1.本发明涉及机床结构测量技术领域，具体涉及一种双摆轴式五轴磁流变机床抛光点位置标定方法。


背景技术：

2.随着科学技术飞速发展，对光学系统提出了新的课题与要求，尤其是对非球面光学元件的口径、加工精度、加工效率、轻量化程度以及生产成本等方面都提出了更高的要求。磁流变抛光技术作为一种新式柔性加工方式，具有良好的确定性加工性能，其设备由机床床身，抛光轮以及磁流变液循环系统组成，由于使用的多轴机床数控系统，它可以加工各种复杂曲面。针对五轴机床，许多设备可用于其结构参数标定，如千分表与球头棒、检测棒、对刀表以及球杆仪等。千分表与球头棒，检测棒等检测方法适用于摆轴式结构的机床，但由于其依靠人工测量，费时且效率低，并且由于千分表的安装问题存在测量角度敏感性问题，会影响测量精度。专利cn108334030a，公开了一种双摆头结构五轴数控机床rtcp标定及补偿方法，该方法针对双摆头结构的五轴铣床，利用对刀表与球头棒，记录各旋转轴在不同位置下的标定坐标值，计算其偏移矢量，完成标定，但上述发明在测量过程中存在较多人工调整，自动化程度以及测量效率不高，并且无法针对五轴轮式机床的结构进行测量。球杆仪测量虽然自动化程度较高，但对于磁流变抛光这种轮式抛光的机床，抛光点与球杆仪相对位置关系难以确定，且制造对应辅助工具价格高昂。专利cn105643362a，公开了一种基于axiset的五轴机床测量方法，使用触发式测头对标准球进行数据采集，计算出误差后，更新机床参数，该方法自动化测量程度较高，但针对的是铣床类机床，无法解决磁流变抛光机床抛光点位置高效准确标定的问题。鉴于此，如何提供一种适用于双摆轴式五轴磁流变机床抛光轮的标定方法，实现该类型机床的简单，高效，准确标定并且实现自动化检测与标定是本领域急需解决的技术问题。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是现有的机床标定方法无法解决磁流变抛光机床抛光点位置高效准确标定的问题，本发明目的在于提供一种双摆轴式五轴磁流变机床抛光点位置标定方法，实现五轴磁流变机床抛光点结构参数标定工作，提高标定精度以及测量过程的自动化程度。
4.本发明通过下述技术方案实现：
5.一种双摆轴式五轴磁流变机床抛光点位置标定方法，该方法包括以下步骤：
6.在机床工作台上安装标准方形工件，并调整标准方形工件；
7.摆动机床a轴，采用第一测头m1测量标准方形工件侧面与上表面的点位信息；根据所述点位信息计算第一测头m1与机床a轴轴线的第一结构参数；
8.更新所述第一结构参数，并设定所述第一结构参数到机床上；采斑计算抛光轮与机床第一测头m1的位置关系；根据所述位置关系计算抛光轮最低点与机床a轴轴线的第二
结构参数；
9.更新所述第二结构参数，并设定所述第二结构参数到机床上；在机床工作平台上安装第二测头m2，采用第一测头m1确认第二测头m2位置，采用第二测头m2根据抛光轮最低点与第一测头m1的相对位置关系，移动机床y轴，使第二测头m2在抛光轮最低点所在平面；及摆动机床b轴，采用第二测头m2测量机床b轴旋转下不同角度的抛光轮表面点位信息，得到不同角度下的抛光轮圆心(即轮心)坐标数据；
10.将不同角度下的抛光轮圆心坐标数据拟合，得到新的圆半径以及圆心坐标数据；所述圆半径为机床b轴轴线至抛光轮圆心的距离；处理该圆心坐标以及0
°
时抛光轮轮心坐标，得到机床b轴轴线与抛光轮圆心的关系，从而完成抛光点位置标定。
11.工作原理是：基于现有的机床标定方法无法解决磁流变抛光机床抛光点位置高效准确标定的问题，本发明考虑到五轴磁流变抛光机床需要对抛光轮最低点进行准确标定，与铣刀标定方法不一样，抛光轮标定无法直接使用球杆仪，激光跟踪仪等仪器直接测量，且抛光轮是一个曲面，测量半径较大的抛光轮时，在实际测量过程中，通过压千分表找最低点的位置得到的结果不是一个准确的数值，而是在一个较小的范围内，千分表数值不变，因此无法准确得到抛光点与测头在x、y方向上的相对距离，由此需要通过测头来实现高精度的测量。本发明的测量原理为：对于a轴轴线与测头的位置关系，实际需要的为二者在y、z方向的距离，在角度与相对位移量确定的情况下，通过几何计算可得到y、z方向的结构参数。
