一種五軸混聯(lián)機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定的任意姿態(tài)測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于接觸式測(cè)量?jī)x器的測(cè)量方法，確切地說(shuō)，涉及一種用于一種 五軸混聯(lián)機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定的任意姿態(tài)測(cè)量方法，屬于空間角度測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 五軸混聯(lián)機(jī)床是加工大型航空薄壁件的重要設(shè)備，其中由兩自由度串聯(lián)機(jī)構(gòu)和三 自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)所組成的五軸混聯(lián)機(jī)床具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，受到越來(lái)越多的關(guān)注。五軸混聯(lián) 機(jī)床是結(jié)合了串聯(lián)機(jī)構(gòu)工作空間大和并聯(lián)機(jī)構(gòu)加速度大和剛度高等的特點(diǎn)，以高速高精加 工為目標(biāo)的數(shù)控機(jī)床。國(guó)外已有包括德國(guó)DST公司開發(fā)的Ecospeed混聯(lián)機(jī)床和西班牙 Fatronik公司開發(fā)的Space-5H混聯(lián)加工中心用來(lái)加工航空結(jié)構(gòu)件，因此，五軸混聯(lián)機(jī)床具 有廣闊應(yīng)用前景。
[0003] 然而，在制造和裝配五軸混聯(lián)機(jī)床過(guò)程中，必然會(huì)產(chǎn)生誤差，這樣裝配完成后的機(jī) 床主軸頭的終端（一般指并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)）會(huì)偏離原來(lái)設(shè)計(jì)的終端位置，從而產(chǎn)生終端位 置和姿態(tài)誤差，也即機(jī)床的精度會(huì)降低。為了保證機(jī)床實(shí)際的終端位置和姿態(tài)與設(shè)計(jì)的終 端位置和姿態(tài)保持一致，一般通過(guò)精度設(shè)計(jì)或者標(biāo)定技術(shù)去保證機(jī)床的精度。精度設(shè)計(jì)是 在機(jī)床設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)機(jī)床各零部件的制造精度和機(jī)床裝配過(guò)程中各環(huán)節(jié)的裝配精度進(jìn)行 限制，該方法實(shí)施成本高，不利于廣泛推廣。而運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定是在機(jī)床制造完成之后，通過(guò)辨 識(shí)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型中的桿件參數(shù)來(lái)修正控制系統(tǒng)中的模型，進(jìn)而補(bǔ)償機(jī)床終端誤差，提 高機(jī)床終端精度。其實(shí)施成本低，有利于大范圍推廣。
[0004] 通常，運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定分為以下幾個(gè)步驟：建模、測(cè)量、辨識(shí)和補(bǔ)償。其中，測(cè)量是辨識(shí) 和補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)，直接決定著標(biāo)定效果的好壞，其原因在于：一是測(cè)量的精度越高，標(biāo)定補(bǔ)償 效果越好。由于標(biāo)定的參數(shù)辨識(shí)算法一般采用最小二乘算法，最小二乘算法本質(zhì)上是將測(cè) 量信息進(jìn)行擬合，最終得到最佳的辨識(shí)參數(shù)。測(cè)量信息精度越高，則擬合得到的辨識(shí)參數(shù)越 準(zhǔn)確，標(biāo)定補(bǔ)償效果才能越好；二是測(cè)量信息越多，則標(biāo)定補(bǔ)償效果越好。在最小二乘算法 原理下，測(cè)量信息越多在一定程度上可以規(guī)避測(cè)量誤差所引起的參數(shù)辨識(shí)誤差，從而使得 標(biāo)定補(bǔ)償效果越好。
