CN103264318A - 一种立体型面的在线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种立体型面的在线检测方法，包括：（1）在机床工作台上安装标定球，找正该标定球的坐标系即标定坐标系；（2）设定检测轨迹，其中，检测轨迹的终点为立体型面上的任一检测点，起点为该立体型面在该任一检测点的法向方向上的任一点；（3）根据所述检测轨迹确定标定轨迹，测头根据该标定轨迹运行以进行标定，获得对应检测点的标定误差；（4）根据所述标定误差和测量读取值，即可获得该检测点的测量精确值。本发明的方法对零件的立体型面进行检测，其检测精度得到很大的提高，并且通过设定每次标定的标定误差的自动更新，不需要占用大量储存空间，保证了立体型面在线检测功能的实现。

Description

一种立体型面的在线检测方法

技术领域

本发明属于数控测量技术领域，具体涉及一种立体型面的检测方法。

背景技术

机床测头是一个重复精度很高的触发开关，为保证其工作的稳定性，测头上的测球接触工件后要经过一段微小的距离才能发出信号，这段位移如不加以补偿会带来测量误差。另外，测头发出接触信号后，要经过接口处理，然后再送到数控系统进行处理，这些处理过程总需要一定的时间，信号处理的延时导致测头会继续沿测量方向运动，使得测量值比实际测量值偏大或偏小，带来一定的测量误差。

鉴于上述原因，要使用测头得到准确的测量结果，在使用测头前首先要对测头进行标定，通过标定获得测头的有关参数，在进行实际测量时对误差加以补偿，获得满意的测量精度。

目前，由于数控机床上配备的用于检测的测头多为机械式测头，其各向同性性能差，一般Z方向的触发力比X、Y方向的触发力大得多，不同方向误差差别也较大。因此不同方向的标定意义很大。

检测立体型面由于每个测量点其检测方向都不一样，因此每个点都需要标定，而数控机床存储器空间有限，无法满足标定误差存储要求，因此市场上的测头没有配备立体检测宏程序。另外，像DELCAM公司的在线检测工具OMV由于没有立体型面的标定，立体型面测量误差较大，且该软件的检测是数控系统外进行运算，无法满足适时在线的功能。

发明内容

本发明的目的在于提出一种立体型面的在线检测方法，通过进行立体型面测量点同方向的自动球标定，获取误差值，并以此修正当前点的检测误差，实现立体型面的精确测量，并通过在不同检测点检测前实时更新误差值，从而解决传统机床数控系统存储空间不足的问题。

本发明的方法通过对立体型面进行同方向的自动球标定，并将标定误差代入检测结果，运算得到精确的立体型面测量点坐标值，进而得到误差值，将标定值作为一个变量，适时在不同检测点检测前进行刷新，解决数控系统存储空间小的问题，保证检测精度。

本发明的方法在复杂立体型面在线检测中，通过进行立体型面测量点同方向的自动球标定，获取误差值，修正当前点的检测误差，同时在不同测量点进行检测前适时刷新，保证立体型面的整体检测精度。

实现本发明目的所采用的具体技术方案如下：

一种立体型面的在线检测方法，包括：

（1）在机床工作台上安装标定球，并找正该标定球的坐标系即标定坐标系；

（2）设定检测轨迹，其中，检测轨迹的终点为立体型面上的任一检测点，起点为该立体型面在该任一检测点的法向方向上的任一点；

（3）根据所述检测轨迹确定标定轨迹，测头根据该标定轨迹运行以进行标定，获得对应检测点的标定误差；

（4）根据所述标定误差和测量读取值，即可获得该检测点的测量精确值；

其特征在于，所述步骤（3）中，所述获得对应检测点的标定误差具体为：测头球从以其中心点在标定轨迹上从标定轨迹起点至标定轨迹终点方向移动，在测头球接触到标定球时，获得测量读取值，即为标定球中心的测量坐标值，其为球坐标中的球半径，该测量读取值与标定球中心的球坐标的球半径之差值即为标定误差。

作为本发明的进一步优选，所述标定误差可转化为工件坐标系下三个方向的分量值，以用于实际测量时三个坐标方向的实际测量值分别直接减去对应的该分量标定误差，从而获取精确值。

