一種五軸機(jī)床刀具姿態(tài)及刀尖點(diǎn)位置誤差同步檢測(cè)機(jī)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種五軸數(shù)控機(jī)床刀具運(yùn)動(dòng)精度檢測(cè)機(jī)構(gòu)，特別涉及一種具備 RTCP(Rotation tool center point)功能的五軸數(shù)控機(jī)床的刀具姿態(tài)及刀尖點(diǎn)位置誤差 同步檢測(cè)機(jī)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002] 數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)的基礎(chǔ)，數(shù)控機(jī)床的精度將直接影響加工產(chǎn)品的質(zhì) 量。五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床是通過(guò)在傳統(tǒng)三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床上新添加兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，而使其具備 加工復(fù)雜空間曲面的能力。根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，五軸數(shù)控機(jī)床可分為雙擺頭、雙轉(zhuǎn)臺(tái)、擺 頭轉(zhuǎn)臺(tái)等多種類(lèi)型，憑借著加工復(fù)雜空間曲面的優(yōu)良特性，被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)零部件、葉 輪、螺旋槳等高去除率、高精度工件的加工，在航空航天、精密儀器等領(lǐng)域有著重要的影響。
[0003] 因兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的引入使五軸數(shù)控機(jī)床刀具運(yùn)動(dòng)精度的檢測(cè)變得更加困難，如何判 斷五軸數(shù)控機(jī)床是否滿足精度要求是當(dāng)前機(jī)床檢測(cè)領(lǐng)域研宄的一大熱點(diǎn)。而一些傳統(tǒng)的 精度檢測(cè)儀器如激光干涉儀、雙球桿儀、激光跟蹤儀等在多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床精度檢測(cè)方面的局 限性逐步顯現(xiàn)。由于多數(shù)高檔五軸數(shù)控機(jī)床都具備RTCP(繞刀具中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)）功能，利用 RTCP功能在機(jī)床刀尖點(diǎn)不動(dòng)時(shí)進(jìn)行多軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)可以準(zhǔn)確的判斷機(jī)床五軸聯(lián)動(dòng)過(guò)程中刀 具的運(yùn)動(dòng)誤差，了解機(jī)床的加工精度狀況?；赗TCP功能，國(guó)外研制出了一種新型的五軸 數(shù)控機(jī)床刀具運(yùn)動(dòng)精度檢測(cè)儀一一R-test檢測(cè)儀，該檢測(cè)儀選用通用的球頭芯棒，通過(guò)三 個(gè)直線位移傳感器測(cè)量安裝于刀具夾頭上的球頭刀具球心的空間位移量，來(lái)反映機(jī)床在進(jìn) 行多軸聯(lián)動(dòng)的實(shí)際加工過(guò)程中其刀具刀尖點(diǎn)的位置誤差。然而R-test檢測(cè)儀只可以用于 檢測(cè)五軸數(shù)控機(jī)床上刀具刀尖點(diǎn)的三個(gè)軸向的位移誤差，而不能反映五軸數(shù)控機(jī)床刀具的 姿態(tài)即刀具偏離工作臺(tái)坐標(biāo)系z(mì)向的擺角量η和繞該方向旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)角量Θ，這將一定程度 上會(huì)增加測(cè)量結(jié)果的不準(zhǔn)確性，如圖2所示。