五轴设备A轴角度位移测量装置及测量标定方法

摘要

五轴设备A轴角度位移测量装置及测量标定方法，涉及角度位移测量技领域，解决现有角度测量方式无法实现对每一个光栅栅距对应角度进行测量标定的问题，该装置为一套将直线位移转换圆周角度的装置及方法，在测量轴系基准上加工有丝线紧固螺钉和丝线挂销；第一丝线的一端通过丝线紧固螺钉紧固，第一丝线另一端紧固于滑台座的一端；滑台座紧固第二丝线，第二丝线经滑轮后紧固于平衡块；平衡块的重量将第一丝线和第二丝线绷紧，并牵动高精度光栅尺滑台运动，当测量轴系本体转动时，第一丝线将缠绕测量轴系本体外圆表面，同时牵动高精度光栅尺滑台以及平衡块移动。本发明实现对A轴圆光栅或编码器的每个光栅栅距角度进行测量标定，提高了测量精度。

权利要求

1.五轴设备A轴角度位移测量装置，包括测量轴系基准(4)、高精度光栅尺滑台(6)和滑台座(7)；其特征是：还包括检验棒(1)、调心支架(3)、V型结构支架梁(12)、第一丝线(5)、第二丝线(8)、滑轮(9)和平衡块(10)；

在所述测量轴系基准(4)上加工有丝线紧固螺钉(14)和丝线挂销(15)；所述第一丝线(5)的一端通过丝线紧固螺钉(14)紧固，第一丝线(5)另一端紧固于滑台座(7)的一端；所述滑台座(7)的另一端紧固第二丝线(8)，所述第二丝线(8)经滑轮(9)后紧固于平衡块(10)；

所述平衡块(10)的重量将第一丝线(5)和第二丝线(8)拉直绷紧，并牵动高精度光栅尺滑台(6)运动，当测量轴系基准(4)转动时，第一丝线(5)将缠绕所述测量轴系基准(4)的圆弧表面，同时牵动高精度光栅尺滑台(6)以及平衡块(10)移动；

所述测量轴系基准(4)上加工有一个V型结构支架梁(12)与检验棒(1)紧固为一体；

所述调心支架(3)通过调心螺钉(2)与检验棒(1)紧固，通过所述调心螺钉(2)调整测量轴系基准(4)与检验棒(1)轴向位置，测量轴系基准(4)的圆弧表面与A轴同轴。

2.根据权利要求1所述的五轴设备A轴角度位移测量装置，其特征在于：测量过程中，所述丝线运动方向与高精度光栅尺滑台(6)的移动方向平行，并且第一丝线(5)与测量轴系基准(4)圆弧表面相切。

3.根据权利要求1所述的五轴设备A轴角度位移测量装置，其特征在于：所述第一丝线(5)运动方向与测量轴系基准(4)的轴向垂直。

4.根据权利要求1所述的五轴设备A轴角度位移测量装置，其特征在于：所述丝线紧固螺钉(14)与丝线挂销(15)平行安装，且所述丝线紧固螺钉(14)与丝线挂销(15)的连线与测量轴系基准(4)的轴线平行。

5.根据权利要求4所述的五轴设备A轴角度位移测量装置，其特征在于：所述丝线紧固螺钉(14)靠近所述测量轴系基准(4)的边缘端。

6.基于权利要求1‑5任意一项所述的五轴设备A轴角度位移测量装置的测量标定方法，其特征是：该方法由以下步骤实现：

步骤一、五轴设备控制系统将A轴的基准点置于零点，即：A轴与主轴垂直；

步骤二、当A轴转动带动检验棒(1)、测量轴系基准(4)转动时，控制系统采集角度的数据；

步骤三、控制系统采集高精度光栅尺记录高精度光栅尺滑台(6)的位移距离数据，同时采集A轴的光栅角度信息；

步骤四、当所述测量轴系基准(4)旋转90°时，所述高精度光栅尺的位移距离数据则与A轴的光栅角度信息相对应，实现对A轴的测量标定。

7.根据权利要求6所述的测量标定方法，其特征在于：在测量标定过程中，当所述高精度光栅尺采集第m个栅距时，对应A轴的第n个栅距，高精度光栅尺对应角度为α，A轴对应角度为β；进行修正，将A轴的第n个栅距对应的角度β修改为高精度光栅尺采集第m个栅距时对应角度α；

所述高精度光栅尺继续采集，直到当高精度光栅尺采用第M个栅距时，对应A轴的第N个栅距，高精度光栅尺对应角度为γ，A轴对应角度同样为γ；则控制器记录A轴对应的栅距值，直到测量轴系基准(4)旋转到达A轴的基准零点结束；1≤m≤M，1≤n≤N，M和N为整数且M≠N。

