(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 108838563 A(43)申请公布日 2018.11.20
(21)申请号 201810699394.2(22)申请日 2018.06.29
(71)申请人 中国科学院西安光学精密机械研究
所
地址 710119 陕西省西安市高新区新型工
业园信息大道17号(72)发明人 江浩 杨小君
(74)专利代理机构 西安智邦专利商标代理有限
公司 61211
代理人 杨引雪(51)Int.Cl.
B23K 26/70(2014.01)
权利要求书2页 说明书6页 附图1页
(54)发明名称
一种五轴激光加工设备RTCP精度补偿方法(57)摘要
本发明具体涉及一种五轴激光加工设备RTCP精度补偿方法，解决现有机械五轴加工设备的精度补偿方法不适用于五轴激光加工设备，无法保证激光加工设备加工精度的问题。该方法包括以下步骤：1)分别获取激光加工点到A旋转轴线的Z向矢量、激光束中心轴线到A旋转轴线的矢量、激光束中心轴线到C旋转轴线的矢量；2)将各组参数输入控制系统中完成RTCP功能的精度补偿。
CN 108838563 ACN 108838563 A
权 利 要 求 书
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1.一种五轴激光加工设备RTCP精度补偿方法，所述五轴激光加工设备包括XYZ三个直线轴、A旋转轴、C旋转轴，所述A旋转轴、C旋转轴分别围绕X轴、Z轴的轴线进行旋转运动，其特征在于，包括以下步骤：
1)分别获取激光加工点到A旋转轴线的Z向矢量、激光束中心轴线到A旋转轴线的矢量、激光束中心轴线到C旋转轴线的矢量；
2)将各组参数输入控制系统中完成RTCP功能的精度补偿。
2.根据权利要求1所述的五轴激光加工设备RTCP精度补偿方法，其特征在于：步骤1)中获取激光加工点到A旋转轴线的Z向矢量具体包括以下步骤，
1.11)在设备工作台上设置标准平板，所述标准平板的长、宽、高分别平行于加工设备的X轴、Y轴、Z轴；
1.12)将C旋转轴旋转至90°，A旋转轴旋转至90°；1.13)将激光加工点移动至标准平板右侧面，记录X轴坐标；1.14)将旋转C旋转轴至270°，移动X轴使激光加工点移动至标准平板左侧面，记录此时X轴相对于步骤1.13)的△X值；
1.15)△X与h差值的一半即为激光加工点到A旋转轴线的Z向矢量，h为标准平板长度。3.根据权利要求2所述的五轴激光加工设备RTCP精度补偿方法，其特征在于：步骤1.13)中，在激光加工头上设置有位移传感器，通过读取位移传感器的值来获得X轴坐标值。
4.根据权利要求1所述的五轴激光加工设备RTCP精度补偿方法，其特征在于：步骤1)中获取激光束中心轴线到A旋转轴线的矢量具体包括以下步骤，
1.21)将标准平板固定于设备工作台上；1.22)将C旋转轴旋转至0°，A旋转轴旋转至90°位置，通过激光加工点在标准平板的前表面加工第一标记点，记录设备Z轴坐标；
1.23)将C旋转轴旋转180°，A旋转轴至-90°位置，将激光加工点移动到步骤1.22)的第一标记点处，并记录此时的Z轴坐标；
1.24)步骤1.22)与步骤1.23)中Z轴坐标差值的一半作为激光束中心轴线到A旋转轴线矢量的Y向分量；
1.25)将C旋转轴旋转至90°，A旋转轴旋转至90°，使用激光加工点在标准平板左侧面加工第二标记点，记录此时Z轴坐标；
1.26)将C旋转轴旋转至270°，A旋转轴旋转至-90°，将激光加工点移动到步骤1.25)的第二标记点处，并记录此时的Z轴坐标；
1.27)步骤1.25)与步骤1.26)中Z轴坐标差值的一半作为激光束中心轴线到A旋转轴线矢量的X向分量；
1.28)通过步骤1.24)得到的激光束中心轴线到A旋转轴线矢量的Y向分量以及步骤1.27)得到的激光束中心轴线到A旋转轴线矢量的X向分量，得到激光束中心轴线到A旋转轴线的矢量。
