阅读说明：本技术 一种旋转轴回转中心方向及空间位置测量方法 (Method for measuring direction and spatial position of rotation center of rotating shaft ) 是由 杨小君 訾进锋 梁晨涛 吴平 于 2020-06-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种旋转轴回转中心方向及空间位置测量方法,包括以下步骤：S101：将A旋转轴和C旋转轴置于零位,且在C旋转轴的工作台面上安装一个斜面；S102：A旋转轴不动,C旋转轴旋转,通过测距传感器在平面上测量一个点阵,拟合平面方程,然后计算出平面的空间焦点和平面的法线焦点,得出C旋转轴的轴心；S103：C旋转轴不动,A旋转轴旋转,通过测距传感器在平面上测量一个点阵,拟合平面方程,然后计算出平面的空间焦点和平面的法线焦点,得出A旋转轴的轴心；本发明能够测量动件式机床旋转轴的空间位置与几何误差。(The invention discloses a method for measuring the rotation center direction and the spatial position of a rotating shaft, which comprises the following steps: s101: the rotating shaft A and the rotating shaft C are arranged at zero positions, and an inclined plane is arranged on a working table top of the rotating shaft C; s102: the rotation axis A is fixed, the rotation axis C rotates, a lattice is measured on a plane through a distance measuring sensor, a plane equation is fitted, and then a space focus of the plane and a normal focus of the plane are calculated to obtain the axis of the rotation axis C; s103: c, the rotating shaft is fixed, the rotating shaft A rotates, a dot matrix is measured on a plane through a distance measuring sensor, a plane equation is fitted, and then a space focus of the plane and a normal focus of the plane are calculated to obtain the axis of the rotating shaft A; the invention can measure the space position and geometric error of the rotating shaft of the movable machine tool.)

一种旋转轴回转中心方向及空间位置测量方法

技术领域

本发明涉及激光加工领域，具体涉及一种旋转轴回转中心方向及空间位置测量方法。

背景技术

激光加工设备光束扫描模块采用非接触式加工，使激光直接作用于工件表面，具有热影响小、加工灵活、材料广泛等特点。

动件式测量装置内部，有三个直线轴X、Y、Z和两个旋转轴A、C，光束扫描模块与点激光测距传感器安装于Z轴，随Z轴进行直线运动，加工台面平行于C轴的旋转平面。

已知加工位置和加工方向矢量的情况下，假设各旋转轴的轴线均与理论轴线完全重合，则可以通过简单的计算获取加工的机床各轴姿态，然而机床装配时，旋转轴的轴线不可避免地存在一定误差，因此需要对机床的旋转轴轴线的位置和方向进行测量，以此作为已知条件对加工姿态进行解析，计算机床各轴的位置。

发明内容

本发明提供一种旋转轴回转中心方向及空间位置测量方法，能够测量动件式机床旋转轴相对于机床测距传感器零点的回转中心位置及旋转轴在机床坐标系下的轴向。

为了实现根据本发明的这些目的和其他优点，提供了一种旋转轴回转中心方向及空间位置测量方法，包括以下步骤：

S101：将A旋转轴和C旋转轴置于零位，且在C旋转轴的工作台面上安装一个倾斜角度在10°至30°之间的斜面；

S102：A旋转轴不动，C旋转轴多次旋转，且每次旋转静止后使用机床测距传感器在斜面上测量一个矩形的点阵，然后通过测量的点阵拟合出多个斜面的空间平面方程及其法向量的值，通过以上信息可计算出平面交点P₁与C轴轴向

P₁与

所组成的空间直线为C旋转轴的轴心；

S103：C旋转轴不动，A旋转轴多次旋转，且每次旋转静止后使用机床测距传感器在斜面上测量一个矩形的点阵，然后通过测量的点阵拟合出多个斜面的空间平面方程及其法向量的值，通过以上信息可计算出平面交点P₂与A轴轴向P₂与所组成的空间直线为A旋转轴的轴心；