12.本发明提供了一种不需要特殊夹具不需要拆卸抛光轮与旋转轴等复杂方式，仅通过简单地装调待测工件的方法，去测量不同角度下的工件以及抛光轮的点位信息，然后进行拟合，同时通过最小二乘法消除个别点位测量误差的影响，实现五轴磁流变抛光机床的抛光点位置标定工作，从而为后续的超精密加工修形提供技术支撑。
13.进一步地，所述的调整标准方形工件，是利用千分表调平标准方形工件，使所述标准方形工件各边与对应机床坐标轴投影方向平行，并固定在机床工作台上。
14.进一步地，利用千分表调平标准方形工件，将标准方形工件固定安装在机床工作台上，使用千分表调整标准方形工件侧面，使其与机床x轴平行，调整工作台工装，微调标准方形工件上表面与机床x轴、y轴的平行度，直至来回移动x轴、y轴千分表表头误差控制在2μm内，使其上表面与机床xoy面达到水平状态；
15.具体包括：
16.将一块标准方形工件固定在机床工作台上，使用千分表轻压标准方形工件侧面，反复移动机床x轴或y轴，调整方向摆放角度，直至千分表不发生转动或两侧误差在2μm内，使得标准方形工件侧面与机床xoz面平行；
17.将千分表轻压标准方形工件上表面，反复移动机床x轴与y轴，通过调整机床工作台处工装，调平标准方形工件，使得标准方形工件上表面与机床坐标系中的xoy面平行。
18.进一步地，所述的摆动机床a轴，采用第一测头m1测量标准方形工件侧面与上表面的点位信息；具体包括：
19.当机床ab轴为0
°
时，采用机床接触式第一测头m1测量标准方形工件a面的z向坐标值，侧面b、c面的y向坐标值；
20.机床b轴保持0
°
不变，旋转机床a轴θ
°
，测量标准方形工件上表面的z向坐标与侧面的y向坐标值，记录此时机床y轴与z轴坐标值，计算机床在a轴0
°
与θ
°
时的y、z向坐标差值，
得到机床在a轴0
°
与θ
°
时的位移量δy与δz。
21.进一步地，所述的根据点位信息计算第一测头与机床a轴轴线的第一结构参数，是通过将机床y轴、z轴位移量以及对应a轴旋转的角度带入求解方程，计算机床a轴轴线与第一测头m1的在y轴、z轴的相对位置关系，将多组数据求取平均得到相对准确的第一结构参数：第一测头m1距离a轴轴线在y轴方向上的结构参数y
am
和第一测头m1距离a轴轴线在z轴方向上的结构参数z
am
；所述求解方程公式为：
22.δy＝(cosθ-1)y
am
+z
am
·
sinθ
23.δz＝(cosθ-1)z
am-y
am
·
sinθ。
24.进一步地，所述的更新所述第一结构参数，并设定所述第一结构参数到机床上之后进行平面镜的安装，并调整平面镜位姿。
25.进一步地，所述平面镜的面形满足：pv《1λ@632.8nm，rms《0.1λ@632.8nm。
26.进一步地，所述的采斑计算抛光轮与机床第一测头m1的位置关系，是通过采集一组平行斑确定抛光轮最低点离第一测头m1的y向距离δy
mw
，更新参数信息；具体包括：
27.抛光点与测头的位置关系可以通过采斑的方法得到，将标准方形工件实现调平对齐工作后，利用机床第一测头m1寻找标准方形工件中心并建立工件坐标系，再根据粗标定所得的第一测头m1与抛光轮相对位置关系，完成两个平行斑的斑采集工作；
28.使用激光干涉仪测量标准方形工件面形，找到两个平行斑在y方向的中点，根据标准方形工件中点位置与两平行斑中点位置计算相对位置参数，将相对位置参数补偿到粗标定所得的相对位置关系参数中，即可得到准确的抛光轮与第一测头m1的位置关系。
29.进一步地，所述的采用第二测头m2根据抛光轮最低点与第一测头m1的相对位置关系，移动机床y轴，使第二测头m2在抛光轮最低点所在平面；及摆动机床b轴，采用第二测头m2测量不同角度的抛光轮表面点位信息，得到不同角度下的抛光轮圆心(即轮心)坐标数据；具体包括以下子步骤：
30.a：在机床工作台上垂直向上安装第二测头m2，采用第一测头m1确认第二测头m2位置；
31.b：当机床b轴为0
°
时，移动机床使抛光轮不同位置接触第二测头m2，在程序中处理抛光轮刚接触第二测头m2时的坐标，对该坐标进行圆拟合，得到抛光轮的圆半径rw以及此时的抛光轮圆心坐标(x
bw0
,z
bw0
)；
32.c：旋转机床转b轴至使用步骤b的测量方法，确定b轴轴线在角度下的抛光轮的圆心坐标；并重复测量多个角度下的抛光轮圆心(即轮心)位置
33.p＝{pi|pi＝(x
