CN107315391A - 一种数控机床在线检测的预行程误差补偿方法 - Google Patents

一种数控机床在线检测的预行程误差补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明旨在提供一种数控机床在线检测的预行程误差补偿方法，包括以下步骤：A、对待检测的曲面零件生成虚拟曲面模型及模型上测点的坐标和法矢方向；生成待检测曲面的NC数控检测代码；B、建立模型标准球，并生成对应于曲面上各测点的标准球上的测点及其坐标；生成实体标准球的NC数控检测代码；C、在数控机床上对实体标准球进行自动找正；D、在线检测得到实体标准球的测量坐标并进行转换后计算得到各测点对应法矢方向的测头预行程误差；E、在数控机床上对待检测的曲面零件进行自动测量，并进行补偿操作，得到各测点的最终测量坐标。该方法克服了现有技术自由曲面的在线检测中存在的检测精度低的缺点，具有步骤简单、精度高的特点。

Description

一种数控机床在线检测的预行程误差补偿方法
技术领域
本发明涉及零件检测领域，具体涉及一种数控机床在线检测的预行程误差补偿方法。
背景技术
随着航空、航天、造船、汽车及模具工业的飞速发展，曲线曲面的应用越来越广泛，对曲面零件高精度的测量的要求也越来越高，不断提高机械零件的检测精度一直是科研人员的研究热点。为了克服目前自由曲面零件检测中存在的加工精度需要在三坐标测量机(CMM)上进行离线检测的缺点，将高精度的加工精度检测过程直接在数控机床上进行，能避免了零件多次装夹所带来的定位误差，使加工和检测集成在一起。但目前针对自由曲面的在线检测精度还不是很高，为了提高检测精度需要对检测过程中的各种误差源进行补偿。在测头预行程误差方面，测头沿曲面上不同的法矢方向靠近工件，所产生的测头预行程误差各不相同，即具有各向异性。但在预行程误差的补偿过程中，目前大多数的补偿采用“等效测头半径”、“作用半径”等方法，却无法针对每一个法矢方向进行有针对性的补偿；或者采用神经网络等方法对预行程误差进行预测，但预测的可靠性不高。因此，为了提高自由曲面的数控机床在线检测的精度，研发出一种在线检测的预行程误差补偿方法是很有必要的。
发明内容
本发明旨在提供一种数控机床在线检测的预行程误差补偿方法，该方法克服了现有技术自由曲面的在线检测中存在的检测精度低的缺点，具有步骤简单、精度高的特点。
本发明的技术方案如下：
一种数控机床在线检测的预行程误差补偿方法，包括以下步骤：
A、在虚拟模型软件中对待检测的曲面零件生成虚拟曲面模型，在虚拟模型软件中构建测点，获得各个测点的理论坐标和理论法矢方向；根据曲面上测点坐标和法矢方向生成待检测曲面的NC数控检测代码；
B、设置实体标准球，在虚拟模型软件中建立对应的虚拟模型标准球，根据虚拟曲面模型的各个测点的的理论坐标和理论法矢方向，在虚拟模型标准球中生成一一对应的测点；根据虚拟模型标准球上各个测点的坐标和法矢方向，生成实体标准球的NC数控检测代码；
C、采用在线检测测头，在数控机床上对实体标准球进行自动找正，建立以实体标准球的球心为原点的标准球坐标系；
D、根据模型标准球的NC数控检测代码，采用在线检测测头，在数控机床上对实体标准球进行自动测量，得到实体标准球的各个测点的测试坐标，根据步骤C获得实体标准球的球心坐标，将各个测点的测试坐标换算成标准球坐标系的坐标，从而获得各个测试点的实体标准球坐标；将实体标准球坐标与模型标准球上对应测点的坐标相比较，得到各测点的法矢方向的测头预行程误差；
E、根据待检测曲面的NC数控检测代码，采用在线检测测头，在数控机床上对待检测的曲面零件进行自动测量，得到待检测曲面各测点的测量坐标；将待检测曲面各测点的测量坐标，按照法矢方向的测头预行程误差进行补偿，同时进行测头半径补偿，得到待检测曲面各测点的最终测量坐标。
优选地，所述的步骤A具体：对待检测的曲面零件生成虚拟曲面模型，在虚拟模型软件中设置测点的行、列数量以及测点的排列方式自动构建测点，获得各个测点的理论坐标和理论法矢方向；根据曲面上测点理论坐标和理论法矢方向，自动编程生成待检测曲面的NC数控检测代码。
优选地，所述的步骤B中映射关系公式为：
Pb(x，y，z)＝R·N (1)；
式中，Pb(x，y，z)为模型标准球上各测点的坐标，R为模型标准球的半径，N为与模型标准球上测点对应的曲面上测点Q(x，y，z)的法矢方向。
优选地，所述步骤E中各测点的测头预行程误差补偿公式为：
(x，y，z)＝(x′，y′，z′)+δ·N (2)；