其中，所述A旋转轴绕X轴的轴线进行旋转运动；C旋转轴安装在A旋转轴上且整体随A旋转轴同时进行旋转运动，当A旋转轴位于0度时，C旋转轴绕Z轴的轴线进行旋转运动。

进一步地，在所述步骤S102平面方程和其平面的法向量

的计算方法如下：

空间平面系数A、B、C、D满足方程X_iA+Y_iB+Z_iC+D＝0(i≤m,m≥4)，其中(X_i,Y_i,Z_i)为矩形点阵中各点的空间坐标，通过求解以下线性方程组的最小二乘解得到平面方程系数A、B、C、D，并获取该平面的法向量

即(A,B,C)；

进一步地，在步骤S102中，至少三个斜面根据平面方程X_iA+Y_iB+Z_iC+D＝0计算出平面交点和各自平面的法向量所述平面交点的计算方法如下：

通过求解线性方程组的最小二乘解得到空间平面的交点。

进一步地，在步骤S102中，通过至少三个法向量

计算出C旋转轴的轴向

计算方法如下：

令旋转轴轴向用单位向量

表示，各平面法向量用单位向量表示，其中，由于是同一平面绕旋转轴旋转所得，易知与任意夹角相等，由于与

均为单位向量(长度为1)，即设与夹角为α，

与相点乘结得对于任意i(i≤n,n≥3)可得：

令

其中

与

为同方向向量，可得：

已知

的值为(A_Ni,B_Ni,C_Ni)，设的值为(X,Y,Z)，可建立如下线性方程组：

求解以上方程的最小二乘解，可得

将进行单位化处理，得到的单位向量即为旋转轴轴向：

进一步地，所述步骤S103中计算所述平面交点P₂与A轴轴向

的计算方法和S102中计算所述平面交点P₁与C轴轴向的计算方法相同。

优选的，在步骤S101中，A旋转轴和C旋转轴的零位位置由点激光测距传感器进行基准定位。

优选的，在步骤S102中，C旋转轴的旋转次数不少于三次。

优选的，在步骤S102中，C旋转轴的旋转范围为0°至360°。

优选的，在步骤S103中，A旋转轴的旋转次数不少于三次。

优选的，在步骤S103中，C旋转轴的旋转范围在-45°至45°。

本发明与现有技术相比，本发明能够通过不同角度下平面的点阵拟合的平面方程计算出各旋转轴相对于机床测距传感器零点的回转中心位置及旋转轴在机床坐标系下的轴向，通过旋转轴回转中心及转轴在机床坐标系下的轴向，可计算五轴机床对机床内任意一点进行加工时机床各轴的姿态。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明其中一个实施例的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

本发明提供一种旋转轴回转中心方向及空间位置测量方法，如图1所示，包括以下步骤：

S101：首先A旋转轴绕X轴的轴线进行旋转运动；C旋转轴安装在A旋转轴上且整体随A旋转轴同时进行旋转运动，当A旋转轴位于0度时，C旋转轴绕Z轴的轴线进行旋转运动；

然后将A旋转轴和C旋转轴置于零位，且在C旋转轴的工作台面上安装一个倾斜角度在10°至30°之间的斜面；A旋转轴和C旋转轴的零位位置由点激光测距传感器进行基准定位。

S102：A旋转轴不动，C旋转轴多次旋转，且每次旋转静止后使用机床测距传感器在斜面上测量一个矩形的点阵，然后通过测量的点阵拟合出多个斜面的空间平面方程。其中，所述空间平面方程的形式为A_ix+B_iy+C_iz+D_i＝0,(i≤n,n≥3)，其中平面法向量

的值为(A_i,B_i,C_i)，计算以上多个平面的空间交点P₁，并通过以上平面的法向量，可计算出C轴轴向P₁与所组成的空间直线为C旋转轴的轴心，即P₁为C旋转轴相对于机床测距传感器零点的回转中心位置，为C旋转轴在机床坐标系下的轴向；C旋转轴的旋转次数不少于三次，C旋转轴的旋转范围为0°至360°。

S103：C旋转轴不动，A旋转轴多次旋转，且每次旋转静止后使用机床测距传感器在斜面上测量一个矩形的点阵，然后通过测量的点阵拟合出多个斜面的空间平面方程。其中，所述空间平面方程的形式为A_jx+B_jy+C_jz+D_j＝0,(j≤n,n≥3)，其中平面法向量