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決現(xiàn)有檢測(cè)儀器不能在測(cè)量機(jī)床刀具刀尖點(diǎn)空間位置誤差的同時(shí)測(cè)量出 刀具的擺角量和轉(zhuǎn)角量的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種五軸機(jī)床刀具姿態(tài)及刀尖點(diǎn)位置誤差同步 檢測(cè)機(jī)構(gòu)，該檢測(cè)機(jī)構(gòu)可實(shí)時(shí)反映機(jī)床刀具的空間位置誤差、擺角量和轉(zhuǎn)角量。
[0005] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：提供一種五軸機(jī)床刀具姿態(tài)及刀 尖點(diǎn)位置誤差同步檢測(cè)機(jī)構(gòu)，包括：安裝裝置，用于對(duì)各測(cè)量裝置和隨動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行定位，安 裝以及與外部機(jī)床連接，安裝裝置設(shè)置有安裝臺(tái)；隨動(dòng)平臺(tái)，用于構(gòu)成一個(gè)正交的三軸向位 移平臺(tái)，隨動(dòng)平臺(tái)安裝在安裝臺(tái)的下層臺(tái)面上；轉(zhuǎn)角測(cè)量裝置，用于測(cè)量待測(cè)機(jī)床刀具的旋 轉(zhuǎn)角度，轉(zhuǎn)角測(cè)量裝置安裝在隨動(dòng)平臺(tái)上；擺角測(cè)量裝置，用于測(cè)量待測(cè)機(jī)床刀具的擺動(dòng)角 度，擺角測(cè)量裝置中的球狀連接件下部與轉(zhuǎn)角測(cè)量裝置的上部固定連接，測(cè)試時(shí)，擺角測(cè)量 裝置的上部與待測(cè)機(jī)床刀具夾頭連接；空間位移測(cè)量裝置，用于測(cè)量待測(cè)機(jī)床刀具刀尖點(diǎn) 在三個(gè)正交軸方向上的微位移量，空間位移測(cè)量裝置安裝在安裝臺(tái)的上層臺(tái)面上。
[0006] 轉(zhuǎn)角測(cè)量裝置包括第一光電編碼器和連接軸，第一光電編碼器用于測(cè)量連接軸的 旋轉(zhuǎn)角度；連接軸的上端與擺角測(cè)量裝置的下部緊固連接，下端與第一光電編碼器緊固連 接，連接軸安裝在隨動(dòng)平臺(tái)上。進(jìn)一步的，連接軸通過(guò)第一軸承被安裝在連接軸安裝座上， 連接軸安裝座固定設(shè)置于隨動(dòng)平臺(tái)上，鎖緊套和連接軸軸環(huán)分別套裝于連接軸上，均用于 對(duì)第一軸承進(jìn)行軸向定位。
[0007] 擺角測(cè)量裝置包括第二光電編碼器、心軸、球狀連接件和擺動(dòng)軸，第二光電編碼器 用于測(cè)量心軸的旋轉(zhuǎn)角度；球狀連接件用于安裝心軸和擺動(dòng)軸，心軸水平設(shè)置于球狀連接 件內(nèi)，擺動(dòng)軸的一端固定于心軸上且二者軸線垂直，測(cè)試時(shí)，擺動(dòng)軸的自由端與待測(cè)機(jī)床刀 具夾頭連接，且擺動(dòng)軸的軸線穿過(guò)球狀連接件的球心，球狀連接件與連接軸的一端固定連 接。進(jìn)一步的，心軸通過(guò)第二軸承安裝于球狀連接件內(nèi)；兩個(gè)軸承端蓋分別安裝于心軸的兩 端，用于對(duì)心軸軸向限位，擺動(dòng)軸通過(guò)軸環(huán)進(jìn)行軸向限位，使心軸軸線與擺動(dòng)軸軸線的交點(diǎn) 與球狀連接件的球心重合。
[0008] 空間位移測(cè)量裝置包括三個(gè)結(jié)構(gòu)相同的位移測(cè)量單元，各位移測(cè)量單元均勻分布 于安裝臺(tái)上層臺(tái)面的同一圓周上；位移測(cè)量單元包括固定傾角座和位移傳感器；固定傾角 座固定于安裝臺(tái)的上層臺(tái)面上；位移傳感器固定于固定傾角座上，其測(cè)量頭與球狀連接件 接觸且其軸線穿過(guò)球狀連接件的球心。進(jìn)一步的，位移傳感器的測(cè)量頭與球狀連接件之間 還設(shè)有接觸板，接觸板通過(guò)柔性鉸鏈設(shè)置于固定傾角座上。
