度評價方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種龍門制孔機(jī)床點(diǎn)位精度評價方法，其包括步驟：S1，構(gòu)建刀具的理論加工點(diǎn)，并獲取理論加工點(diǎn)的位置坐標(biāo)NPi＝[xi,yi,zi]T和刀具處于該位置時的單位刀軸矢量Vi＝[Ii,Ji,Ki]T；S2，在第一旋轉(zhuǎn)軸上選取不共線的三個點(diǎn)作為標(biāo)志點(diǎn)，將機(jī)床調(diào)整到初始狀態(tài)并利用激光跟蹤儀測量此時各標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)，然后求出第一旋轉(zhuǎn)軸的軸線方程和第二旋轉(zhuǎn)軸的軸線方程，并計算出刀具的刀尖初始位置坐標(biāo)TCP0；S3，啟動機(jī)床工作，利用激光跟蹤儀測量刀具運(yùn)動到各理論加工點(diǎn)處時布置在第一旋轉(zhuǎn)軸上的標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)；S4，計算出刀具的刀尖實(shí)際加工位置坐標(biāo)，并求出刀尖實(shí)際加工位置坐標(biāo)與理論加工位置坐標(biāo)的偏差ΔPi和綜合誤差大小ΔPi。這種測量及計算方法簡單、快速、節(jié)省了成本。
【專利說明】
龍門制孔機(jī)床點(diǎn)位精度評價方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及航空數(shù)字化制造領(lǐng)域，尤其涉及一種龍門制孔機(jī)床點(diǎn)位精度評價方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 數(shù)控機(jī)床是當(dāng)前航空數(shù)字化制造中非常重要的設(shè)備，現(xiàn)有的加工機(jī)床基本采用對 刀的方式建立工件的加工坐標(biāo)系，對加工精度的評價采用測量加工完成后的加工工件的方 法來進(jìn)行評價，以反映機(jī)床本身的加工精度，然而在航空數(shù)字化制造中，對于制孔機(jī)床來 說，所加工的對象為復(fù)雜的異形件，在前期已經(jīng)經(jīng)過了多道工序的安裝與固定，所加工的對 象發(fā)生變形的大小不可提前估計，若采用對刀的方式，加工精度難以保證;對制造件來說， 制造件上加工的孔位布置通常不規(guī)則，在實(shí)際中難以通過直接測量工件的孔位和孔的方向 對機(jī)床的精度進(jìn)行評價，又因?yàn)樗庸さ膶ο篌w積龐大，因而制造成本較高，模擬件測量的 操作較為繁瑣，且對加工后工件再測量，機(jī)床精度的影響因素難以分析。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 鑒于【背景技術(shù)】中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種龍門制孔機(jī)床點(diǎn)位精度 評價方法，其能快速實(shí)現(xiàn)龍門制孔機(jī)床點(diǎn)位精度的鑒定，且鑒定的成本較低、結(jié)果準(zhǔn)確度 尚。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種龍門制孔機(jī)床點(diǎn)位精度評價方法，其用于 評價包括刀具、第一旋轉(zhuǎn)軸和第二旋轉(zhuǎn)軸的龍門制孔機(jī)床的點(diǎn)位精度，包括步驟SI、S2、S3 以及S4。
[0005] S1，在龍門制孔機(jī)床的機(jī)床全局坐標(biāo)系0-ΧΥΖ下構(gòu)建刀具的理論加工點(diǎn)，并獲取理 論加工點(diǎn)的位置坐標(biāo)奶=|^^，2；1]1'和刀具處于該位置時的單位刀軸矢量\^=[]^，]^，1^ ] τ，其中I i，Ji和Ki分別為刀具的刀軸在龍門制孔機(jī)床坐標(biāo)系的X軸、Y軸、Z軸上的矢量，i = 1，2，…，N，N表示設(shè)置的理論加工點(diǎn)的個數(shù)。
[0006] S2,在第一旋轉(zhuǎn)軸上選取不共線的三個點(diǎn)作為標(biāo)志點(diǎn)，將機(jī)床調(diào)整到初始狀態(tài)并 利用激光跟蹤儀測量此時各標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)，然后分別求出第一旋轉(zhuǎn)軸的軸線方程和第二旋 轉(zhuǎn)軸的軸線方程，最后計算出刀具的刀尖初始位置坐標(biāo)TCP〇。
[0007] S3,啟動機(jī)床工作，在機(jī)床的刀具加工狀態(tài)下，利用激光跟蹤儀測量刀具運(yùn)動到各 理論加工點(diǎn)處時布置在第一旋轉(zhuǎn)軸上的標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)。
