超大构件自寻位加工中并联机床位姿检测技术的研究.pdf

T e c h n 0 10 g y a n d 工j l ； 与检测 超大构件自寻位加工中并联机床位姿检测技术的研究 牛同锋 高 栋 张学良 哈尔滨工业大学机 电工程学院， 黑龙江 哈尔滨 1 5 0 0 0 1 摘要 为 了提高在超大构件 自寻位N - r q 并联机床位姿的检测精度及效率 ， 提出采用原点平移设置机床参 考坐标 系的方法来检测机床位姿， 并且给出了机床参考坐标 系位姿的检测方法以及机床参考坐标系 与机床坐标系位置关系的标定方法， 用实例验证 了该机床位姿检测方法的可行性。 关键词 超大构件 自寻位 位姿检测 参考坐标系 中图分类号 T H1 6 文献标识码 B S t u d y o n ma c h i n e t o o l p o s e d e t e c t i o n i n i n t e l l i g e n t p O s i t i O n a r c h i n g ma c h i n i n g o f s u p e r - l a r g e c o mp o n e n t s NI U To n g f e n g， GAO Do n g，ZHANG Xue l i a ng S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ，H a r b i n 1 5 0 0 0 1 ， C HN Abs t r a c t I n o r d e r t o i mp r o v e t h e pr e c i s i o n a n d e f f i c i e nc y o f ma c h i n e t o o l p o s e de t e c t i o n i n i n t e l l i g e n t p o s i t i o n- a r c hi n g ma c h i n i n g o f s u p e r - l a r g e c o mp o n e nt s，a r e f e r e n c e ma c h i n e c o o r d i n a t e s y s t e m wa s s e t u p t o o b t a i n t h e p o s e o f ma c h i ne t o o l i n d i r e c t l y．Th e n t he me t h o d o f r e f e r e n c e ma c h i n e c o o r di na t e s y s t e m p o s e d e t e c t i o n w a s g i v e n a s w e l l a s t h e c a l i b r a t i o n me t h o d o f t h e p o s i t i o n a l r e l a t i o n b e t we e n r e f e r e n c e ma c h i n e c o o r d i n a t e s y s t e m a n d ma c h i n e c o o r d i n a t e s y s t e m．F i n a l l y t h e f e a s i b i l i t y o f t h i s ma c h i n e t o o l p o s e d e t e c ． t i o n me t h o d wa s c h e c ke d wi t h a n a c t u a l e x pe r i me n t ． Ke y wor dsS u pe r -l a r g e Co mpo ne n t s；I n t e l l i g e n t P o s i t i o na r c h i n g；P o s e De t e c t i o n；Re f e r e n c e Co o r d i n a t e S y s t e m 随着工业技术 的发展 ， 超大构件使用场合越来越 多 ， 对超大构件 的制造精度 、 制造成本和制造周期的要 求越来越高。为了解决超大构件加工 困难的问题 ， 哈 尔滨工业大学提出了超大构件 自寻位加工技术 ， 即 采用可移动并联机床分 区域加工超大构件 ， 其基本思 想是将连续 的大平面划分区域 ， 每个 区域可 以用小型 机床分段加工。在超大构件 自寻位加工过程中 ， 机床 移动到下一位置进行加工时 ， 需要重新检测机床的位 姿 ， 机床位姿检测精度对超大构件 的加工精度有着较 大影响。 由于在传统的寻位加工 中， 只需要采用机床上 自 带的检测设备 例如三维坐标测量头、 视觉测量系统 等 来直接检测工件在 机床上 的位姿 ， 因此 国内外 有 关机床位姿检i 贝 0 的研究较少。针对超大构件 自寻位加 工， 武加锋等人提出采用特征点法实现机床位姿的检 测 2 J 。但 由于环境温度 的变化 ， 会引起特征点位置的 改变 ， 从而对机床位姿检测的精度影响较大 ， 并且需要 人工单独对特征点位置进行 检测 ， 操作复杂及 引人人 为操作误差 。鉴于此 ， 本文提 出采用原点平移法设置 u 。 