五轴机床的测头矢量探测移动方向的计算方法与流程

1.本发明涉及多轴数控加工技术领域，尤其涉及一种五轴机床的测头矢量探测移动方向的计算方法。


背景技术：

2.测头测量是最大限度地提高机床效率、质量、能力和精度的公认的最佳方法。具体而言，多轴式机床上放置有可对刀具和工件位置进行实时检测的测头，现代机床上的cnc控制器(computer numerical controller)内置有诸如平面测量程序09821等的标准程序，控制器接收到测头发发送的刀具、工件位置后对刀具进行实时调教，进而实现精确加工的目的。cnc控制器内置的程序可以简化了测头测量循环与加工操作和离线刀具的集成过程。
3.cnc控制器集成的测头测量软件提供了通用的测量方式，包括单轴移动测量，平面移动测量及常规的空间移动测量等。例如，如上文提及的平面测量程序09821是使用带角度的单个平面测量或常规的空间移动测量程序，其可以实现xy平面上的矢量探测，也可实现常规的空间移动的矢量探测。但需要计算测头移动的矢量方向。矢量测量可以更好的防止测头移动期间与工件等发生触碰而彼此干涉，并测量得到更准确的数据。
4.对于三轴机床，可以较容易计算出测量点的法向，从而得到测头移动的矢量方向。然而针对五轴数控机床，在经过2个旋转轴转动后，工件相对测头的位置姿态发生了变化，现有的常规测量算法无法简易计算出测头矢量测量的移动方向。
5.因此，亟需设计一种新的测头矢量探测移动方向的矢量计算方法，以至少解决现有技术存在的上述不足之处。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是为了克服现有的五轴机床无法简易计算出测头矢量探测移动方向的上述缺陷，提出一种新的五轴机床的测头矢量探测移动方向的计算方法。
7.本发明是通过采用下述技术方案来解决上述技术问题的：
8.本发明提供了一种五轴机床的测头矢量探测移动方向的计算方法，其中，所述五轴机床包括主轴或摆头，测头固定于所述主轴或摆头上，该计算方法包括以下步骤：
9.步骤一、获取测量点的刀尖移动方向v
tc
。
10.步骤二、基于所述刀尖移动方向v
tc
计算所述测量点在五轴机床坐标系中的移动方向v
mc
；
11.步骤三、基于所述移动方向v
mc
计算所述测头在所述五轴机床坐标系中的姿态方向v
tool
；
12.步骤四、计算所述移动方向v
mc
在所述姿态方向v
tool
的垂直平面上的投影矢量v
mv
；
13.步骤五、基于如下公式计算所述测头的移动方向v
dir
：
[0014]vdir
＝v
mv
×vtool
。
[0015]
根据本发明的一些优选实施方式，通过以下步骤计算所述测量点在五轴机床坐标
系中的所述移动方向v
mc
：
[0016]
提取五轴机床的预设程序中预设的所述测量点的第一转轴角度α和第二转轴角度β；
[0017]
计算第一旋转矩阵mw，其中，若所述五轴机床为五轴双转台结构，则mw＝r2(β)
×
r1(α)；若所述五轴机床为五轴双摆头结构，则mw为单位矩阵；若所述五轴机床为五轴混合结构，则mw＝r1(α)；
[0018]
基于以下公式计算所述移动方向v
mc
：
[0019]vmc
＝v
tc
×mw
[0020]
其中，r1(α)、r2(β)分别为第一转轴、第二转轴的单位转轴旋转矩阵。
[0021]
根据本发明的一些优选实施方式，设定所述姿态方向v
tool
为单位矢量，并且基于以下步骤计算所述姿态方向v
tool
：
[0022]
提取预设程序中预设的所述测量点的第一转轴角度α和第二转轴角度β；
[0023]
计算第二旋转矩阵m
t
，其中，若所述五轴机床为五轴双转台结构，则m
t
为单位矩阵，若所述五轴机床为五轴双摆头结构，则m
t
＝r2(β)
×
r1(α)；若所述五轴机床为五轴混合结构，则m
t
＝r2(β)，其中，r1(α)、r2(β)分别为第一转轴，第二转轴的转轴旋转矩阵；
[0024]
基于以下公式计算所述姿态方向v
tool
：
[0025]vtool
＝(0 0 1)
×mt
。