式中，(x’，y’，z’)为该测点的测量数据坐标，N为该测点的法矢方向，δ为对应法矢方向的预行程误差，(x，y，z)为该测点的最终测量数据。
优选地，所述的虚拟模型软件为Unigraphics。
本发明通过将标准球上各对应测点的法矢方向的预行程误差与曲面检测的各测点的法矢方向预行程误差进行一一对应，通过对标准球检测得到的预行程误差对曲面检测的各测点坐标进行预行程补偿，步骤简单且精度高，避免了现有技术方案中对所有法矢方向仅仅采用“等效测头半径”或“作用半径”作为预行程补偿导致检测精度低的缺点，同时避免了采用人工神经网络等方法进行预行程误差预测导致测量可靠性差的缺点。
附图说明
图1为本发明提供的数控机床在线检测的预行程误差补偿方法
图2为曲面上测点的部分理论坐标和理论法矢方向数据
图3为待检测曲面的部分NC数控检测代码
图4为模型标准球上测点的部分坐标和法矢方向
图5为模型标准球的部分NC数控检测代码
图6为实体标准球的部分转换测点坐标
图7为部分测点对应法矢方向的测头预行程误差
图8为待检测曲面部分测点的测量坐标
图9为待检测曲面部分测点的最终测量坐标
图10为高精度三坐标测量机的与实施例1相对应的部分测点的测量坐标
具体实施方式
下面结合附图和实施例具体说明本发明。
实施例1
本实施例提供的数控机床在线检测的预行程误差补偿方法，包括以下步骤：
A、对待检测的曲面零件生成虚拟曲面模型，在虚拟模型软件中构建测点，获得各个测点的理论坐标和理论法矢方向；根据曲面上测点坐标和法矢方向生成待检测曲面的NC数控检测代码；
所述的步骤A具体：对待检测的曲面零件生成虚拟曲面模型，在虚拟模型软件中设置测点的行、列数量以及测点的排列方式自动构建测点，获得各个测点的理论坐标和理论法矢方向；根据曲面上测点理论坐标和理论法矢方向，自动编程生成待检测曲面的NC数控检测代码；
本实施例的测点行数为30行，列数为30列，排列方式为等间距；曲面上测点的部分理论坐标和理论法矢方向如图2所示，待检测曲面的部分NC数控检测代码如图3所示；
B、设置实体标准球，在虚拟模型软件中建立对应的虚拟模型标准球，本实施例采用CAD软件进行模型建立，根据虚拟曲面模型的各个测点的的理论坐标和理论法矢方向，在虚拟模型标准球中生成一一对应的测点；根据虚拟模型标准球上各个测点的坐标和法矢方向，生成实体标准球的NC数控检测代码；
本实施例采用的标准球直径为19.9995mm，圆度误差为1μm，模型标准球上测点的部分坐标和法矢方向如图4所示；实体标准球的部分NC数控检测代码如图5所示；
所述的步骤B中映射关系公式为：
Pb(x，y，z)＝R·N (1)；
式中，Pb(x，y，z)为模型标准球上各测点的坐标，R为模型标准球的半径，N为与模型标准球上测点对应的曲面上测点Q(x，y，z)的法矢方向；
C、采用在线检测测头，在数控机床上对实体标准球进行自动找正，建立以实体标准球的球心为原点的标准球坐标系；本实施例采用的测头半径为2.5mm，机床坐标系中球心坐标为(335.432，-181.661，-266.109)；
D、根据模型标准球的NC数控检测代码，采用在线检测测头，在数控机床上对实体标准球进行自动测量，得到实体标准球的各个测点的测试坐标，根据步骤C获得实体标准球的球心坐标，将各个测点的测试坐标换算成标准球坐标系的坐标，从而获得各个测试点的实体标准球坐标；将实体标准球坐标与模型标准球上对应测点的坐标相比较，得到各测点的法矢方向的测头预行程误差；实体标准球的部分转换测点坐标如图6所示；部分测点对应法矢方向的测头预行程误差如图7所示；
E、根据待检测曲面的NC数控检测代码，采用在线检测测头，在数控机床上对待检测的曲面零件进行自动测量，得到待检测曲面各测点的测量坐标；将待检测曲面各测点的测量坐标，按照法矢方向的测头预行程误差进行补偿，同时进行测头半径补偿，得到待检测曲面各测点的最终测量坐标；待检测曲面部分测点的测量坐标如图8所示，待检测曲面部分测点的最终测量坐标如图9所示；
所述步骤E中各测点的测头预行程误差补偿公式为：
(x，y，z)＝(x′，y′，z′)+δ·N (2)；
式中，(x’，y’，z’)为该测点的测量数据坐标，N为该测点的法矢方向，δ为对应法矢方向的预行程误差，(x，y，z)为该测点的最终测量数据。
为了验证本实施例的有效性，将本实施例曲面实物移至高精度三坐标测量机(MPEE＝0.9+L/400μm)进行检测，得到的与实施例1相对应的部分测点的测量坐标如图10所示：本实施例的测点的最终测量数据与高精度三坐标测量机的对应测量数据的误差在15μm以内，由此说明本实施例方法在线检测预行程误差的补偿效果显著，实现了高精度测量。

