CN102873586B - 数控加工工件曲率半径快速在线测量装置 - Google Patents

数控加工工件曲率半径快速在线测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种数控加工工件曲率半径快速在线测量装置,该装置包括位移传感器,工件曲率半径测定系统;所述位移传感器安装固定在工件数控加工机床的Z向运动轴上;工件曲率半径测定系统包括工件参数存储装置,P1、P2和P3三点确定装置,P1、P2、P3三点外接圆参数计算装置,工件曲率半径R的计算装置。本发明提高了曲率半径的检测效率,降低了由于工件重复装卡对加工精度的影响与操作风险;工件曲率半径测定系统可以集成到现有数控加工系统的数控软件中,自动程度高,具有较强的易用性,可靠性,可以实现加工工件曲率半径参数的自动在线检测,降低对操作人员的技术要求。

Description

数控加工工件曲率半径快速在线测量装置
技术领域:
本发明属于测量装置技术领域,涉及一种数控加工工件曲率半径快速在线测量装置,用于精密快速加工工件表面曲率半径的在线检测。
背景技术:
数控加工是指记录在媒体上的数字信息对数控机床进行控制,使之自动地执行规定的加工任务。与普通机床加工相比具有加工精度高,速度快等特点,被广泛应该用于加工,制造等领域,国民经济中有着非常重要的作用。
随着国民经济不断发展,科学技术不断进步,对加工也提出了更高的要求。曲率半径作为球面与类球曲面的一项重要参数,曲率半径参数的精确控制直接影响这类工件的加工质量,例如光学球面透镜,也就曲率半径的测量提出了更高的要求。一般的曲率半径测量方式是使用球径仪,在测量时,先依据待测球面的口径,装配直径尽可能大的球径环,并使用平面样板进行校准归零,然后换上待测球面,读数得到矢高值h,再利用球径环半径r与矢高值h计算得到被测工具表面的曲率半径值R。球径环的相对测量误差约为±0.03%~±0.06%。球径仪测量需要精密平面样板与高质量的球径环,测量结果受样板与球径环质量与磨损的影响,离线测量增加了由于工件重复装卡对加工精度的影响。
发明内容:
本发明要解决的技术问题是提供一种能够提高曲率半径检测效率与精度,实现工件表面曲率半径的在线精密检测,降低由于工件重复装卡对加工精度的影响的数控加工工件曲率半径快速在线测量装置。
为了解决上述技术问题,本发明的数控加工工件曲率半径快速在线测量装置包括位移传感器,工件曲率半径测定系统;所述位移传感器安装固定在工件数控加工机床的Z向运动轴上;工件曲率半径测定系统包括工件参数存储装置,P1、P2和P3三点确定装置,P1、P2、P3三点外接圆参数计算装置,工件曲率半径R的计算装置;
工件参数存储装置:存储有工件被测表面的目标曲率半径ROC、工件被测表面的目标口径DIA、工件的几何中心目标厚度CT、工件被测表面的目标顶点O的坐标(0,0,0),及根据上述参数确定的P1、P2、P3三点的目标位置坐标,其中P1、P2、P3三点位于工件上的同一水平面上;
P1、P2和P3三点确定装置:向工件数控加工机床的控制系统发出指令,使其驱动数控加工运动轴随工件数控加工机床的X向运动轴、Y向运动轴、Z向运动轴移动,利用位移传感器重复测量定位找到P1、P2、P3三点,并确定P1 、P2、P3三点的实际坐标(X1,Y1,H1)、(X2,Y2,H1)、(X3,Y3,H1);
P1、P2、P3三点外接圆参数计算装置:利用P1 、P2、P3三点的实际坐标(X1,Y1,H1)、(X2,Y2,H1)、(X3,Y3,H1)计算P1 、P2、P3点外接圆圆心C的坐标(X0,Y0,H1)和P1 、P2、P3点外接圆的半径RC;
工件曲率半径R的计算装置:将 C的坐标(X0,Y0,H1)发送给工件数控加工机床的控制系统,使控制系统驱动数控加工运动轴移动到C点,测量工件上与C点垂直对应的点C1的高度H2,得到C1点的坐标(X0,Y0,H2),利用式(1)计算工件的曲率半径R;
R = RC 2 2 ( H 2 - H 1 ) + ( H 2 - H 1 ) 2 ± r - - - ( 1 )
其中r为位移传感器的探头半径,当测量工件凹面时式(1)中的±号取正号,当测量工件凸面时式(1)中的±号取负号。
所述P1、P2和P3三点确定装置利用位移传感器重复测量,并采用插值法定位找到P1(X1,Y1,H1)、 P2 (X2,Y2,H1)和P3 (X3,Y3,H1)。