[0026]
根据本发明的一些优选实施方式，设定所述投影矢量v
mv
为单位矢量，并且基于以下步骤计算所述投影矢量v
mv
：
[0027]
基于以下公式计算点积dot：
[0028]
dot＝v
mc
·vtool
[0029]
基于以下公式计算总投影矢量v
mv
[0030]vmv
＝v
tool-v
mc
×
dot
[0031]
对所述总投影矢量v
mv
进行单位化以获取所述投影矢量v
mv
：
[0032]vmv
＝v
mv
/|v
mv
|。
[0033]
根据本发明的一些优选实施方式，步骤五所求取的所述测头的移动方向v
dir
在x轴、y轴、z轴的数值分别为x、y、z，所述测头的移动方向v
dir
在由x轴和y轴组成的平面上的移动方向aa通过以下步骤计算：
[0034]
aa＝tan-1
(y/x)。
[0035]
根据本发明的一些优选实施方式，通过以下步骤获取刀尖移动方向v
tc
：
[0036][0037][0038]vtc3
＝0.5
×
(v
tc1
+v
tc2
)
[0039]vtc
＝v
tc3
/|v
tc3
|
[0040]
其中，p1为测量点前一个点位坐标，p2为测量点坐标，p3为测量点后一个点位坐标。
[0041]
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
[0042]
本发明的积极进步效果在于：
[0043]
根据本发明的五轴机床的测头矢量探测移动方向的计算方法，五轴机床在经过任意多次转动后，工件相对测头的位置姿态发生任意形式的姿态变化后，测头进行矢量测量过程中可避免干涉，进而使得系统得到精确的测量数据。
附图说明
[0044]
图1为五轴机床类别的示意图。
[0045]
图2为根据本发明的优选实施方式的五轴机床的测头矢量探测移动方向的计算方法的流程图。
[0046]
图3、4示出了两种刀尖移动方向的求取v
tc
的矢量示意图。
[0047]
图5示出了采用本发明的计算方法的获得的测头矢量探测移动方向以及现有技术的测头矢量探测移动方向的示意图。
具体实施方式
[0048]
下面结合说明书附图，进一步对本发明的优选实施例进行详细描述，以下的描述为示例性的，并非对本发明的限制，任何的其他类似情形也都将落入本发明的保护范围之中。
[0049]
在以下的具体描述中，方向性的术语，例如“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”等，参考附图中描述的方向使用。本发明各实施例中的部件可被置于多种不同的方向，方向性的术语是用于示例的目的而非限制性的。
[0050]
为了说明本发明所涉及的运用场景，可首先参考图1所示的五轴机床的分类说明。参见图1，五轴机床总体上可分为五轴双转台结构、五轴双摆头结构、五轴混合结构这三个类别。一般地，五轴机床在x轴、y轴、z轴方向上设有直线式往复驱动机构，x轴、y轴、z轴向三个中的两个设有旋转驱动机构。如公知的，一般地，将分别绕x轴、y轴、z轴旋转的驱动轴定义为对应的a轴、b轴、c轴。
[0051]
在一种五轴双转台结构中，例如图1所示表格第一行的中间表格所示的ac轴形式(即旋转轴为a轴、c轴)，其中一个转台设置在机身上，可绕x轴转动；另一个转台设置上述转台上，可绕z轴转动，其中z轴为主轴。在该结构中定义a轴为第一转轴，c轴为第二转轴。
[0052]
为了便于理解，在此说明，如领域公知的，对于常规的五轴机床，例如双转台结构、双摆头结构的五轴机床，第一转轴、第二转轴具有如下关系：当第一转轴转动时，第二转轴随之移动；第二转轴转动时，第一转轴则不移动。如果是混合结构，转台为第一转轴，摆头为第二转轴。
[0053]
继续参见图1，如图1所示表格第一行右侧表格所示的五轴双转台结构的bc结构形式，其中一个转台设置在机身上，可绕y轴转动；另一个转台(主轴)设置上述转台上，可绕z轴转动。在该结构中定义b轴为第一转轴，c轴为第二转轴。
[0054]