说明书

五轴设备A轴角度位移测量装置及测量标定方法

技术领域

[0001] 本发明涉及设备制造中角度位移测量技领域，具体涉及一种(摆动轴)轴设备A轴角度位移测量装置及测量标定方法。

背景技术

[0002] 目前，在实际生产中，五轴加工中心设备A轴(摆动轴)角度位移测量和标定是一个非常重要指标，它直接影响产品空间角度孔与面加工精度和质量，影响空间曲面的加工轮
廓度与质量，虽然五轴加工中心设备已经应用50多年了，但是直到现在对于五轴加工中心
设备A轴(摆动轴)角度位移测量和标定还是没有比较理想的方法和装置，现在常用角度标
定的标准是采用棱体进行标定，比如采用36面棱体、24面棱体以及23面棱体等等；36面棱体
每个面差10°， 24面棱体每个面差15°，但它与高精度光栅尺(0.0001mm)或激光干涉仪测量
的方式不同，高精度光栅尺或激光干涉仪通过等值栅距或干涉波长来测量长度。采用棱体
测量A轴(摆动轴)编码器角度时，难点是五轴设备A轴(摆动轴) 结构限制棱体无法放到A轴
旋转中心上，另外棱体放到A轴中心也只是测量与棱体面对应最近的特定角度的A轴(摆动
轴)编码器那一位置光栅精度，而五轴设备A轴(摆动轴)其它角度的光栅精度只能是与棱体
两个面对应特定角度光栅值(栅距数量)做平均差补。所以采用棱体测量出来的精度同时还
决定于五轴设备A轴的圆光栅和编码器光栅自身原有栅距加工的精度，为了能像高精度光
栅尺或激光干涉仪那样通过等值栅距或干涉波长(理论上波长0.000001mm 就是1nm)来丈
量长度，通过测量长度方法测量出每一角度位置对应栅距的精度，需要研发一种五轴加工
中心设备A轴(摆动轴)角度位移测量和标定装置，要求其理论精度是0.00005°，也就是
0.18"，考虑到客观环境等因素影响，它的全圆周绝对精度也要能达到1"，因此，它将作为角
度测量的一种比较理想的测量装置。

发明内容

[0003] 本发明为解决现有角度测量方式无法实现对五轴设备A轴的每个角度栅距进行测量标定，且测量精度低的问题，提供一种五轴设备A轴角度位移测量装置及测量标定方法。

[0004] 五轴设备A轴角度位移测量装置，包括测量轴系本体、高精度光栅尺滑台和滑台座；还包括检验棒、调心支架、V型结构支架梁、第一丝线、第二丝线、滑轮和平衡块；

[0005] 在所述测量轴系本体外圆表面加工有丝线紧固螺钉和丝线挂销；所述第一丝线的一端通过丝线紧固螺钉紧固，第一丝线另一端紧固于滑台座的一端；所述滑台座的另一端
紧固第二丝线，所述第二丝线经滑轮后紧固于平衡块；

[0006] 所述平衡块的重量将第一丝线和第二丝线拉直绷紧，并牵动高精度光栅尺滑台运动，当测量轴系本体转动时，第一丝线将缠绕所述测量轴系本体的外圆表面，同时牵动高精
度光栅尺滑台以及平衡块移动；

[0007] 所述测量轴系基准通过V型结构支架梁与检验棒紧固为一体；

[0008] 所述调心支架通过调心螺钉与检验棒紧固，通过所述调心螺钉调整测量轴系基准与检验棒轴向位置，(实现)测量轴系基准的圆弧表面(中心)与A轴同轴。

[0009] 五轴设备A轴角度位移测量标定方法，该方法由以下步骤实现：

[0010] 步骤一、五轴设备控制系统将A轴的基准点置于零点(垂直位置)；

[0011] 步骤二、当A轴转动带动检验棒、测量轴系基准转动时，控制系统采集角度的数据；

[0012] 步骤三、控制器采集高精度光栅尺记录高精度光栅尺滑台的位移距离数据，同时采集五轴设备的光栅角度信息；

[0013] 步骤四、当所述测量轴系基准旋转90°时，所述高精度光栅尺的位移距离数据则与A轴的光栅角度信息是对应，实现对A轴的测量标定。

[0014] 本发明的有益效果：本发明所述的测量装置通过在平衡块重力牵引下，丝线每一部分拉力是恒定的，丝线缠绕测量轴系过程长度是不变的，也就是说缠绕均等弧长在高精
度光栅尺显示的栅距是相同的，(控制测量轴系跳动0.001) 在测量轴系转动时圆周弧长和
角度是一一相对于的，将直线光栅的精度直接转换到A轴的编码器或圆光栅的精度上，提高
了A轴的角度精度。