bwi
,z
bwi
),i＝1,
…
,n
p
}。
34.具体地，本发明在上述步骤准确标定抛光轮在yoz面上的最低点位置，并且本发明通过以下过程确定在y轴坐标下的抛光轮最低点坐标以及轮半径的测量：
35.在机床工作台上垂直向上安装接触式第二测头m2，固定不动；
36.通过机床a轴上的第一测头m1找到工作台第二测头m2的球心，根据上述过程所得到的抛光轮与第一测头m1的相对位置关系，将该点移动到对应y坐标位置，此时所测的抛光轮参数为在yoz面上的最低点的圆心与半径；
37.移动机床x轴与z轴，使抛光轮与第二测头m2接触，多次测量抛光轮不同的表面点位信息，将所测点位拟合成圆，得到圆心位置以及圆半径，此时所拟合的圆半径即为抛光轮
的轮半径；
38.重复上述过程，旋转b轴，求取b轴在0
°
，时的圆心信息，将所测圆心点位拟合成一个新的圆，得到抛光轮圆心关于b轴旋转的圆，此时求解b轴在零度时抛光轮最低点坐标与b轴轴线坐标的距离得到抛光轮最低点与b轴的相对位置的结构参数。
39.进一步地，所述标准方形工件的垂直度应小于0.1，表面粗糙度ra 3.2。
40.进一步地，所述第一测头m1安装在机床a轴摆动轴工具端处；所述第二测头m2的安装满足：第二测头m2与机床坐标系z轴方向平行的状态。
41.进一步地，所测的抛光轮圆心坐标与抛光轮圆半径皆为在yoz面视图中抛光轮最低点所代表的位置处所在的平面。
42.进一步地，所述第一测头m1、第二测头m2均采用接触式传感器，当然也可以通过非接触式传感器代替接触式传感器测量抛光轮位置信息。
43.进一步地，拟合圆需要测量多点，以便减小测量误差。
44.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
45.本发明提供了一种不需要特殊夹具不需要拆卸抛光轮与旋转轴等复杂方式，仅通过简单地装调待测工件的方法，去测量不同角度下的工件以及抛光轮的点位信息，然后进行拟合，同时通过最小二乘法消除个别点位测量误差的影响，实现五轴磁流变抛光机床的抛光点位置标定工作，从而为后续的超精密加工修形提供技术支撑。
附图说明
46.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
47.图1为本发明一种双摆轴式五轴磁流变机床抛光点位置标定方法的流程示意图。
48.图2为本发明一种双摆轴式五轴磁流变机床抛光点位置标定方法所涉及机床结构示意图。
49.图3为本发明测量测头与a轴的相对位置示意图。
50.图4为本发明测量抛光轮最低点与b轴的相对位置示意图。
51.附图中标记及对应的零部件名称：
52.1-机床a轴，2-机床b轴，3-抛光轮最低点，4-第一测头m1，5-标准方形工件。
具体实施方式
53.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
54.实施例1
55.如图1所示，本发明一种双摆轴式五轴磁流变机床抛光点位置标定方法，五轴磁流变抛光机床需要对抛光轮最低点进行准确标定，图2为本发明所涉及机床结构示意图，图2中机床结构包括机床a轴1和机床b轴2，抛光轮最低点3，第一测头m1 4以及标准方形工件5；与铣刀标定方法不一样，抛光轮标定无法直接使用球杆仪，激光跟踪仪等仪器直接测量，且抛光轮是一个曲面，测量半径较大的抛光轮时，在实际测量过程中，通过压千分表找最低点
的位置得到的结果不是一个准确的数值，而是在一个较小的范围内，千分表数值不变，因此无法准确得到抛光点与测头在x、y方向上的相对距离，由此需要通过测头来实现高精度的测量。本发明的测量原理为：对于a轴轴线与测头的位置关系，实际需要的为二者在y、z方向的距离，在角度与相对位移量确定的情况下，通过几何计算可得到y、z方向的结构参数，如图所示3。
56.本发明方法所涉及到的测量装置包括2个接触式测头(第一测头m1、第二测头m2)、千分表，标准方形工件，安装支架，方形采斑件，激光干涉仪，雷尼绍测头以及装调装置。
57.具体实施时，本实施例的方法包括以下步骤：
58.s1、在机床的工作台上固定一个标准方形工件，移动机床，利用千分表调整标准方形工件侧面位姿，使其与机床x轴平行，将千分表压在标准方形工件上表面，移动机床，通过工作台上的工装将上表面调平；