[0008] S4，根據(jù)步驟S2中得到的刀尖初始位置坐標(biāo)TCPo、第一旋轉(zhuǎn)軸上的各標(biāo)志點(diǎn)的坐 標(biāo)和步驟S3中得到的第一旋轉(zhuǎn)軸上的標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)計算出刀具的刀尖實(shí)際加工位置坐標(biāo)， 然后求出刀尖實(shí)際加工位置坐標(biāo)與理論加工位置坐標(biāo)的偏差A(yù)Pi=[ AXi，AYi，AZi]T和綜 合誤差大小I I Δ Pi I I，即：
[0009] APi = TCPi-NPi
[0011] 本發(fā)明的有益效果如下：
[0012] 在根據(jù)本發(fā)明的龍門制孔機(jī)床點(diǎn)位精度評價方法中，只需要在機(jī)床處于初始狀態(tài) 時，在第一旋轉(zhuǎn)軸上選取不共線的三個點(diǎn)作為標(biāo)志點(diǎn)并采用激光跟蹤儀測量此時各標(biāo)志點(diǎn) 的坐標(biāo);然后在機(jī)床的刀具加工狀態(tài)下，利用激光跟蹤儀測量刀具運(yùn)動到各理論加工點(diǎn)處 時各標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)；最后根據(jù)激光跟蹤儀測量出的數(shù)據(jù)間接計算出刀尖實(shí)際加工位置坐 標(biāo)，并得出刀尖實(shí)際加工位置坐標(biāo)與理論加工位置坐標(biāo)的偏差A(yù) PjP綜合誤差大小I I ΔΡ, 。這種測量及計算方法簡單、快速、節(jié)省了成本。此外，利用刀尖實(shí)際加工位置坐標(biāo)與理論 加工位置坐標(biāo)的偏差A(yù)PdP綜合誤差大小| | APd |評價龍門制孔機(jī)床的綜合位置精度時得 出的鑒定結(jié)果準(zhǔn)確度高，能滿足龍門制孔機(jī)床加工工件時的點(diǎn)位精度鑒定要求。
【附圖說明】
[0013] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的龍門制孔機(jī)床點(diǎn)位精度評價方法中所采用的龍門制孔機(jī)床的 整體示意圖，其中示出了理論加工點(diǎn)的位置；
[0014] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的龍門制孔機(jī)床點(diǎn)位精度評價方法中所采用的龍門制孔機(jī)床的 整體示意圖；
[0015] 圖3是圖2中圓圈部分的放大圖；
[0016] 圖4是根據(jù)本發(fā)明的龍門制孔機(jī)床點(diǎn)位精度評價方法中的構(gòu)建機(jī)床全局坐標(biāo)系0-XYZ的示意圖；
[0017] 圖5是圖1中的龍門制孔機(jī)床的在初始狀態(tài)下刀具的位置簡化示意圖；
[0018] 圖6是根據(jù)本發(fā)明的龍門制孔機(jī)床點(diǎn)位精度評價方法中的龍門制孔機(jī)床在初始狀 態(tài)下建立的剛體直角坐標(biāo)系Oq-XqYqZo和龍門制孔機(jī)床的刀具運(yùn)動到各理論加工點(diǎn)處時建 立的剛體直角坐標(biāo)系On-XnYnZn ;
[0019] 其中，附圖標(biāo)記說明如下：
[0020] W工件 1龍門
[0021] ΝΡ理論加工點(diǎn) 11橫梁
[0022] L激光跟蹤儀 12縱梁
[0023] Α第一旋轉(zhuǎn)軸 2底座
[0024] C第二旋轉(zhuǎn)軸 3擺頭
[0025] D公垂線 31腕心
[0026] K 刀具
[0027] TB1第一靶球基座
[0028] TB2第二靶球基座
[0029] TB3第三靶球基座
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面參照附圖來詳細(xì)說明根據(jù)本發(fā)明的龍門制孔機(jī)床點(diǎn)位精度評價方法。
[0031] 參照圖1至圖6,龍門制孔機(jī)床點(diǎn)位精度評價方法用于評價包括刀具K、第一旋轉(zhuǎn)軸 A和第二旋轉(zhuǎn)軸C的龍門制孔機(jī)床的點(diǎn)位精度，包括步驟SI、S2、S3以及S4。
[0032] S1，在龍門制孔機(jī)床的機(jī)床全局坐標(biāo)系0-ΧΥΖ下構(gòu)建刀具K的理論加工點(diǎn)NP，并獲 取理論加工點(diǎn)NP的位置坐標(biāo)NPi= [11，71，2：1]1'和刀具1(處于該位置時的單位刀軸矢量\^ = [Ii，Ji，Ki]T，其中Ii，Ji和Ki分別為刀具K的刀軸在龍門制孔機(jī)床坐標(biāo)系的X軸、Y軸、Z軸上的 矢量，1 = 1，2，-_，11'1表示設(shè)置的理論加工點(diǎn)即的個數(shù)(如圖1和圖3所示）。
[0033] S2,在第一旋轉(zhuǎn)軸A上選取不共線的三個點(diǎn)作為標(biāo)志點(diǎn)，將機(jī)床調(diào)整到初始狀態(tài)并 利用激光跟蹤儀L測量此時各標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)，然后分別求出第一旋轉(zhuǎn)軸A的軸線方程和第二 旋轉(zhuǎn)軸C的軸線方程，最后計算出刀具K的刀尖初始位置坐標(biāo)TCP〇(如圖5和圖6所示）。