[0005] 但是，目前在五軸混聯(lián)機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定中，位置測(cè)量比較容易實(shí)施，而姿態(tài)測(cè)量比 較困難，其原因在于：一、采用傾角儀、激光跟蹤儀、球桿儀、CCD等的專用儀器測(cè)量五軸混 聯(lián)機(jī)床姿態(tài)時(shí)，雖然能夠測(cè)量任意姿態(tài)，但是其成本較高，且一般測(cè)量精度達(dá)不到運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo) 定所需要的測(cè)量精度；二、采用自制測(cè)量?jī)x器時(shí)，雖然成本較低，但是往往測(cè)量步驟繁瑣且 測(cè)量姿態(tài)有限。目前，姿態(tài)測(cè)量主要面臨三大問(wèn)題：一是測(cè)量的成本高；二是測(cè)量的姿態(tài)受 測(cè)量方法的限制，也即無(wú)法有效測(cè)量整個(gè)工作空間的姿態(tài)；三、姿態(tài)測(cè)量繁瑣，耗時(shí)較長(zhǎng)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 本發(fā)明針對(duì)以上測(cè)量問(wèn)題并結(jié)合五軸混聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)形式，提出了一種五軸混聯(lián)機(jī) 床運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定的任意姿態(tài)測(cè)量方法；旨在充分利用五軸混聯(lián)機(jī)床的三平動(dòng)軸獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的特 點(diǎn)，結(jié)合少量的裝置和簡(jiǎn)單的操作步驟，通過(guò)長(zhǎng)度測(cè)量來(lái)計(jì)算五軸混聯(lián)機(jī)床并聯(lián)主軸頭動(dòng) 平臺(tái)姿態(tài)，提高了測(cè)量精度和效率，并有效降低測(cè)量成本。
[0007] 本發(fā)明的第一種技術(shù)方案如下：
[0008] -種五軸混聯(lián)機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定的任意姿態(tài)測(cè)量方法，所述的五軸混聯(lián)機(jī)床含有機(jī) 床工作臺(tái)和并聯(lián)主軸頭，并聯(lián)主軸頭具有兩轉(zhuǎn)動(dòng)自由度與一平動(dòng)自由度，且與機(jī)床工作臺(tái) 還能形成兩平動(dòng)自由度的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其特征在于所述測(cè)量方法包括如下步驟：
[0009] 1).在五軸混聯(lián)機(jī)床的工作臺(tái)上固定量炔基板，在量炔基板上固定第一量塊，第一 量塊有三組相互平行的表面，該三組相互平行的表面分別垂直于五軸混聯(lián)機(jī)床的三個(gè)平動(dòng) 軸：X軸、Y軸和Z軸；
[0010] 2).在五軸混聯(lián)機(jī)床的并聯(lián)主軸頭動(dòng)平臺(tái)上固定磁性表座和千分表，千分表測(cè)桿 的伸長(zhǎng)方向沿著并聯(lián)主軸頭動(dòng)平臺(tái)法向并指向機(jī)床工作臺(tái)；
[0011] 3).控制五軸混聯(lián)機(jī)床使得并聯(lián)主軸頭動(dòng)平臺(tái)擺動(dòng)到需要測(cè)量的姿態(tài)，然后五軸 混聯(lián)機(jī)床只能進(jìn)行X軸、Y軸和Z軸平動(dòng)，其測(cè)量姿態(tài)包括：
[0012] a.測(cè)量并聯(lián)主軸頭動(dòng)平臺(tái)法向與X軸向的夾角：控制混聯(lián)機(jī)床X軸、Y軸和Z軸平 動(dòng)，使得千分表的測(cè)桿壓縮并將測(cè)頭壓在第一量塊的一個(gè)表面上，該表面垂直于X軸；然后 控制混聯(lián)機(jī)床X軸運(yùn)動(dòng)位移AX，此時(shí)千分表的測(cè)桿伸長(zhǎng)量記為Δ1 ;則并聯(lián)主軸頭動(dòng)平臺(tái)
[0013]b.測(cè)量并聯(lián)主軸頭動(dòng)平臺(tái)法向與Y軸向的夾角：控制混聯(lián)機(jī)床X軸、Y軸和Z軸平 動(dòng)，使得千分表的測(cè)桿壓縮并將測(cè)頭壓在第一量塊的一個(gè)表面上，該表面垂直于Y軸；然后 控制混聯(lián)機(jī)床Y軸運(yùn)動(dòng)位移Ay，此時(shí)千分表的測(cè)桿伸長(zhǎng)量記為Δ1 ;則并聯(lián)主軸頭動(dòng)平臺(tái)
[0014]c.測(cè)量并聯(lián)主軸頭動(dòng)平臺(tái)法向與Z軸向的夾角：控制混聯(lián)機(jī)床X軸、Y軸和Z軸平 動(dòng)，使得千分表的測(cè)桿壓縮并將測(cè)頭壓在第一量塊的一個(gè)表面上，該表面垂直于Z軸；然后 控制混聯(lián)機(jī)床Z軸運(yùn)動(dòng)位移Δζ，此時(shí)千分表的測(cè)桿伸長(zhǎng)量記為Δ1;則并聯(lián)主軸頭動(dòng)平臺(tái)
[0015] 本發(fā)明提供的第二種技術(shù)方案是：