59.s2、将机床a、b轴回归0
°
位置，控制移动机床，如图3中a所示，使用第一测头m1测量标准方形工件上表面的z向坐标值z
am0
以及侧表面的y向坐标值y
am0
；
60.s3、机床b轴保持0
°
位置不变，将机床a轴旋转至θ
°
，控制移动机床，第一测头m1测量标准方形工件上表面z方向坐标以及侧表面y方向坐标，多次旋转机床a轴至不同角度θi°
并测量标准方形工件，记此时机床y轴坐标值y
ami
＝{y
ami
|y
ami
,i＝1,
…
,n}，z轴坐标值z
ami
＝{z
ami
|z
ami
,i＝1,
…
,n}，计算a轴在该轴角度下的测量坐标与0
°
时的测量坐标的相对距离得到a轴轴线的实际位移量δyi与δzi；
61.s4、根据当前机床的拓扑结构类型建立数学模型算法，对测量的位移量δyi与δzi以及旋转角度θi°
进行数据处理，通过以下求解方程得到接触式第一测头m1的球心距机床a轴轴线在y、z轴方向上投影的结构参数y
ami
与z
ami
，求取平均值，得到准确结构参数；
62.δyi＝(cosθ
i-1)y
ami
+z
ami
·
sinθi63.δzi＝(cosθ
i-1)z
ami-y
ami
·
sinθi[0064][0065][0066]
s5、数控系统更新结构参数后，在工作台上安装平面镜并对标准方形工件完成调平工作，并使其侧面与机床x轴平行，控制机床第一测头m1测量标准方形工件在机床坐标系下位姿，通过采一组平行斑确定抛光轮最低点与测头在y、z向投影的距离y
mp
、z
mp
，由此得到抛光轮最低点与a轴轴线在y，z方向投影的相对位置关系；
[0067]yap
＝y
am-y
mp
[0068]zap
＝z
am-z
mp
[0069]
s6、数控系统更新s5中所得结构参数后，在机床工作台上垂直向上安装第二测头m2(如图4所示)，并使用测头m1测量测头m2位置信息，在b轴为0
°
时，控制移动机床，使第二测头m2测量抛光轮不同位置坐标，记作p
wm
＝{p
wmi
|p
wmi
＝(x
wmi
,z
wmi
),i＝1,
…
,n}，对该坐标进行最小二乘法拟合圆，得到抛光轮的圆半径rw以及此时的抛光轮圆心坐标(x
bw0
,z
bw0
)；
[0070]
f＝∑[(x
wmi-x
bw0
)2+(z
wmi-z
bw0
)
2-rw2]2[0071]
s7、旋转机床b轴至φ
°
，使用步骤s6的测量方法，确定b轴轴线在此角度下的抛光轮的圆心坐标，重复该测量方法，测量多个角度下的抛光轮轮心(圆心)位置p＝{pi|pi＝(x
bwi
,z
bwi
),i＝1,
…
,n}；
[0072]
s8、拟合步骤s7测量的圆心坐标数据，得到抛光轮轮心绕b轴旋转的圆心坐标(xb,zb)与半径r
bw
。抛光轮最低点与b轴轴线在x、z向上投影的相对位置关系可通过步骤s6所拟合出的抛光轮圆心坐标(x
bw0
,z
bw0
)与b轴轴线的坐标(xb,zb)得到，由于步骤s6所计算出抛光轮半径，由此可得到抛光轮最低点与b轴轴线的相对位置关系，如下：
[0073]
x
bp
＝x
b-x
b0
[0074]zbp
＝z
b-z
b0
+rw[0075]
本发明提供了一种不需要特殊夹具不需要拆卸抛光轮与旋转轴等复杂方式，仅通过简单地装调待测工件的方法，去测量不同角度下的工件以及抛光轮的点位信息，然后进行拟合，同时通过最小二乘法消除个别点位测量误差的影响，实现五轴磁流变抛光机床的抛光点位置标定工作，从而为后续的超精密加工修形提供技术支撑。
[0076]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0077]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0078]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0079]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0080]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。