超大構(gòu)件自尋位機(jī)床噸位姿檢測(cè)方法

超大構(gòu)件自尋位機(jī)床噸位姿檢測(cè)方法

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，大規(guī)模部件的使用越來越多，對(duì)大型部件的制造精度、生產(chǎn)費(fèi)用和生產(chǎn)周期的要求越來越高。為了解決超大構(gòu)件加工困難的問題,哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出了超大構(gòu)件自尋位加工技術(shù),即采用可移動(dòng)并聯(lián)機(jī)床分區(qū)域加工超大構(gòu)件,其基本思想是將連續(xù)的大平面劃分區(qū)域,每個(gè)區(qū)域可以用小型機(jī)床分段加工。在超大構(gòu)件自尋位加工過程中,機(jī)床移動(dòng)到下一位置進(jìn)行加工時(shí),需要重新檢測(cè)機(jī)床的位姿,機(jī)床位姿檢測(cè)精度對(duì)超大構(gòu)件的加工精度有著較大影響。由于在傳統(tǒng)的尋位加工中,只需要采用機(jī)床上自帶的檢測(cè)設(shè)備(例如三維坐標(biāo)測(cè)量頭、視覺測(cè)量系統(tǒng)等)來直接檢測(cè)工件在機(jī)床上的位姿,因此國(guó)內(nèi)外有關(guān)機(jī)床位姿檢測(cè)的研究較少。針對(duì)超大構(gòu)件自尋位加工,武加鋒等人提出采用特征點(diǎn)法實(shí)現(xiàn)機(jī)床位姿的檢測(cè)。但由于環(huán)境溫度的變化,會(huì)引起特征點(diǎn)位置的改變,從而對(duì)機(jī)床位姿檢測(cè)的精度影響較大,并且需要人工單獨(dú)對(duì)特征點(diǎn)位置進(jìn)行檢測(cè),操作復(fù)雜及引入人為操作誤差。鑒于此,本文提出采用原點(diǎn)平移法設(shè)置機(jī)床參考坐標(biāo)系,通過檢測(cè)機(jī)床參考坐標(biāo)系在測(cè)量坐標(biāo)系中的位姿,即可求解得到機(jī)床坐標(biāo)系在測(cè)量坐標(biāo)系中的位姿。本文中利用激光跟蹤儀針對(duì)實(shí)驗(yàn)用可移動(dòng)并聯(lián)機(jī)床(如圖1a所示)位姿的檢測(cè)方法進(jìn)行研究分析。1機(jī)床參考坐標(biāo)系檢測(cè)在超大構(gòu)件自尋位加工技術(shù)中,工件坐標(biāo)系在機(jī)床坐標(biāo)系下的位姿變換矩陣為:式中:MT為機(jī)床坐標(biāo)系在測(cè)量坐標(biāo)系中的位姿;MP工件坐標(biāo)系在測(cè)量坐標(biāo)系中的位姿。為了便于機(jī)床位姿的檢測(cè),在機(jī)床加工頭上安裝輔助測(cè)量裝置,如圖1b所示。通過原點(diǎn)平移方法,在輔助測(cè)量裝置的位置R處建立機(jī)床參考坐標(biāo)系OR-xRyRzR,機(jī)床參考坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系只有原點(diǎn)位置偏移,其各軸方向相同。設(shè)在機(jī)床坐標(biāo)系下,機(jī)床參考坐標(biāo)系原點(diǎn)與機(jī)床加工頭中心間的位置關(guān)系向量為SR=[a,b,c],對(duì)于某一機(jī)床SR為固定值,其標(biāo)定方法在后文給出。在機(jī)床坐標(biāo)系內(nèi)選一點(diǎn)O(0,0,z)作為參考點(diǎn),O點(diǎn)定位精度較高,對(duì)機(jī)床位姿檢測(cè)精度的影響可以忽略。將機(jī)床加工頭中心S點(diǎn)移到O點(diǎn),以R點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn),建立機(jī)床參考坐標(biāo)系。由于機(jī)床坐標(biāo)系與機(jī)床參考坐標(biāo)系各軸方向相同,則機(jī)床參考坐標(biāo)系在機(jī)床坐標(biāo)系中的位姿矩陣可以表示為因此只需通過檢測(cè)機(jī)床參考坐標(biāo)系在測(cè)量坐標(biāo)系中的位姿,即可求解得到機(jī)床坐標(biāo)系在測(cè)量坐標(biāo)系中的位姿。機(jī)床參考坐標(biāo)系在測(cè)量坐標(biāo)系中的位姿檢測(cè)流程為:首先,將加工頭移動(dòng)到O點(diǎn),反復(fù)測(cè)量R點(diǎn)的位置作為坐標(biāo)原點(diǎn);然后機(jī)床沿X軸方向走刀,掃描得到運(yùn)動(dòng)路徑上測(cè)量點(diǎn),擬合得到直線的方向向量作為x軸的方向向量x;然后機(jī)床沿Y軸方向走刀,掃描得到運(yùn)動(dòng)路徑上測(cè)量點(diǎn),擬合得到直線的方向向量為n,令坐標(biāo)系z(mì)軸的方向向量為z=x×n,從而建立機(jī)床參考坐標(biāo)系。