作为本发明的进一步优选，所述步骤（3）中，先通过将检测轨迹的起点和终点转换为球坐标系下坐标，进而获得球坐标系下的检测轨迹，即作为标定轨迹。

作为本发明的进一步优选，确定所述检测点的测量精确值时，先通过测头球接触检测点，获得测量读取值，该测量读取值与所述标定误差三个方向的分量值差值，即为检测点在笛卡尔坐标系下三个方向的实际值。

本发明的方法在进行测量时，对于立体型面上的任意检测点，在确定其测量精确值时，可先根据所述标定误差三个方向的分量值，将其预置入测量系统中以直接克服误差，后续测量直接读取的测量值即为精确测量值。还可以先经过测量，再利用测量值分别减去标定误差三个方向的分量值，从而获得检测点精确测量值。

本发明的方法采取立体型面零件检测的自动标定、自动补正的检测方式，每个点的检测在检测前，自动读取检测轨迹的起始点和终点坐标，通过起始点和终点坐标值，自动获得标定误差，然后运行检测轨迹，将标定误差补偿到该点的检测值内。利用本发明的方法对零件的立体型面进行检测，其检测精度得到很大的提高，并且通过设定每次标定的标定误差的自动更新，不需要占用大量储存空间，保证了立体型面在线检测功能的实现。

附图说明

图1为本发明实施例的检测示意图；

图2为本发明实施例的笛卡尔坐标系与球坐标系的关系示意图；

图3为本发明实施例的确定标定误差的示意图；

图4为本发明实施例的检测误差换算示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本实施例的立体型面在线检测的方法，具体包括以下步骤：

（1）在机床工作台上安装标准的标定球，找正标定球的坐标系CSO2，其中该标定球直径为R。

同时，装夹需检测的零件，找正工件坐标系CSO1。

（2）设定检测轨迹，检测轨迹的终点为立体曲面检测点，起点为曲面法向方向上的任意点。

例如，设定坐标系CSO1(工件检测坐标系)下，设定检测轨迹起点P0的坐标为（X0，Y0，Z0）,检测轨迹终点P1（X1，Y1，Z1）。X0，X1分别表示检测轨迹起点P0和终点P1在X轴上的坐标，Y0，Y1分别表示检测轨迹起点P0和终点P1在Y轴上的坐标，Z0，Z1分别表示检测轨迹起点P0和终点P1在Z轴上的坐标。

检测轨迹可以为任意曲线，本实施例中为简单起见，优选采用直线作为检测轨迹。

（3）确定标定轨迹，并进而确定标定误差

读取理论检测起点P0（X0，Y0，Z0），理论检测终点P1（X1，Y1，Z1），实际上，上述检测点的标定轨迹与其对应的检测轨迹对于测头球的运动来说是方向应该是相同的。由于目前的测量系统中，标定球用球坐标系在测量系统中运算非常方便，因此本实施例中将标定轨迹由直角坐标系转换成球坐标系进行处理。

如图2所示，直角坐标系(x,y,z)与球坐标系(r,

θ)的转换关系为：

r代表两点P0和P1之间的空间距离,

代表轨迹的方位角,θ代表轨迹的仰角，则上述检测轨迹在球坐标系中的方向也即标定轨迹的方向确定如下：

θ=arccos(Z1-Z0/r)。

设标定球半径为R，R0为标定轨迹的起点到标定坐标系CSO2原点的距离，则在标定坐标系CSO2（球坐标系）下，标定轨迹的起点球坐标即标定球中心在标定轨迹起点的球坐标为Q0（R0,

θ)，标定轨迹的终点球坐标即标定球中心在标定轨迹终点的球坐标为Q1（R,

θ)。

运行标定轨迹，方向由标定起点的测头球中心坐标Q0（R0，

θ)到标定终点的测头球中心坐标Q1（R，

θ)，直至测量系统的工件测头的测头球接触碰撞标准球，此时读取实际暂停点的测头球中心坐标为（R1，

θ)。

因此，即可确定标定误差为&=R1-R，即为后续实际测量中需进行补偿的值。由于测量系统中一般是通过笛卡尔坐标系进行测量的，获得的测量值也是工作坐标系（笛卡尔坐标系）下的值，为使后续测量方便计算，可将标定误差换算为在笛卡尔坐标系中分别在三个方向的标定误差，即