[0034] S3,啟動機(jī)床工作，在機(jī)床的刀具加工狀態(tài)下，利用激光跟蹤儀L測量刀具K運(yùn)動到 各理論加工點(diǎn)NP處時布置在第一旋轉(zhuǎn)軸A上的標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)。
[0035] S4，根據(jù)步驟S2中得到的刀尖初始位置坐標(biāo)TCPo、第一旋轉(zhuǎn)軸A上的各標(biāo)志點(diǎn)的坐 標(biāo)和步驟S3中得到的第一旋轉(zhuǎn)軸A上的標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)計算出刀具K的刀尖實(shí)際加工位置坐 標(biāo)，然后求出刀尖實(shí)際加工位置坐標(biāo)與理論加工位置坐標(biāo)的偏差A(yù)Pi=[AXi，AYi，AZi] T 和綜合誤差大小I I ΑΡ, I I，即：
[0036] APi = TCPi-NPi
[0037] I網(wǎng)卜+ 〇
[0038] 在根據(jù)本發(fā)明的龍門制孔機(jī)床點(diǎn)位精度評價方法中，只需要在機(jī)床處于初始狀態(tài) 時，在第一旋轉(zhuǎn)軸A上選取不共線的三個點(diǎn)作為標(biāo)志點(diǎn)并采用激光跟蹤儀L測量此時各標(biāo)志 點(diǎn)的坐標(biāo);然后在機(jī)床的刀具加工狀態(tài)下，利用激光跟蹤儀L測量刀具K運(yùn)動到各理論加工 點(diǎn)NP處時各標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo);最后根據(jù)激光跟蹤儀L測量出的數(shù)據(jù)間接計算出刀尖實(shí)際加工 位置坐標(biāo)，并得出刀尖實(shí)際加工位置坐標(biāo)與理論加工位置坐標(biāo)的偏差ΔΡ4Ρ綜合誤差大小 I APl| |。這種測量及計算方法簡單、快速、節(jié)省了成本。此外，利用刀尖實(shí)際加工位置坐標(biāo) 與理論加工位置坐標(biāo)的偏差A(yù)PdP綜合誤差大小| | APd |評價龍門制孔機(jī)床的綜合位置精 度時得出的鑒定結(jié)果準(zhǔn)確度高，能滿足龍門制孔機(jī)床加工工件W時的點(diǎn)位精度鑒定要求。 [0039]在這里補(bǔ)充說明的是，龍門制孔機(jī)床還包括由橫梁11和位于橫梁11兩端的縱梁12 構(gòu)成的龍門1，以及用于支撐龍門1的底座2,且龍門1可相對底座2沿龍門制孔機(jī)床的機(jī)床全 局坐標(biāo)系0-ΧΥΖ的X軸滑動。
[0040]其中，機(jī)床全局坐標(biāo)系0-ΧΥΖ的建立過程為:首先，在龍門制孔機(jī)床的底座2的四個 角A、B、C和D上設(shè)置標(biāo)志點(diǎn)并將每個角的三個互相垂直的面設(shè)置為標(biāo)志面，其中，A1、B1、C1 和D1分別表示四個角的上表面，42、82、02、02及六3、83、03、03表示四個角的兩側(cè)表面;然后， 利用激光跟蹤儀L測量平面A1、B1、C1和D1，將四個平面擬合為一個平面，將該平面作為機(jī)床 全局坐標(biāo)系0-ΧΥΖ的X軸和Y軸組成的XY平面，相應(yīng)的垂直XY平面向上的向量為Z軸的單位方 向向量接著，利用激光跟蹤儀L測量A、B、C和D四個角中其中一個角的兩個側(cè)平面，分別 計算兩個側(cè)平面與XY平面的交線，并計算兩條交線的交點(diǎn)作為全局坐標(biāo)系的原點(diǎn)〇;接著， 在龍門1上固定一個靶球基座，在該靶球基座上設(shè)置一個靶球并移動龍門，在移動龍門1的 同時利用激光跟蹤儀L跟蹤靶球，得出測量數(shù)據(jù)并將靶球的運(yùn)動軌跡擬合成一條直線并得 到靶球運(yùn)動（即龍門運(yùn)動）的單位方向向量，當(dāng)然這里可以來回測量多次，并根據(jù)多次測量 結(jié)果得到龍門運(yùn)動的單位方向向量4，取龍門運(yùn)動的單位方向向量^為全局坐標(biāo)系X軸的 單位方向向量;最后，通過z軸的單位方向向量^和乂軸的單位方向向量ξ，計算得到龍門制 孔機(jī)床全局坐標(biāo)系O-XYZ的Y軸的方向向量
1，由此得出兩兩垂直，從 而建立龍門制孔機(jī)床全局坐標(biāo)系〇-ΧΥΖ(參照圖4)。
[0041]在這里進(jìn)一步補(bǔ)充說明的是，機(jī)床的初始狀態(tài)是指龍門1處于龍門制孔機(jī)床的底 座2的一端、第一旋轉(zhuǎn)軸Α與機(jī)床全局坐標(biāo)系0-ΧΥΖ的X軸方向一致且第二旋轉(zhuǎn)軸C與機(jī)床全 局坐標(biāo)系0-ΧΥΖ的Z軸方向方向一致時的位置狀態(tài)。