[0009] 安裝裝置還包括定位環(huán)、限位鍵；三個(gè)固定傾角座通過(guò)定位環(huán)被固定于安裝臺(tái)的 上層臺(tái)面的同一圓周上，限位鍵使固定傾角座均勻分布于該圓周上。
[0010] 隨動(dòng)平臺(tái)包括平臺(tái)基座、Y向移動(dòng)件、X向移動(dòng)件、Z向滑臺(tái)基座和Z向移動(dòng)件；平 臺(tái)基座固定于安裝臺(tái)的下層臺(tái)面上，平臺(tái)基座上安裝Y向移動(dòng)件，Y向移動(dòng)件上安裝X向移 動(dòng)件，X向移動(dòng)件上固定安裝Z向滑臺(tái)基座，Z向滑臺(tái)基座上安裝Z向移動(dòng)件，Z向移動(dòng)件上 固定安裝連接軸安裝座。進(jìn)一步的，平臺(tái)基座通過(guò)隨動(dòng)平臺(tái)托板和過(guò)渡墊塊固定于安裝臺(tái) 的下層臺(tái)面上，隨動(dòng)平臺(tái)托板固定于安裝臺(tái)的下層臺(tái)面上，過(guò)渡墊塊固定于隨動(dòng)平臺(tái)托板 上，平臺(tái)基座固定于過(guò)渡墊塊，Z向滑臺(tái)基座通過(guò)L形支撐座固定于X向移動(dòng)件上。
[0011] 本發(fā)明提供的五軸機(jī)床刀具姿態(tài)及刀尖點(diǎn)位置誤差同步檢測(cè)機(jī)構(gòu)的有益效果如 下：
[0012] (1)對(duì)于高檔五軸數(shù)控機(jī)床，在傳統(tǒng)的RTCP測(cè)試過(guò)程中球頭芯棒的實(shí)際運(yùn)動(dòng)包括 了空間移動(dòng)、擺動(dòng)以及轉(zhuǎn)動(dòng)幾種運(yùn)動(dòng)形式，本發(fā)明通過(guò)在球狀連接件內(nèi)部設(shè)置心軸的方式， 將擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)與空間移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)分離，這樣即保證了刀具擺角量的測(cè)量又避免了對(duì)其他 運(yùn)動(dòng)形式測(cè)量的干擾；
[0013] (2)本發(fā)明采用了三軸正交隨動(dòng)平臺(tái)來(lái)跟隨球頭的空間移動(dòng)，并通過(guò)安裝在隨動(dòng) 平臺(tái)上的光電編碼器測(cè)量出連接軸的轉(zhuǎn)角量即球狀連接件的轉(zhuǎn)角量，確保了球狀連接件的 球心轉(zhuǎn)角的測(cè)量不受其球心移動(dòng)的影響；
[0014] (3)五軸數(shù)控機(jī)床在RTCP測(cè)試中，本發(fā)明裝置可以對(duì)待測(cè)機(jī)床刀具的空間位移誤 差、擺角量和轉(zhuǎn)角量進(jìn)行同步實(shí)時(shí)測(cè)量，可更全面的反映刀具姿態(tài)以及刀尖點(diǎn)的位置誤差 情況，并避免了時(shí)延的影響；
[0015] (4)本發(fā)明安裝臺(tái)采用了整體式結(jié)構(gòu)，且將與安裝臺(tái)相連的其他組件集中安裝在 易于進(jìn)行表面精加工的頂面和底面，既保證了安裝臺(tái)上下安裝層的同軸度、平面度，又減小 了制造加工難度，降低了設(shè)備成本，并更利于后續(xù)測(cè)試過(guò)程中的定位，提高了測(cè)試精度。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1為雙擺頭型（AC擺）五軸數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖2為雙擺頭型（AC擺）五軸數(shù)控機(jī)床采用傳統(tǒng)測(cè)試方法時(shí)的示意圖；
[0018] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例的一種五軸機(jī)床刀具姿態(tài)及刀尖點(diǎn)位置誤差同步檢測(cè)機(jī)構(gòu) 的三維結(jié)構(gòu)視圖；
