CN106989706B - 一种用于高精度圆形套装的圆心测算方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种在中、大型数控机床上对大型圆形工件需要对心操作的高精度圆心测算方法及装置，测量装置包含底座移动平台(1)，限位开关(2)，Y轴移动平台(3)，X轴移动平台(4)，机械手轮(5)，旋转轴(6)，伺服电机(7)，测量轴(8)，接触式测量探头(9)，控制器10，底座移动平台(1)有两个自由度，即平行机械底座的X轴方向的X轴移动平台(4)，和垂直机械底座的Y轴方向的Y轴移动平台(3)，可以有效地将工件移动至任意位置，测量轴(8)有两个自由度，方向与底座移动平台一样，以进行测点坐标的测量；旋转轴可以上下移动，使得测量探头可下深至圆形工件内侧；控制器(10)用于控制测量探头的运动轨迹，安装在立柱底座表面，在底座移动平台(1)与立柱的交汇处，其总线沿着立柱连接至伺服电机(7)。

Description

一种用于高精度圆形套装的圆心测算方法及装置

技术领域

本发明涉及一种用于高精度圆形套装的圆心测算方法及装置，特别是涉及用于装配高精度圆形工件的中、大型数控机床。

背景技术

在数控领域中，对两个大型圆形工件需要对心操作时的对心方法为:选用寻边器触碰其中一个空心圆形工件内部上任意三点，将这三个点的机械坐标存入数控***变量中，由于三点可以确定一个圆，通过数控***内部集成的函数来计算出圆心坐标。上述方法虽然可以确定圆心坐标，但在实际应用时，计算所得圆心的坐标与真实坐标之间的误差很大，首先是三点分布不能达到最优分布要求，这样求取的圆心坐标会有较大误差；其次***内部海量的数据导致占用内存很大，难以满足实时性较高的圆心测算；最后在中、大型数控机床进行装配时使用寻边器进行圆心定位的应用甚少，使用寻边器进行圆心定位更多的局限于加工中心。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种在中、大型数控机床上对大型圆形工件需要对心操作的高精度圆心测算方法及装置。

为实现上述目的，本发明公开了以下技术方案：一种用于中、大型数控机床的大型圆形工件对心操作的圆心测算方法，该圆形工件内径为r，测算该圆形工件圆心坐标O(x，y)的步骤包括：

1)使用测量探头测量圆形工件上的任意两点P₁，P₂的坐标分别为(x₁，y₁)，(x₂，y₂)；

2)选择以P₁作为三点法测量的起始点，∠P1OP2为θ₁，根据三点法，三点分布按照正三角形分布，即每两个点与圆心的夹角均为120°，则第一个有效测点D₁与OP₂之间的夹角为θ2，则建立移动至第一个测点D₁的绕行轨迹圆O₁，OP₂是圆O₁在P2的切线，圆O₁的半径 根据P₂点坐标和绕行圆的半径r_O1，确定测量探头的绕行轨迹为以O₁为圆心半径为r_O1的位于圆O内的圆弧测量探头沿圆弧运动，直至测量探头触碰到圆形工件的边缘部位后停止，所停止的位置即为D₁点，此时，可测得D₁点的坐标(x_D1，y_D1)；

3)建立从D₁移动至第二个有效测点D₂的绕行轨迹圆O₂，圆O的半径O_D1是圆O₂在D₁点的切线，按照正三角形分布三点坐标，圆O₂的半径根据D₁点坐标和绕行圆O₂的半径r_O2，便可确定测量探头的绕行轨迹为以O₂为圆心半径为r_O2的位于圆O内的圆弧轨迹测量探头沿圆弧轨迹运动，直至测量探头触碰到圆形工件的边缘部位后停止，所停止的位置即为D₂点，此时，可测得D₂点的坐标(x_D2，y_D2)；

3)建立从D₂移动至第三个有效测点D₃的绕行轨迹圆O₃，圆O的半径O_D2是圆O₃在D₂点的切线，按照正三角形分布三点坐标，求出圆 O₃的半径根据D₂点坐标和绕行圆O₃的半径r_O3，便可确定测量探头的绕行轨迹为以O₃为圆心半径为r_O3的位于圆O内的圆弧轨迹测量探头沿圆弧轨迹运动，直至测量探头触碰到圆形工件的边缘部位后停止，所停止的位置即为 D₃点，此时，可测得D₃点的坐标(x_D3，y_D3)；