[0042]根據(jù)本發(fā)明的龍門制孔機(jī)床點(diǎn)位精度評價方法，在一實(shí)施例中，可由刀尖實(shí)際加 工位置坐標(biāo)與理論加工位置坐標(biāo)的綜合誤差I(lǐng) I APi| I求出I I APi| I在垂直刀軸方向上的分 量I I APA I，并將I I APli| I作為評價龍門制孔機(jī)床點(diǎn)位精度的評價指標(biāo)，I I APli| I的計 算公式為： |A/f|卜 I=|(五 κΓ 岡 |
[0043] [1-# -從屬]卜] =-1,1, 1~J： -JM, AYt -尤義-尺1-Χ;2
[0044] 在這里補(bǔ)充說明的是，刀尖實(shí)際加工位置坐標(biāo)與理論加工位置坐標(biāo)的綜合誤差I(lǐng) APd I在垂直刀軸方向上的分量I I ΔΡ^Ι I能夠反映出工件w上的孔的位置偏差，從而可作 為用于評價龍門制孔機(jī)床點(diǎn)位精度的評價指標(biāo)，其得出的鑒定結(jié)果準(zhǔn)確度高且能滿足龍門 制孔機(jī)床加工工件W時的點(diǎn)位精度鑒定要求。
[0045] 在根據(jù)本發(fā)明的龍門制孔機(jī)床點(diǎn)位精度評價方法中，參照圖1，步驟S1包括步驟： S11，在龍門制孔機(jī)床的機(jī)床全局坐標(biāo)系0-ΧΥΖ中，根據(jù)龍門制孔機(jī)床的刀具Κ可運(yùn)動行程范 圍，畫出與刀具Κ可運(yùn)動行程的長度、寬度、高度一致的工件W，并建立工件坐標(biāo)系且工件坐 標(biāo)系各軸的方向與機(jī)床坐標(biāo)系各軸一致;S12,使用三維軟件的計算機(jī)輔助制造(Computer Aided Manufacturing，縮寫為CAM)模塊在工件W內(nèi)等空間距離陣列布置加工孔，且加工孔 的位置不超出刀具K可運(yùn)動行程范圍，加工孔即為理論加工點(diǎn)NP;S13,使用所述三維軟件的 前置處理功能和后置處理功能生成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)控(Numerical Control，簡稱為NC)加工文件 并將其導(dǎo)入機(jī)床的控制系統(tǒng)(未示出）中。
[0046] 根據(jù)本發(fā)明的龍門制孔機(jī)床點(diǎn)位精度評價方法，在一實(shí)施例中，可使用三維軟件 CATIA R18的CAM模塊在工件W內(nèi)等空間距離陣列布置加工孔。
[0047]在這里補(bǔ)充說明的是，使用CATIA R18的前置處理功能和后置處理功能生成標(biāo)準(zhǔn) 的NC加工文件的具體操作為:使用CATIA二次開發(fā)技術(shù)，在工件坐標(biāo)系下提取布置的加工孔 的點(diǎn)位坐標(biāo)NPi = [ xi，y i，z i ]τ和刀具K處于該位置時的單位刀軸矢量Vi = [ I i，Ji，Ki ]τ，并使 用編寫的文本處理軟件，將數(shù)據(jù)點(diǎn)處理為APT標(biāo)準(zhǔn)的格式，作為后置處理的輸入文件流，后 置處理使用自編寫的軟件，根據(jù)真實(shí)機(jī)床所使用的數(shù)控系統(tǒng)要求，將生成的APT文件翻譯為 G代碼格式的NC加工文件。
[0048]在根據(jù)本發(fā)明的龍門制孔機(jī)床點(diǎn)位精度評價方法中，參照圖5和圖6,步驟S2包括 步驟:S21，在第一旋轉(zhuǎn)軸A上固定安置第一靶球基座TB1、第二靶球基座TB2、第三靶球基座 TB3,則第一旋轉(zhuǎn)軸A上的與第一靶球基座TB1、第二靶球基座TB2、第三靶球基座TB3對應(yīng)的 位置作為標(biāo)志點(diǎn)，第一靶球基座TB1、第二靶球基座TB2、第三靶球基座TB3各對應(yīng)設(shè)置有一個 靶球(各靶球固定于相應(yīng)的靶球基座);S22，在機(jī)床初始狀態(tài)下啟動第二旋轉(zhuǎn)軸C運(yùn)動，此時利用 激光跟蹤儀L跟蹤任意一個祀球，得到由該靶球的運(yùn)動軌跡形成的擬合圓的圓心坐標(biāo)P e和該擬 合圓的法向量，從而得出第二旋轉(zhuǎn)軸C的軸線方程為e (-X、-X)， k%參數(shù)，（1(^(；，2(；)1'表示第二旋轉(zhuǎn)軸〇的軸線上的任意一點(diǎn)的坐標(biāo);323，在初始狀態(tài)下啟 動第一旋轉(zhuǎn)軸A運(yùn)動，此時利用激光跟蹤儀L跟蹤任意一個靶球，得到由該靶球的運(yùn)動軌跡 形成的擬合圓的圓心坐標(biāo)P A和該擬合圓的法向量#，從而得出第一旋轉(zhuǎn)軸A的軸線方程為 (Λυ?)Γ =i^+P e (-〇〇,+〇〇)，0為參數(shù)，（XA，yA, ZA)1^示第一旋轉(zhuǎn)軸 A 的軸線上 的任意一點(diǎn)的坐標(biāo);S24,根據(jù)步驟S22得到的第二旋轉(zhuǎn)軸C的軸線方程和步驟S23得到的第 一旋轉(zhuǎn)軸A的軸線方程計算出刀具K的刀尖初始位置坐標(biāo)TCP〇。
[0049] 根據(jù)本發(fā)明的龍門制孔機(jī)床點(diǎn)位精度評價方法，在步驟S24中，參照圖5，刀具K的 刀尖初始位置坐標(biāo)TCP〇的計算過程為：
