CN101968344A - 数控加工中心在机三维形面检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于数控加工中心的复杂工件在线检测系统。本发明目的是对加工过程质量进行监测和控制，缩短大型复杂工件的加工制造周期，改变现有制造加工领域手工检测模式或离线抽检模式的现状。在线检测装备主要由数控加工中心、复合式测头、无线信号收发器、控制计算机及其测量软件组成。在线检测技术方案为：数控加工中心作为测量运动驱动机构，其主轴带动复合式测头对工件进行测量，并把测量结果通过无线信号收发器传输到控制计算机，通过模型反求和数据融合后处理，在线实时给出工件加工质量报表，提高成品合格率和加工效率。

Description

数控加工中心在机三维形面检测系统

技术领域

本发明属于测量技术领域，涉及一种数控加工中心的复杂工件表面在机检测方法，是一种数控加工中心在机三维形面检测系统

背景技术

在先进制造技术领域中，复杂精密零件制造加工水平占有重要地位。装备整体性能取决于关键重要部件的整体加工水平。实施加工过程质量监测和控制是确保和提升复杂精密零件加工水平的关键。

一些复杂工件的精密加工只能在先进的数控加工中心才能完成。近年来，国外在数控机床在机检测技术领域开展了一些探索和研究工作。具有代表性的企业是英国雷尼绍公司，该公司开发了多种型号的在机接触式测头装置，并且被广泛应用于制造加工领域中，雷尼绍公司开发了自动铣削/车削检测中心，可以实现加工生产线上加工误差为6um的连续车削或铣削。但是这些测量系统仍然存在着数据后处理能力差、和复杂形面测量困难等问题。美国Ng，Hung等人研究了离线检测自动编程方法，需要对工件进行多次装卡。韩国Pahk，H.J.实现了加工工件上的一些简单的面、孔和槽等特征的精度检测，Kin，Kyung-Don等人用触发式测头和测量G代码实现两轴半机床的尺寸测量，直接在机床上生成检测程序。美国俄亥俄州立大学孟教授在90年代初就提出了数控加工自由曲面检测系统框架，并针对具有自由曲面特点形面特征的接触式在机测量方法、模型匹配等问题进行了深入探讨。然而大部分生产企业中，具有复杂结构和曲面特征的工件仍然没有达到快速形面检测和质量实时控制要求。现有加工中心在机测量技术智能性不足，仅限于刀头磨损测量、简单标准形面测量和工件位姿找正等。尤其在精密加工中心系统中，针对复杂工件的测量软件功能开发尚未完善。

目前，我国制造加工领域仍然使用着传统的离线检测模式。检测过程复杂、繁琐、费时、费力。对于典型关键部件还依赖于专门设计的测具进行离线测量。为了顺应国际制造技术低成本、高效率的工业发展潮流，提高国产装备的性能，增强国产装备在国际市场的竞争力，需要改变现在使用着的传统离线检测模式，即：按理论尺寸中差数控编程，加工结束后，送离线三坐标测量机检测，当某些部位尺寸未到达精度要求时，需要重新返回到加工现场，再次装夹、找正，再进行修正加工，这种方式不仅极大地延长了生产周期，而且在此装夹带来的误差也会造成严重的质量隐患。

此外，在制造领域使用比较多的工件质量检测方法还包括人工手工检测模式。对于某些具有结构复杂、大尺寸等特点的工件，其加工尺寸达几百甚至上千个，因而需要各类测具达几百种。尽管如此，有些尺寸在加工过程中仍无法测量。所以控制复杂工件加工过程状态较难、成本较高和数字化程度低是提升制造加工水平进程中亟待解决的问题。为了保证复杂工件加工质量、提高加工效率、降低成本，提高自动化和信息化程度，需要进行数控机床高级功能开发、在机测量技术研究，解决复杂工件加工过程中的三维测量瓶颈问题。毫无疑问，这种离线或手工检测模式都很难满足复杂精密工件的批量化生产需要，其在机检测问题的解决已迫在眉睫。

数字化制造已经成为推动21世纪制造业发展的主流，为了提高数字化产品制造加工的质量，对关键零部件加工过程检测功能的要求正在由离线测量转向在机自动化测量。检测是制造加工的必要过程，如何提高检测效率、缩短检测时间越来越成为关注的焦点。新一代数字化检测系统发展的重要特征表现为：在机性、集成性、快速性、自适应性及与数控加工系统配套使用的兼容性。

发明内容

本发明目的就是对复杂工件的数控加工过程进行监测和控制，缩短大型复杂工件的加工制造周期，改变现有制造加工领域手工检测模式或离线抽检模式的现状。提供一种数控加工中心在机三维形面检测系统。

