專利名稱：一種數(shù)控機床在機檢測測頭及檢測系統(tǒng)的制作方法
一種數(shù)控機床在機檢測測頭及檢測系統(tǒng)技術領域
本發(fā)明屬于先進測量和檢測技術領域，具體涉及一種用于數(shù)控機床在機檢測的測頭及檢測系統(tǒng)。
背景技術：
隨著工業(yè)自動化的不斷發(fā)展，自由曲面類工件在航空、汽車等工業(yè)領域有著越來越廣泛的應用，其對數(shù)控機床的加工精度和質(zhì)量檢測精度的要求也日益提高。
目前在工業(yè)過程中使用的檢測工具多為三坐標測量機，造價昂貴，操作復雜，而且這種傳統(tǒng)的手工測量和離線測量由于存在著耗時長、需要二次定位等問題，無法將加工與檢測有效的結合起來，已經(jīng)不能滿足日益增長的檢測需求。
在機檢測系統(tǒng)可以很好的解決上述問題。所謂在機檢測系統(tǒng)是指在數(shù)控機床上集成測頭和專用軟件模塊實現(xiàn)工件的自動定位，質(zhì)量評估等功能的在機系統(tǒng)。該系統(tǒng)可大大的節(jié)約加工輔助時間，減少工件的報廢率，對企業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。
目前在國內(nèi)，很多高校和一些科研單位在從事相關方面的研究。天津大學何改云教授申請專利名稱為“一種復雜空間型面在機質(zhì)量檢測系統(tǒng)”，其專利申請?zhí)枮?CN101342664。大連海事大學馬孜等申請專利名稱為“數(shù)控加工中心在機三維形面檢測系統(tǒng)”，其專利申請?zhí)枮?01968344A。河北科技大學楊光發(fā)明的專利名稱為“一種用于數(shù)控在機測量的密集輸入集成塊”，其專利申請?zhí)枮镃N101758425A。
上述的發(fā)明原理十分相似，都是通過在數(shù)控機床上加裝測頭對工件進行在位測量。通過數(shù)控系統(tǒng)獲得其測量數(shù)據(jù)，然后通過一些軟件和算法分析測量結果，給出加工指導JAL ο
機床測頭是整個在機檢測系統(tǒng)的關鍵組成部分，其精度很大程度上影響整個測量系統(tǒng)的精度。在國際上，以英國的Renishaw公司為代表，該公司于1977年在漢諾威歐洲機床展覽會上展出第一款機床測頭，產(chǎn)生了深遠的影響。該公司在中國申請專利名稱為“接觸式傳感測頭”，其中國專利申請?zhí)枮镃N86105617。日本株式會社三豐制作所也在中國申請了專利，名稱為“接觸信號測頭”，其中國專利申請?zhí)枮镃N85107033。其他計量公司也有相關產(chǎn)品問世，如意大利Marposs公司的MIDA系列測頭。德國m&h公司，blum公司等相關企業(yè)也有同類產(chǎn)品問世。在國內(nèi)，哈爾濱先鋒機電有限公司為該公司測頭申請了專利，專利名稱為“觸發(fā)式三維測頭”，其申請?zhí)枮?01020044796. 8。
對于機床測頭，其主要作用是精確判斷測針與待測工件表面的接觸時刻，并通知數(shù)控機床及時所存此時主軸坐標。通過對現(xiàn)有機床接觸式測頭產(chǎn)品的分析，其工作原理如下在測頭內(nèi)部有一個閉合的有源電路，該電路與一個觸發(fā)機構相連接，只要觸發(fā)機構產(chǎn)生觸發(fā)動作，就會引起電路狀態(tài)變化并發(fā)出信號，指示測頭的工作狀態(tài)；觸發(fā)機構產(chǎn)生觸發(fā)動作的唯一條件是測頭的測針產(chǎn)生微小的擺動或向測頭內(nèi)部移動，當測頭連接在機床主軸上并隨主軸移動時，只要測針上的觸頭在任意方向與工件表面接觸，使測針產(chǎn)生微小的擺動或移動，就會形成觸發(fā)，其觸發(fā)信號為開關信號。
在實際使用過程中，此種觸發(fā)式測頭存在著一定的弊端。
第一，其測量效率不高。在機檢測過程中，當測頭頂端發(fā)出觸發(fā)信號傳遞給數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)將其作為優(yōu)先級較高的中斷進行處理，假設數(shù)控系統(tǒng)掃描到觸發(fā)信號到控制機床主軸完全停止運動的時間為t，此時機床的主軸進給速度為V，其運動行程L = v*t。L 也是后期處理時需要補償?shù)恼`差。對于目前的觸發(fā)式測頭來講，為保證精度，其中間預留的安全行程往往較小，當L達到一定值時，測頭會被撞壞。所以，目前在機檢測中使用觸發(fā)式測頭在測量過程中進給速度往往較低，嚴重影響了測量效率。
