CN111745465A - 一种数控机床工件的自适应定位方法及定位*** - Google Patents

一种数控机床工件的自适应定位方法及定位*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种数控机床工件的自适应定位方法及定位***，通过在待加工工件上测量若干(≥6个)特征点的坐标，以测量数据为基础，计算待加工工件与待加工工件模型在机床坐标系下的精确定位参数，以此计算待加工工件上所有待加工位置起始的机床参数，这样能有效减小加工偏差。本发明提供了能够解决因装夹以及安装误差导致装夹后工件与理论模型存在的差异而导致工件加工部位与理论值有较大的偏差的问题。

Description

一种数控机床工件的自适应定位方法及定位***
技术领域
本发明属于数控加工技术领域，特别是涉及一种数控机床工件的自适应定位方法及定位***。
背景技术
在非标自动化加工线上，传统的加工方式通过工装夹具进行定位，通过设计载物板、推块、夹块、连杆等机械装置来保证定位的精度。而传统的工装夹具定位机构存在着诸多缺点，第一是定位精度不够高，很难满足微米级别定位的精度要求；第二是机械装置在长期的使用过程中，多次拆卸与安装，会加快相关零部件的损耗，降低了使用寿命，无形中增加了生产成本，很容易出现磨损、腐蚀、变形从而导致定位精度下降、超差问题。
再者，工装夹具把工件定位后，假定工件装夹后的坐标系与理论坐标系重合，把装夹后的坐标系转换到机床坐标系后直接进行加工。而实际工件毛料在制造过程中存在形变与不一致性，装夹后与理论模型存在差异，直接加工会导致工件加工部位的位置和方向与设计值有一定偏差，达不到高精度加工的要求。有鉴于此，实有必要开发一种数字化自适应定位装置及方法，用以解决上述问题。
发明内容
针对现有技术中的技术问题，本发明提供了一种数控机床工件的自适应定位方法及定位***，能够解决因装夹以及安装误差导致装夹后工件与理论模型存在的差异而导致工件加工部位与理论值有较大的偏差的问题。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种数控机床工件的自适应定位方法，包括：
以测距模块所在位置为基准位置，对CCD模块所在位置进行标定；
将待加工工件模型导入数据处理模块，在所述待加工工件模型上选取至少六个不重合的理论特征点，并框选每个所述理论特征点周围的区域作为理论特征域；待加工工件上与所述待加工工件模型上相同的区域对应有实际特征域；
所述数据处理模块记录每个所述理论特征点对应的坐标，并对每个所述理论特征域进行网格化处理，处理后记录每个所述理论特征域中所有网格格点的坐标；
将所述待加工工件装夹到机床上，调整所述待加工工件的位姿，使所述待加工工件上的每个所述实际特征域依次位于所述CCD模块的下方，所述CCD模块依次捕捉每个所述实际特征域或每个所述实际特征域附近的点的坐标，并将捕捉的每个所述实际特征域或每个所述实际特征域附近的点的坐标发送给所述数据处理模块；
所述数据处理模块根据所述CCD模块与所述测距模块之间标定的相对位置，对所述CCD模块捕捉的每个所述实际特征域或每个所述实际特征域附近的点的坐标进行转换，得到所述测距模块对应的坐标；
所述数据处理模块将转换得到的所述测距模块对应的坐标发送给控制***，所述控制***根据所述测距模块对应的坐标控制所述待加工工件移动至所述测距模块对应的坐标所在的位置；
所述测距模块对所述CCD模块测量过的每个所述实际特征域或每个所述实际特征域附近的点依次进行测量，得到每个所述实际特征域或每个所述实际特征域附近的点的新坐标，并将每个所述新坐标发送给所述数据处理模块，所述数据处理模块将每个所述新坐标与所述待加工工件模型中对应的每个所述理论特征点的坐标进行迭代计算，得到所述待加工工件与所述待加工工件模型位置拟合的误差值；