本发明的优点和积极效果:
本发明提高了曲率半径的检测效率,降低了由于工件重复装卡对加工精度的影响与操作风险;工件曲率半径测定系统可以集成到现有数控加工系统的数控软件中,自动程度高,具有较强的易用性,可靠性,可以实现加工工件曲率半径参数的自动在线检测,降低对操作人员的技术要求。
本发明的优点主要有以下四个:1、能够实现工件曲率半径在线检测。2、可集成到现有数控加工系统。3、自动测量,操作简单。4、测量效率高,速度快。
附图说明:
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为数控加工机床三维运动系统结构示意图。
图2为本发明的数控加工曲率半径快速在线测量装置结构框图。
图3为工件的俯视图。
图4为工件的侧视图。
具体实施方式:
如图1所示,数控加工机床的三维运动系统包括控制系统(图中未示出),X向运动轴3,Y向运动轴4,Z向运动轴2;数控加工运动轴5安装固定在Z向运动轴2上,Z向运动轴2安装固定在X向运动轴3上,X向运动轴3安装固定在Y向运动轴4上。
如图2所示,本发明的数控加工曲率半径快速在线测量装置包括位移传感器1,工件曲率半径测定系统;所述位移传感器1安装固定在工件数控加工机床的Z向运动轴2上;工件曲率半径测定系统包括工件参数存储装置,P1、P2和P3三点确定装置,P1、P2、P3三点外接圆参数计算装置,工件曲率半径R的计算装置。
如图3、4所示,定义与工件6垂直方向为Z方向,向上为正,工件6的被测表面的目标顶点O(0,0,0)为坐标原点,过O点与工件6被测表面相切的平面为XY平面。
工件的目标曲率半径ROC、工件被测表面的口径DIA、工件的几何中心目标厚度CT、工件被测表面的目标顶点O的坐标(0,0,0)和P1、P2、P3三点的目标位置坐标预先存储于工件参数存储装置中。P1、P2、P3为工件被测表面上高度相等的三点,P1、P2、P3的最佳水平面高度通过ROC、DIA、和CT 估算。 P1、P2、P3一般应尽量靠近工件6的边缘。
P1、P2和P3三点确定装置:向工件数控加工机床的控制系统发出指令,使其驱动数控加工运动轴5随工件数控加工机床的X向运动轴3,Y向运动轴4,Z向运动轴2移动,快速定位找到P1、P2、P3三点。具体过程如下:
选定矢量OP1,高度H1,通过精密位移传感器1重复测量与插值法快速定位找到P1(X1,Y1,H1)(其中(X1,Y1,H1)为最后确定的P1点的实际坐标)。若数控加工运动轴5初始所在的点的高度为H1’,H1’>H1,则沿OP1矢量向低处移动数控加工运动轴5至高度为H1”的一点;若H1”<H1,则H1在这两点之间。通过插值方法可以快速确定P1点的实际坐标(X1,Y1,H1)。其中X1与Y1为直接读取X向运动轴3与Y向运动轴4数据,H1为Z向运动轴2数据与精密位移传感器1合成得到的工件6该点的高度信息。同理可以快速确定P2点的实际坐标(X2,Y2,H1)和P3点的实际坐标(X3,Y3,H1)。
P1、P2、P3三点外接圆参数计算装置:利用P1 、P2、P3三点的实际坐标(X1,Y1,H1)、(X2,Y2,H1)、(X3,Y3,H1)计算P1 、P2、P3点外接圆圆心C的坐标(X0,Y0,H1)和P1 、P2、P3点外接圆的半径RC,如图4所示。
( X 0 - X 1 ) 2 + ( Y 0 - Y 1 ) 2 = RC 2 ( X 0 - X 2 ) 2 + ( Y 0 - Y 2 ) 2 = RC 2 ( X 0 - X 3 ) 2 + ( Y 0 - Y 3 ) 2 = RC 2
工件曲率半径R的计算装置:将圆心C的坐标(X0,Y0,H1)发送给工件数控加工机床的控制系统,使控制系统驱动数控加工运动轴5移动到C点,测量C点在工件6上的垂直投影点C1的高度H2,得到C1点的坐标(X0,Y0,H2),利用式(1)计算工件6的曲率半径R;
R = RC 2 2 ( H 2 - H 1 ) + ( H 2 - H 1 ) 2 &PlusMinus; r - - - ( 1 )
其中r为精密位移传感器的探头半径,当测量工件凹面时式(1)中的±号取正号,当测量工件凸面时式(1)中的±号取负号。
原则上,OP1、OP2、OP3三个矢量可以指向同一平面上的任意方向。为了计算简便,可以设定OP1矢量沿Y轴方向,OP2、OP3矢量与Y轴负向成正负60°。