[0015] 本发明所述的测量装置将圆光栅做不到的直线高精度玻璃光栅尺寸精度通过丝线转换为圆周尺寸精度，可以用来校准圆光栅。

[0016] 本发明所述的测量标定方法，能够实现对A轴的光栅和编码器的每个栅距角度进行测量标定，减少了光栅加工导致的不准确误差。

附图说明

[0017] 图1为本发明所述的五轴设备A轴角度位移测量装置的结构示意图；

[0018] 图2为本发明所述的五轴设备A轴角度位移测量装置中检验棒、测量轴系基准及支架梁的位置关系的仰视图；

[0019] 图3为本发明所述的五轴设备A轴角度位移测量装置中检验棒、测量轴系基准及支架梁的位置关系的俯视图；

[0020] 图4为本发明所述的五轴设备A轴角度位移测量装置中检验棒、测量轴系基准及支架梁的位置关系的侧视图；

[0021] 图5为本发明所述的五轴设备A轴角度位移测量装置中检验棒与测量轴系基准的结构关系示意图。

[0022] 图中：1、检验棒，2、调心螺钉，3、调心支架，4、测量轴系基准，5、第一丝线，6、高精度光栅尺滑台，7、滑台座，8、第二丝线，9、滑轮，10平衡块，11、检验棒紧固螺钉，12、V型结构
支架梁，13、紧固螺钉，14、丝线紧固螺钉，15、丝线挂销。

具体实施方式

[0023] 具体实施方式一、结合图1至图5说明本实施方式，五轴设备A轴角度位移测量装置，首先建立一个测量轴系，由于五轴加工中心设备结构和特点，决定了A轴(摆动轴)只能
左右摆动一般情况下大于90°小于130°，测量轴系外圆不能加工360°整圆，只能做摆动轴从
垂直角度到摆起角度的圆弧长部分，相对方向是将测量轴系绕主轴旋转180°再测量标定，
具体包括检验棒1、调心支架3、V型结构支架梁12、测量轴系基准4、第一丝线5、高精度光栅
尺滑台 6、滑台座7、第二丝线8、滑轮9和平衡块10；

[0024] 在所述测量轴系基准4外圆表面加工有丝线紧固螺钉14和丝线挂销15；所述第一丝线5的一端通过丝线紧固螺钉14紧固，第一丝线5另一端紧固于滑台座7的一端；所述滑台
座7的另一端紧固第二丝线8，所述第二丝线8经滑轮9 后紧固于平衡块10；

[0025] 所述平衡块10的重量将第一丝线5和第二丝线8拉直绷紧，并牵动高精度光栅尺滑台6运动，在平衡块10恒定重量力作用下丝线所受拉力是定值，在同一温度丝线长度是固定
的，当被测轴系基准4转动时第一丝线5将缠绕轴系基准4外圆表面，同时牵动高精度光栅尺
滑台6以及平衡块10移动。

[0026] 本实施方式中，所述测量轴系基准4上设置有V型结构支架梁12并通过紧固螺钉13及检测棒紧固螺钉11与检验棒1紧固为一体。所述调心支架3通过调心螺钉2与检验棒1紧
固，通过所述调心螺钉2调整测量轴系基准4与检验棒1轴向位置，(实现)测量轴系基准4的
圆弧表面(中心)与A轴同轴。

[0027] 在测量过程中，所述丝线运动方向与高精度光栅尺滑台6的移动方向平行，并且第一丝线5与测量轴系基准4外圆表面相切。所述第一丝线5运动方向与测量轴系基准4的轴向
垂直。

[0028] 本实施方式中，所述丝线紧固螺钉14与丝线挂销15平行安装，且所述丝线紧固螺钉14与丝线挂销15的连线与测量轴系基准4的轴线平行。所述丝线紧固螺钉14靠近所述测
量轴系基准4的边缘端。

[0029] 本实施方式中，所述测量轴系基准4外圆表面与轴系跳动为0.001mm。

[0030] 具体实施方式二、本实施方式为采用具体实施方式一所述的五轴设备A轴角度位移测量装置的测量标定方法，在测量标定A轴圆光栅或编码器角度时，A 轴圆光栅或编码器
都有基准零点(垂直位置)，当A轴带动测量轴系基准4转动时，在A轴圆光栅或编码器基准0°
(垂直位置)指令，高精度光栅尺或激光干涉仪同步开始记录滑台位移距离，A轴圆光栅或编
码器光栅角度信息与高精度光栅尺或激光干涉仪位移信息同步记录，直到90°角度，高精度
光栅尺或激光干涉仪位移可以对应到A轴圆光栅或编码器角度上。

