CN113290330B - 一种六轴五联动机床的激光加工头空间位置标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种六轴五联动机床的激光加工头空间位置标定方法，解决六轴五联动机床的激光焦点与C轴回转中心坐标难以找准，对后续加工精度产生影响的问题。本发明方法在C轴转台上设置检测平板，激光焦点在高精度检测平板上刻画出各轴的运动轨迹，然后通过视觉界面捕捉各交点的坐标，从而得到C轴转台的XYZ机床坐标，从而建立激光焦点与C轴的坐标关系，该方法测量的各点坐标为实际激光焦点位置，准确度较高。

Description

一种六轴五联动机床的激光加工头空间位置标定方法

技术领域

本发明属于激光加工领域，具体涉及一种六轴五联动机床的激光加工头空间位置标定方法。

背景技术

激光加工技术由于具有非接触、近似“冷加工”、无污染和材料适用性广等优点，已成为航空、航天等领域大型构件的关键加工技术。激光加工时，需准确标定激光焦点与各轴间的相对位置关系，为后续零部件加工奠定基础。

在实际的工程应用中，对于部分机床结构，激光机床不能带动光学部件使激光焦点移动到转台中心，使得激光焦点的位置不满足加工要求，例如，六轴五联动激光机床采用立铣式结构，C轴安装于X轴的滑鞍上，X轴带动C轴进行直线运动；Y轴和X轴独立，Z轴安装于Y轴滑鞍上，Y轴带动Z轴进行直线运动；光学传输系统通过大理石安装板与Z轴滑鞍连接，Z轴带动光学传输系统上下运动；机床X/Y/Z/A/B轴进行插补实现五轴联动，但是，C轴作为分度轴不与其他轴进行联动，C轴转台中心与激光焦点的位置存在偏差，难以找准，对后续的加工精度产生影响。

发明内容

本发明提供一种六轴五联动机床的激光加工头空间位置标定方法，解决六轴五联动机床的激光焦点与C轴回转中心坐标难以找准，对后续加工精度产生影响的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种六轴五联动机床的激光加工头空间位置标定方法，包括以下步骤：

步骤一、在六轴五联动机床的激光加工头上设置激光焦点位置标定装置，所述激光焦点位置标定装置包括测距传感器和视觉相机；

步骤二、在六轴五联动机床的C轴转台台面上设置检测平板；

步骤三、移动测距传感器，调整检测平板的空间姿态，使其表面与XY轴的平面平行；

步骤四、调节激光加工头的位置，将激光光束垂直于检测平板，使激光焦点落于检测平板表面；

步骤五、调节视觉相机的成像面位置，使得视觉相机在激光焦点处成像清晰；

步骤六、旋转C轴转台，激光加工头出射的激光束在检测平板上形成一圆形轨迹；

步骤七、移动六轴五联动机床的X轴和Y轴，使得激光束在检测平板上形成两条平行线，两条平行线均与圆形轨迹相交，得到四个交点J1、J2、J3、J4；

步骤八、移动六轴五联动机床的X轴和Y轴，通过视觉相机寻找四个交点，使得视觉界面中的激光焦点分别与交点J1、J2、J3、J4重合，并读取视觉界面中激光焦点与交点J1、J2、J3、J4重合时的坐标(x₁，y₁)、(x₂，y₁)、(x₃，y₂)、(x₄，y₂))；

步骤九、通过四个激光焦点的坐标，得到C轴回转中心的X和Y坐标；

步骤十、调节激光加工头的位置，使激光束轴线与C轴转台的台面平行，移动Z轴，使视觉界面中的激光焦点与C轴转台端面重合，得到C轴回转中心的z轴坐标，进而得到C轴转台的XYZ机床坐标(x，y，z)，从而建立了激光焦点与C轴的坐标关系。

进一步地，步骤十中，调节A轴和B轴至0°，使激光加工头的聚焦镜轴线与C轴台面平行，上下移动Z轴，使视觉界面中的激光焦点与C轴端面重合，由此得到C轴端面的Z轴坐标值z。

进一步地，步骤一中，所述视觉相机为同轴视觉相机或旁轴视觉相机。

进一步地，步骤二中，所述检测平板的平面度在0.02mm之内。

进一步地，步骤一中，所述测距传感器为旁轴测距传感器。

与现有技术相比，本发明方法具有如下有益效果：

1.本发明方法在C轴转台上设置检测平板，激光焦点在高精度检测平板上刻画出各轴的运动轨迹，然后通过视觉界面捕捉各交点的坐标，从而得到C轴转台的XYZ机床坐标，从而建立激光焦点与C轴的坐标关系，该方法测量的各点坐标为实际激光焦点位置，准确度较高。

2.本发明方法中测距传感器和视觉相机为可拆卸结构，该结构不影响激光加工光路，测距传感器可实现激光焦点的高精度找准，通过同轴或旁轴视觉标定激光焦点在视觉界面中的位置，可实现激光焦点的高精度找准。

3.本发明方法通过在检测平板上激光刻线的方式，通过计算得到C轴回转中心的X和Y坐标，该方法直接、简单，需要的装置结构简单、成本低，非常适合六轴五联动机床中C轴工作台机床坐标系坐标的标定。

