CN102430961A

CN102430961A - 基于多传感器集成测量的自由曲面类零件加工系统

Info

Publication number: CN102430961A
Application number: CN2011103351256A
Authority: CN
Inventors: 李文龙; 尹周平; 吴谋虎
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2011-10-28
Filing date: 2011-10-28
Publication date: 2012-05-02
Anticipated expiration: 2031-10-28
Also published as: CN102430961B

Abstract

本发明公开了一种基于多传感器集成测量的自由曲面类零件加工系统；曲面测量组件集成了非接触式和接触式两种传感器，曲面加工组件装有铣削用铣刀，曲面测量组件与曲面加工组件通过直线导轨连接；点云处理组件用于对非接触式传感器获得的点云数据进行几何处理，将当前工作台可直接执行的加工G代码提供给曲面加工组件进行加工；曲面测量组件对工件进行非接触式测量，再对精加工得到的产品进行接触式测量；质量检测组件用于对接触式传感器获得的测量数据进行误差比较，获得产品质量结果。本系统集成了非接触式和接触式两种传感器，在同一机床上实现“测量-加工-检测”一体化，整个过程无需人工干预，提高了加工效率和自动化程度。

Description

基于多传感器集成测量的自由曲面类零件加工系统

技术领域

本发明涉及加工技术领域，具体涉及一种基于多传感器集成测量的自由曲面类零件加工系统。

背景技术

近年来，自由曲面类零件(如汽车覆盖件和航空发动机叶片等)在汽车、飞机和家电等行业得到广泛应用，实现自由曲面类零件的快速加工制造受到人们的普遍关注。针对待测目标，首先需要建立目标在机床坐标系与设计坐标系之间的位置关系。传统的方法利用非接触式方法对毛坯进行整体扫描，计算空间刚体变换关系使得设计坐标系中的加工文件在机床坐标系中生效；利用接触式方法对加工后的产品进行接触式测量，完成产品质量检测。由于在不同平台下执行非接触式和接触式测量，涉及多次拆卸、搬运、夹持等，加工效率低且自动化程度低。

目前，浙江大学提出了集成多传感器测量数据进行仿形加工的方法和系统(专利申请号200610155284.7)。然而，这种加工系统将曲面测量组件和铣削加工组件放置在同一机床主轴上。需要人工参与拆卸测量装置以进行后续铣削加工，对于单件、小批量生产来说，加工效率低且不满足柔性制造的要求。此外，该系统无法在同一平台下对精加工后的产品进行质量检测。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术中的不足，提供一种基于多传感器集成测量的自由曲面类零件加工系统，满足产品快速加工制造中涉及的“测量-加工-检测”一体化。

本发明提供的一种基于多传感器集成测量的自由曲面类零件加工系统，其特征在于，该系统包括曲面测量组件、点云处理组件、曲面加工组件和质量检测组件；

曲面测量组件集成了非接触式和接触式两种传感器，用于对工件进行离散化测量；

曲面加工组件装有铣削用铣刀，用于对工件进行粗加工和精加工；

曲面测量组件与曲面加工组件通过直线导轨连接，实现目标在曲面测量组件和曲面加工组件中的自动化传输；

点云处理组件用于对非接触式传感器获得的点云数据进行几何处理，利用处理后的数据和已知的三维设计参数曲面，计算加工前的工件在当前工作台与设计坐标系间的空间位置关系，从而将设计坐标系下生成的加工文件转换到当前工作台可直接执行的加工G代码，提供给曲面加工组件进行粗加工和精加工；

曲面测量组件中的非接触式传感器在曲面加工组件进行加工之前对工件进行非接触式测量，并根据控制命令将工件传送到曲面加工组件进行粗加工和精加工，再将精加工得到的产品返回到接触式传感器，执行接触式测量；

质量检测组件用于对接触式传感器获得的测量数据进行误差比较，获得产品质量结果。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明将非接触式和接触式两种传感器集成到曲面测量组件中。一方面利用非接触式测量速度快、获取数据量大的特点，快速计算出目标同设计坐标系的空间位置关系，用于生成机床坐标系下可直接应用的加工G代码；另一方面，利用接触式测量精度高的特点，对加工后的产品进行质量检测。因此，与现有的加工系统相比，本发明能在同一机床上实现“测量-加工-检测”一体化。