第二，測量誤差難以補償。接觸式測頭的預行程誤差是不可避免的，該誤差為從測球接觸到工件表面到測頭發(fā)出觸發(fā)信號時的位移量，也可以表達為測桿為克服彈簧預緊力以及測頭各部件所產(chǎn)生彈性變形的總和，設其為Li。由于不同的材料、不同的結構會導致這種誤差的非規(guī)律性，所以目前常用的方法是使用標準球實驗對其進行標定。只能減少這種誤差但卻無法消除它。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種數(shù)控機床在機檢測頭，提高了測量效率和精度。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種應用上述測頭的數(shù)控機床在機檢測系統(tǒng)，提高了測量效率和精度。
數(shù)控機床在機檢測測頭，包括測桿和用于引導測桿作豎直直線運動的導向機構， 測桿頂部設有彈性復位機構，靠近測桿處設有直線位移傳感器。
應用上述測頭的在機檢測系統(tǒng)，包括依次電連接的測頭、信號采集電路和控制中心，測頭觸發(fā)后，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)觸發(fā)信號鎖存測量點坐標，信號采集電路對采集到的點坐標作信號預處理后傳送給控制中心，其特征在于，所述控制中心包括模型解釋模塊、路徑規(guī)劃模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、誤差補償模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和專家?guī)煜到y(tǒng)模塊；
所述模型解釋模塊用于提取工件模型的幾何特征，實時接收來自誤差補償模塊的檢測點坐標；
所述路徑規(guī)劃模塊用于依據(jù)工件模型的幾何特征規(guī)劃檢測路徑，并將其轉換為機床檢測程序；
所述數(shù)據(jù)通信模塊用于將機床檢測程序傳送給數(shù)控系統(tǒng)，將來自數(shù)控系統(tǒng)的檢測點坐標反饋給誤差補償模塊；
所述誤差補償模塊用于對檢測點坐標進行誤差補償；
所述數(shù)據(jù)處理模塊用于對補償后的檢測點坐標進行分析或者查詢專家?guī)煜到y(tǒng)模塊中的歷史檢測信息得到工件的加工狀態(tài)；
所述專家?guī)煜到y(tǒng)模塊用于記錄歷史檢測信息。本發(fā)明的技術效果體現(xiàn)在
本發(fā)明設計了一款基于直線位移傳感器控制的新型測頭，升級了原有的觸發(fā)模式，通過改進現(xiàn)有測頭的測量方式及結構，使得機床測頭在測量效率和測量精度上有了顯著的提高，為整個在機檢測系統(tǒng)性能升級奠定了基礎。
本發(fā)明還公開了應用上述測頭的檢測系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行測量程序，控制機床的伺服系統(tǒng)帶動測頭進行測量，每次測得的點的坐標及時傳遞回檢測系統(tǒng)，當模型檢測完畢后，檢測系統(tǒng)對測量數(shù)據(jù)進行誤差補償，對修正后的數(shù)據(jù)經(jīng)過相應的運算可以計算出所測工件的空間位姿和形狀信息，利用所得結果指導工件的定位和加工修正，能夠大大的節(jié)約輔助加工時間，降低工件報廢率。


圖1為基于直線位移傳感器的測頭簡圖2為在機檢測系統(tǒng)結構連接簡圖3為在機檢測系統(tǒng)軟件模塊劃分圖4為在機檢測系統(tǒng)軟件運行流程圖。
具體實施方式
本發(fā)明首先對原有機床觸發(fā)式測頭進行了優(yōu)化改造，運用多傳感融合技術解決機床測頭在實際測量過程中的精度和效率問題。在圖1中，測桿7在導向機構6的約束下可以做豎直方向的直線運動，4為安裝軸承。5為直線位移傳感器，在安裝過程中一片固定一片活動，根據(jù)測量行程決定兩片之間的安裝距離。彈簧3纏繞在螺柱2上作為自動復位機構。使得測量過程中測頭可以自動回復原位。結構1為刀柄，用于安裝在機床主軸上。
在機床測頭殼體內(nèi)加裝直線位移傳感器，該傳感器直接與機床的PMAC卡連接，觸發(fā)信號與PMAC卡中變量M相關聯(lián)。直線位移傳感器的測量值作為測量結果的修調(diào)值。當機床測頭高速接近工件表面至接觸瞬間，直線位移傳感器發(fā)出控制信號，命名為信號1。PLC 掃描到此信號后改變M的值，以此作為接觸標識，記錄此時主軸坐標，同時控制機床停止下行。數(shù)控系統(tǒng)掃描到PMAC卡中變量狀態(tài)，讀取并存儲此時主軸坐標，控制主軸反向高速抬起，移至下一測點重復上述過程。