2加工頭中心s點(diǎn)理論值的標(biāo)定機(jī)床參考坐標(biāo)系與機(jī)床加工頭中心點(diǎn)位置關(guān)系的精確度對(duì)超大構(gòu)件的加工精度有著較大的影響。本文提出定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)擬合的方法來標(biāo)定機(jī)床參考坐標(biāo)系與機(jī)床加工頭中心的位置關(guān)系。由圖2可以看出,通過機(jī)床空間中的固定點(diǎn)O,以加工頭中心點(diǎn)S為圓心分別繞X、Y軸旋轉(zhuǎn),得到兩個(gè)擬合圓,由幾何關(guān)系可得,兩擬合圓的過圓心法線的交點(diǎn)即為機(jī)床加工頭中心點(diǎn)S的理論值,然后測(cè)量機(jī)床參考坐標(biāo)系圓心R的位置坐標(biāo),從而得到R點(diǎn)與機(jī)床加工頭中心S點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置關(guān)系。具體標(biāo)定過程如下:(1)將機(jī)床加工頭移動(dòng)到空間固定點(diǎn)O,檢測(cè)機(jī)床參考坐標(biāo)系在測(cè)量坐標(biāo)系中的位姿;(2)將機(jī)床加工頭以加工頭中心為圓心繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng),測(cè)量得到點(diǎn)R運(yùn)動(dòng)軌跡上的離散點(diǎn)云P1;(3)將機(jī)床加工頭以加工頭中心為圓心繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng),測(cè)量得到點(diǎn)R運(yùn)動(dòng)軌跡上的離散點(diǎn)云P2;(4)數(shù)據(jù)處理,求解R點(diǎn)與機(jī)床加工頭中心S點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置關(guān)系。機(jī)床加工頭中心S點(diǎn)理論值為兩個(gè)圓法線L1、L2的交點(diǎn),但由于機(jī)床幾何誤差以及測(cè)量誤差的存在,L1與L2為異面直線。研究表明以兩直線之間的公垂線段的中點(diǎn)為S點(diǎn)坐標(biāo)是合理的,公垂線段的中點(diǎn)求解方法見文獻(xiàn)。由于測(cè)量誤差、機(jī)床幾何定位誤差、機(jī)床姿態(tài)誤差均符合正態(tài)分布規(guī)律,則點(diǎn)云數(shù)據(jù)誤差為正態(tài)分布。根據(jù)旋轉(zhuǎn)擬合標(biāo)定原理,多次測(cè)量標(biāo)定R點(diǎn)與機(jī)床加工頭中心S點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置也應(yīng)符合正態(tài)分布,那么其精確值應(yīng)為正態(tài)分布的均值。3a、b、c的標(biāo)定為驗(yàn)證該機(jī)床位姿檢測(cè)方法及旋轉(zhuǎn)擬合標(biāo)定法的可行性,對(duì)超大構(gòu)件加工中采用的可移動(dòng)并聯(lián)機(jī)床進(jìn)行參考坐標(biāo)系標(biāo)定實(shí)驗(yàn)及機(jī)床位姿檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。首先標(biāo)定參考坐標(biāo)系原點(diǎn)與機(jī)床加工頭中心的位置,在加工空間中固定點(diǎn)O(0,0,410)處進(jìn)行重復(fù)標(biāo)定400次,測(cè)量數(shù)據(jù)如圖3所示。a、b、c的標(biāo)定統(tǒng)計(jì)分布結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出,a、b、c值呈正態(tài)分布,分別對(duì)其進(jìn)行正態(tài)分布擬合,從而得出a、b、c的相對(duì)精確解SR=[189.124,-74.836,281.648]。此時(shí)機(jī)床參考坐標(biāo)系在機(jī)床坐標(biāo)系中的位姿變換矩陣為:通過對(duì)機(jī)床參考坐標(biāo)系位姿的檢測(cè),得到機(jī)床參考坐標(biāo)系在測(cè)量坐標(biāo)系中的位姿矩陣為結(jié)合式(3)和式(4)可以得到機(jī)床坐標(biāo)系在測(cè)量坐標(biāo)系中的位姿變換矩陣為4機(jī)床坐標(biāo)系檢測(cè)本文針對(duì)超大構(gòu)件自尋位加工技術(shù),提出了采用原點(diǎn)平移設(shè)置機(jī)床參考坐標(biāo)系的方法來檢測(cè)機(jī)床位姿,可以快速精確地檢測(cè)出機(jī)床在測(cè)量坐標(biāo)系的位姿。首先給出了機(jī)床參考坐標(biāo)的建立方法和位姿檢測(cè)方法