4)建立6个参数变量a、b、c、d、e、f：a＝2×(x_D2-x_D1)，b＝2×(y_D2-y_D1)，c＝x_D2 ²+y_D2 ²-x_D1 ²-y_D1 ²，d＝2×(x_D3-x_D2)，e＝2×(y_D3-y_D2)，f＝x_D3 ²+y_D3 ²-x_D2 ²-y_D2 ²，圆心O 点的坐标O(x，y)为：

如上所述的测算方法，测量探头在P₂点X轴方向可能有正、负、0三种位移方向，其中“0”为左右均不能行进，测量探头的绕行方向由该位移方向和θ₂的正负值来确定：第一种情况：当θ₂为正数或0，且位移方向为正或0，测量探头绕O₁逆时针旋转；第二种情况：当θ₂为正数或0，且位移方向为负，测量探头绕O₁顺时针旋转；第三种情况：当θ₂为负数，且位移方向为正数或0，测量探头绕O₁顺时针旋转；第四种情况：当θ₂为负数，且位移方向为负：测量探头绕O₁逆时针旋转。

如上述的测算方法，测量探头在D₁点的绕行方向：第一种情况：当θ₂为正数或0，测量探头绕行方向与第一次绕行方向相同；第二种情况：当θ₂为负数，测量探头绕行方向与第一次绕行方向相反。

一种圆形套装的圆心测量装置，包含底座移动平台1，限位开关2，Y轴移动平台3，X轴移动平台4，机械手轮5，旋转轴6，伺服电机7，测量轴8，接触式测量探头9，控制器10，底座移动平台1有两个自由度，即平行机械底座的X轴方向的X轴移动平台4，和垂直机械底座的Y轴方向的Y轴移动平台3，可以有效地将工件移动至任意位置，测量轴8有两个自由度，方向与底座移动平台一样，以进行测点坐标的测量；旋转轴可以上下移动，使得测量探头可下深至圆形工件内侧；控制器10用于控制测量探头的运动轨迹，安装在立柱底座表面，在底座移动平台1与立柱的交汇处，其总线沿着立柱连接至伺服电机7。

其特征在于：该测量装置使用如权利要求1所述的测算方法来测量圆形套装的圆心。

底座移动平台1负责装载待测的圆形空心工件，当测量开始时，底座移动平台停止任何移动，测量完成后可以移动至套装装置位置进行对心操作。限位开关2在底座、立柱和横梁上以控制运动机构的行程及限位保护。立柱与底座固定，立柱上搭载着旋转轴6，在从底座移动平台1取出大型圆形工件或者运放至底座移动平台1的时候，旋转轴旋转至其他位置避免发生擦碰，当进行测量时，旋转轴必须与底座保持平行关系，旋转轴本身也可在立柱进行上下移动，以便使得测量探头下深至圆形工件内侧。测量轴8在横梁上可进行左右方向的移动以测量圆形工件的X轴方向坐标，接触式测量探头9在测量轴8内部用模组搭载可以进行前后方向移动以测量圆形工件的Y轴方向坐标。伺服电机7安装在各个运动机构中，如底座移动平台、旋转轴和测量轴。机械手轮5安装至测量轴8以用来旋紧测量探头，防止在测量过程中发生接触震动从而造成误差，还安装至底座移动平台1以用来旋紧代测量的圆形工件避免在测量的过程中发生晃动。

控制器10包含采集模块、逻辑控制模块、运动控制模块、坐标寄存模块、数据计算模块、报警模块、预警模块。

信号采集模块负责采集测量探头的信号并将信号滤波放大后传递到逻辑控制模块。逻辑控制模块内部寄存了大量的逻辑控制算法，并按照功能性实时控制其他模块，运动控制模块是控制测量轴按照坐标信息和运动执行程序进行运动，并实时反馈当前的坐标信息。数据计算模块将处理计算测量探头信号采集回来后得到的原始数据如第一个有效测点D₁与OP₂之间的夹角θ₂，外圆半径r_o1、r_o2、r_o3，通过后台算法的计算后将结果数据传递给坐标寄存模块。坐标寄存模块用来寄存数据计算模块计算出来的结果数据和接收运动控制模块反馈的坐标信息，并将坐标信息实时传递给逻辑控制模块。报警驱动模块接收到硬件、软件预警模块发出的信号后立刻驱动蜂鸣器和LED指示灯，并将报警信息反馈到逻辑控制模块中。

