CN102501136B - 一种数控机床在机检测测头及检测*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控机床在机检测头，包括测杆和用于引导测杆作竖直直线运动的导向机构，测杆顶部设有弹性复位机构，其特征在于，靠近测杆处设有直线位移传感器。本发明还公开了应用上述测头的检测***，包括依次电连接的测头、信号采集电路和控制中心，数控***执行测量程序，控制机床的伺服***带动测头进行测量，每次测得的点的坐标及时传递回检测***，当模型检测完毕后，检测***对测量数据进行误差补偿，对修正后的数据经过相应的运算可以计算出所测工件的空间位姿和形状信息，利用所得结果指导工件的定位和加工修正，能够大大的节约辅助加工时间，降低工件报废率。

Description

一种数控机床在机检测测头及检测***

技术领域

本发明属于先进测量和检测技术领域，具体涉及一种用于数控机床在机检测的测头及检测***。

背景技术

随着工业自动化的不断发展，自由曲面类工件在航空、汽车等工业领域有着越来越广泛的应用，其对数控机床的加工精度和质量检测精度的要求也日益提高。

目前在工业过程中使用的检测工具多为三坐标测量机，造价昂贵，操作复杂，而且这种传统的手工测量和离线测量由于存在着耗时长、需要二次定位等问题，无法将加工与检测有效的结合起来，已经不能满足日益增长的检测需求。

在机检测***可以很好的解决上述问题。所谓在机检测***是指在数控机床上集成测头和专用软件模块实现工件的自动定位，质量评估等功能的在机***。该***可大大的节约加工辅助时间，减少工件的报废率，对企业生产具有重要意义。

目前在国内，很多高校和一些科研单位在从事相关方面的研究。天津大学何改云教授申请专利名称为：“一种复杂空间型面在机质量检测***”，其专利申请号为CN101342664。大连海事大学马孜等申请专利名称为：“数控加工中心在机三维形面检测***”，其专利申请号为101968344A。河北科技大学杨光发明的专利名称为：“一种用于数控在机测量的密集输入集成块”，其专利申请号为CN101758425A。

上述的发明原理十分相似，都是通过在数控机床上加装测头对工件进行在位测量。通过数控***获得其测量数据，然后通过一些软件和算法分析测量结果，给出加工指导意见。

机床测头是整个在机检测***的关键组成部分，其精度很大程度上影响整个测量***的精度。在国际上，以英国的Renishaw公司为代表，该公司于1977年在汉诺威欧洲机床展览会上展出第一款机床测头，产生了深远的影响。该公司在中国申请专利名称为“接触式传感测头”，其中国专利申请号为：CN86105617。日本株式会社三丰制作所也在中国申请了专利，名称为：“接触信号测头”，其中国专利申请号为：CN85107033。其他计量公司也有相关产品问世，如意大利Marposs公司的MIDA系列测头。德国m&h公司，blum公司等相关企业也有同类产品问世。在国内，哈尔滨先锋机电有限公司为该公司测头申请了专利，专利名称为：“触发式三维测头”，其申请号为201020044796.8。

对于机床测头，其主要作用是精确判断测针与待测工件表面的接触时刻，并通知数控机床及时所存此时主轴坐标。通过对现有机床接触式测头产品的分析，其工作原理如下：在测头内部有一个闭合的有源电路，该电路与一个触发机构相连接，只要触发机构产生触发动作，就会引起电路状态变化并发出信号，指示测头的工作状态；触发机构产生触发动作的唯一条件是测头的测针产生微小的摆动或向测头内部移动，当测头连接在机床主轴上并随主轴移动时，只要测针上的触头在任意方向与工件表面接触，使测针产生微小的摆动或移动，就会形成触发，其触发信号为开关信号。

在实际使用过程中，此种触发式测头存在着一定的弊端。

第一，其测量效率不高。在机检测过程中，当测头顶端发出触发信号传递给数控***，数控***将其作为优先级较高的中断进行处理，假设数控***扫描到触发信号到控制机床主轴完全停止运动的时间为t，此时机床的主轴进给速度为v，其运动行程L＝v*t。L也是后期处理时需要补偿的误差。对于目前的触发式测头来讲，为保证精度，其中间预留的安全行程往往较小，当L达到一定值时，测头会被撞坏。所以，目前在机检测中使用触发式测头在测量过程中进给速度往往较低，严重影响了测量效率。

第二，测量误差难以补偿。接触式测头的预行程误差是不可避免的，该误差为从测球接触到工件表面到测头发出触发信号时的位移量，也可以表达为测杆为克服弹簧预紧力以及测头各部件所产生弹性变形的总和，设其为L₁。由于不同的材料、不同的结构会导致这种误差的非规律性，所以目前常用的方法是使用标准球实验对其进行标定。只能减少这种误差但却无法消除它。