5.根据权利要求1至4任一所述的五轴激光加工设备RTCP精度补偿方法，其特征在于：步骤1)中获取激光束中心轴线到C旋转轴线的矢量具体包括以下步骤，
1.31)将标准平板固定于设备工作台上；1.32)将C旋转轴旋转到0°，A旋转轴旋转到0°位置，使用激光加工点在标准平板上表面
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CN 108838563 A
权 利 要 求 书
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加工第三标记点，记录此时设备X轴坐标；
1.33)将C旋转轴旋转到180°，A旋转轴0°位置不变，将激光加工点移动到步骤1.32)的第三标记点处、记录此时设备X轴坐标；
1.34)步骤1.32)与步骤1.33)中X轴坐标差值的一半作为激光束中心轴线到C旋转轴线矢量的X向分量；
1.35)将C旋转轴旋转到90°，A旋转轴0°位置不变，使用激光加工点在标准平板上表面加工第四标记点，记录此时设备Y轴坐标；
1.36)将C旋转轴旋转到270°，A旋转轴0°位置不变，将激光加工点移动到步骤1.35)的第四标记点处，记录此时设备Y轴坐标；
1.37)步骤1.35)与步骤1.36)中Y轴坐标差值的一半作为激光束中心轴线到C旋转轴线矢量的Y向分量；
1.38)通过步骤1.34)得到的激光束中心轴线到C旋转轴线矢量的X向分量以及步骤1.37)得到的激光束中心轴线到C旋转轴线矢量的Y向分量，得到激光束中心轴线到C旋转轴线的矢量。
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CN 108838563 A
说 明 书
一种五轴激光加工设备RTCP精度补偿方法
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技术领域
[0001]本发明涉及五轴激光加工设备领域，具体涉及一种五轴激光加工设备RTCP精度补偿方法。
背景技术
[0002]随着激光加工技术的广泛应用，激光加工的优势也逐渐得以体现。相对于其它加工技术，其主要特点为：一、非接触加工。激光加工不需要刀具，切边无机械应力，也无刀具磨损、替换和拆装等问题，很大程度的缩短了加工时间；二、对加工材料的热影响小。激光束照射的物体表面是局部区域，其热影响区域很小，对非照射区域几乎没有影响，因此加工工件基本不会产生形变；三、加工具有灵活性。激光束易于聚焦、发散和导向，可方便得到不同尺寸和不同功率大小的光斑，以适应不同的加工要求；四、加工材料广泛。激光加工可面向复合材料、玻璃、金属、木材等材料的加工。基于激光加工的以上特点，目前已广泛将其应用于航空航天、汽车、电子等行业。
[0003]五轴激光加工设备作为将激光加工与传统五轴联动相结合的典型代表，兼具激光加工和五轴插补的技术优势，目前已在高端加工领域得到了广泛应用。现有五轴加工设备基本是由三个直线轴+两个旋转轴组成，基于各设备旋转轴的结构形式，可分为以下三种类型：a、刀具旋转类型，即双摆头结构，两个旋转轴驱动刀具旋转；b、刀具旋转+工件旋转类型，一个旋转轴驱动刀具旋转，另一个旋转轴驱动工件旋转；c、工件旋转类型，两个旋转轴均驱动工件旋转。
[0004]在激光加工过程中，由于回转运动而产生刀尖点的附加运动，因此控制系统的控制点通常与刀尖点不重合，而控制系统要自动修正控制点，以保证刀尖点按指令既定轨迹运动。在以上三种加工设备类型中，RTCP功能应用于双摆头结构时，应用摆头旋转中心点来进行补偿，其全称为旋转刀具中心(Rotated Tool Center Point)，其结构形式如图1所示。[0005]在机械加工领域，五轴联动加工设备的RTCP精度补偿测量通常采用“标准量棒+千分表”的组合工具来检测，采用标准量棒来模拟刀具安装在主轴上，刀具在不同的旋转角度时，使用千分表测量误差以进行补偿。但是五轴激光加工设备的结构形式与普通机械五轴加工设备存在较大差异，首先其不存在主轴，其次由于聚焦光束通常不可见(如红外光及紫外光)，因此也没有与聚焦光束外形尺寸相类似的“标准量棒”。综上所述，机械五轴加工设备的RTCP精度补偿方法不适用于五轴激光加工设备，无法保证激光加工设备的加工精度。发明内容