测量过程开始时，逻辑控制模块首先发出信号传递到运动控制模块中，运动控制模块接收到信号后调用测量程序，使得测量轴下降到大型圆形工件内部随机位置，即 P点位置，随后底座移动平台开始进行Y方向移动，当测量探头触碰到内壁时，立刻将信号发送到信号采集模块，信号采集模块接收信号后将信号先滤波再放大，然后传递到逻辑控制模块，逻辑控制模块将信号转换成数据信息送到数控计算模块再寄存到坐标寄存模块中，之后反馈到逻辑控制模块和运动控制模块中，这样就可以得到P₁点坐标数据，之后底座平台进行-Y方向移动，当测量探头触碰到内壁后同理可以得到P₂点坐标数据，此时数据计算模块在后台使用相应算法计算出第一个有效测点D₁与 OP₂之间的夹角θ₂和外圆半径r_o1，并将数据寄存在坐标寄存模块；在规划D₁点、D₂点、D₃点的测量轨迹时，逻辑控制模块调用条件判断信号传递到运动控制模块中，运动控制模块发出信号使底座移动平台在P₂点的4个方向各进行微量的位移，此时测量探头将信号传递给信号采集模块，再传递到逻辑控制模块，逻辑控制模块在内部处理器中确定测量轨迹后发出信号，使得运动控制模块调用圆弧路径运动程序，使得底座移动平台在圆形工件内部以X、Y轴方向联动的方式进行画圆运动，当测量探头碰到内壁时可以得到D₁点坐标数据，此时数据计算模块在后台使用相应算法计算出外圆半径r_o2，并将数据寄存在坐标寄存模块。之后底座移动平台继续上述测量流程，同理 D₂，D₃坐标数据依次可得。最后数据计算模块根据D₁，D₂，D₃点的坐标数据，计算出圆形工件的原点坐标O(x,y)，并寄存到坐标寄存模块中。测量过程结束后逻辑控制模块发出装配信号给运动控制模块中，运动控制模块读取到圆形工件原点坐标O(x,y) 坐标数据后进行X轴和Y轴方向的差补计算，使得底座移动平台搭载着圆形工件移动到装配位置，并且使两个圆形工件的圆心坐标数据相等。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：该测算方法综合考虑了三点法求圆心的最优三点分布和半径切向定位误差最小，利用测量装置可行进方向和测量偏角的判定，测量装置采用接触式测量的方式，运用数控***平台，自行规划最高效率的行进路径并精确定位内壁三点坐标，该三点坐标在圆内成正三角形分布，比任意三点分布测算圆心更为精确严格，测算出的圆心坐标与仿真结果做对比分析，然后应用于中、大型工业圆形套装设备中，该测算方法满足基于几何特征进行圆心定位的有效性和实时性，能很好的满足各类实际生产加工中的高精度圆心定位套装要求。

附图说明

图1是高精度圆形套装机械装置的测量部分；

图2中；(a)是点P₁和点P₂定位示意图；(b)是第一个有效测点D₁定位示意图； (c)是确定第一测点D₁绕行轨迹不同情况的示意图；(d)是第二个有效测点D₂定位示意图；(e)是确定第二测点D₂绕行轨迹不同情况的示意图；(f)是第三个有效测点 D₃定位示意图；(g)是第三测点D₃理想和实际图

图中：1、机械底座，2、限位开关，3、Y轴移动平台，4、X轴移动平台，5、机械手轮，6、旋转轴，7、伺服电机，8、测量轴，9、接触式测量探头，10、控制器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。

本发明包括高精度圆形套装的圆心测算方法和其机械测量装置，如图1所示，机械测量装置主要包括底座移动平台和测量轴，底座移动平台有两个自由度，即平行机械底座的X轴方向，和垂直机械底座的Y轴方向，可以有效地将工件移动至任意位置；测量轴有两个自由度，方向与底座移动平台一样，以进行圆心测量；测量探头可以上下移动，以便使得测量探头下深至圆形工件内侧。

测量探头进入圆形工件内部记为P点，以俯视的角度观察测量探头的移动轨迹，测量探头采用接触式测量的方式，用三点法求取圆心坐标，以带跳略功能的单方向直线切削运动控制测量探头移动(跳略功能即测量轴接触到物体后立刻执行下一条程序，并寄存当前坐标)，先向下移动获得P₁点坐标(x₁，y₁)，以P₁作为三点法测量的起始点 (并不是第一个点)，然后向上移动获得P₂点坐标(x₂，y₂)，得到∠P₁O P₂为θ₁，如图a 所示。