[0019] 圖4為圖3的三維局部剖視圖；
[0020] 圖5為圖3的全剖圖；
[0021] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例中隨動(dòng)平臺(tái)分解示意圖；
[0022] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例中擺角測(cè)量裝置的剖視圖；
[0023] 圖8為本發(fā)明實(shí)施例中位移測(cè)量單元沿圓周分布俯視圖；
[0024] 圖9為本發(fā)明實(shí)施例中空間位移測(cè)量裝置定位安裝示意圖；
[0025] 圖10為兩個(gè)空間直角坐標(biāo)系O-XYZ和(V -X^ 的變換示意圖；
[0026] 圖11為本發(fā)明檢測(cè)機(jī)構(gòu)測(cè)量單元的局部坐標(biāo)系；
[0027] 圖12為圖11中坐標(biāo)系繞Y軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)β角度得到的坐標(biāo)系；
[0028] 圖13為圖12中坐標(biāo)系繞t軸旋轉(zhuǎn)α角度得到的坐標(biāo)系。
[0029] Θ為轉(zhuǎn)角，η為擺角；安裝裝置1，安裝臺(tái)11，定位環(huán)12,限位鍵13,連接螺栓14; 隨動(dòng)平臺(tái)2,第一螺栓21，隨動(dòng)平臺(tái)托板22,過(guò)渡墊塊23,第二螺栓24,第三螺栓25,平臺(tái) 基座26,第四螺栓27, Z向滑臺(tái)基座28, Z向移動(dòng)件29, L形支撐座210, X向移動(dòng)件211，Y 向移動(dòng)件212 ;空間位移測(cè)量裝置3,位移測(cè)量單元30,接觸板31，柔性鉸鏈32,固定傾角座 33,位移傳感器34 ;擺角測(cè)量裝置4,第二光電編碼器41，軸承端蓋42,心軸43,球狀連接件 44,擺動(dòng)軸45,緊固螺栓46,軸環(huán)47,第二軸承48 ;轉(zhuǎn)角測(cè)量裝置5,第一光電編碼器51，鎖 緊套52,連接軸軸環(huán)53,連接軸安裝座54,第一軸承55,連接軸56,內(nèi)六角螺栓57。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0031] 如圖3所示，本發(fā)明的一種五軸機(jī)床刀具姿態(tài)及刀尖點(diǎn)位置誤差同步檢測(cè)機(jī)構(gòu)包 括安裝裝置1、隨動(dòng)平臺(tái)2、空間位移測(cè)量裝置3、擺角測(cè)量裝置4和轉(zhuǎn)角測(cè)量裝置5。
[0032] 其中，安裝裝置1是用于對(duì)各測(cè)量裝置及隨動(dòng)平臺(tái)2進(jìn)行定位、安裝以及與外部機(jī) 床連接的結(jié)構(gòu)件，如圖4所示，主要包括安裝臺(tái)11、定位環(huán)12、限位鍵13以及連接螺栓14 ; 安裝臺(tái)11為空間位移測(cè)量裝置3和隨動(dòng)平臺(tái)2的安裝基座，安裝臺(tái)11分為上下兩層，為了 保證上下兩層的同軸度該安裝臺(tái)采用了整體式結(jié)構(gòu)形式，定位環(huán)12為徑向定位零件，定位 鍵13為切向定位零件，連接螺栓14是用于將檢測(cè)系統(tǒng)與外部機(jī)床工作平臺(tái)相連。
[0033] 隨動(dòng)平臺(tái)2固定在安裝臺(tái)11的下層臺(tái)面上，隨動(dòng)平臺(tái)2為精密正交三軸向位移平 臺(tái)，如圖4和圖6所示，包括第一螺栓21、隨動(dòng)平臺(tái)托板22、過(guò)渡墊塊23、第二螺栓24、第三 螺栓25、平臺(tái)基座26、第四螺栓27、Z向滑臺(tái)基座28、Z向移動(dòng)件29、L形支撐座210、X向 移動(dòng)件211和Y向移動(dòng)件212,平臺(tái)基座26上安裝Y向移動(dòng)件212, Y向移動(dòng)件212上安裝 X向移動(dòng)件211，L形支撐座210通過(guò)第四螺栓27固定在X向移動(dòng)件211上，Z向滑臺(tái)