本发明的原理涉及到多学科的技术交叉，以用于复杂工件生产的精密数控加工中心为平台，通过集成现代高端光、机、电等检测技术手段，采用自适应测点分布和自动路径规划等方法，在机完成加工工件的整体形面信息获取与数据后处理，实现工件加工尺寸的快速实时测量和加工误差分析。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：复杂工件的数控加工在机检测系统，它由数控加工中心(1-5)、复合式形面信息提取装置(6)、无线信号收发器(7-8)、控制计算机(10)及其测量软件组成，其中数控加工中心作为测量运动驱动机构，其加工主轴从刀库中自动取出复合式形面信息提取装置，并接收来自控制计算机的测量运动指令，对工件进行测量。控制计算机通过无线收发器与复合式形面信息提取装置无线连接，实时接收来自复合式形面信息提取装置的测量信息，同时它通过RS232串行接口(9)与数控加工中心相连接，读取加工中心的状态和发送检测控制命令。通过模型反求和数据融合后处理，全自动高效率地完成复杂工件的在机质量评估。

测量精度&测量时间：

测量时间由待测工件的表面复杂程度和测量精度要求决定。工件局部线轮廓度、位置度、曲面变型扭曲度测量精度满足工业生产要求，有效测量数据信息量提高50％以上，加工周期缩短15％以上。

一种数控加工中心复杂工件在机检测系统，它的基本工作步骤如下：

a)用户通过控制计算机读取待测工件的CAD标准数据；

b)加工中心检测状态初始化；

c)控制计算机向加工中心发送检测控制命令，完成整个工件测量任务；

d)读取和显示测量结果；

e)数据后处理，根据不同工件特点实现曲面重建和模型验证；

f)生成数控加工修正G代码。

上述操作步骤中，用户也可以根据测量需要，通过交互干预修改测点位置、数量以及测量路径，从而获得满意的测量方案和结果。该系统不仅可以完成孔状、凸台和凹槽等特征的检测，还可以完成具有自由曲面或其他扭曲特征的复杂形面扫描。

上述步骤a中，控制计算机读取的CAD标准数据主要是待测工件的三维模型信息，也就是工件加工所依据的设计尺寸。同时，标准数据还包括工件关键截面尺寸和各部分加工精度要求，便于测量方式、测量路径规划方法的选择和后续测量结果的评价。

上述步骤b中，加工中心在完成工件的整个或局部形面加工后，系统自动设置为加工检测状态，自动对工件表面铁屑进行清洗，并确认在机检测装置在刀库中的位置。建立与控制计算机的串行通讯连接。

本发明中采用的在机检测装置设计为复合式结构，它集成了三个主要组成部分，即探针接触式测量装置、激光非接触式测量装置和测量信息收发器，如图2所示。其中，探针接触式测量装置是由开关式感应器、探针和接触球头部分组成。在接触球头接触到工件表面并达到一定压力时，作用力通过探针传递给开关式感应器，装置就会立即反馈被测量位置信息。激光非接触式测量装置主要由激光源、摄像机和图像采集卡等部分组成。激光源在被测工件上打出线式光信息，然后通过单目摄像机来捕捉，从而实现工件的主动式图像特征提取。测量信息收发器实现测量信息的实时无线收发功能。

上述步骤c中，检测控制命令主要是由控制计算机通过串行通讯方式传递给加工中心的。控制命令的生成过程主要包括下面一些步骤：

(1)驱动加工主轴在刀库中选择复合式形面信息提取装置，并在控制计算机与复合式形面信息提取装置之间建立无线通讯连接；

(2)测量系统参数精确标定和激光自动扫描路径规划G代码传递；

(3)加工中心驱动主轴，对工件进行非接触式激光测量；

(4)手动进行探针接触式测量点选取，生成接触式测量路径和G代码传递；

(5)加工中心驱动主轴，对工件进行接触式探针测量；

(6)工件测量信息完整性确认，对不满足测量要求的区域进行测量方式调整和补测或重测。

上述步骤d中，复合式形面信息提取装置获得的测量数据是通过无线传感器传递给控制计算机的，测量数据分为激光点云扫描数据和探针点云探测数据两种。其中探针点云探测数据由接触式测量方式获得，该测量方式的特点是测量速度慢，但是测量精度较高，因此点云数据稀疏。激光点云扫描数据采用非接触的激光器和摄像机实现的，测量速度快，测量信息较为稠密。两种测量数据是分别在不同时段获得的，由复合式形面信息提取装置的发送器发出后，由控制计算机的无线接收端实时接收和自动存储。

测量点的数量、测量进度以及测量形面的特征等，利用基于OpenGL的三维引擎实现点云的三维绘制，从而为用户提供直观的测量交互界面。

上述步骤e中，控制计算机对两种测量点云数据进行后处理操作，这个过程即可以离线完成，也可以在机进行。其主要内容包括初始测量信息滤波、数据融合与补偿计算、曲线重建、曲面重建、模型验证等。数据后处理算法的分析后，自动产生加工工件的实际加工尺寸三维数字模型，进而可以通过与标准加工CAD模型的比对，最终检测结果以关键工件截面尺寸、位置度误差报表等形式给出。