参见图1表格第二行所示的双摆头结构中ca结构以及cb结构，其中第二行的中间表格为ca结构，右侧表格为cb结构。在ca结构中，一个摆头与机床(工作台)直接转动连接，其转动轴为c轴，另一个摆头的转动轴为a轴，并且c轴为第一转轴，a轴为第二转轴。
[0055]
图1表格第三行示出了转动轴为c轴以及a轴或b轴中的一个的混合结构。混合结构由一个转台和一个摆头构成。在ca结构中，摆头的转动轴为a轴(即摆头绕x轴方向转动)；转
台的转动轴为c轴(即绕z轴转动)。
[0056]
需要说明的是，表1仅示出了部分的五轴机床的结构，五轴机床事实上还有ab/ba结构的双转台结构、双摆头结构或混合结构，这些均为本领域的公知技术。参见图1以及上文的相关说明，本领域技术人员理解ab/ba结构的双转台结构、双摆头结构或混合结构的相关结构，在此不再赘述。
[0057]
对于上述各类五轴机床，总体而言，五轴机床的旋转轴包括五轴双转台的转台和主轴，五轴双摆头的工作台和摆头，五轴混合结构的转台和摆头。用于测量之用的测头设置在可实现旋转的主轴或摆头中。测头的设置位置以及固定方式属于本领域常规技术，在此不再赘述。
[0058]
以下结合图2所示的流程图来说明本发明根据本发明的优选实施方式的五轴机床的测头矢量探测移动方向的计算方法。如图2所示，上述计算方法包括以下步骤：
[0059]
步骤一、获取测量点的刀尖移动方向v
tc
；
[0060]
步骤二、基于所述刀尖移动方向v
tc
计算所述测量点在五轴机床坐标系中的移动方向v
mc
；
[0061]
步骤三、基于所述移动方向v
mc
计算所述测头在所述五轴机床坐标系中的姿态方向v
tool
；
[0062]
步骤四、计算所述移动方向v
mc
在所述姿态方向v
tool
的垂直平面上的投影矢量v
mv
；
[0063]
步骤五、基于如下公式计算所述测头的移动方向v
dir
：
[0064]vdir
＝v
mv
×vtool
。
[0065]
在上述步骤一中，可基于多种方式求取v
tc
。例如，参见图3，在一些优选实施方式中，可通过以下步骤获取刀尖移动方向v
tc
：
[0066][0067][0068]vtc3
＝0.5
×
(v
tc1
+v
tc2
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0069]vtc
＝v
tc3
/|v
tc3
|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0070]
上述各式中，p1为测量点前一个点位坐标，p2为测量点坐标，p3为测量点后一个点位坐标。对于各测量点的点位坐标，其可以根据系统内的五轴机床的预设程序提取得到，而五轴机床的预设程序是编程软件生成的加工程序，该程序描述工作坐标系下的一些列加工位置点及旋转轴角度等，即用于描述加工工件的形状及加工姿态。预设程序包括预设的相关的测量点的相关转轴角度等信息。本发明中提及的预设程序可以是任意五轴机床中所集成的内容，并且五轴机床预设程序的相关内容不属于本发明的创新之处，属于本领域技术人员的公知内容，因此在此不予展开描述。本发明的算法可以基于任意形式的五轴机床中所具有的预设程序内预设的信息来实现。
[0071]
参见图3，可以理解，图3所示的刀尖移动方向v
tc
的计算方法是通过求取平均角的方式得到。然而，为了实现更为精确的计算，参见图4，在另一个实施方式可通过b样条曲线的方式来计算p2这个测量点的切向上的v
tc
。除此之外，在一些未示出的实施方式中，还可以通过数学领域常规的其他曲线的形式来计算切向，获得v
tc
。
[0072]
通过以上的步骤，在任意五轴机床在经过任意多次转动后，工件相对测头的位置
姿态发生的变化情况通过矢量计算的方式给予表达，使得测头进行矢量测量过程避免干涉，得到精确的测量数据。
[0073]
继续参见图2，在一些优选实施方式中，步骤二中的所述测量点在五轴机床坐标系中的移动方向v
mc
可通过以下方式求得：
[0074]
提取预设程序中预设的所述测量点的第一转轴角度α和第二转轴角度β；
[0075]