[0006]本发明的目的是解决现有机械五轴加工设备的精度补偿方法不适用于五轴激光加工设备，无法保证激光加工设备加工精度的问题，提出了一种五轴激光加工设备的RTCP精度补偿方法。该方法填补了该领域的空白，通过使用该方法保证了激光加工设备五轴联动的加工精度，并且由于该方法具有一定的通用性，可供其他多种形式的激光加工设备借鉴，如激光刻蚀、激光打孔、激光清洗等。
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CN 108838563 A[0007]
说 明 书
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本发明的技术方案是：
[0008]一种五轴激光加工设备RTCP精度补偿方法，所述五轴激光加工设备包括XYZ三个直线轴、A旋转轴、C旋转轴，所述A旋转轴、C旋转轴分别围绕X轴、Z轴的轴线进行旋转运动，包括以下步骤：
[0009]1)分别获取激光加工点到A旋转轴线的Z向矢量、激光束中心轴线到A旋转轴线的矢量、激光束中心轴线到C旋转轴线的矢量；
[0010]2)将各组参数输入控制系统中完成RTCP功能的精度补偿。[0011]进一步地，步骤1)中获取激光加工点到A旋转轴线的Z向矢量具体包括以下步骤，[0012]1.11)在设备工作台上设置标准平板，所述标准平板的长、宽、高分别平行于加工设备的X轴、Y轴、Z轴；
[0013]1.12)将C旋转轴旋转至90°，A旋转轴旋转至90°；[0014]1.13)将激光加工点移动至标准平板右侧面，记录X轴坐标；[0015]1.14)将旋转C旋转轴至270°，移动X轴使激光加工点移动至标准平板左侧面，记录此时X轴相对于步骤1.13)的△X值；
[0016]1.15)△X与h差值的一半即为激光加工点到A旋转轴线的Z向矢量，h为标准平板长度。
[0017]进一步地，步骤1.13)中，在激光加工头上设置有位移传感器，通过读取位移传感器的值来获得X轴坐标值。[0018]进一步地，步骤1)中获取激光束中心轴线到A旋转轴线的矢量具体包括以下步骤，[0019]1.21)将标准平板固定于设备工作台上；[0020]1.22)将C旋转轴旋转至0°，A旋转轴旋转至90°位置，通过激光加工点在标准平板的前表面加工第一标记点，记录设备Z轴坐标；[0021]1.23)将C旋转轴旋转180°，A旋转轴至-90°位置，将激光加工点移动到步骤1.22)的第一标记点处，并记录此时的Z轴坐标；
[0022]1.24)步骤1.22)与步骤1.23)中Z轴坐标差值的一半作为激光束中心轴线到A旋转轴线矢量的Y向分量；
[0023]1.25)将C旋转轴旋转至90°，A旋转轴旋转至90°，使用激光加工点在标准平板左侧面加工第二标记点，记录此时Z轴坐标；[0024]1.26)将C旋转轴旋转至270°，A旋转轴旋转至-90°，将激光加工点移动到步骤1.25)的第二标记点处，并记录此时的Z轴坐标；
[0025]1.27)步骤1.25)与步骤1.26)中Z轴坐标差值的一半作为激光束中心轴线到A旋转轴线矢量的X向分量；
[0026]1.28)通过步骤1.24)得到的激光束中心轴线到A旋转轴线矢量的Y向分量以及步骤1.27)得到的激光束中心轴线到A旋转轴线矢量的X向分量，得到激光束中心轴线到A旋转轴线的矢量。
[0027]进一步地，步骤1)中获取激光束中心轴线到C旋转轴线的矢量具体包括以下步骤，[0028]1.31)将标准平板固定于设备工作台上；[0029]1.32)将C旋转轴旋转到0°，A旋转轴旋转到0°位置，使用激光加工点在标准平板上表面加工第三标记点，记录此时设备X轴坐标；