上述步骤f中，为实现加工过程自动化，依据加工工件检测评估结果，控制计算机检测软件会根据不同数控加工系统的需求，生成相应的加工刀具位姿和加工路径修正G代码，并作为另一种检测结果形式传递给加工中心。这种工件在机检测与修正加工路径相结合的一体化加工系统，进一步提高了复杂工件的加工效率。

复杂工件在机检测系统，采用模块化的开发方式，因此可以满足用户的选择性需求。模块化的设计思想不仅增加了用户选择产品的灵活性，满足不同精度和要求产品质量的评估需求，同时也为在机检测系统的升级和改进提供了方便。

本发明所达到的有益效果是：将检测技术融于数控加工的过程之中，采用在机测量的方式，能使操作者及时发现工件存在的问题，并反馈给数控系统。据抽样调查，目前企业因产品质量问题，如废品、次品、返修品等，所造成的经济损失约为产值的10％～15％，而在机测量技术应用于数控系统，其最直接的经济效益就在于既节省了工时又提高了测量精度。而且由于结合了机床数控系统的功能，又使得数控系统能及时得到检测系统所反馈的信息，从而能及时修正系统误差和随机误差，以改变机床的运动参数，更好地保证加工质量，促进加工测量一体化的发展。可以预见，在机测量技术在数控机床中的应用未来具有广阔的前景。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

图1是本发明的数控加工在机检测系统组成结构图。

图2是本发明的复合式形面信息提取装置外形图。

图3是本发明的嵌入式板卡功能模块图。

图4是本发明的软件功能模块图。

图5是本发明的数控加工在机检测系统原理框图。

图6是本发明的测量数据融合处理流程图。

图7是本发明的BX42_25混流式整体叶轮图。

图8是本发明的CAD模型文件导入示意图。

图9是本发明的原始点云与处理后得到的CAD格式文件图。

图10是本发明的可视化的三维交互式操作图。

图11是本发明的用户在工件模型上手动任意选点界面图。

图12是本发明的测点分布与测量姿态确定示意图。

图13是本发明的自动检测点分布图。

图14是本发明的测量路径规划的参数设定示意图。

图15是本发明的扫描结果图。

图1中，1-加工主轴，2-伺服系统，3-数控系统，4-控制器，5-工作台，6-复合式形面信息提取装置，7-嵌入式处理器，8-无线收发器，9-RS232串口，10-控制计算机；图12中，11-叶身，12-叶侧，13-水平测量区域，14-垂直测量区域，15-圆台；图14中，d1为预接触距离，d2为换速距离，d3为搜索距离，d4为后退距离。

具体实施方式

通过数控加工中心，采用接触式探针测头和非接触式激光扫描头对具有复杂曲面工件进行数据检测。首先根据待测工件的加工模型实现测点自适应分布和测量路径的自动规划。继而利用数控加工中心的五个自由度，加工主轴带动复合式形面信息提取装置完成整个测量过程。通过不同测量方式的协调工作，实现不同测量坐标系之间的数据转换以及测量模型重构。通过接触式测量，系统获得可信度更高的少量局部关键测点信息，并对整体测量模型进行校正。最终把校正后的测量模型与CAD模型进行比对分析，给出加工误差大小和质量评估结果。在保证检测精度的基础上，有效地克服检测盲点问题。通过一体化的软件设计，解决传统系统难于实现在机三维形面检测、数据融合处理、数字模型验证与数控加工修正自动化的问题。实践证明本发明设计的系统具有成本低、高效性和高可靠性，具有极高的应用价值。

复合式形面信息提取装置硬件结构设计，采用ProE软件完成，其外形如图2所示。整体测量结构的优化配置既能保证不同测量数据的无干涉获取，也能合理安排电源供给、信号线连接和传送，以及易于从刀库取、放和工作时安全性问题。

为提高数据处理速度，数控加工在机检测系统采用嵌入式板卡，其功能模块图如图3所示。嵌入式板卡采用主频720MHz的TMS320DM642为主处理器，具有4M×8b的SDRAM和4M×8b的Flash存储器，具有上电自启动功能。采用2通道的视频输入方式采集模拟摄像机信号，可编程配置异步串口的数据传输率，另外配置8通道的数字I/O实现系统中的开关输入和输出控制，10M/100Mbase-TX标准的以太网接口。板卡工作温度为0~70℃，机械尺寸为100mm×100mm。