在圆形工件内径r已知的情况下，根据三点法求取圆心坐标的三点分布按照正三角形分布(即每两个点与圆心的夹角均为120°)，所求的圆心精确度越高原则，根据以下公式，求得θ₂(三点法的第一个点D₁与圆心点O的线段OD₁与OP₂的夹角)。

测量探头到达P₂之后要建立移动至第一个有效测点D₁的绕行轨迹圆O₁，测量探头采用圆弧路径而不是直线路径进行三点法测量是因为传感器测头对测量点的测量角度不同，可能存在切向方向的滑移误差，影响测量结果。圆O₁的建立方式如图b所示；

圆O的半径OP₂是圆O₁在P₂点的切线，在已知θ₂和圆O半径r的条件下，根据以下公式求取圆O₁的半径r_O1。

已知P₂点坐标和绕行圆的半径r_O1，可以确定测量探头的绕行轨迹此测量轨迹是沿圆O半径方向移动(即外圆O₁的切线方向)，以带跳略功能的圆弧切削路径控制测量探头运动，如此测量得到的坐标值误差最小。下面要确定测量探头的绕行方向。

测量探头在P₂点做X轴正负两方向做微量的位移(测量探头的接触偏移量)，可行进的方向由X轴标定，有正、负和0三种情况，其中“0”为左右均不能行进。再根据θ₂的正负值判断测量探头之后的绕行方向(图c所示)：

第一种情况：当θ₂为正数或0，且可行进方向为正数或0：测量探头绕O₁逆时针旋转。

第二种情况：当θ₂为正数或0，且可行进方向为负数：测量探头绕O₁顺时针旋转。

第三种情况：当θ₂为负数，且可行进方向为正数或0：测量探头绕O₁顺时针旋转。

第四种情况：当θ₂为负数，且可行进方向为负数：测量探头绕O₁逆时针旋转。

当测量探头到达第一个有效测点D₁后得到D₁点坐标(x_D1，y_D1)，然后建立从D₁移动至第二个有效测点D₂的绕行轨迹圆O₂，圆O₂的建立方式如图d所示。

圆O的半径OD₁是圆O₂在D₁点的切线，为了保证测量误差最小，按照正三角形分布三点坐标，还需要满足：

根据以下公式求出圆O₂的半径r_O2。

已知D₁点坐标和绕行圆O₂的半径r_O2，便可确定测量探头的绕行轨迹以带跳略功能的圆弧切削路径控制测量探头运动，下面要确定测量探头在D₁点的绕行方向 (图e所示)：

第一种情况：当θ₂为正数或0，测量探头绕行方向与第一次绕行方向相同。

第二种情况：当θ₂为负数，测量探头绕行方向与第一次绕行方向相反。

当测量探头到达第二个有效测点D₂后得到D₂点坐标(x_D2，y_D2)，然后建立从D₂移动至第三个有效测点D₃的绕行轨迹圆O₃，圆O₃的建立方式如图f所示。

绕行轨迹圆O₃的建立方式与圆O₂相同，圆O的半径OD₂是圆O₃在D₂点的切线，且满足：

根据以下公式求出圆O₃的半径r_O3。

已知D₂点坐标和绕行圆O₃的半径r_O3，便可确定测量探头的绕行轨迹D₂D₃，以带跳略功能的圆弧切削路径控制测量探头运动，绕行方向与第二次的绕行方向相同，当测量探头到达第三个有效测点D₃后得到D₃点坐标(x_D3，y_D3)，点D₃理论上与点P₁重合，但是实际上可能存在偏差，如图g所示，如果出现偏差，求取点P₁和点D₃的偏差值。

Δx_P＝|x_P1-x_D3|

Δy_P＝|y_P1-y_D3|

如果Δx_P和Δy_P都满足偏差精度要求，那么点D₃即使没有与点P₁重合，也依然作为第三个有效测点。按照以上数学模型，得到D₁(x_D1，y_D1)、D₂(x_D2，y_D2)、D₃(x_D3，y_D3) 三点坐标后再计算圆心O点的坐标：

先建立6个参数变量a、b、c、d、e、f：

a＝2×(x_D2-x_D1)

b＝2×(y_D2-y_D1)

c＝x_D2 ²+y_D2 ²-x_D1 ²-y_D1 ²

d＝2×(x_D3-x_D2)

e＝2×(y_D3-y_D2)

f＝x_D3 ²+y_D3 ²-x_D2 ²-y_D2 ²

再计算圆心O点的坐标O(x，y)：

该圆心测算方法带有自适应寻径控制功能，自动优化加工过程，从而达到提高生产效率改善加工表面质量等目的，机床操作者只需提供原材料的基础参数信息，该装置***便可智能的选择采用最优定位路径测算原点坐标，广泛应用于套装不同规格的圆形工件。