采用直線位移傳感器代替原有測頭的觸發(fā)裝置，使得機床測頭在測量過程中可以采用高速進給，大大提高了測量效率。利用PMAC卡中PLC掃描觸發(fā)信號，其掃描周期在 IOms以內(nèi)即可完成采樣、控制、刷新變量等工作。但是對于典型的數(shù)控系統(tǒng)軟件控制，從掃描到觸發(fā)信號到反饋回機床的運動控制系統(tǒng)典型時間在IOOms以上。故而采用硬件直接控制-軟件輔助控制的方式比完全利用數(shù)控系統(tǒng)的任務調(diào)度管理模式的控制在效率和精度上都更有優(yōu)勢。
雖然可以通過提高儀器的掃描頻率來降低測量中的預行程誤差，但是卻無法完全消除。此時直線位移傳感器記錄的坐標值可以對最終測量結果進行修調(diào)，有效的消除了機床測頭的預行程誤差。對于實際工業(yè)應用有重要價值；對于高精、高效的在機測量具有重要眉、ο
圖2是整個在機檢測系統(tǒng)的應用示意圖。OMVS系統(tǒng)由數(shù)控機床、伺服系統(tǒng)和測量系統(tǒng)組成。以數(shù)控機床為基本支撐，由伺服系統(tǒng)提供測量運動功能。
測量系統(tǒng)包括測頭、信號采集電路和控制中心。測頭是在機檢測系統(tǒng)的關鍵部分， 直接影響在機檢測的精度。其中測頭是關鍵測量部件?？刂茊卧呛诵牡目刂茩C構。在連接時，機床測頭的信號輸出到PMAC卡中，數(shù)控系統(tǒng)與PMAC卡進行通信聯(lián)系，間接控制機床的測量運動。
圖3是在機檢測系統(tǒng)控制中心結構示意圖。根據(jù)功能劃分，控制中心下面又細分為模型解釋模塊、測點分布及路徑規(guī)劃模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、誤差補償模塊、數(shù)據(jù)處理模塊5和專家?guī)煜到y(tǒng)模塊。
模型解釋模塊主要負責將不同三維造型軟件生成的CAD模型導入測量系統(tǒng)，并且解釋翻譯獲得其幾何特征。開發(fā)基于ACIS的幾何引擎對三維模型進行顯示，具有基本的操作功能如模型的倍率變換，旋轉變換等。能實現(xiàn)測量過程的實時監(jiān)控，測頭的位置、理論坐標、測量坐標的實時顯示。
路徑規(guī)劃模塊針對不同的模型幾何特征，定義測量坐標系，完成測量坐標系與設計坐標系的坐標統(tǒng)一，在提取了幾何特征的基礎上采用Hammersley序列算法，根據(jù)待測表面的曲率特征采用基于曲率的自適應測點分布算法，即曲率大的地方測點分布數(shù)目多，曲率小的地方測點分布數(shù)目少。這樣可以保證在一定精度的前提下最大程度的減少測點的數(shù)目，大大的提高了測量效率。結合工件的具體形狀，采用最小包容盒求交算法判斷是否存在干涉點(測頭與工件發(fā)生碰撞的檢測點)，將干涉點從規(guī)劃測點中剔除，利用余下檢測點坐標生成機床測量程序。
數(shù)據(jù)通信模塊主要用于完成數(shù)據(jù)的傳輸。采用RS232串口通信的方式將測量程序傳遞給數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)負責執(zhí)行測量獲取檢測點坐標，同時不斷讀取、存儲PMAC卡中的坐標，將測量數(shù)據(jù)傳遞給誤差補償模塊。
誤差補償模塊是測量精度的重要保證，在該模塊中實現(xiàn)測頭的誤差標定、機床的誤差標定、測頭的誤差補償和機床的誤差補償功能。測頭的誤差標定可以采用對標準量塊進行反復測量，根據(jù)測量結果建立誤差補償表；對于機床誤差則通過激光測量儀測量后輸入軟件系統(tǒng)建立補償表。對于由通信模塊傳遞來的測量數(shù)據(jù)，在誤差補償表里查詢相應的補償值對其進行修正，修正結果發(fā)往數(shù)據(jù)處理模塊。
數(shù)據(jù)處理模塊集成了數(shù)據(jù)處理的各種算法，提供典型的ICP算法，KH算法，利用測得的數(shù)據(jù)與原有CAD離散點數(shù)據(jù)進行配準，最終實現(xiàn)工件的自動定位及誤差檢測功能。