标定误差&换算到笛卡儿坐标系中在X、Y和Z三个方向的标定误差分别为：

&z=&cosθ

（4）运行检测轨迹，进行实际测量，从而获得型面检测点的精确值。

对于型面上的任一检测点，在工件检测坐标系下，沿检测轨迹运行测头，使测头接触碰撞型面上的该检测点，读取当前坐标系坐标值（X，Y，Z），根据该读取值，即可运算得实际曲面上该检测点点的坐标值：

X1’=X-&x

Y1’=Y-&y

Z1’=Z-&z

型面上各个检测点均重复步骤（4），即可完成不同测量点的检测。

本发明的方法应用现有的工件测量系统，可以检测斜面组合，也可以进行复杂曲面的检测。本发明的方法通过先进行标定，而且在标定过程中在球坐标系下进行标定误差的确定，这样使得标定的过程非常简单，测量系统的运行速度和效率大大提高，而且精度也大大提高。另外，在实际测量时，由于测量系统是在工件坐标系下进行测量，本方法通过将标定误差分解为笛卡尔坐标系下的三个方向的分量值，从而在检测时可以直接将各方向的实际测量值与分量标定误差进行直接运行，可以快速准确地得到精确值。利用该方法编制测量工序时，可以设定每次标定的标定误差的自动更新，不需要占用大量储存空间，保证了立体型面在线检测功能的实现。

通过在进行某一斜面检测时，根据第一点的检测路径，计算运行标定轨迹，得到标定误差，修正检测数据，然后检测同一斜面上的不同点时，可以不再进行标定，直接用第一点的标定误差进行修正检测数据。在进行复杂曲面检测时，每一点的检测都需要计算运行标定轨迹，得到标定误差，修正该点的检测数据，

本发明在零件立体型面在线检测中，为消除测头标定误差，根据检测轨迹，计算生成标定轨迹，再通过标定轨迹得到标定误差，最后在检测程序，代入标定误差，得到实际曲面检测点的精确坐标。在此基础上，循环使用该方法，可对立体型面多个测量点实现适时在线精确检测。该技术有较广的应用前景，为数控铣床的立体型面精确在线检测开辟了一条新途径。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种立体型面的在线检测方法，其利用预先确定的标定误差实现对型面上任意检测点的精确测量，该方法具体包括：

（1）在机床工作台上安装标定球，找正该标定球的坐标系即标定坐标系；

（2）设定检测轨迹，其中，检测轨迹的终点为立体型面上的任一检测点，起点为该立体型面在该任一检测点的法向方向上的任一点；

（3）根据所述检测轨迹确定标定轨迹，工件测头根据该标定轨迹运行以进行标定，获得对应检测点的标定误差；

（4）根据所述标定误差和测量读取值，即可获得该检测点的测量精确值。

2.根据权利要求1所述的立体型面的在线检测方法，其特征在于，所述步骤（3）中，所述获得对应检测点的标定误差具体为：测头球从标定轨迹起点至标定轨迹终点方向移动，在测头球接触到标定球时，获得测量读取值，该测量读取值与标定球中心的球坐标的球半径之差值即为标定误差。

3.根据权利要求2所述的立体型面的在线检测方法，其特征在于，所述测头球移动时，保持其中心点在标定轨迹上，所述测量读取值为标定球中心的测量坐标值，即球坐标中的球半径。

4.根据权利要求2或3所述的立体型面的在线检测方法，其特征在于，所述标定误差为球坐标系下的标定误差，其可转化为工件坐标系下三个坐标方向的分量标定误差，以用于实际测量时三个坐标方向的测量值直接减去对应的该分量标定误差，从而获取精确值。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的立体型面的在线检测方法，其特征在于，所述步骤（3）中，先通过将检测轨迹的起点和终点转换为球坐标系下坐标，进而获得球坐标系下的检测轨迹，即作为标定轨迹。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的立体型面的在线检测方法，其特征在于，确定所述检测点的测量精确值时，先通过测头球接触检测点，获得测量读取值，该测量读取值与所述标定误差三个方向的分量值差值，即为检测点在笛卡尔坐标系下三个方向的实际值。

Images