附图说明

图1为本发明六轴五联动激光机床结构示意图；

图2为本发明视觉相机和测距传感器的安装示意图；

图3为本发明方法中激光焦点的轨迹示意图。

附图标记：1-Z轴，2-光学传输系统，3-Z轴滑鞍，4-Y轴滑鞍，5-Y轴，6-X轴，7-X轴滑鞍，8-C轴，9-工件，10-光束空间指向定位模块，21-视觉相机，22-激光聚焦模块，23-测距传感器，24-激光焦点。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，六轴五联动激光机床主要由光学传输系统2、X轴6、Y轴5、Z轴1、A轴、B轴和C轴8组成，光学传输系统2安装于Z轴滑鞍3上，Z轴1安装在Y轴滑鞍4上，Z轴1和Y轴5的移动可实现光学传输系统Y向和Z向的移动；光学传输系统2中的光束空间指向定位模块10设置在A轴和B轴上，A轴和B轴可实现激光束绕X轴6和Z轴1方向的旋转，C轴8安装于X轴滑鞍7，工件9通过C轴8可实现分度加工。六轴五联动机床集成后，C轴8回转中心的机床坐标系坐标是实现工件9加工的关键数据，将其空间坐标与激光焦点24的空间位置坐标建立关系，为建立工件9坐标系提供数据。基于此，本发明提供一种六轴五联动机床的激光加工头空间位置标定方法，间接测量激光焦点24与C轴8转台间的响度位移关系，实现激光束的空间定位及聚焦，该方法准确度高，为后续的激光加工奠定了可靠的基础。

本发明提供的六轴五联动机床的激光加工头空间位置标定方法具体为一种C轴8回转中心与激光焦点24间相互位置关系的标定方法。

首先，在激光加工的激光聚焦模块22上搭建一激光焦点位置标定装置，其主要由同轴或旁轴视觉相机21、旁轴测距传感器23组成，视觉相机21和测距传感器23可拆卸，不影响光学系统；

其次，在C轴8转台的台面放置一平整度较好的检测平板，通过测距传感器23调整检测平板的空间姿态，使其表面与XY轴5运动平面高精度平行。调整光束空间指向定位模块10的姿态，使激光光束垂直于检测平板，通过测距传感器23标定激光焦点24的位置，基于测距传感器23的数值，调整激光焦点24在Z方向上的位置，使激光焦点24刚好处于平板平面。激光焦点24找准后，调整视觉相机21的位置，使得视觉在焦点处成像最清晰，视觉相机21用于放大并实现实时观测的激光焦点24位置；随后，调节激光参数，使激光焦点24在检测平板上刻线的宽度保持在0.1mm以内；

再次，旋转C轴8转台，使激光焦点24在检测平板上刻出一圆形轨迹，然后移动X轴6和Y轴5，利用激光焦点24在检测平板上刻出两条割线，从而得到两条割线与圆形轨迹相交的焦点，移动机床X/Y轴5，通过视觉相机21寻找四个交点，使得视觉界面中的激光焦点24与四个交点位置分别重合，读取在四个交点时机床各轴的机床坐标，通过测量割线与圆环的交点坐标，即可得到C轴8回转中心在XY坐标系中的坐标；

最后，调节光束空间指向定位模块10的姿态使激光束与C轴8工作台平行，通过视觉相机21界面寻找C轴8台面与激光焦点24坐标重合的机床Z轴1坐标，从而得到C轴8工作台的XYZ机床坐标，建立了激光焦点24与C轴8的坐标关系。

本发明方法需要的装置结构简单、便宜，非常适合六轴五联动机床中C轴8工作台机床坐标系坐标的标定。

基于上述描述，本发明提供的六轴五联动机床的激光加工头空间位置标定方法具体包括以下步骤：

步骤一、在六轴五联动机床的激光加工头的激光聚焦模块22上设置激光焦点位置标定装置，激光焦点位置标定装置包括测距传感器23和视觉相机21，即在光束空间指向定位模块10头部安装视觉相机21和测距传感器23；

视觉相机21为同轴视觉相机21或旁轴视觉相机21，测距传感器23为旁轴测距传感器23，视觉相机21和测距传感器23可拆卸，不影响光学系统，测距传感器23可用于高精度重复找准激光焦点24，视觉相机21可高精度标记激光焦点24在视觉界面中的位置，便于利用视觉界面寻找激光刻蚀轨迹的机床坐标；

步骤二、在六轴五联动机床的C轴8转台台面上设置检测平板，其平面度在0.02mm之内；

步骤三、移动测距传感器23，检测平板是否与XY轴5运动平面平行，调整检测平板的姿态，使其表面与XY轴5平面平行；

步骤四、调节激光加工头的位置，将激光光束垂直于检测平板，使激光焦点24落于检测平板表面，通过测距传感器23标定激光焦点24的位置，得到测距传感器23标定值；

该步骤中，调节光束空间指向定位模块10中的A轴和B轴，使聚焦镜轴线垂直于C轴8端面，即当B轴处于零位时，A轴电机回转轴线平行于X轴6；当A轴电机处于零位时，聚焦镜中心线平行于Y轴5；调节光束空间指向定位模块10中的A轴和B轴分别至90°和-90°，使聚焦镜轴线垂直于C轴8端面；