[0050] S241，求出第二旋轉(zhuǎn)軸C的軸線和第一旋轉(zhuǎn)軸A的軸線的公垂線D的方程為：
為參數(shù)，^^@)1'表示公垂線〇上的任意一點(diǎn)的坐標(biāo)；
[0052] S242,聯(lián)立第二旋轉(zhuǎn)軸C的軸線方程和公垂線D的方程，得到機(jī)床的擺頭3的腕心31 的坐標(biāo)T，即Γ = Ι?. + Pe，其中，
[0053] S243,將腕心31的坐標(biāo)T沿第二旋轉(zhuǎn)軸C的軸線方向向刀具K的刀尖方向偏移第一 旋轉(zhuǎn)軸A的擺長距離LSP即可得到刀尖初始位置坐標(biāo)7TG + ，其中擺長距離Lsp為刀 具K的刀尖距離擺頭3的腕心31的距離。
[0054] 在這里補(bǔ)充說明的是，機(jī)床的擺頭3由第一旋轉(zhuǎn)軸A、第二旋轉(zhuǎn)軸C、刀具K以及將第 一旋轉(zhuǎn)軸A、第二旋轉(zhuǎn)軸C和刀具K連接到一起的連接部件構(gòu)成，由于相應(yīng)的連接部件不是本 發(fā)明的重點(diǎn)，這里不詳細(xì)說明。其中，由于第一旋轉(zhuǎn)軸A和刀具K可隨著第二旋轉(zhuǎn)軸C旋轉(zhuǎn)運(yùn) 動，而刀具K還可隨著第一旋轉(zhuǎn)軸A旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，從而使刀具K可以運(yùn)動到各理論加工點(diǎn)NP處。
[0055] 根據(jù)本發(fā)明的龍門制孔機(jī)床點(diǎn)位精度評價方法，在步驟S3中，參照圖6,啟動機(jī)床 工作，在機(jī)床的刀具加工狀態(tài)下，利用激光跟蹤儀L測量刀具K運(yùn)動到各理論加工點(diǎn)NP處時 布置在第一旋轉(zhuǎn)軸A上的第一靶球基座TB1、第二靶球基座TB2、第三靶球基座TB3的坐標(biāo)，即 TB\ ,ΤΒΤ ^[x[BZ,y[B2,zlTB2f , TB3' , / - 1.2,···, , N表示理論加工點(diǎn)NP的個數(shù)。
[0056] 在根據(jù)本發(fā)明的龍門制孔機(jī)床點(diǎn)位精度評價方法中，參照圖6，步驟S4包括步驟： S41，在機(jī)床的初始狀態(tài)下，利用第一靶球基座TB1、第二靶球基座TB2、第三靶球基座TB3建 立初始狀態(tài)下的剛體直角坐標(biāo)系Oq-XqYqZo,并求出剛體直角坐標(biāo)系Οο-ΧοΥοΖο與機(jī)床全局坐 標(biāo)系0-ΧΥΖ的齊次變換矩陣M〇; S42,在機(jī)床的刀具加工狀態(tài)下，當(dāng)?shù)毒擀\(yùn)動到各理論加工 點(diǎn)NP處時，利用第一靶球基座TB1、第二靶球基座TB2、第三靶球基座TB3建立加工狀態(tài)下的 剛體直角坐標(biāo)系〇 η-ΧηΥηΖη，并求出剛體直角坐標(biāo)系0η-Χ ηΥηΖη與機(jī)床全局坐標(biāo)系0-ΧΥΖ的齊次 變換矩陣1及各理論加工點(diǎn)NP對應(yīng)的齊次變換矩陣Mi;S43,根據(jù)步驟S41和S42求出各理論 加工點(diǎn)NP對應(yīng)的齊次變換矩陣Mi相對于Mo的變換矩陣為Ti，然后計算各理論加工點(diǎn)NP對應(yīng) 地的實(shí)際加工位置坐標(biāo)TCPi; S44，計算實(shí)際加工位置坐標(biāo)TCPi與理論加工點(diǎn)NP位置坐標(biāo)NPi 的偏差A(yù) Pi。
[0057]在根據(jù)本發(fā)明的龍門制孔機(jī)床點(diǎn)位精度評價方法中，參照圖6,步驟S41包括步驟 S411、S412 以及 S413。
[0058] S411，以第一靶球基座TB1為坐標(biāo)原點(diǎn)0〇、第一靶球基座TB1指向第二靶球基座TB2 的方向?yàn)閄〇軸方向、第一靶球基座TB1、第二靶球基座TB2、第三靶球基座TB3三點(diǎn)構(gòu)成的平 面的垂線方向?yàn)閆q軸方向建立剛體直角坐標(biāo)系Oq-XqYoZo。
[0059] S412,利用激光跟蹤儀L測量在剛體直角坐標(biāo)系Οο-ΧοΥοΖο下的第一靶球基 座Τ Β 1、第二靶球基座Τ Β 2、第三靶球基座Τ Β 3的位置坐標(biāo)分別為 = [.',4,4/，招2° = [42,7^42]Γ，頂3° = [43,<3,4/，則X。軸單位方向 向量表達(dá)式為；
[0062] Ζο軸單位方向向量表達(dá)式為：
[0065] 然后根據(jù)右手定則得到Υο軸單位方向向量表達(dá)式，為:Λ = A xi0。
[0066] S413,由步驟S412得到剛體直角坐標(biāo)系Οο-ΧοΥοΖο與機(jī)床全局坐標(biāo)系0-ΧΥΖ的齊次 變換矩陣Mo，SP : "χ? vn Wf~
[0067] Mr. = 6 - 0 0 〇 L 0 0 0 1
[0068] 在根據(jù)本發(fā)明的龍門制孔機(jī)床點(diǎn)位精度評價方法中，參照圖6,步驟S42包括步驟 S421、S422 以及 S423。