[0016] -種五軸混聯(lián)機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定的任意姿態(tài)測(cè)量方法，所述的五軸混聯(lián)機(jī)床含有機(jī) 床工作臺(tái)和并聯(lián)主軸頭，并聯(lián)主軸頭具有兩轉(zhuǎn)動(dòng)自由度與一平動(dòng)自由度，且與機(jī)床工作臺(tái) 還能形成兩平動(dòng)自由度的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其特征在于所述測(cè)量方法包括如下步驟：
[0017] 4).在五軸混聯(lián)機(jī)床的工作臺(tái)上固定量炔基板，在量炔基板上同時(shí)固定第一量塊 和第二量塊，第一量塊有三組相互平行的表面，該三組相互平行的表面分別垂直于五軸混 聯(lián)機(jī)床的三個(gè)平動(dòng)軸：Χ軸、Υ軸和Ζ軸；此時(shí)，第二量塊有一個(gè)垂直于Ζ軸的表面，且該表 面與第一量塊的一個(gè)垂直于Ζ軸的表面在Ζ軸方向上有高度差Δζ;
[0018] 5).在五軸混聯(lián)機(jī)床的并聯(lián)主軸頭動(dòng)平臺(tái)上固定磁性表座和千分表，千分表測(cè)桿 的伸長(zhǎng)方向沿著并聯(lián)主軸頭動(dòng)平臺(tái)法向并指向機(jī)床工作臺(tái)；
[0019] 6).控制五軸混聯(lián)機(jī)床使得并聯(lián)主軸頭動(dòng)平臺(tái)擺動(dòng)到需要測(cè)量的姿態(tài)，然后五軸 混聯(lián)機(jī)床只能進(jìn)行X軸、Υ軸和Ζ軸平動(dòng)，其測(cè)量姿態(tài)包括：
[0020] a.測(cè)量并聯(lián)主軸頭動(dòng)平臺(tái)法向與X軸向的夾角：控制混聯(lián)機(jī)床X軸、Y軸和Z軸平 動(dòng)，使得千分表的測(cè)桿壓縮并將測(cè)頭壓在第一量塊的一個(gè)表面上，該表面垂直于X軸；然后 控制混聯(lián)機(jī)床X軸運(yùn)動(dòng)位移AX，此時(shí)千分表的測(cè)桿伸長(zhǎng)量記為Δ1 ;則并聯(lián)主軸頭動(dòng)平臺(tái) 法向與混聯(lián)機(jī)床X軸運(yùn)動(dòng)方向的
[0021] b.測(cè)量并聯(lián)主軸頭動(dòng)平臺(tái)法向與Y軸向的夾角：控制混聯(lián)機(jī)床X軸、Y軸和Z軸平 動(dòng)，使得千分表的測(cè)桿壓縮并將測(cè)頭壓在第一量塊的一個(gè)表面上，該表面垂直于Y軸；然后 控制混聯(lián)機(jī)床Y軸運(yùn)動(dòng)位移Ay，此時(shí)千分表的測(cè)桿伸長(zhǎng)量記為Δ1 ;則并聯(lián)主軸頭動(dòng)平臺(tái) 法向與混聯(lián)機(jī)床Y軸運(yùn)動(dòng)方向的
[0022] c.測(cè)量并聯(lián)主軸頭動(dòng)平臺(tái)法向與Z軸向的夾角：控制混聯(lián)機(jī)床X軸、Y軸和Z軸 平動(dòng)，使得千分表的測(cè)桿壓縮并將測(cè)頭壓在第一量塊的一個(gè)表面上，該表面垂直于Z軸；然 后控制混聯(lián)機(jī)床X軸和Y軸運(yùn)動(dòng)，使得千分表的測(cè)桿壓縮并將測(cè)頭壓在第二量塊的一個(gè) 表面上，該表面垂直于Z軸；此時(shí)Δz即由第一量塊與第二量塊在Z軸向的高度差產(chǎn)生， 千分表的測(cè)桿伸長(zhǎng)量記為A1 ;則并聯(lián)主軸頭動(dòng)平臺(tái)法向與混聯(lián)機(jī)床Z軸運(yùn)動(dòng)方向的夾角
[0023] 上述兩種技術(shù)方案中，所述的五軸混聯(lián)機(jī)床的工作臺(tái)為固定工作臺(tái)，或具有X軸 或Y軸的一平動(dòng)自由度，或具有X軸和Y軸的兩平動(dòng)自由度。
[0024] 優(yōu)選地，五軸混聯(lián)機(jī)床的X軸和Y軸的線性度小于等于0. 008_，直線度小于等于 0. 01mm，X軸和Y軸之間的垂直度小于等于0.01mm/m。
[0025] 優(yōu)選地，第一量塊和第二量塊表面相互平行的表面的平面度和垂直度小于等于 20μm，粗糙度小于等于0· 8μm。
[0026] 優(yōu)選地，千分表的量程大于等于60mm。
[0027] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性的技術(shù)效果：①本發(fā)明所提出一 種五軸混聯(lián)機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定的任意姿態(tài)測(cè)量方法充分利用了五軸混聯(lián)機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：將 兩自由度的串聯(lián)軸轉(zhuǎn)化為測(cè)量工具，有效地降低了測(cè)量成本。②可以測(cè)量任意位姿（位置 和姿態(tài)）的姿態(tài)：其測(cè)量方法能夠測(cè)量工作空間中任意姿態(tài)，可以有效提高標(biāo)定效果。③操 作簡(jiǎn)便：固定完千分表和量塊后，僅需控制機(jī)床進(jìn)行X軸、Y軸和Z軸平動(dòng)即可以實(shí)現(xiàn)姿態(tài) 測(cè)量，極大地簡(jiǎn)化了姿態(tài)測(cè)量步驟并降