发明内容

本发明的目的在于提供一种数控机床在机检测头，提高了测量效率和精度。

本发明的另一目的在于提供一种应用上述测头的数控机床在机检测***，提高了测量效率和精度。

数控机床在机检测测头，包括测杆和用于引导测杆作竖直直线运动的导向机构，测杆顶部设有弹性复位机构，靠近测杆处设有直线位移传感器。

应用上述测头的在机检测***，包括依次电连接的测头、信号采集电路和控制中心，测头触发后，数控***根据触发信号锁存测量点坐标，信号采集电路对采集到的点坐标作信号预处理后传送给控制中心，其特征在于，所述控制中心包括模型解释模块、路径规划模块、数据通信模块、误差补偿模块、数据处理模块和专家库***模块；

所述模型解释模块用于提取工件模型的几何特征，实时接收来自误差补偿模块的检测点坐标；

所述路径规划模块用于依据工件模型的几何特征规划检测路径，并将其转换为机床检测程序；

所述数据通信模块用于将机床检测程序传送给数控***，将来自数控***的检测点坐标反馈给误差补偿模块；

所述误差补偿模块用于对检测点坐标进行误差补偿；

所述数据处理模块用于对补偿后的检测点坐标进行分析或者查询专家库***模块中的历史检测信息得到工件的加工状态；

所述专家库***模块用于记录历史检测信息。本发明的技术效果体现在：

本发明设计了一款基于直线位移传感器控制的新型测头，升级了原有的触发模式，通过改进现有测头的测量方式及结构，使得机床测头在测量效率和测量精度上有了显著的提高，为整个在机检测***性能升级奠定了基础。

本发明还公开了应用上述测头的检测***，数控***执行测量程序，控制机床的伺服***带动测头进行测量，每次测得的点的坐标及时传递回检测***，当模型检测完毕后，检测***对测量数据进行误差补偿，对修正后的数据经过相应的运算可以计算出所测工件的空间位姿和形状信息，利用所得结果指导工件的定位和加工修正，能够大大的节约辅助加工时间，降低工件报废率。

附图说明

图1为基于直线位移传感器的测头简图；

图2为在机检测***结构连接简图；

图3为在机检测***软件模块划分图；

图4为在机检测***软件运行流程图。

具体实施方式

本发明首先对原有机床触发式测头进行了优化改造，运用多传感融合技术解决机床测头在实际测量过程中的精度和效率问题。在图1中，测杆7在导向机构6的约束下可以做竖直方向的直线运动，4为安装轴承。5为直线位移传感器，在安装过程中一片固定一片活动，根据测量行程决定两片之间的安装距离。弹簧3缠绕在螺柱2上作为自动复位机构。使得测量过程中测头可以自动回复原位。结构1为刀柄，用于安装在机床主轴上。

在机床测头壳体内加装直线位移传感器，该传感器直接与机床的PMAC卡连接，触发信号与PMAC卡中变量M相关联。直线位移传感器的测量值作为测量结果的修调值。当机床测头高速接近工件表面至接触瞬间，直线位移传感器发出控制信号，命名为信号1。PLC扫描到此信号后改变M的值，以此作为接触标识，记录此时主轴坐标，同时控制机床停止下行。数控***扫描到PMAC卡中变量状态，读取并存储此时主轴坐标，控制主轴反向高速抬起，移至下一测点重复上述过程。

采用直线位移传感器代替原有测头的触发装置，使得机床测头在测量过程中可以采用高速进给，大大提高了测量效率。利用PMAC卡中PLC扫描触发信号，其扫描周期在10ms以内即可完成采样、控制、刷新变量等工作。但是对于典型的数控***软件控制，从扫描到触发信号到反馈回机床的运动控制***典型时间在100ms以上。故而采用硬件直接控制-软件辅助控制的方式比完全利用数控***的任务调度管理模式的控制在效率和精度上都更有优势。

虽然可以通过提高仪器的扫描频率来降低测量中的预行程误差，但是却无法完全消除。此时直线位移传感器记录的坐标值可以对最终测量结果进行修调，有效的消除了机床测头的预行程误差。对于实际工业应用有重要价值；对于高精、高效的在机测量具有重要意义。

图2是整个在机检测***的应用示意图。OMVS***由数控机床、伺服***和测量***组成。以数控机床为基本支撑，由伺服***提供测量运动功能。

测量***包括测头、信号采集电路和控制中心。测头是在机检测***的关键部分，直接影响在机检测的精度。其中测头是关键测量部件。控制单元是核心的控制机构。在连接时，机床测头的信号输出到PMAC卡中，数控***与PMAC卡进行通信联系，间接控制机床的测量运动。

图3是在机检测***控制中心结构示意图。根据功能划分，控制中心下面又细分为模型解释模块、测点分布及路径规划模块、数据通信模块、误差补偿模块、数据处理模块和专家库***模块。

模型解释模块主要负责将不同三维造型软件生成的CAD模型导入测量***，并且解释翻译获得其几何特征。开发基于ACIS的几何引擎对三维模型进行显示，具有基本的操作功能如模型的倍率变换，旋转变换等。能实现测量过程的实时监控，测头的位置、理论坐标、测量坐标的实时显示。