[0069] S421，以第一靶球基座TB1為坐標(biāo)原點(diǎn)0n、第一靶球基座TB1指向第二靶球基座TB2 的方向?yàn)閄n軸方向、第一靶球基座TB1、第二靶球基座TB2、第三靶球基座TB3三點(diǎn)構(gòu)成的平 面的垂線方向?yàn)閆n軸方向建立剛體直角坐標(biāo)系On-XnYnZn。
[0070] S422,利用激光跟蹤儀L實(shí)時測量在剛體直角坐標(biāo)系0η-χηγηζ η下的第一靶球基座 ΤΒ1、第二靶球基座ΤΒ2、第三靶球基座ΤΒ3在刀具Κ運(yùn)動到各理論加工點(diǎn)ΝΡ處時的位置坐標(biāo) 分別為ΓβΓ ，Γ52" =KB2j;B2,42f，Γ53" 單位方向向量表達(dá)式為：
[0073] Zn軸單位方向向量表達(dá)式為：
[0076] 然后根據(jù)右手定則得至仏軸單位方向向量表達(dá)式，為:又X毛。
[0077] S423,由步驟S422得到剛體直角坐標(biāo)系0η-χηγ ηζη與機(jī)床全局坐標(biāo)系0-ΧΥΖ的齊次 變換矩陣Mn，SP: 3 v z mv r
[0078] Mn = n - B n
[ο ο ο l 〒 γ ΤΒ?
[0079] 由此，各理論加工點(diǎn)NP對應(yīng)的齊次變換矩陣M,.= J ' ? 0 0 0 1
[0080] 其中，n = 0，l，2,…，N，i = l，2，."，N，N表示刀具K的理論加工點(diǎn)NP的個數(shù)。
[0081]在根據(jù)本發(fā)明的龍門制孔機(jī)床點(diǎn)位精度評價方法中，步驟S43包括步驟:S431，求 出各理論加工點(diǎn)ΝΡ對應(yīng)的齊次變換矩陣Mi相對于Mo的變換矩陣為Ti，即：
[0082] Tt=MrM；'
[0083] S432，計算出各理論加工點(diǎn)NP對應(yīng)地的實(shí)際加工位置坐標(biāo)7Τη = (Xp ，計 算公式為： Γ ? 「叫 Γ , , , ηΓ r「roq
[0084] ι ^up^up^up^ =Tr { 一 J L 」〇
[0085] 根據(jù)本發(fā)明的龍門制孔機(jī)床點(diǎn)位精度評價方法，在一實(shí)施例中，使用三維軟件的 計算機(jī)輔助制造模塊在工件W內(nèi)等空間距離陣列布置了35個加工孔，即理論加工點(diǎn)NP的個 數(shù)為35。
[0086] 根據(jù)本發(fā)明的龍門制孔機(jī)床點(diǎn)位精度評價方法，在一實(shí)施例中，利用激光跟蹤儀L 在機(jī)床的龍門1處于底座2上五個不同位置時分別測量出的數(shù)據(jù)計算得到各位置時綜合誤 差 APio
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種龍門制孔機(jī)床點(diǎn)位精度評價方法，用于評價包括刀具(K)、第一旋轉(zhuǎn)軸(A)和第 二旋轉(zhuǎn)軸(C)的龍門制孔機(jī)床的點(diǎn)位精度，其特征在于，所述龍門制孔機(jī)床點(diǎn)位精度評價方 法包括步驟： Sl，在龍門制孔機(jī)床全局坐標(biāo)系O-XYZ下構(gòu)建刀具(K)的理論加工點(diǎn)NP，并獲取理論加 工點(diǎn)(NP)的位置坐標(biāo)肌=[取#，^]1和刀具(1〇處于該位置時的單位刀軸矢量￥1=[11心， Ki]T，其中Ii，Ji和Ki分別為刀具(K)的刀軸在龍門制孔機(jī)床坐標(biāo)系的X軸、Y軸、Z軸上的矢量， i = 1，2，…，N，N表示設(shè)置的理論加工點(diǎn)(NP)的個數(shù)； 52, 在第一旋轉(zhuǎn)軸(A)上選取不共線的三個點(diǎn)作為標(biāo)志點(diǎn)，將機(jī)床調(diào)整到初始狀態(tài)并利 用激光跟蹤儀(L)測量此時各標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)，然后分別求出第一旋轉(zhuǎn)軸(A)的軸線方程和第 二旋轉(zhuǎn)軸(C)的軸線方程，最后計算出刀具(K)的刀尖初始位置坐標(biāo)TCP 0; 53, 啟動機(jī)床工作，在機(jī)床的刀具加工狀態(tài)下，利用激光跟蹤儀(L)測量刀具(K)運(yùn)動到 各理論加工點(diǎn)(NP)處時布置在第一旋轉(zhuǎn)軸(A)上的標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)； 54, 根據(jù)步驟S2中得到的刀尖初始位置坐標(biāo)TCPo、第一旋轉(zhuǎn)軸(A)上的各標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo) 和步驟S3中得到的第一旋轉(zhuǎn)軸(A)上的標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)計算出刀具(K)的刀尖實(shí)際加工位置 坐標(biāo)，然后求出刀尖實(shí)際加工位置坐標(biāo)與理論加工位置坐標(biāo)的偏差A(yù)Pi = [ AXi, AYi, Δ Zi]T和綜合誤差大小I I AP1I I，即：其中，I I AP1I I作為評價龍門制孔機(jī)床點(diǎn)位精度的評價指標(biāo)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的龍門制孔機(jī)床點(diǎn)位精度評價方法，其特征在于，由刀尖實(shí)際加 工位置坐標(biāo)與理論加工位置坐標(biāo)的綜合誤差I(lǐng) I APiI I求出I I APiI I在垂直刀軸方向上的分 量I I AP11I I，并將I I AP11I I作為評價龍門制孔機(jī)床點(diǎn)位精度的評價指標(biāo)，I I AP11I I的計 算公式為：其中，E為單位矩陣。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的龍門制孔機(jī)床點(diǎn)位精度評價方法，其特征在于，步驟Sl包括步 驟： SI 1，在龍門制孔機(jī)床的機(jī)床全局坐標(biāo)系O-XYZ中，根據(jù)龍門制孔機(jī)床的刀具(K)可運(yùn)動 行程范圍，畫出與刀具(K)可運(yùn)動行程的長度、寬度、高度一致的工件(W)，并建立工件坐標(biāo) 系且工件坐標(biāo)系各軸的方向與機(jī)床坐標(biāo)系各軸一致； 512, 使用三維軟件的計算機(jī)輔助制造模塊在工件(W)內(nèi)等空間距離陣列布置加工孔， 且加工孔的位置不超出刀具(K)可運(yùn)動的行程范圍，加工孔即為理論加工點(diǎn)(NP); 513, 使用三維軟件的前置處理和后置處理功能生成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)控加工文件。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的龍門制孔機(jī)床點(diǎn)位精度評價方法，其特征在于，步驟S2包括步 驟： S21，在第一旋轉(zhuǎn)軸(A)上固定安置第一靶球基座(TBl)、第二靶球基座(TB2)、第三靶球 基座(TB3)，則第一旋轉(zhuǎn)軸(A)上的與第一靶球基座(TBl)、第二靶球基座(TB2)、第三靶球基 座(TB3)對應(yīng)的位置作為標(biāo)志點(diǎn)，第一靶球基座(TBl)、第二靶球基座(TB2)、第三靶球基座 (TB3)各對應(yīng)設(shè)置有一個靶球； S22，在機(jī)床初始狀態(tài)下啟動第二旋轉(zhuǎn)軸(C)運(yùn)動，此時利用激光跟蹤儀(L)跟蹤任意一 個靶球，得到由該靶球的運(yùn)動軌跡形成的擬合圓的圓心坐標(biāo)p4p該擬合圓的法向量#，從 而得出第二旋轉(zhuǎn)軸（C)的軸線方ieS參數(shù)， (xc，yc，z(；)T表示第二旋轉(zhuǎn)軸C的軸線上的任意一點(diǎn)的坐標(biāo)； 523, 在初始狀態(tài)下啟動第一旋轉(zhuǎn)軸(A)運(yùn)動，此時利用激光跟蹤儀(L)跟蹤任意一個靶球，得到由該靶球的運(yùn)動軌跡形成的擬合圓的圓心坐標(biāo)Pa和該擬合圓的法向量#，從而得 出第一旋轉(zhuǎn)軸(A)的軸線方程^ 1為參數(shù)，（XA， yA，zA)τ表示第一旋轉(zhuǎn)軸A的軸線上的仕葸一點(diǎn)的坐稱； 524, 根據(jù)步驟S22得到的第二旋轉(zhuǎn)軸(C)的軸線方程和步驟S23得到的第一旋轉(zhuǎn)軸(A) 的軸線方程計算出刀具(Κ)的刀尖初始位置坐標(biāo)TCP 0。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的龍門制孔機(jī)床點(diǎn)位精度評價方法，其特征在于，在步驟S24中， 刀具(K)的刀尖初始位置坐標(biāo)TCPo的計算過程為： S241，求出第二旋轉(zhuǎn)軸(C)的軸線和第一旋轉(zhuǎn)軸(A)的軸線的公垂線(D)的方程為：為參 數(shù)，（XD，⑷"表示公垂線(D)上的任意一點(diǎn)的坐標(biāo)； S242,聯(lián)立第二旋轉(zhuǎn)軸(C)的軸線方程和公垂線(D)的方程，得到機(jī)床的擺頭(3)的腕心 (31)的坐標(biāo)TJPr = Iic-S243，將腕心（31)的坐標(biāo)T沿苐二旋轉(zhuǎn)軸（C)的軸線萬問問刀具（K)的刀尖方向偏移第 一旋轉(zhuǎn)軸(a)的擺長距離Lsp即可得到刀尖初始位置坐標(biāo)i〇v=r+4P ·，，其中擺長距離 Lsp為刀具(K)的刀尖距離第一旋轉(zhuǎn)軸(A)的腕心T的距離。6. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的龍門制孔機(jī)床點(diǎn)位精度評價方法，其特征在于，在步驟S3 中， 啟動機(jī)床工作，在機(jī)床的刀具加工狀態(tài)下，利用激光跟蹤儀(L)測量刀具(K)運(yùn)動到各 理論加工點(diǎn)(NP)處時布置在第一旋轉(zhuǎn)軸(A)上的第一靶球基座(TBl)、第二靶球基座(ΤΒ2)、 第三靶球基座(TB3)的坐標(biāo)，即7=1，2，…，N，N表示理論加工點(diǎn)NP的個數(shù)。