计算第一旋转矩阵mw，其中，若所述五轴机床为五轴双转台结构，则mw＝r2(β)
×
r1(α)；若所述五轴机床为五轴双摆头结构，则mw为单位矩阵；若所述五轴机床为五轴混合结构，则mw＝r1(α)；
[0076]
基于以下公式计算所述移动方向v
mc
：
[0077]vmc
＝v
tc
×mw
；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0078]
其中，r1(α)、r2(β)分别为第一转轴、第二转轴的单位转轴旋转矩阵。
[0079]
测量点的第一转轴角度α和第二转轴角度β同样可以由系统内预设的预设程序中直接提取得到。
[0080]
对于第一转轴、第二转轴的单位转轴旋转矩阵r1(α)、r2(β)，以第一转轴为a轴为例(即第一旋转转轴是绕x轴的旋转)，绕x轴旋转角度α时的r1(α)(为方便表征其对应旋转轴，r1(α)此时可表示为rx(α))如下：
[0081][0082]
类似地，绕z轴旋转β、绕y轴旋转γ的单位旋转矩阵分别如下：
[0083][0084][0085]
在五轴机床为五轴双摆头结构的实施方式中，作为单位矩阵形式的mw可如下表示：
[0086][0087]
对于步骤三中，测头在五轴机床坐标系中的姿态方向v
tool
，在一些优选实施方式中可设定为单位矢量，并且基于以下步骤计算该姿态方向v
tool
，具体地：
[0088]
提取预设程序中预设的所述测量点的第一转轴角度α和第二转轴角度β；
[0089]
计算第二旋转矩阵m
t
，其中，若所述五轴机床为五轴双转台结构，则m
t
为单位矩阵，若所述五轴机床为五轴双摆头结构，则m
t
＝r2(β)
×
r1(α)；若所述五轴机床为五轴混合结构，则m
t
＝r2(β)，其中，r1(α)、r2(β)分别为第一转轴，第二转轴的转轴旋转矩阵；
[0090]
基于以下公式计算所述姿态方向v
tool
：
[0091]vtool
＝(0 0 1)
×mt
；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0092]
与步骤二中涉及的内容相似，在该步骤三中，第一转轴角度α和第二转轴角度β同
样可以由系统内预设的预设程序中直接提取得到。单位矩阵形式的m
t
可表示为：
[0093][0094]
各单位旋转矩阵可参见上述公式(6)-公式(8)以及相关段落的说明，在此不再重复。
[0095]
对于步骤四中，测量点的移动方向v
mc
在垂直于测头在五轴机床坐标系中的姿态方向v
tool
的平面上的投影矢量v
mv
，在一些优选实施方式中，投影矢量v
mv
被设定为单位矢量，并且可基于以下步骤计算单位矢量形式的投影矢量v
mv
：
[0096]
基于以下公式计算点积dot：
[0097]
dot＝v
mc
·vtool
；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0098]
基于以下公式计算总投影矢量v
mv
：
[0099]vmv
＝v
tool-v
mc
×
dot；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0100]
对所述总投影矢量v
mv
进行单位化以获取所述投影矢量v
mv
：
[0101]vmv
＝v
mv
/|v
mv
|。
[0102]
在部分特定运用场景下，根据本发明，还可以计算在某特定平面上的移动方向。例如，将步骤五所求取的所述测头的移动方向v
dir
在x轴、y轴、z轴的数值分别为x、y、z，所述测头的移动方向v
dir
在由x轴和y轴组成的平面上的移动方向aa通过以下步骤计算：
[0103]
aa＝tan-1
(y/x)。
[0104]
以下结合附图5来说明根据本发明的测头矢量探测移动方向的运用。如图5所示，其示出了常规的圆柱或球形的测头。根据现有技术中的常规集成程序，测头存在沿着点划线或虚线的方向移动的可能性，此时测头会提前触碰到工件。在利用本发明的测头矢量探测移动方向的计算方法所获得的移动方向后，测头沿着图5所示实线方向移动，因此可避免现有技术测头发生干涉的问题。