路径规划模块针对不同的模型几何特征，定义测量坐标系，完成测量坐标系与设计坐标系的坐标统一，在提取了几何特征的基础上采用Hammersley序列算法，根据待测表面的曲率特征采用基于曲率的自适应测点分布算法，即曲率大的地方测点分布数目多，曲率小的地方测点分布数目少。这样可以保证在一定精度的前提下最大程度的减少测点的数目，大大的提高了测量效率。结合工件的具体形状，采用最小包容盒求交算法判断是否存在干涉点(测头与工件发生碰撞的检测点)，将干涉点从规划测点中剔除，利用余下检测点坐标生成机床测量程序。

数据通信模块主要用于完成数据的传输。采用RS232串口通信的方式将测量程序传递给数控***，数控***负责执行测量获取检测点坐标，同时不断读取、存储PMAC卡中的坐标，将测量数据传递给误差补偿模块。

误差补偿模块是测量精度的重要保证，在该模块中实现测头的误差标定、机床的误差标定、测头的误差补偿和机床的误差补偿功能。测头的误差标定可以采用对标准量块进行反复测量，根据测量结果建立误差补偿表；对于机床误差则通过激光测量仪测量后输入软件***建立补偿表。对于由通信模块传递来的测量数据，在误差补偿表里查询相应的补偿值对其进行修正，修正结果发往数据处理模块。

数据处理模块集成了数据处理的各种算法，提供典型的ICP算法，KH算法，利用测得的数据与原有CAD离散点数据进行配准，最终实现工件的自动定位及误差检测功能。

专家库***采用SQL数据库，是针对于以往同类型工件测量信息的存储和汇总，其内容包括***故障诊断情况及处理方式、测量路径、测头补偿信息、误差修正情况等等。建立完善的专家库***可以避免同类测头的重复标定，可以支持***的常规自诊断和对同类工件测量的智能判断和自动处理，将大大提高测量***的只能程度和测量效率。

图4是整个在机检测***的工作流程示意图。首先将机床测头安装在主轴上面，对于测头和机床进行误差标定，并存储标定文件。导入待测工件的CAD模型，经***解释、翻译后提取模型的几何特征并实时的仿真模型状态。根据模型的几何信息规划测点的数量及分布，自动规划无碰撞测量路径，生成测量程序。数控***执行测量程序，控制机床的伺服***带动测头进行测量，每次测得的点的坐标及时传递回数控***存储。当模型检测完毕后，检测***对测量数据进行误差补偿，将修正后的数据传递给数据处理模块，经过相应的运算可以计算出所测工件的空间位姿和形状信息。利用所得结果指导工件的定位和加工修正。可以大大的节约辅助加工时间，降低工件报废率。

Claims (1)

1.一种数控机床在机检测***，包括依次电连接的测头、信号采集电路和控制中心，测头触发后，数控***根据触发信号锁存测量点坐标，信号采集电路对采集到的点坐标作信号预处理后传送给控制中心；测头包括测杆和用于引导测杆作竖直直线运动的导向机构，测杆顶部设有弹性复位机构，靠近测杆处设有直线位移传感器，其特征在于，所述控制中心包括模型解释模块、路径规划模块、数据通信模块、误差补偿模块、数据处理模块和专家库***模块；

所述模型解释模块用于提取工件模型的几何特征，实时接收来自误差补偿模块的检测点坐标；

所述路径规划模块用于依据工件模型的几何特征规划检测路径，并将其转换为机床检测程序，具体为：定义测量坐标系，完成测量坐标系与设计坐标系的坐标统一，在提取了几何特征的基础上采用Hammersley序列算法，根据待测表面的曲率特征采用基于曲率的自适应测点分布算法确定规划测点，即曲率大的地方测点分布数目多，曲率小的地方测点分布数目少；结合工件的具体形状，采用最小包容盒求交算法判断是否存在干涉点，将干涉点从规划测点中剔除，利用余下检测点坐标生成机床检测程序；

所述数据通信模块用于将机床检测程序传送给数控***，将来自数控***的检测点坐标反馈给误差补偿模块；

所述误差补偿模块用于对检测点坐标进行误差补偿，具体为：实现测头的误差标定、机床的误差标定、测头的误差补偿和机床的误差补偿功能；测头的误差标定以采用对标准量块进行反复测量，根据测量结果建立误差补偿表；对于机床误差则通过激光测量仪测量后输入软件***建立补偿表；对于由通信模块传递来的检测点坐标，在误差补偿表里查询相应的补偿值对其进行修正；

所述数据处理模块用于对补偿后的检测点坐标进行分析或者查询专家库***模块中的历史检测信息得到工件的加工状态；

所述专家库***模块用于记录历史检测信息，历史检测信息包括***故障诊断情况及处理方式、测量路径、测头补偿信息和误差修正情况。

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