(2)本发明通过直线导轨实现目标在曲面测量组件-曲面加工组件中的自动化传输。完成非接触式测量后，根据控制命令将工件传送到曲面加工组件。完成精加工后，再将加工后的产品返回到曲面测量组件，执行接触式测量。整个过程无需人工参与，避免了多次拆卸、搬运、夹持过程，提高了加工效率。因此，本发明特别适应于多品种、小批量自由曲面类零件的快速加工制造。

总之，本系统集成了非接触式和接触式两种传感器，在同一机床上实现“测量-加工-检测”一体化，整个过程无需人工干预，提高了加工效率和自动化程度。

附图说明

图1为基于多传感器集成测量的自由曲面类零件加工系统的结构简视图。

图2为基于多传感器集成测量的自由曲面类零件加工系统的工作流程图。

图3是本发明系统的一种具体实施方式的结构示意图。

具体实施方式

本发明将非接触式和接触式两种传感器集成到一起。一方面利用非接触式测量速度快、获取数据量大的特点，快速计算出目标同设计坐标系的空间位置关系，用于生成机床坐标系下可直接应用的加工G代码；另一方面，利用接触式测量精度高的特点，对加工后的产品进行质量检测。

如图1所示，基于多传感器集成测量的自由曲面类零件加工系统包括四个工作组件：曲面测量组件、点云处理组件、曲面加工组件和质量检测组件。

曲面测量组件集成了非接触式和接触式两种传感器，用于对待测目标进行离散化测量。曲面加工组件装有铣削用铣刀，用于对工件进行粗加工和精加工。曲面测量组件与曲面加工组件通过直线导轨连接，实现目标在曲面测量组件和曲面加工组件中的自动化传输。

点云处理组件包括服务器，用于对非接触式传感器获得的点云数据进行去噪、补洞和拼合等几何处理，利用处理后的数据和已知的三维设计参数曲面，计算工件在当前工作台与设计坐标系间的空间位置关系，从而将设计坐标系下生成的加工文件转换到当前工作台可直接执行的加工G代码，提供给曲面加工组件进行加工。

曲面测量组件中的非接触式传感器完成非接触式测量后，根据控制命令将工件传送到曲面加工组件。完成精加工后，再将加工后的产品返回到接触式传感器，执行接触式测量。

质量检测组件包括一台PC机，用于对接触式传感器获得的高精度测点进行误差比较，评价产品质量。

本发明系统的工作流程如图2所示。

下面结合附图和实施例对本发明提出的基于多传感器集成测量的自由曲面类零件加工系统做进一步详细说明。应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限制作用。凡是在本发明技术方案内进行的通常的变化和替换，均应列入本发明的保护范围。

如图3所示，本实例中，所述曲面测量组件包括第一移动式龙门架21、第一滑块22、测量主轴23、非接触式传感器24、接触式传感器25和第一直线导轨26；所述曲面加工组件包括机床1、第二移动式龙门架71、第二滑块72、加工主轴73、可拆卸铣刀74、第二直线导轨75、工作台31、夹具32、标定球34及第三直线导轨5。点云处理组件采用数据处理器8，质量检测组件采用PC机4。

第一、第二移动式龙门架21、71分别通过第一、第二直线导轨26、75安装在机床1上，第一、第二移动式龙门架21、71相互平行，第一、第二滑块22、72分别安装在第一、第二移动式龙门架21、71上，测量主轴23安装在第一滑块22上，加工主轴73安装在第二滑块72上，测量主轴23上安装有非接触式传感器24和接触式传感器25，接触式传感器25通过数据线与PC机4连接。可拆卸铣刀74安装在加工主轴73上。数据处理器8通过数据线与测量主轴23及加工主轴73连接，从测量主轴23上获取的数据，并对加工主轴73进行信息传输。工作台31安装在机床1上，通过第三直线导轨5可运动到加工位置6，夹具32和标定球34安装在工作台31上，且标定球34与工作台31相对位置不变，工件33通过夹具32固定在工作台31上。

其中，第一、第二移动式龙门架21、71可沿第一、第二直线导轨26、75在X轴方向上移动，第一、第二滑块22、72可沿第一、第二移动式龙门架21、71在Y轴方向上移动，测量主轴23集成非接触式和接触式的多传感器测量功能，分别对应非接触式传感器24、接触式传感器25，第一、接触式传感器24、25可沿X、Y轴旋转一定的角度；标定球34用于测量前对非接触式传感器24、接触式传感器25进行标定。