所述数据处理模块将所述误差值与预设的误差阈值进行比较，若所述误差值小于等于所述预设的误差阈值时，则以当前位置为最终定位位置；
若所述误差值大于所述预设的误差阈值时，所述数据处理模块将每个所述新坐标与对应的所述理论特征域中所有网格格点的坐标进行拟合，得到所述待加工工件需要进行移动的方向，所述控制***控制所述待加工工件沿所述方向以一个网格为步长进行移动，移动后，所述测距模块重新测量且所述数据处理模块重新进行迭代计算，直至误差值小于等于所述预设的误差阈值时，则以当前位置为最终定位位置。
进一步地，所述数据处理模块将所述误差值与预设的误差阈值进行比较后，还包括：
若所述误差值大于所述预设的误差阈值，且所述测距模块的测量次数超过预设次数后，所述误差值仍大于预设的误差阈值，则取所有误差值中误差最小时所述待加工工件对应的位置为最终定位位置。
进一步地，所述控制***通过控制机床驱动机构驱动所述待加工工件移动。
进一步地，所述数据处理模块对每个所述理论特征域进行网格化处理后，得到的网格大小为0.01mm*0.01mm。
进一步地，以测距模块所在位置为基准位置，还对机床刀具所在位置进行标定。
进一步地，所述测距模块和所述CCD模块只能沿机床Z轴进行移动。
进一步地，所述测距模块采用光学测距模块。
进一步地，所述自适应定位方法应用于五轴数控机床。
一种数控机床工件的自适应定位***，用于实现所述的自适应定位方法，包括CCD模块、测距模块、数据处理模块和控制***，所述CCD模块和所述测距模块设置在机床上方且只能沿机床Z轴方向移动，所述CCD模块和所述测距模块分别与所述数据处理模块连接，所述数据处理模块与所述控制***连接，所述控制***与机床驱动机构连接，用于控制机床驱动机构驱动待加工工件移动调整位姿。
进一步地，所述测距模块采用光学测距模块。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明提供的一种数控机床工件的自适应定位方法，通过数据处理模块抓取待加工工件模型上的理论特征点和理论特征域，CCD模块粗定位待加工工件上的实际特征域的位置，测距模块在待加工工件上测量若干个包含于实际特征域的点位，并与待加工工件模型上对应理论特征点的理论特征域进行迭代匹配，找到待加工工件(实测工件)与待加工工件模型在空间上的最佳匹配位姿，以此来确定待加工工件上待加工位置在机床坐标系的加工位置和方向，快速实现准确定位，实现了数字化定位，提高了定位的自动化程度和定位效率，并且有效减小工装夹具以及工件形变等带来的误差。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种数控机床工件的自适应定位***示意图；
图2为本发明实施例定位流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明一种数控机床工件的自适应定位方法，包括：
以测距模块所在位置为基准位置，对CCD模块所在位置和机床刀具所在位置进行标定；优选的，测距模块采用光学测距模块，测距模块和CCD模块只能沿机床Z轴进行移动；
将待加工工件模型导入数据处理模块，在待加工工件模型上选取至少六个不重合的理论特征点，并框选每个理论特征点周围的区域作为理论特征域；待加工工件上与待加工工件模型上相同的区域对应有实际特征域；
数据处理模块记录每个理论特征点对应的坐标，并对每个理论特征域进行网格化处理，优选的，得到的网格大小为0.01mm*0.01mm的网格，处理后记录每个理论特征域中所有网格格点的坐标；
将待加工工件装夹到机床上，调整待加工工件的位姿，使待加工工件上的每个实际特征域依次位于CCD模块的下方，CCD模块依次捕捉每个实际特征域或每个实际特征域附近的点的坐标，并将捕捉的每个实际特征域或每个实际特征域附近的点的坐标发送给数据处理模块；