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CN 108838563 A[0030]
说 明 书
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1.33)将C旋转轴旋转到180°，A旋转轴0°位置不变，将激光加工点移动到步骤
1.32)的第三标记点处、记录此时设备X轴坐标；
[0031]1.34)步骤1.32)与步骤1.33)中X轴坐标差值的一半作为激光束中心轴线到C旋转轴线矢量的X向分量；
[0032]1.35)将C旋转轴旋转到90°，A旋转轴0°位置不变，使用激光加工点在标准平板上表面加工第四标记点，记录此时设备Y轴坐标；[0033]1.36)将C旋转轴旋转到270°，A旋转轴0°位置不变，将激光加工点移动到步骤1.35)的第四标记点处，记录此时设备Y轴坐标；
[0034]1.37)步骤1.35)与步骤1.36)中Y轴坐标差值的一半作为激光束中心轴线到C旋转轴线矢量的Y向分量；
[0035]1.38)通过步骤1.34)得到的激光束中心轴线到C旋转轴线矢量的X向分量以及步骤1.37)得到的激光束中心轴线到C旋转轴线矢量的Y向分量，得到激光束中心轴线到C旋转轴线的矢量。
[0036]本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0037]本发明提出了一种使用五轴联动RTCP功能加工设备的精度补偿方法，通过该方法可提高激光加工设备的五轴插补精度，并且填补了涉及激光加工五轴设备关于RTCP精度补偿的空白。
附图说明
[0038]图1为现有双摆头五轴激光加工设备的结构图；[0039]图2为本发明补偿方法矢量闭环示意图。
具体实施方式
[0040]以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述：[0041]如图1所示，本发明的五轴激光加工设备为现有刀具旋转类型，即双摆头结构的加工设备，该设备包含XYZAC五个轴，其中A旋转轴、C旋转轴为双摆轴，可驱动激光加工头实现旋转及偏摆运动；XYZ轴为直线轴，可驱动被加工零件实现直线运动。上述XYZ轴所形成的笛卡尔坐标系的正方向符合右手定则，A旋转轴、C旋转轴的运动方向分别为绕着X轴、Z轴的轴线进行旋转运动，旋转的正方向符合右手螺旋定则(大拇指指向轴线的正方向，四指的方向为旋转轴的运动正方向)。[0042]如图2所示，本发明提供了一种五轴激光加工设备的RTCP精度补偿方法，该方法主要包含了三组参数的测定，分别是激光加工点到A旋转轴线的Z向矢量、激光束中心轴线到A旋转轴的矢量以及激光束中心轴线到C旋转轴的矢量，各组参数的精度补偿分别包括如下步骤：
[0043]1)激光加工点P到A旋转轴线的Z向矢量；
[0044]1.1)在设备工作台上固定一厚度已知的标准平板，标准平板长、宽、高分别平行于加工设备的X轴、Y轴、Z轴,标准平板平行于X轴的面为前表面，标准平板平行于Y轴的面为左侧面，标准平板平行于XY平面的面为上表面；定义C旋转轴在负X轴方向为0°，定义A旋转轴在负Z轴方向为0°；
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说 明 书
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1.2)将C旋转轴旋转至90°，A旋转轴旋转至90°；
[0046]1.3)将激光加工点移动至标准平板右侧面，记录X轴坐标；[0047]1.4)旋转C旋转轴到270°，移动X轴使激光加工点移动至标准平板左侧面，记录此时X轴相对于步骤1.3)的△X值；