J 串 幂6 机床参考坐标系 ， 通过检测机床参考坐标系在测量坐 标系中的位姿 ， 即可求解得到机床坐标 系在测量坐标 系中的位姿 。本文中利用激光跟踪仪针对实验用可移 动并联机床 如图 1 a所示 位姿的检测方法进行研究 分析。 一 一 a 可移动并联机床 b 辅助测量装置 图1机床参考坐标系建立 1 机床参考坐标系的建立与位姿检测方法 在超大构件 自寻位加工技术 中， 工件坐标系在机 床坐标系下的位姿变换矩阵为 P M T ～ P 1 式中 为机床坐标系在测量坐标系中的位姿 ； P工 9 3 改装与维修 R n g a n d n fe n a n c e 将编码器与丝杠安装轴 连接 ， 调整后保证 能够可靠地 同轴旋转 ， 并绘制编码器安装零件如图 7 。 通过实时监控方案 的实施 ， 保证 了设备 突发故 障 时 ， 机床具备安全联锁保护功能 ， 提高了机床整体安全 性和可靠性 ， 最大限度地避免产品损失 。 3 结语 在数控机床现有软硬件配置 、 技术特性 、 运行环境 等固有产 品可靠性的基础上 ， 摸索研究提升数控机床 工作可靠性方法及措施 ， 是保证航空产品质量 、 提升效 率的有效手段。 第一作者 高虹 ， 女 ， 1 9 6 6年生， 高级 工程师 ， 主要 从事设备 管理与维护工作 。 编辑谭弘颖 收稿日 期 2 0 1 3 0 3 1 4 文章编号 1 3 0 8 3 9 如果您想发表对本文的看法， 请将文章编号填入读者意觅调查表中的相应位置。 上接第 9 4页 a 值统计分布／ mm b 6 值统计分布／ mm 籁 鼙 I l ＼ 一 c c 值统计分布／ mm 图4 机床参考坐标系标定 系数统计分布图 由图 4可 以看 出， a 、 b 、 c值呈正态分布 ， 分别对其 进行正态分布拟合 ， 从而得 出 a 、 b 、 c的相对精确解 S R [ 1 8 9 ． 1 2 4 ， 一 7 4 ． 8 3 6 ， 2 8 1 ． 6 4 8 ] 。此时机床参考坐标 系在机床坐标 系中的位姿变换矩阵为 1 O O 1 8 9． 1 2 4 0 1 0 7 4 ． 8 36 0 0 1 6 91 ． 6 48 O 0 0 1 3 通过对机床参考坐标 系位姿 的检测 ， 得 到机床参 考坐标系在测量坐标 系中的位姿矩阵为 R 0 ． 93 0 l 一 0 ． 3 6 6 8 0． 01 9 7 0 0． 3 6 7 0 0． 9 3 0 2 0． 0 0 6 9 0 0． 01 5 8 0． 01 3 6 0． 9 9 9 8 0 3 43 ．1 l 7 4 4 5．1 6 4 1 41 ． 68 9 1 4 结合式 3 和式 4 可 以得到机床坐标系在测量 1 3 8 坐标 系中的位姿变换矩阵为 0． 9 3 0 1 0 ． 3 6 6 8 0 ． 01 9 7 0 0 ． 3 67 0 0 ． 9 3 0 2 0 ． 0 06 9 0 0． 01 5 8 0． 01 3 6 0 ． 9 9 9 8 O 一 5 32 ． 2 41 3 70 ． 3 28 8 3 3 ． 3 3 7 1 5 4 结语 本文针对超大构件 自寻位加工技术 ， 提 出了采用 原点平移设 置机床参考 坐标 系的方法来检测机 床位 姿 ， 可 以快速精确地检测 出机床在测量坐标系的位姿。 首先给出了机床参考 坐标 的建立方法 和位 姿检测方 法 ； 然后提出采用旋转拟合法标定机 床参考坐标系 与 机床加工头中心的位置关系 ； 最后针对可移动并联机 床进行实验 ， 得到机床坐标系在测量坐标系中的位姿 矩阵 。实验表 明该机床位姿检测方法具有较高的精确 性 ， 能够满足超大构件 自寻位加工 中机床位姿检测 的 需求 。 参考文 献 [ 1 ] G a o D o n g ，Wu J i a f e n g ，Y a o Y i n g x u e ．A r e c o n fi g u r a b l e m a n u f a c t u r i n g s y s t e m f o r i n - s i t e m a c h i n i n g c o mp o n e n t w i t h I a r g e s c a l e [ J ] ．J o u rna l o f Wu h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y M a t e ri a l s S c i e n c e ， 2 0 0 9 ， 2 4 S 1 2 2 6 2 3 0． [ 2 3 武加锋 ． 超大构件分 区 自适应定位加工技术及其可移动 机床的研制 [ D] ． 哈尔滨 哈尔滨工业大学 ， 2 0 1 0 ． [ 3 ] 马峰， 李琼砚 ， 赵亚东 ． 异 面直线公垂线段 中点算法为基 的三维点重 建 [ J ] ． 现代制造工程 ， 2 0 0 9 7 9 8 1 0 2 ． 第一作者 牛 同锋 ， 男， 1 9 8 8年生， 硕 士， 主要研 究 方向 为超 大构 件加 工技 术 。 编辑孙德茂 收稿 日期 2 0 1 3 0 3 - 3 0 文意编鬻 l 3 鹏2 S 如 果 您 想 发 表 对 本 文 的 看 法 ，请 将 文 章 编 号 填 入 读 者 意 见 调 蠢 表 中 的 相 应 位 置 。 等 ￡u lo 0