数据处理模块根据CCD模块与测距模块之间标定的相对位置，对CCD模块捕捉的每个实际特征域或每个实际特征域附近的点的坐标进行转换，得到测距模块对应的坐标；
数据处理模块将转换得到的测距模块对应的坐标发送给控制***，控制***根据测距模块对应的坐标控制机床驱动机构驱动待加工工件移动至测距模块对应的坐标所在的位置；
测距模块对CCD模块测量过的每个实际特征域或每个实际特征域附近的点依次进行测量，得到每个实际特征域或每个实际特征域附近的点的新坐标，并将每个新坐标发送给数据处理模块，数据处理模块将每个新坐标与待加工工件模型中对应的每个理论特征点的坐标进行迭代计算，得到待加工工件与待加工工件模型位置拟合的误差值；
数据处理模块将误差值与预设的误差阈值进行比较，若误差值小于等于预设的误差阈值时，则以当前位置为最终定位位置；
若误差值大于预设的误差阈值时，数据处理模块将每个新坐标与对应的理论特征域中所有网格格点的坐标进行拟合，得到待加工工件需要进行移动的方向，控制***控制机床驱动机构驱动待加工工件沿得到的方向以一个网格为步长进行移动，移动后，测距模块重新测量且数据处理模块重新进行迭代计算，直至误差值小于等于预设的误差阈值时，则以当前位置为最终定位位置；
若误差值大于预设的误差阈值，且测距模块的测量次数超过预设次数后，误差值仍大于预设的误差阈值，则取所有误差值中误差最小时待加工工件对应的位置为最终定位位置。
为了更加详细的对本发明进行解释说明，下面做进一步的分析说明。
本实施例依托于五轴数控机床，各轴分别为X、Y、Z、A、C。
如图1和图2所示，本实施例主要包含数据处理模块、CCD模块、光学测距模块(测距传感器)和控制***四部分。CCD模块和测距模块设置在机床上方且只能沿机床Z轴方向移动，CCD模块和测距模块分别与数据处理模块连接，数据处理模块与控制***连接，控制***与机床驱动机构连接，用于控制机床驱动机构驱动待加工工件移动调整位姿。
数据处理模块即本发明***的软件模块，在导入的待加工工件模型上抓取若干(≥6个)理论特征点的坐标，并选取包含于理论特征点的区域，即理论特征域(理论特征域数量等于理论特征点)，将理论特征域网格化离散处理，形成理论特征域的一系列坐标，待加工工件模型(即理论模型)的理论特征点和理论特征域的坐标记录在软件的数据库中，后期通过测距传感器测量的待加工工件(即实际工件)上的数据与其进行迭代计算。
CCD模块在机床Z轴上固定，并且CCD模块和光学测距模块有一个固定的位置差，其两者间可以进行坐标的换算。通过手摇X、Y、Z、A、C轴，使待加工工件摆到CCD模块的正下方，CCD模块采集待加工工件上实际特征域区域内或实际特征域附近的点的坐标，将坐标发给数据处理模块，数据处理模块转换为光学测距模块的坐标后，指令发送给机床，此时待加工工件上的每个实际特征域的位置已在机床中确定，下一步开始由光学测距模块开始测量。
光学测距模块在机床Z轴上固定，测距传感器读数为零的空间位置在机床坐标系下固定不变。基于这一约定，将机床坐标系的原点设置在测距传感器读数为零的位置，而且确保机床坐标系三个坐标轴的方向与机床主轴的运动方向平行。
测距传感器在机床坐标系下的数学描述可表示为(x,y,z,u,v,w),其中(x,y,z)表示测距传感器的原点位置，(u,v,w)表示测距传感器的方向(单位向量)。当A、C轴保持不动，机床读数显示为(xi,yi,zi)，测距传感器读数显示为hi时，被测点在机床坐标系下的坐标可表示为：
[xi,yi,zi]T+hi[u,v,w]T
为方便后续坐标系转换，需要标定测距传感器空间位置。保持A、C轴不动，在机床工作台上放置一块高精度平板，适当调整测距传感器和标定板的相对位置，确保测距传感器在标定板上任意位置有值。确保标定板在机床坐标系下固定不动，令测量传感器分别沿着X、Y、Z三个方向按照一定步距分别移动n步，总共测得标定板上m(m＝n3)个点。已知标定板平面度<＝5μm，那么测量传感器测得标定板上的任意一点均满足如下平面方程：