[0048]1.5)(△X-标准平板长度)/2即为激光加工点到A旋转轴线的垂直距离；[0049]2)激光束中心轴线到A旋转轴线的矢量；[0050]2.1)将标准平板固定于设备工作台上；[0051]2.2)将C旋转轴旋转到0°，A旋转轴旋转到90°位置，使用激光加工点在标准平板的前表面加工第一标记点，记录此时设备Z轴坐标；[0052]2.3)将C旋转轴旋转180°，之后调整A旋转轴到-90°位置，将激光加工点移动到步骤2.2)的第一标记点处，并记录此时的Z轴坐标；
[0053]2.4)步骤2.2)与步骤2.3)中Z轴坐标差值的一半作为激光束中心轴线到A旋转轴线矢量的Y向分量；
[0054]2.5)将C旋转轴旋转至90°，A旋转轴旋转至90°，使用激光加工点在标准平板左侧面加工第二标记点，记录此时Z轴坐标；[0055]2.6)将C旋转轴旋转至270°，A旋转轴旋转至-90°，将激光加工点移动到步骤2.5)的第二标记点处，并记录此时的Z轴坐标；
[0056]2.7)步骤2.5)与步骤2.6)中Z轴坐标差值的一半作为激光束中心轴线到A旋转轴线矢量的X向分量；
[0057]2.8)通过步骤2.4)得到的激光束中心轴线到A旋转轴线矢量的Y向分量以及步骤2.7)得到的激光束中心轴线到A旋转轴线矢量的X向分量，得到激光束中心轴线到A旋转轴线的矢量；
[0058]3)激光束中心轴线到C旋转轴的矢量；[0059]3.1)将标准平板固定于设备工作台上；[0060]3.2)将C旋转轴旋转到0°，A旋转轴旋转到0°位置，使用激光加工点在标准平板上表面加工第三标记点，记录此时X轴坐标；[0061]3.3)将C旋转轴旋转到180°，A旋转轴0°位置不变，将激光加工点移动到步骤2的第三标记点处、记录此时X轴坐标；
[0062]3.4)步骤3.2)与步骤3.3)中X轴坐标差值的一半作为激光束中心轴线到C旋转轴线矢量的X向分量；
[0063]3.5)将C旋转轴旋转到90°，A旋转轴0°位置不变，使用激光加工点在标准平板上表面加工第四标记点，记录此时设备Y轴坐标；[0064]3.6)将C旋转轴旋转到270°，A旋转轴0°位置不变，将激光加工点移动到步骤5的第四标记点处，记录此时设备Y轴坐标；
[0065]3.7)步骤3.5)与步骤3.6)中Y轴坐标差值的一半作为激光束中心轴线到C旋转轴线矢量的Y向分量；
[0066]3.8)通过步骤3.4)得到的激光束中心轴线到C旋转轴线矢量的X向分量以及步骤3.7)得到的激光束中心轴线到C旋转轴线矢量的Y向分量，得到激光束中心轴线到C旋转轴线的矢量；
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4)通过以上方法将三组参数检测完成后，再将各组参数输入到控制系统中完成
RTCP功能的精度补偿；
[0068]在数控多轴插补过程中，数控系统首先计算加工路径上每个插补点的位置(包含插补点坐标以及方向矢量)，再将插补点位置转换为XYZAC五轴的运动位置坐标，在每个插补周期中AC旋转轴的运动所产生的偏置都必须由XYZ轴补偿过来，因此数控系统在得到上述补偿数据后，根据AC旋转轴之间在XYZ方向上的相对位置关系，计算出机床XYZ轴在AC旋转轴插补过程中的偏置补偿量，从而实现RTCP功能，并以此大幅提高加工效率及加工精度。[0069]其中，上述步骤1)、步骤2)和步骤3)的前后顺序本发明不做要求，只要能够得到本发明三组参数即可，即骤1)、步骤2)和步骤3)的前后顺序可互换。[0070]采用本发明方法的具体实施例如下：[0071]RTCP的精度补偿参数包含若干个矢量，并且各矢量形成了矢量闭环，本方法针对这些矢量(激光加工点到A旋转轴线的Z向矢量，激光束中心轴线到C旋转轴线的矢量以及激光束中心轴线到第一旋转轴的矢量)提供了标定方法，进而实现了RTCP的精度补偿；[0072]1)激光加工点到A旋转轴线的Z向矢量；
[0073]1.1)在工作台上固定一长度为10mm的标准平板；[0074]1.2)将C旋转轴旋转至90°，A旋转轴旋转至90°；[0075]1.3)在激光加工头上安装一位移传感器，然后将激光加工点移动到标准平板右侧面，读取此时位移传感器示值F(该值表征了激光加工点落在标准平板上时，位移传感器到标准平板的距离)，并记录X轴坐标；[0076]1.4)旋转C旋转轴到270°，移动X轴使激光加工点移动至标准平板左侧面(确保此时位移传感器示值为F)，记录此时X轴相对于步骤1.3)的△X；