專家?guī)煜到y(tǒng)采用SQL數(shù)據(jù)庫，是針對于以往同類型工件測量信息的存儲和匯總， 其內(nèi)容包括系統(tǒng)故障診斷情況及處理方式、測量路徑、測頭補償信息、誤差修正情況等等。 建立完善的專家?guī)煜到y(tǒng)可以避免同類測頭的重復標定，可以支持系統(tǒng)的常規(guī)自診斷和對同類工件測量的智能判斷和自動處理，將大大提高測量系統(tǒng)的只能程度和測量效率。
圖4是整個在機檢測系統(tǒng)的工作流程示意圖。首先將機床測頭安裝在主軸上面， 對于測頭和機床進行誤差標定，并存儲標定文件。導入待測工件的CAD模型，經(jīng)系統(tǒng)解釋、 翻譯后提取模型的幾何特征并實時的仿真模型狀態(tài)。根據(jù)模型的幾何信息規(guī)劃測點的數(shù)量及分布，自動規(guī)劃無碰撞測量路徑，生成測量程序。數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行測量程序，控制機床的伺服系統(tǒng)帶動測頭進行測量，每次測得的點的坐標及時傳遞回數(shù)控系統(tǒng)存儲。當模型檢測完畢后，檢測系統(tǒng)對測量數(shù)據(jù)進行誤差補償，將修正后的數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)處理模塊，經(jīng)過相應的運算可以計算出所測工件的空間位姿和形狀信息。利用所得結果指導工件的定位和加工修正?？梢源蟠蟮墓?jié)約輔助加工時間，降低工件報廢率。
權利要求
1.一種數(shù)控機床在機檢測測頭，包括測桿和用于引導測桿作豎直直線運動的導向機構，測桿頂部設有彈性復位機構，其特征在于，靠近測桿處設有直線位移傳感器。
2.應用上述測頭的在機檢測系統(tǒng)，包括依次電連接的測頭、信號采集電路和控制中心， 測頭觸發(fā)后，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)觸發(fā)信號鎖存測量點坐標，信號采集電路對采集到的點坐標作信號預處理后傳送給控制中心，其特征在于，所述控制中心包括模型解釋模塊、路徑規(guī)劃模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、誤差補償模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和專家?guī)煜到y(tǒng)模塊；所述模型解釋模塊用于提取工件模型的幾何特征，實時接收來自誤差補償模塊的檢測點坐標；所述路徑規(guī)劃模塊用于依據(jù)工件模型的幾何特征規(guī)劃檢測路徑，并將其轉換為機床檢測程序；所述數(shù)據(jù)通信模塊用于將機床檢測程序傳送給數(shù)控系統(tǒng)，將來自數(shù)控系統(tǒng)的檢測點坐標反饋給誤差補償模塊；所述誤差補償模塊用于對檢測點坐標進行誤差補償；所述數(shù)據(jù)處理模塊用于對補償后的檢測點坐標進行分析或者查詢專家?guī)煜到y(tǒng)模塊中的歷史檢測信息得到工件的加工狀態(tài)；所述專家?guī)煜到y(tǒng)模塊用于記錄歷史檢測信息。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種數(shù)控機床在機檢測頭，包括測桿和用于引導測桿作豎直直線運動的導向機構，測桿頂部設有彈性復位機構，其特征在于，靠近測桿處設有直線位移傳感器。本發(fā)明還公開了應用上述測頭的檢測系統(tǒng)，包括依次電連接的測頭、信號采集電路和控制中心，數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行測量程序，控制機床的伺服系統(tǒng)帶動測頭進行測量，每次測得的點的坐標及時傳遞回檢測系統(tǒng)，當模型檢測完畢后，檢測系統(tǒng)對測量數(shù)據(jù)進行誤差補償，對修正后的數(shù)據(jù)經(jīng)過相應的運算可以計算出所測工件的空間位姿和形狀信息，利用所得結果指導工件的定位和加工修正，能夠大大的節(jié)約輔助加工時間，降低工件報廢率。
文檔編號G05B19/404GK102501136SQ20111030342
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月10日 優(yōu)先權日2011年10月10日
發(fā)明者劉紅奇, 彭芳瑜, 李斌, 李沨, 毛寬民, 毛新勇 申請人:華中科技大學