步骤五、调节视觉相机21的成像面位置，使得视觉相机21在焦点处成像最清晰，同时在视觉界面标定激光焦点24的位置，测距传感器23的测量数值此时归为零；

步骤六、旋转C轴8转台，激光加工头出射的激光束在检测平板上形成一圆形轨迹；此时，激光焦点24远离C轴8回转中心，激光焦点24与C轴8回转中心距离为R，旋转C轴8在平板上形成一半径为R的圆形轨迹；

步骤七、移动六轴五联动机床的X轴6和Y轴5，使得激光束在检测平板上形成两条平行线，两条平行线均与圆形轨迹相交，得到四个交点J1、J2、J3、J4；

步骤八、通过移动六轴五联动机床的X轴6和Y轴5移动视觉相机21，视觉相机21寻找四个交点，使得视觉界面中的激光焦点24分别与交点J1、J2、J3、J4重合，读取视觉界面焦点与点J1、J2、J3、J4重合时的坐标(X1,Y1)、(X2,Y1)、(X3,Y2)、(X4,Y2))；

步骤九、通过读取的四个焦点坐标可计算得到C轴8回转中心的X和Y坐标；

9.1)通过读取Y轴5坐标得到两条平行线的距离为△Y，记转台中心与距离较近的割线的距离为E；采用如下计算方法得到E值；

9.2)计算得到E值之后，即可根据E值得到光束空间指向定位模块10激光焦点24在机床坐标系中的X和Y坐标值；

步骤十、调节激光加工头的位置，使激光束轴线与C轴8转台的台面平行，移动Z轴1，使视觉界面中的标定点与C轴8转台端面重合，得到C轴8转台端面的Z轴1坐标值z，进而得到C轴8转台的XYZ机床坐标(x，y，z)，从而建立了激光焦点24与C轴8的坐标关系，从而为建立工件9坐标系奠定了基础。

该步骤中，调节A轴和B轴至0°，使聚焦镜轴线与C轴8台面平行，上下移动Z轴1，使视觉界面中的激光焦点24与C轴8端面重合，由此得到C轴8端面的Z轴1坐标值z。

Claims (5)

1.一种六轴五联动机床的激光加工头空间位置标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、在六轴五联动机床的激光加工头上设置激光焦点位置标定装置，所述激光焦点位置标定装置包括测距传感器和视觉相机；

步骤二、在六轴五联动机床的C轴转台台面上设置检测平板；

步骤三、移动测距传感器，调整检测平板的空间姿态，使其表面与XY轴的平面平行；

步骤四、调节激光加工头的位置，将激光光束垂直于检测平板，使激光焦点落于检测平板表面；

步骤五、调节视觉相机的成像面位置，使得视觉相机在激光焦点处成像清晰；

步骤六、旋转C轴转台，激光加工头出射的激光束在检测平板上形成一圆形轨迹；

步骤七、移动六轴五联动机床的X轴和Y轴，使得激光束在检测平板上形成两条平行线，两条平行线均与圆形轨迹相交，得到四个交点J1、J2、J3、J4，此时，两条平行线均位于C轴回转中心的同一侧；

步骤八、移动六轴五联动机床的X轴和Y轴，通过视觉相机寻找四个交点，使得视觉界面中的激光焦点分别与交点J1、J2、J3、J4重合，并读取视觉界面中激光焦点与交点J1、J2、J3、J4重合时的坐标(x₁，y₁)、(x₂，y₁)、(x₃，y₂)、(x₄，y₂))；

步骤九、通过四个激光焦点的坐标，得到C轴回转中心的X和Y坐标；

步骤十、调节激光加工头的位置，使激光束轴线与C轴转台的台面平行，移动Z轴，使视觉界面中的激光焦点与C轴转台端面重合，得到C轴回转中心的z轴坐标，进而得到C轴转台的XYZ机床坐标(x，y，z)，从而建立了激光焦点与C轴的坐标关系。

2.根据权利要求1所述的六轴五联动机床的激光加工头空间位置标定方法，其特征在于：步骤十中，调节A轴和B轴至0°，使激光加工头的聚焦镜轴线与C轴台面平行，上下移动Z轴，使视觉界面中的激光焦点与C轴端面重合，由此得到C轴端面的Z轴坐标值z。

3.根据权利要求2所述的六轴五联动机床的激光加工头空间位置标定方法，其特征在于：步骤一中，所述视觉相机为同轴视觉相机或旁轴视觉相机。

4.根据权利要求1或2或3所述的六轴五联动机床的激光加工头空间位置标定方法，其特征在于：步骤二中，所述检测平板的平面度在0.02mm之内。

5.根据权利要求4所述的六轴五联动机床的激光加工头空间位置标定方法，其特征在于：步骤一中，所述测距传感器为旁轴测距传感器。

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