Claims (2)

1.一种数控加工工件曲率半径快速在线测量装置,其特征在于包括位移传感器,工件曲率半径测定系统;所述位移传感器安装固定在工件数控加工机床的Z向运动轴上;工件曲率半径测定系统包括工件参数存储装置,P1、P2和P3三点确定装置,P1、P2、P3三点外接圆参数计算装置,工件曲率半径R的计算装置;
工件参数存储装置:存储有工件被测表面的目标曲率半径ROC、工件被测表面的目标口径DIA、工件的几何中心目标厚度CT、工件被测表面的目标顶点O的坐标(0,0,0),及根据上述参数确定的P1、P2、P3三点的目标位置坐标,其中P1、P2、P3三点位于工件上的同一水平面上;
P1、P2和P3三点确定装置:向工件数控加工机床的控制系统发出指令,使其驱动数控加工运动轴随工件数控加工机床的X向运动轴、Y向运动轴、Z向运动轴移动,利用位移传感器重复测量定位找到P1、P2、P3三点,并确定P1 、P2、P3三点的实际坐标(X1,Y1,H1)、(X2,Y2,H1)、(X3,Y3,H1);
P1、P2、P3三点外接圆参数计算装置:利用P1 、P2、P3三点的实际坐标(X1,Y1,H1)、(X2,Y2,H1)、(X3,Y3,H1)计算P1 、P2、P3点外接圆圆心C的坐标(X0,Y0,H1)和P1 、P2、P3点外接圆的半径RC;
工件曲率半径R的计算装置:将 C的坐标(X0,Y0,H1)发送给工件数控加工机床的控制系统,使控制系统驱动数控加工运动轴移动到C点,测量工件上与C点垂直对应的点C1的高度H2,得到C1点的坐标(X0,Y0,H2),利用式(1)计算工件的曲率半径R;
R = RC 2 2 ( H 2 - H 1 ) + ( H 2 - H 1 ) 2 &PlusMinus; r - - - ( 1 )
其中r为位移传感器的探头半径,当测量工件凹面时式(1)中的±号取正号,当测量工件凸面时式(1)中的±号取负号。
2.根据权利要求1所述的数控加工工件曲率半径快速在线测量装置,其特征在于所述P1、P2和P3三点确定装置利用位移传感器重复测量,并采用插值法定位找到P1(X1,Y1,H1)、 P2 (X2,Y2,H1)和P3 (X3,Y3,H1)。
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