超大構(gòu)件自尋位機床噸位姿檢測方法

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，對大型部件的制造精度、生產(chǎn)費用和生產(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),即采用可移動并聯(lián)機床分區(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,每個區(qū)域可以用小型機床分段加工。在超大構(gòu)件自尋位加工過程中,機床移動到下一位置進行加工時,需要重新檢測機床的位姿,機床位姿檢測精度對超大構(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,只需要采用機床上自帶的檢測設(shè)備(例如三維坐標(biāo)測量頭、視覺測量系統(tǒng)等)來直接檢測工件在機床上的位姿,因此國內(nèi)外有關(guān)機床位姿檢測的研究較少。針對超大構(gòu)件自尋位加工,武加鋒等人提出采用特征點法實現(xiàn)機床位姿的檢測。但由于環(huán)境溫度的變化,會引起特征點位置的改變,從而對機床位姿檢測的精度影響較大,并且需要人工單獨對特征點位置進行檢測,操作復(fù)雜及引入人為操作誤差。鑒于此,本文提出采用原點平移法設(shè)置機床參考坐標(biāo)系,通過檢測機床參考坐標(biāo)系在測量坐標(biāo)系中的位姿,即可求解得到機床坐標(biāo)系在測量坐標(biāo)系中的位姿。本文中利用激光跟蹤儀針對實驗用可移動并聯(lián)機床(如圖1a所示)位姿的檢測方法進行研究分析。1機床參考坐標(biāo)系檢測在超大構(gòu)件自尋位加工技術(shù)中,工件坐標(biāo)系在機床坐標(biāo)系下的位姿變換矩陣為:式中:MT為機床坐標(biāo)系在測量坐標(biāo)系中的位姿;MP工件坐標(biāo)系在測量坐標(biāo)系中的位姿。為了便于機床位姿的檢測,在機床加工頭上安裝輔助測量裝置,如圖1b所示。通過原點平移方法,在輔助測量裝置的位置R處建立機床參考坐標(biāo)系OR-xRyRzR,機床參考坐標(biāo)系與機床坐標(biāo)系只有原點位置偏移,其各軸方向相同。設(shè)在機床坐標(biāo)系下,機床參考坐標(biāo)系原點與機床加工頭中心間的位置關(guān)系向量為SR=[a,b,c],對于某一機床SR為固定值,其標(biāo)定方法在后文給出。在機床坐標(biāo)系內(nèi)選一點O(0,0,z)作為參考點,O點定位精度較高,對機床位姿檢測精度的影響可以忽略。將機床加工頭中心S點移到O點,以R點作為坐標(biāo)原點,建立機床參考坐標(biāo)系。由于機床坐標(biāo)系與機床參考坐標(biāo)系各軸方向相同,則機床參考坐標(biāo)系在機床坐標(biāo)系中的位姿矩陣可以表示為因此只需通過檢測機床參考坐標(biāo)系在測量坐標(biāo)系中的位姿,即可求解得到機床坐標(biāo)系在測量坐標(biāo)系中的位姿。機床參考坐標(biāo)系在測量坐標(biāo)系中的位姿檢測流程為:首先,將加工頭移動到O點,反復(fù)測量R點的位置作為坐標(biāo)原點;然后機床沿X軸方向走刀,掃描得到運動路徑上測量點,擬合得到直線的方向向量作為x軸的方向向量x;然后機床沿Y軸方向走刀,掃描得到運動路徑上測量點,擬合得到直線的方向向量為n,令坐標(biāo)系z軸的方向向量為z=x×n,從而建立機床參考坐標(biāo)系。2加工頭中心s點理論值的標(biāo)定機床參考坐標(biāo)系與機床加工頭中心點位置關(guān)系的精確度對超大構(gòu)件的加工精度有著較大的影響。本文提出定點旋轉(zhuǎn)擬合的方法來標(biāo)定機床參考坐標(biāo)系與機床加工頭中心的位置關(guān)系。由圖2可以看出,通過機床空間中的固定點O,以加工頭中心點S為圓心分別繞X、Y軸旋轉(zhuǎn),得到兩個擬合圓,由幾何關(guān)系可得,兩擬合圓的過圓心法線的交點即為機床加工頭中心點S的理論值,然后測量機床參考坐標(biāo)系圓心R的位置坐標(biāo),從而得到R點與機床加工頭中心S點在機床坐標(biāo)系中的位置關(guān)系。具體標(biāo)定過程如下:(1)將機床加工頭移動到空間固定點O,檢測機床參考坐標(biāo)系在測量坐標(biāo)系中的位姿;(2)將機床加工頭以加工頭中心為圓心繞X軸轉(zhuǎn)動,測量得到點R運動軌跡上的離散點云P1;(3)將機床加工頭以加工頭中心為圓心繞Y軸轉(zhuǎn)動,測量得到點R運動軌跡上的離散點云P2;(4)數(shù)據(jù)處理,求解R點與機床加工頭中心S點在機床坐標(biāo)系中的位置關(guān)系。機床加工頭中心S點理論值為兩個圓法線L1、L2的交點,但由于機床幾何誤差以及測量誤差的存在,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為S點坐標(biāo)是合理的,公垂線段的中點求解方法見文獻。由于測量誤差、機床幾何定位誤差、機床姿態(tài)誤差均符合正態(tài)分布規(guī)律,則點云數(shù)據(jù)誤差為正態(tài)分布。根據(jù)旋轉(zhuǎn)擬合標(biāo)定原理,多次測量標(biāo)定R點與機床加工頭中心S點在機床坐標(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)定為驗證該機床位姿檢測方法及旋轉(zhuǎn)擬合標(biāo)定法的可行性,對超大構(gòu)件加工中采用的可移動并聯(lián)機床進行參考坐標(biāo)系標(biāo)定實驗及機床位姿檢測實驗。首先標(biāo)定參考坐標(biāo)系原點與機床加工頭中心的位置,在加工空間中固定點O(0,0,410)處進行重復(fù)標(biāo)定400次,測量數(shù)據(jù)如圖3所示。a、b、c的標(biāo)定統(tǒng)計分布結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出,a、b、c值呈正態(tài)分布,分別對其進行正態(tài)分布擬合,從而得出a、b、c的相對精確解SR=[189.124,-74.836,281.648]。此時機床參考坐標(biāo)系在機床坐標(biāo)系中的位姿變換矩陣為:通過對機床參考坐標(biāo)系位姿的檢測,得到機床參考坐標(biāo)系在測量坐標(biāo)系中的位姿矩陣為結(jié)合式(3)和式(4)可以得到機床坐標(biāo)系在測量坐標(biāo)系中的位姿變換矩陣為4機床坐標(biāo)系檢測本文針對超大構(gòu)件自尋位加工技術(shù),提出了采用原點平移設(shè)置機床參考坐標(biāo)系的方法來檢測機床位姿,可以快速精確地檢測出機床在測量坐標(biāo)系的位姿。首先給出了機床參考坐標(biāo)的建立方法和位姿檢測方法