的值为(A_j,B_j,C_j)，计算以上多个平面的空间交点P₂，并通过以上平面的法向量，可计算出A轴轴向P₂与所组成的空间直线为A旋转轴的轴心，即P₂为A旋转轴相对于机床测距传感器零点的回转中心位置，

为A旋转轴在机床坐标系下的轴向；A旋转轴的旋转次数不少于三次，C旋转轴的旋转范围在-45°至45°。

其中，所述A旋转轴绕X轴的轴线进行旋转运动；C旋转轴安装在A旋转轴上且整体随A旋转轴同时进行旋转运动，当A旋转轴位于0度时，C旋转轴绕Z轴的轴线进行旋转运动。

所述步骤S103中计算所述平面交点P₂与A轴轴向的计算方法和S102中计算所述平面交点P₁与C轴轴向的计算方法相同，因此仅以其中步骤S102为例进行说明，所述矩形点阵计算平面方程的方法如下：

空间平面系数A、B、C、D满足方程X_iA+Y_iB+Z_iC+D＝0(i≤m,m≥4)，其中(X_i,Y_i,Z_i)为矩形点阵中各点的空间坐标，通过求解以下线性方程组的最小二乘解得到平面方程系数A、B、C、D，并获取该平面的法向量的值，即(A,B,C)；

依次测量A、C旋转轴在不同角度下的n(n≥3)个平面上的矩形点阵并计算出平面方程，理想情况下的n(n≥3)个平面有唯一交点，所述计算平面交点的方法如下：

空间中满足n(n≥3)个空间平面方程的点即为该n(n≥3)个空间平面的交点，空间平面方程为A_ix+B_iy+C_iz+D_i＝0,(i≤n,n≥3)，可通过求解以下线性方程组的最小二乘解得到空间平面的交点；

并且，通过以上的多个空间平面的法向量可计算旋转轴的轴向，所述计算方式如下：

令旋转轴轴向用单位向量

表示，各平面法向量用单位向量表示，其中。由于是同一平面绕旋转轴旋转所得，易知与任意夹角相等，由于与均为单位向量(长度为1)，即设与夹角为α，

与相点乘结得

对于任意i(i≤n,n≥3)可得：

令其中与

为同方向向量，可得：

已知的值为(A_Ni,B_Ni,C_Ni)，设

的值为(X,Y,Z)，可建立如下线性方程组：

求解以上方程的最小二乘解，可得

将进行单位化处理，得到的单位向量即为旋转轴轴向：

本发明还提供一个实施例，其测量方法包括以下步骤：

S201：将A旋转轴和C旋转轴置于零位，由点激光测距传感器进行基准定位，且在C旋转轴的工作台面上安装一个倾斜角度为10°至30°的斜面；

S202：A旋转轴不动，C回转轴旋转六次，分别为60°、120°、180°、240°、300°、360°，且每次旋转静止后使用机床测距传感器在斜面上测量一个矩形的点阵，然后通过测量的点阵拟合出六个斜面的空间平面方程，所述空间平面方程的形式为A_ix+B_iy+C_iz+D_i＝0,(i≤6)，其中平面法向量的值为(A_i,B_i,C_i)，计算以上六个平面的空间交点P₁，并通过以上平面的法向量，可计算出C轴轴向

P₁与所组成的空间直线为C旋转轴的轴心，即P₁为C旋转轴相对于机床测距传感器零点的回转中心位置，

为C旋转轴在机床坐标系下的轴向；

S203：C旋转轴不动，A旋转轴旋转七次，分别为0°、15°、30°、45°、-15°、-30°、-45°，且每次旋转静止后使用机床测距传感器在斜面上测量一个矩形的点阵，所述空间平面方程的形式为A_jx+B_jy+C_jz+D_j＝0,(j≤n,n≥3)，其中平面法向量的值为(A_j,B_j,C_j)，计算以上七个平面的空间交点P₂，并通过以上平面的法向量，可计算出A轴轴向

P₂与所组成的空间直线为A旋转轴的轴心，即P₂为A旋转轴相对于机床测距传感器零点的回转中心位置，为A旋转轴在机床坐标系下的轴向。

最后根据步骤S202和S203得出的A轴轴心和C轴轴心计算出工件的加工姿态。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。