[0031] 在测量标定过程中，当所述高精度光栅尺采集第m个栅距时，对应A轴的第n个栅距，高精度光栅尺对应角度为α，A轴对应角度为β；进行修正，将A 轴的第n个栅距对应的角
度β修改为高精度光栅尺采集第m个栅距时对应角度α；

[0032] 所述高精度光栅尺继续采集，直到当高精度光栅尺采用第M个栅距时，对应A轴的第N个栅距，高精度光栅尺对应角度为γ，A轴对应角度同样为γ；则控制器记录A轴对应的
栅距值，直到测量轴系基准4旋转到达A轴的基准零点结束；所述1≤m≤M，1≤n≤N，M和N为
整数且M≠N。

[0033] 具体实施方式三、本实施方式为采用具体实施方式二所述的五轴设备A轴角度位移测量标定方法的实施例，如果测量轴系基准外圆轴径是 所对应1°弧长是
2mm，高精度光栅尺或激光干涉仪精度是200nm，那么高精度光栅尺或激光干涉仪校准A轴角
度精度是0.0001°，就是0.36″。如果高精度光栅尺再做电子细分的话，或者在实验室要是激
光干涉仪精度是1nm，高精度光栅尺或激光干涉仪校准A轴角度精度理论上是0.000001°，就
是0.0036″。

[0034] 假如设定转台360°有144000栅距，1°应是4000，理想一个栅距对应 0.00025°，测量轴系基准外圆直径 对应圆周长720mm，对应高精度光栅尺栅距7200000个，
一个栅距对应角度0.00005°，测量标定A轴光栅时，测量轴系基准4旋转，带动高精度光栅尺
与转台光栅运动两组光栅同步采集，如表1，表1为高精度光栅尺、A轴光栅尺以及A轴光栅尺
补偿数据对应关系。

[0035] 表1

[0036]序号 高精度光栅尺 A轴光栅尺 A轴光栅尺补偿
1 0.0001mm    
2 0.0002mm    
3 0.0003mm    
4 0.0004mm 0.00025° 0.0002°
5 0.0005mm    
6 0.0006mm    
7 0.0007mm    
8 0.0008mm    
9 0.0009mm 0.0005° 0.00045°
10 0.001mm    
11 0.0011mm    
12 0.0012mm    
13 0.0013mm    
14 0.0014mm    
15 0.0015mm    
16 0.0016mm 0.0075° 0.008°
17 0.0017mm    
18 0.0018mm    
19 0.0019mm    
20 0.002mm 0.001° 0.001°
21 0.0021mm    
22 0.0022mm    
n 0.00nmm    
... 0.00n1mm    
0 720mm 0° 0°

[0037] 结合上述表1，当高精度光栅尺采集第四个栅距时，A轴是第一个栅距，高精度光栅尺对应角度是0.0002°，而A轴对应角度是0.00025°，修正后将A  轴第一个栅距改为
0.0002°，高精度光栅尺采集第九个栅距时，A轴是第二个栅距，高精度光栅尺对应角度是
0.00045°，而A轴对应角度是0.0005°，修正后将转台第二个栅距改为0.00045°，高精度光栅
尺采集第十六栅距时，A轴是第三个栅距，高精度光栅尺对应角度是0.0008°，而A轴对应角
度是 0.00075°，修正后将A轴第二个栅距改为0.0008°，高精度光栅尺采集第二十个栅距
时，A轴是第四个栅距，高精度光栅尺对应角度是0.001°，而A轴对应角度是0.001°，高精度
光栅尺栅距与A轴第四个栅距的角度值相等，转台第四个栅距值保留不变，按此方法往下
推，直到回到零位。采用测量轴系基准4标定转台误差应该小于0.09"。

[0038] 本实施方式中，当测量轴系基准的外圆直径尺寸为300mm，它的周长是 942.4778mm，对应高精度光栅栅距为9424778个，一个栅距对应角度为 0.0000382°，对应
0.1375"。采用该测量轴系基准标定A轴误差应该小于0.07"。

[0039] 本实施方式中，采用的丝线直径存在的影响为：当采用0.2mm直径的丝线时，测量轴系旋转一周高精度光栅将增加6283个栅距。

[0040] 本实施方式中，采用丝线缠绕测量轴系本体，目的有三个，第一个是在平衡重重力牵引下，丝线每一部分拉力是恒定的，丝线缠绕测量轴系过程长度是不变的，也就是说缠绕
均等弧长在高精度光栅尺显示的栅距是一样的。第二个是把圆光栅做不到的直线高精度玻
璃光栅精度通过丝线转换为圆周尺寸，可以用来校准圆光栅。第三个温度对于丝线长度有
影响，但是它是对丝线整体的影响，缠绕均等弧长在高精度光栅尺显示的栅距是还是一样
的，而对于测量结果是没有影响的。

[0041] 以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所
描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明
权利要求保护范围的限制。