a(xi+hi*u)+b(yi+hi*v)+c(zi+hi*w)+d＝0
其中a,b,c,d表示平面方程的系数，令au+bv+cw＝e,带入上式，可得如下公式：
axi+byi+czi+ehi+d＝0
理论上，每个面测量点数m>＝5时，即可确定a,b,c,d,e这5个参数，考虑到标定板平面度误差、测距传感器误差以及计算误差，在每个面尽量多的选择测量点。调整标定板的位置重复上述操作，每次位置调整即可确定一组a,b,c,e,d值，假设总共获得t组，每组参数均满足如下方程：aju+bjv+cjw＝ej，理论上当t>＝3时即可唯一确定u、v、w。
在机床中，测距传感器下一点的机床坐标[XM,YM,ZM,AM,CM,HM]T转化为该点在床坐标系(OXYZ)M的坐标[XM,YM,ZM]，须知A、C旋转轴回转中心与回转轴方向[PA,NA]、[PC,NC]，因此需要对该参数进行标定，标定方法如下：
将一有倾斜角度的标定平板固定在装夹工件的台面上，将除待测轴以外的其他旋转轴调整到0位，依次测量待测轴不同角度下的n(n≥3)个平面上的矩阵点并计算出平面方程，理想情况下的n(n≥3)个平面有唯一交点P1，n(n≥3)个平面的发现有唯一交点P2，令P2为该旋转轴的旋转中心，旋转轴的方向N＝P2–P1。
得到A、C轴回转中心后，可以将机床坐标与(OXYZ)M坐标系下坐标相互转换，要对工件进行加工，仍需指导刀具与激光测距仪在(OXYZ)M下的相对位置PS＝[XS,YS,ZS]T，因此需要对刀具的空间位置进行标定，方法如下：
将A、C轴机床位置调整至0位，并通过工艺手法将刀具的工作位置移动至C轴回转中心，当前位置为PN＝[XN,YN,ZN]T，C轴回转中心PC＝[XC,YC,ZC]T，得:
Ps＝PN-PC
在待加工工件模型中提取测量点理论坐标，通过坐标转换后在机床中进行测量，经过特征点匹配后得到的实际加工位信息，最终转化为刀具作用点下的机床坐标进行加工。
作为本发明的某一具体实施例，将待加工工件模型文件导入数据处理模块中，手动在待加工工件模型上抓取若干(≥6)(如12)个理论特征点的坐标，并框选包含理论特征点的区域(理论特征域，数量等于理论特征点)，设定间隔(如以0.05mm的间隔)，将理论特征域网格化离散处理，形成理论特征域的一系列坐标，待加工工件模型的理论特征点和理论特征域的坐标记录在软件的数据库中。
装夹待加工工工件至五轴机床上，通过手摇X、Y、Z、A、C轴，使待加工工工件摆到CCD模块的正下方，CCD模块采集待加工工工件上实际特征域区域内的点的坐标，将坐标发给数据处理模块，数据处理模块转换为测距仪的坐标后，指令发送给机床，此时待加工工工件上的每个实际特征域的位置已粗略在机床中确定，工件将移动至测距仪下开始测量。
本发明方法基于复杂曲面多特征点匹配算法的自适应定位技术，通过在加工工件上测量若干(≥6个)特征点的坐标，以测量数据为基础，计算待加工工工件与待加工工工件模型在机床坐标系下的精确定位参数，以此计算待加工工工件上所有待加工位置起始的机床参数，这样能有效减小加工偏差。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种数控机床工件的自适应定位方法，其特征在于，包括：
以测距模块所在位置为基准位置，对CCD模块所在位置进行标定；
将待加工工件模型导入数据处理模块，在所述待加工工件模型上选取至少六个不重合的理论特征点，并框选每个所述理论特征点周围的区域作为理论特征域；待加工工件上与所述待加工工件模型上相同的区域对应有实际特征域；