Claims (4)

1.一种圆形套装的圆心测算方法，其步骤包括：

1)使用测量探头测量套装上的任意两点P1，P2的坐标分别为(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，所测算套装的圆心为点O(x，y)，已知套装内径为r；2)选择以P₁作为三点法测量的起始点，∠P₁OP₂为θ₁，根据三点法，三点分布按照正三角形分布，即每两个点与圆心的夹角均为120°，第一个有效测点D₁与OP₂之间的夹角为θ₂，则 建立移动至第一个测点D₁的绕行轨迹圆O₁，OP₂是圆O₁在P₂的切线，圆O₁的半径根据P₂点坐标和绕行圆的半径r_O1，可以确定测量探头的绕行轨迹此轨迹是沿圆O半径方向移动，即外圆O₁的切线方向，当测量探头到达第一个有效测点D₁后可测得D₁点的坐标(x_D1，y_D1)；

2)建立从D₁移动至第二个有效测点D₂的绕行轨迹圆O₂，圆O的半径OD₁是圆O₂在D₁点的切线，按照正三角形分布三点坐标，圆O₂的半径根据D₁点坐标和绕行圆O₂的半径r_O2，便可确定测量探头的绕行轨迹此轨迹是沿圆O半径方向移动，即外圆O₂的切线方向，当测量探头到达第二个有效测点D₂后可测得D₂点的坐标(x_D2，y_D2)；

3)建立从D₂移动至第三个有效测点D₃的绕行轨迹圆O₃，圆O的半径OD₂是圆O₃在D₂点的切线，按照正三角形分布三点坐标，求出圆O3的半径根据D₂点坐标和绕行圆O₃的半径r_O3，便可确定测量探头的绕行轨迹此轨迹是沿圆O半径方向移动，即外圆O₃的切线方向，当测量探头到达第三个有效测点D₃后可测得D₃点的坐标(x_D3，y_D3)；

4)建立6个参数变量a、b、c、d、e、f：a＝2×(x_D2-x_D1)，b=2×(y_D2-y_D1)，c=x_D2 ²+y_D2 ²-x_D1 ²-y_D1 ²，d=2×(x_D3-x_D2)，e＝2×(y_D3-y_D2)，f＝x_D3 ²+y_D3 ²-x_D2 ²-y_D2 ²，圆心O点的坐标O(x，y)：

2.如权利要求1所述的测算方法，其测量探头在P₂点做X轴正负两方向做微量的位移(测量探头的接触偏移量)，可行进的方向由X轴标定，有正、负和0三种情况，其中“0”为左右均不能行进。再根据θ₂的正负值判断测量探头之后的绕行方向：第一种情况：当θ₂为正数或0，且可行进方向为正数或0：测量探头绕O₁逆时针旋转；第二种情况：当θ₂为正数或0，且可行进方向为负数：测量探头绕O₁顺时针旋转；第三种情况：当θ₂为负数，且可行进方向为正数或0：测量探头绕O₁顺时针旋转；第四种情况：当θ₂为负数，且可行进方向为负数：测量探头绕O₁逆时针旋转。

3.如权利要求1或2所述的测算方法，测量探头在D₁点的绕行方向：第一种情况：当θ₂为正数或0，测量探头绕行方向与第一次绕行方向相同；第二种情况：当θ₂为负数，测量探头绕行方向与第一次绕行方向相反。

4.一种圆形套装的圆心测量装置，包含底座移动平台(1)，限位开关(2)，Y轴移动平台(3)，X轴移动平台(4)，机械手轮(5)，旋转轴(6)，伺服电机(7)，测量轴(8)，接触式测量探头(9)，底座移动平台(1)有两个自由度，即平行机械底座的X轴方向的X轴移动平台(4)，和垂直机械底座的Y轴方向的Y轴移动平台(3)，可以有效地将工件移动至任意位置，测量轴(8)有两个自由度，方向与底座移动平台一样，以进行圆心测量；测量探头可以上下移动，以便使得测量探头下深至圆形工件内侧，其特征在于：该测量装置使用如权利要求1所述的测算方法来测量圆形套装的圆心。