[0077]1.5)(△X-10)/2即为激光加工点到A旋转轴线的Z向矢量；[0078]2)激光束中心轴线到A旋转轴线的矢量；[0079]2.1)将标准平板固定于设备工作台上；[0080]2.2)将C旋转轴旋转至0°，A旋转轴旋转到90°位置，使用位移传感器确保加工点位于标准平板的前表面上，确保位移传感器示值为F，使用光束质量分析仪读取此时光斑在光束质量分析仪的位置(用光束质量分析仪可更精确的测出激光加工点的位置)，记录此时设备Z轴坐标；
[0081]2.3)将C旋转轴旋转180°，之后调整A旋转轴到-90°位置，通过设备Y轴移动激光加工点直到位移传感器示值为F，然后移动X轴和Z轴使激光加工点平移到步骤2.2)光束质量分析仪测量的位置处，并记录此时的Z轴坐标；
[0082]2.4)步骤2.2)与步骤2.3)中Z轴坐标差值的一半作为激光束中心轴线到A旋转轴线矢量的Y向分量；
[0083]2.5)将C旋转轴旋转至90°，A旋转轴旋转至90°，使用位移传感器确保加工点位于标准平板的表面上，确保位移传感器示值为F，使用光束质量分析仪读取此时光斑在光束质量分析仪的位置(用光束质量分析仪可更精确的测出激光加工点的位置)，记录此时设备Z轴坐标；
[0084]2.6)将C旋转轴旋转至270°，A旋转轴旋转至-90°，通过设备X轴移动激光加工点直到位移传感器示值为F，然后移动Y轴和Z轴使激光加工点平移到步骤2.5)光束质量分析仪
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测量的位置处，并记录此时的Z轴坐标；
[0085]2.7)步骤2.5)与步骤2.6)中Z轴坐标差值的一半作为激光束中心轴线到A旋转轴线矢量的X向分量；
[0086]2.8)将步骤2.4)得到的激光束中心轴线到A旋转轴线矢量的Y向分量和步骤2.7)得到的激光束中心轴线到A旋转轴线矢量的X向分量进行计算，得到激光束中心轴线到A旋转轴线的矢量；
[0087]3)激光束中心轴线到C旋转轴的矢量；[0088]3.1)将标准平板固定于设备工作台上；[0089]3.2)C旋转轴旋转到0°，A旋转轴旋转到0°位置，使用位移传感器确保加工点位于标准平板的上表面上，确保位移传感器示值为F。使用光束质量分析仪读取此时光斑在光束质量分析仪的位置(用光束质量分析仪可更精确的测出激光加工点的位置)，记录此时设备X轴坐标；
[0090]3.3)将C旋转轴旋转到180°，A旋转轴0°位置不变，将激光加工点移动到步骤3.2)光束质量分析仪测量的位置处，记录此时设备X轴坐标；
[0091]3.4)步骤3.2)与步骤3.3)中X轴坐标差值的一半作为激光束中心轴线到C旋转轴线矢量的X向分量；
[0092]3.5)将C旋转轴旋转到90°，A旋转轴0°位置不变，使用光束质量分析仪读取此时光斑在光束质量分析仪的位置(用光束质量分析仪可更精确的测出激光加工点的位置)，记录此时设备Y轴坐标；
[0093]3.6)将C旋转轴旋转到270°，A旋转轴0°位置不变，将激光加工点移动到步骤3.5)光束质量分析仪测量的位置处，记录此时设备Y轴坐标；
[0094]3.7)步骤3.5)与步骤3.6)中Y轴坐标差值的一半作为激光束中心轴线到C旋转轴线矢量的Y向分量；
[0095]3.8)将步骤3.4)得到的激光束中心轴线到C旋转轴线矢量的X向分量和步骤3.7)得到的激光束中心轴线到C旋转轴线矢量的Y向分量进行计算，得到激光束中心轴线到C旋转轴线的矢量；
[0096]4)通过以上方法将三组参数检测完成后，再将各组参数输入到控制系统中完成RTCP功能的精度补偿。
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