[0105]
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，而且这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种五轴机床的测头矢量探测移动方向的计算方法，其中，所述五轴机床包括主轴或摆头，测头固定于所述主轴或摆头上，其特征在于，所述计算方法包括以下步骤：步骤一、获取测量点的刀尖移动方向v
tc
；步骤二、基于所述刀尖移动方向v
tc
计算所述测量点在五轴机床坐标系中的移动方向v
mc
；步骤三、基于所述移动方向v
mc
计算所述测头在所述五轴机床坐标系中的姿态方向v
tool
；步骤四、计算所述移动方向v
mc
在所述姿态方向v
tool
的垂直平面上的投影矢量v
mv
；步骤五、基于如下公式计算所述测头的移动方向v
dir
：v
dir
＝v
mv
×vtool
。2.根据权利要求1所述的五轴机床的测头矢量探测移动方向的计算方法，其特征在于，通过以下步骤计算所述测量点在五轴机床坐标系中的所述移动方向v
mc
：提取五轴机床的预设程序中预设的所述测量点的第一转轴角度α和第二转轴角度β；计算第一旋转矩阵m
w
，其中，若所述五轴机床为五轴双转台结构，则m
w
＝r2(β)
×
r1(α)；若所述五轴机床为五轴双摆头结构，则m
w
为单位矩阵；若所述五轴机床为五轴混合结构，则m
w
＝r1(α)；基于以下公式计算所述移动方向v
mc
：v
mc
＝v
tc
×
m
w
其中，r1(α)、r2(β)分别为第一转轴、第二转轴的单位转轴旋转矩阵。3.根据权利要求1所述的五轴机床的测头矢量探测移动方向的计算方法，其特征在于，设定所述姿态方向v
tool
为单位矢量，并且基于以下步骤计算所述姿态方向v
tool
：提取所述预设程序中预设的所述测量点的第一转轴角度α和第二转轴角度β；计算第二旋转矩阵m
t
，其中，若所述五轴机床为五轴双转台结构，则m
t
为单位矩阵，若所述五轴机床为五轴双摆头结构，则m
t
＝r2(β)
×
r1(α)；若所述五轴机床为五轴混合结构，则m
t
＝r2(β)，其中，r1(α)、r2(β)分别为第一转轴，第二转轴的转轴旋转矩阵；基于以下公式计算所述姿态方向v
tool
：v
tool
＝(0 0 1)
×
m
t
。4.根据权利要求1所述的五轴机床的测头矢量探测移动方向的计算方法，其特征在于，设定所述投影矢量v
mv
为单位矢量，并且基于以下步骤计算所述投影矢量v
mv
：基于以下公式计算点积dot：dot＝v
mc
·vtool
基于以下公式计算总投影矢量v
mvvmv
＝v
tool-v
mc
×
dot对所述总投影矢量v
mv
进行单位化以获取所述投影矢量v
mv
：v
mv
＝v
mv
/|v
mv
|。5.根据权利要求1-4中任一项所述的五轴机床的测头矢量探测移动方向的计算方法，其特征在于，步骤五所求取的所述测头的移动方向v
dir
在x轴、y轴、z轴的数值分别为x、y、z，所述测头的移动方向v
dir
在由x轴和y轴组成的平面上的移动方向aa通过以下步骤计算：aa＝tan-1
(y/x)。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的五轴机床的测头矢量探测移动方向的计算方法，其特征在于，通过以下步骤获取刀尖移动方向v
tc
：：v
tc3
＝0.5
×
(v
tc1
+v
tc2
)v
tc
＝v
tc3
/|v
tc3
|其中，p1为测量点前一个点位坐标，p2为测量点坐标，p3为测量点后一个点位坐标。

技术总结
本发明公开了一种五轴机床的测头矢量探测移动方向的计算方法，该计算方法包括以下步骤：获取测量点的刀尖移动方向V


技术研发人员：方静波
受保护的技术使用者：上海铼钠克数控科技有限公司
技术研发日：2022.03.15
技术公布日：2023/9/23