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的龍門制孔機(jī)床點(diǎn)位精度評價方法，其特征在于，步驟S4包括步 驟： S41，在機(jī)床的初始狀態(tài)下，利用第一靶球基座(TB 1)、第二靶球基座(TB2)、第三靶球基 座(TB3)建立初始狀態(tài)下的剛體直角坐標(biāo)系Οο-ΧοΥοΖο,并求出剛體直角坐標(biāo)系Oq-XoYoZq與機(jī) 床全局坐標(biāo)系O-XYZ的齊次變換矩陣Mo; 542, 在機(jī)床的刀具加工狀態(tài)下，當(dāng)?shù)毒?K)運(yùn)動到各理論加工點(diǎn)(NP)處時，利用第一靶 球基座(TB 1)、第二靶球基座(TB2)、第三靶球基座(TB3)建立加工狀態(tài)下的剛體直角坐標(biāo)系 On-XnYnZn，并求出剛體直角坐標(biāo)系On-XnYnZ n與機(jī)床全局坐標(biāo)系O-XYZ的齊次變換矩陣1及各 理論加工點(diǎn)(NP)對應(yīng)的齊次變換矩陣Mi; 543, 根據(jù)步驟S41和S42求出各理論加工點(diǎn)(NP)對應(yīng)的齊次變換矩陣Mi相對于Mo的變換 矩陣為T i，然后計算各理論加工點(diǎn)(NP)對應(yīng)的實(shí)際加工位置坐標(biāo)TCPi; 544, 計算實(shí)際加工位置坐標(biāo)TCPi與理論加工點(diǎn)(NP)位置坐標(biāo)NPi的偏差Δ Pi。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的龍門制孔機(jī)床點(diǎn)位精度評價方法，其特征在于，步驟S41包括 步驟： S411，以第一靶球基座（TBl)為坐標(biāo)原點(diǎn)0〇、第一靶球基座（TBl)指向第二靶球基座 (TB2)的方向?yàn)閄o軸方向、第一靶球基座(TB 1)、第二靶球基座(TB2)、第三靶球基座(TB3)三 點(diǎn)構(gòu)成的平面的垂線方向?yàn)閆q軸方向建立剛體直角坐標(biāo)系Oq-XqYoZ 0; 5412, 利用激光跟蹤儀（L)測量在剛體直角坐標(biāo)系Οο-ΧοΥοΖο下的第一靶球基座 (T B 1 )、第二靶球基座（T B 2 )、第三靶球基座（T B 3 )的位置坐標(biāo)分別為 ，則Xo軸單位方向向 里衣込工、乃；然后根據(jù)右手定則得到Y(jié)o軸單位方向向量表達(dá)式，為:Λ = 4 x A ; 5413, 由步驟S412得到剛體直角坐標(biāo)系Οο-ΧοΥοΖο與機(jī)床全局坐標(biāo)系O-XYZ的齊次變換矩 陣Μο,即：9.根據(jù)權(quán)利要求7所還的龍I'」制孔機(jī)床點(diǎn)位精度評價方法，其特征在于，步驟S42包括 步驟： S421，以第一靶球基座TBl為坐標(biāo)原點(diǎn)On、第一靶球基座(TBl)指向第二靶球基座(TB2) 的方向?yàn)閄n軸方向、第一靶球基座(TBl)、第二靶球基座（TB2)、第三靶球基座(TB3)三點(diǎn)構(gòu) 成的平面的垂線方向?yàn)閆n軸方向建立剛體直角坐標(biāo)系On-XnYnZn;5422, 利用激光跟蹤儀（L)實(shí)時測量在剛體直角坐標(biāo)系On-XnYnZ n下的第一靶球基座 (丁81)、第二靶球基座(^似')、笛二靶攏某座(^}?')#71旦（1〇沄動剎夂理論加丁占（即')々卜時 的位置坐標(biāo)分別爻 則Xn軸單位方向向里：然后根據(jù)右手定則得到Y(jié)n軸單位方向向量表達(dá)式，為= ? 5423, 由步驟S422得到剛體直角坐標(biāo)系On-XnYnZn與機(jī)床全局坐標(biāo)系O-XYZ的齊次變換矩 陣M n，即：由此，各理論加工點(diǎn)(NP)對應(yīng)的齊次變換矩陣」其中，11 = 0，1，2，~少，1 = 1，2，"^~表示刀具(1〇的理論加工點(diǎn)陬的個數(shù)。10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的龍門制孔機(jī)床點(diǎn)位精度評價方法，其特征在于，步驟S43包括 步驟： S431，求出各理論加工點(diǎn)(NP)對應(yīng)的齊次變換矩陣Mi相對于Mo的變換矩陣為Ti,即：S43 2，計算出各理論加工點(diǎn)(NP)對應(yīng)地的實(shí)際加工位置坐標(biāo)，計算 公式為：
【文檔編號】G01B11/00GK106017326SQ201610625652
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年8月2日
【發(fā)明人】陳懇, 楊向東, 饒剛, 王國磊, 吳丹, 徐靜, 萬安, 任田雨, 帥朝林, 鄭林斌, 劉順濤, 陳雪梅
【申請人】清華大學(xué)