所述数据处理模块记录每个所述理论特征点对应的坐标，并对每个所述理论特征域进行网格化处理，处理后记录每个所述理论特征域中所有网格格点的坐标；
将所述待加工工件装夹到机床上，调整所述待加工工件的位姿，使所述待加工工件上的每个所述实际特征域依次位于所述CCD模块的下方，所述CCD模块依次捕捉每个所述实际特征域或每个所述实际特征域附近的点的坐标，并将捕捉的每个所述实际特征域或每个所述实际特征域附近的点的坐标发送给所述数据处理模块；
所述数据处理模块根据所述CCD模块与所述测距模块之间标定的相对位置，对所述CCD模块捕捉的每个所述实际特征域或每个所述实际特征域附近的点的坐标进行转换，得到所述测距模块对应的坐标；
所述数据处理模块将转换得到的所述测距模块对应的坐标发送给控制***，所述控制***根据所述测距模块对应的坐标控制所述待加工工件移动至所述测距模块对应的坐标所在的位置；
所述测距模块对所述CCD模块测量过的每个所述实际特征域或每个所述实际特征域附近的点依次进行测量，得到每个所述实际特征域或每个所述实际特征域附近的点的新坐标，并将每个所述新坐标发送给所述数据处理模块，所述数据处理模块将每个所述新坐标与所述待加工工件模型中对应的每个所述理论特征点的坐标进行迭代计算，得到所述待加工工件与所述待加工工件模型位置拟合的误差值；
所述数据处理模块将所述误差值与预设的误差阈值进行比较，若所述误差值小于等于所述预设的误差阈值时，则以当前位置为最终定位位置；
若所述误差值大于所述预设的误差阈值时，所述数据处理模块将每个所述新坐标与对应的所述理论特征域中所有网格格点的坐标进行拟合，得到所述待加工工件需要进行移动的方向，所述控制***控制所述待加工工件沿所述方向以一个网格为步长进行移动，移动后，所述测距模块重新测量且所述数据处理模块重新进行迭代计算，直至误差值小于等于所述预设的误差阈值时，则以当前位置为最终定位位置。
2.根据权利要求1所述的一种数控机床工件的自适应定位方法，其特征在于，所述数据处理模块将所述误差值与预设的误差阈值进行比较后，还包括：
若所述误差值大于所述预设的误差阈值，且所述测距模块的测量次数超过预设次数后，所述误差值仍大于预设的误差阈值，则取所有误差值中误差最小时所述待加工工件对应的位置为最终定位位置。
3.根据权利要求1所述的一种数控机床工件的自适应定位方法，其特征在于，所述控制***通过控制机床驱动机构驱动所述待加工工件移动。
4.根据权利要求1所述的一种数控机床工件的自适应定位方法，其特征在于，所述数据处理模块对每个所述理论特征域进行网格化处理后，得到的网格大小为0.01mm*0.01mm。
5.根据权利要求1所述的一种数控机床工件的自适应定位方法，其特征在于，以测距模块所在位置为基准位置，还对机床刀具所在位置进行标定。
6.根据权利要求1所述的一种数控机床工件的自适应定位方法，其特征在于，所述测距模块和所述CCD模块只能沿机床Z轴进行移动。
7.根据权利要求1所述的一种数控机床工件的自适应定位方法，其特征在于，所述测距模块采用光学测距模块。
8.根据权利要求1所述的一种数控机床工件的自适应定位方法，其特征在于，所述自适应定位方法应用于五轴数控机床。
9.一种数控机床工件的自适应定位***，其特征在于，用于实现如权利要求1～8任一项所述的自适应定位方法，包括CCD模块、测距模块、数据处理模块和控制***，所述CCD模块和所述测距模块设置在机床上方且只能沿机床Z轴方向移动，所述CCD模块和所述测距模块分别与所述数据处理模块连接，所述数据处理模块与所述控制***连接，所述控制***与机床驱动机构连接，用于控制机床驱动机构驱动待加工工件移动调整位姿。
10.根据权利要求9所述的一种数控机床工件的自适应定位***，其特征在于，所述测距模块采用光学测距模块。
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