Claims (5)

1.一种数控机床在线检测的预行程误差补偿方法，其特征在于包括以下步骤：
A、在虚拟模型软件中对待检测的曲面零件生成虚拟曲面模型，在虚拟模型软件中构建测点，获得各个测点的理论坐标和理论法矢方向；根据曲面上测点坐标和法矢方向生成待检测曲面的NC数控检测代码；
B、设置实体标准球，在虚拟模型软件中建立对应的虚拟模型标准球，根据虚拟曲面模型的各个测点的的理论坐标和理论法矢方向，在虚拟模型标准球中生成一一对应的测点；根据虚拟模型标准球上各个测点的坐标和法矢方向，生成实体标准球的NC数控检测代码；
C、采用在线检测测头，在数控机床上对实体标准球进行自动找正，建立以实体标准球的球心为原点的标准球坐标系；
D、根据模型标准球的NC数控检测代码，采用在线检测测头，在数控机床上对实体标准球进行自动测量，得到实体标准球的各个测点的测试坐标，根据步骤C获得实体标准球的球心坐标，将各个测点的测试坐标换算成标准球坐标系的坐标，从而获得各个测试点的实体标准球坐标；将实体标准球坐标与模型标准球上对应测点的坐标相比较，得到各测点的法矢方向的测头预行程误差；
E、根据待检测曲面的NC数控检测代码，采用在线检测测头，在数控机床上对待检测的曲面零件进行自动测量，得到待检测曲面各测点的测量坐标；将待检测曲面各测点的测量坐标，按照法矢方向的测头预行程误差进行补偿，同时进行测头半径补偿，得到待检测曲面各测点的最终测量坐标。
2.如权利要求1所述的数控机床在线检测的预行程误差补偿方法，其特征在于：
所述的步骤A具体：对待检测的曲面零件生成虚拟曲面模型，在虚拟模型软件中设置测点的行、列数量以及测点的排列方式自动构建测点，获得各个测点的理论坐标和理论法矢方向；根据曲面上测点理论坐标和理论法矢方向，自动编程生成待检测曲面的NC数控检测代码。
3.如权利要求1所述的数控机床在线检测的预行程误差补偿方法，其特征在于：
所述的步骤B中映射关系公式为：
Pb(x，y，z)＝R·N (1)；
式中，Pb(x，y，z)为模型标准球上各测点的坐标，R为模型标准球的半径，N为与模型标准球上测点对应的曲面上测点Q(x，y，z)的法矢方向。
4.如权利要求1所述的数控机床在线检测的预行程误差补偿方法，其特征在于：
所述步骤E中各测点的测头预行程误差补偿公式为：
(x，y，z)＝(x′，y′，z′)+δ·N (2)；
式中，(x’，y’，z’)为该测点的测量数据坐标，N为该测点的法矢方向，δ为对应法矢方向的预行程误差，(x，y，z)为该测点的最终测量数据。
5.如权利要求1所述的数控机床在线检测的预行程误差补偿方法，其特征在于：
所述的虚拟模型软件为Unigraphics。
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