从软件实现角度，将功能模块序列化和结构化能够更好的体现出软件设计思路，并能够对具体功能模块的实现起到重要作用。将软件功能层次化，能够根据操作流程理清软件代码编写思路，提高软件编写质量和速度。将检测系统的软件功能划分为四个层次结构，其操作流程如图4所示。

数控加工在机检测系统所涉及功能模块如图5原理框图所示。复杂工件通常具有较多的圆孔、凹槽、突台或自由曲面等不规则特征，其检测过程结合多种测量方法和多次重复分区域测量是十分必要的。

在系统结构中，控制计算机与数控加工设备的衔接是靠串口通讯实现的，并且通过无线收发器实时读取检测数据信息。从数据接口、坐标系映射、工艺流程指导三个环节建立完整的接口，保证检测环节与加工环节的协调工作。

测量数据融合处理是本发明的一个重要特点，其流程图如图6所示。测量方式的选择需要综合考虑很多因素，包括测量精度要求、测量时间、测量环境、待测工件的复杂程度、待测工件的表面粗糙度和材质硬度等。本发明提出的复合式测量方法可以根据上述具体情况采用不同的测量规划方法。对于测量速度要求较高、而测量精度不高的粗加工件，通常主要由激光非接触式测量完成。尤其是对于蜡模和材质相对较软的工件，激光非接触式测量方法具有保护加工件不被测具破坏的优点。对于大部分精密合金工件，其局部尺寸特征会影响到整个工件的工作性能，这些关键形面由测头探针进行接触式重复测量，保证加工精度。这样，激光测量结果经过信息滤波和平滑处理后，其边缘特征和局部遮挡特征和关键形面特征都可以由探针测量数据进行补偿和校正。

下面以BX42_25混流式整体叶轮(见图7)的检测过程为例，说明本发明的软件处理过程。

首先，用户在控制计算机上运行在机检测系统程序，并把待测工件BX42_25混流式整体叶轮的CAD模型文件导入，如图8所示。

待测工件的CAD模型文件通常由设计者提供，当不存在或者不能获得待测工件的数字模型文件时，本系统可以通过激光非接触式测量方法首先获得待测工件的原始点云数据，经过转化处理同样能够得到其CAD文件，如图9所示，并以STL格式存储。

其次，用户通过可视化的三维交互式操作，进行简单快捷的检测设置。如图10所示。用户在待测工件数字模型上手动任意选点(见图11)。针对复杂形面的检测，手动添加检测点是一种安全、可靠的检测方式，并且可以作为自动选点操作的一种有效的补偿方法。此外，本检测系统软件具有工件自适应选点功能，即通过选点分布算法，根据CAD文件表达的形面特征对待测工件进行程序布点，实现测点分布规划与测量姿态确定，如图12-13示。

为了获得快速、精确的测量结果，软件能够自动对加工中心主轴的运动姿态进行控制，并且规划检测点的执行顺序。即首先根据检测点确定运动目标位置和设定参数(见图14)，再根据优化算法确定运动目标姿态，最后直接生成检测路径，测量装置在加工主轴的带动下，实现待测工件的在机测量任务。BX42_25混流式整体叶轮的某一扫描结果如图15所示。

本发明主要包括以下三个部分：

(一)探针和激光复合式测量方法的集成。

(二)在机检测与数控加工过程的协调，测点分布和路径规划。

(三)数据后处理与加工G代码校正。

Claims (2)

1.数控加工中心在机三维形面检测系统，它包括功能部件、复合式形面信息提取装置(6)、无线信号收发器(8)、待测复杂工件、控制计算机(10)及其测量软件，其特征在于：复合式形面信息提取装置(6)由加工中心主轴带动，并通过无线信号收发器与控制计算机(10)相连，同时控制计算机(10)与数控加工中心通过RS232串行接口(9)相连，待测工件固定在加工中心工作台(5)上，其中数控加工中心作为测量运动驱动机构，其加工主轴从刀库中自动取出复合式形面信息提取装置，并接收来自控制计算机的测量运动指令，对工件进行测量。控制计算机通过无线收发器与复合式形面信息提取装置无线连接，实时接收来自复合式形面信息提取装置的测量信息，同时它通过RS232串行接口与数控加工中心相连接，读取加工中心的状态和发送检测控制命令，通过模型反求和数据融合后处理，完成复杂工件的在机质量评估。

2.根据权利要求1所述的数控加工中心在机三维型面检测系统，其特征在于，控制命令的生成过程主要采用下面步骤：

(1)驱动加工主轴在刀库中选择复合式形面信息提取装置，并与控制计算机之间建立无线通讯连接；

(2)加工中心驱动主轴，对工件进行接触式探针测量，获得精确测量点信息；

(3)加工中心驱动主轴，对工件进行非接触式激光测量，获得被测工件面信息；

(4)异类点、面测量信息融合与数控加工G代码自动生成；

(5)测量系统和数控加工系统信息转换和G代码传递。

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