第1步首先，将工件33放置在当前工作台31上，采用非接触传感器24对工件33进行测量。基于线激光扫描的非接触传感器测量速度快，每秒钟可采集1000-100000个点，因此可在较短的时间内获取工件33表面的三维数据。在进行非接触式扫描时，将接触式传感器25沿Z轴移动到多传感器测量主轴23中，以避免扫描过程中接触式传感器与工件发生碰撞。

第2步然后，将第1步扫描的点云数据输入到数据处理器8中。受测量背景、测量视角有限等因素的影响，非接触式传感器直接扫描的数据通常存在噪音、数据丢失和多个独立的测量数据点集等。在数据处理器8中采用商业化的处理软件去除噪音、修补空洞和数据拼合等，获得完整的点云数据。利用该点云数据，采用ADF(AdaptiveDistance Function)算法求解机床坐标系中工件33同设计坐标系中设计曲面的刚体变换参数g＝(R，t)，其中R表示旋转参数，t表示平移参数。进而，由g将设计坐标系下生成的加工文件转换为机床可读取的加工G代码。

第3步将第3步计算的加工G代码输入到第二滑块72中，同时将工作台31沿第三直线导轨5移动到加工位置6。由于工件33的位置发生了变化，需适当更新加工G代码生成当前的刀具轨迹。沿计算的刀具轨迹，依次执行粗加工和精加工，即可获得加工后的产品。铣削过程中刀具沿X、Y、Z轴的直线移动分别由第二直线导轨75、第二滑块72和加工主轴73控制。

第4步最后，沿X轴反向移动工作台，通过接触式传感器对第3步加工的产品进行测量，将获得的少量高精度测点输入PC机4上，采用ADF(Adaptive Distance Function)算法求解机床坐标系中产品同设计坐标系中设计曲面的刚体变换参数g′＝(R′，t′)。在执行ADF迭代求解前，利用第2步计算的刚体变换参数g＝(R，t)更新测量数据，可大大减少ADF迭代的次数，提高计算效率。ADF迭代稳定后，由g′计算高精度测点同设计参数曲面的均值误差，并同预设的阀值进行比较，比已知阀值小则认为产品合格，否则认为产品不合格并输入报废指令。

在本实施例中，所有的X、Y、Z轴直线运动均由伺服电机驱动的精密滚珠丝杠运动机构控制，以保证运动精度和可靠性。由于伺服电机驱动的精密滚珠丝杠运动机构为本领域所熟悉，在此不再详细描述。

Claims

1.一种基于多传感器集成测量的自由曲面类零件加工系统，其特征在于，该系统包括曲面测量组件、点云处理组件、曲面加工组件和质量检测组件；

2.根据权利要求1所述的自由曲面类零件加工系统，其特征在于，所述曲面测量组件包括第一移动式龙门架(21)、第一滑块(22)、测量主轴(23)、非接触式传感器(24)、接触式传感器(25)和第一直线导轨(26)；

第一移动式龙门架(21)通过第一直线导轨(26)安装在机床(1)上，第一滑块(22)安装在第一移动式龙门架(21)上，测量主轴(23)安装在第一滑块(22)上，测量主轴(23)通过数据线与数据处理器(8)连接；非接触式传感器(24)和接触式传感器(25)安装在测量主轴(23)上，接触式传感器(25)通过数据线与PC机(4)连接。

3.根据权利要求2所述的自由曲面类零件加工系统，其特征在于，

所述曲面加工组件包括机床(1)、第二移动式龙门架(71)、第二滑块(72)、加工主轴(73)、可拆卸铣刀(74)、第二直线导轨(75)、工作台(31)、夹具(32)、标定球(34)及第三直线导轨(5)。

第二移动式龙门架(71)通过第二直线导轨(75)安装在机床(1)上，第一、第二移动式龙门架(21)、(71)相互平行，第二滑块(72)安装在第二移动式龙门架(71)上，加工主轴(73)安装在第二滑块(72)上，加工主轴(73)通过数据线与数据处理器(8)连接；可拆卸铣刀(74)安装在加工主轴(73)上；工作台(31)通过第三直线导轨(5)安装在机床(1)上，夹具(32)和标定球(34)固定安装在工作台(31)上，且标定球(34)与工作台(31)相对位置不变，工件(33)通过夹具(32)固定在工作台(31)上。