CN103692292A - 在车床上进行工件尺寸在线测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在车床上进行工件尺寸在线测量的方法，包括：（1）建立标定工装；（2）以标定工装球心建立坐标系，获得测球球心的X和Z方向刀具偏置长度；（3）根据确定的测球中心零点，控制车床测头分别从不同的法向方向触碰标定球，获得车床测头在各个方向上的过冲误差δ；（4）利用测头触碰标定工装的标定面，得到标定面的读取坐标值，进一步可获得该标定面的测量值，并根据该测量值与该标定面的理论值得到测量误差；（5）根据测量误差对X和Z刀具偏置长度进行修正，即可获得准确的测头中心与工件零点的相对刀长，完成标定。本发明的方法使加工中的零件的检测精度得到很大的提高，可以编制成标定检测宏程序，应用方便，检测精度高。

Description

在车床上进行工件尺寸在线测量的方法

技术领域

本发明涉及车床加工中的在线检测领域，具体涉及一种在车床上进行工件尺寸在线检测的方法，适用于外表面和/或内壁面的截面为斜线或曲面的零件的在线检测标定误差和测量误差消除。

背景技术

在车床车削加工中，对于截面为斜线或曲面的回转体零件，在进行在线检测时，通常按如图1所示的方式进行，将截面为斜线或曲线圆弧线的工件直径理论值D转换成测头在该点检测的理论值D1，进行X或Z方向的检测，数控系统只进行测头在该点检测的实际值与理论值D1比较，记录误差。

以上方案在工艺试验和生产中存在如下问题：在与Z轴的斜度或曲线曲率角比较小时，检测精度较高，当斜度和曲线曲率角较大时，检测精度较低，误差往往超过0.2以上。

实际上，机床测头从某种意义上讲，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。并且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，信号处理的延时也可能带来一定的测量误差。

鉴于上述原因，要使用测头得到正确的测量结果，在使用测头前首先要对测头进行标定，通过对测头进行标定，将获得测头的有关误差修正参数，在进行实际测量时对有关误差进行补偿，获得满意的测量精度。

现有技术中存在利用对测头进行标定的方法来继续在线检测，比如雷尼绍公司的车床用测头宏程序，但是，该方案中仅提供了水平和垂直方向的截面的检测方案测量方法，即只进行了X和Z方向标定，由于测头与工件为非法向接触，曲面角度各自不同，测头前端探针与检测面触点也会不同，曲率角度越大，测头触发前运动越不稳定，并且常规的标定及误差补偿方法都是以测头探针球面触点进行换算的，因此需要对不同角度偏移造成的误差进行换算，该误差的计算方法比较复杂，难以快速准确地得到测量结果。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种截面为斜线或曲线的车削回转体零件的在线测量方法，通过标定球标定获得测头的过冲误差，并通过以测球中心作为测算基础点，从而解决难于各种不同角度的测量以及测量误差换算复杂的问题。

实现本发明的目的所采用的具体技术方案：

一种在车床上进行工件尺寸在线测量的方法，利用车床测头触碰工件外表面或内壁面以精确测量其尺寸，其特征在于，该方法包括标定步骤和利用该标定步骤得到的准确测头中心位置和过冲误差进行实际测量的步骤，其中，所述标定步骤包括：

（1）首先建立标定工装，其中标定球或标定凹弧设置在一端；

（2）以标定工装球心建立坐标系，以车床测头测球X和Z方向的极限边缘对刀输入X和Z方向刀具偏置长度，然后换算为测球球心的X和Z方向刀具偏置长度，从而建立测头中心与工件零点的相对刀长，确定测球的中心零点；

（3）初步确定过冲误差，即根据上述确定的测球中心零点，控制车床测头分别从不同的法向方向触碰所述标定球或标定凹弧，通过读取的当前坐标值获得车床测头在各个方向上的过冲误差δ；

（4）利用测头触碰标定工装的标定面，得到标定面的读取坐标值，再根据该标定面的法向方向对应的过冲误差，可获得该标定面的测量值，并根据该测量值与该标定面的理论值得到测量误差；

（5）根据该测量误差对步骤（2）中的X和Z刀具偏置长度进行修正，即可获得准确的测头中心与工件零点的相对刀长，从而完成标定。

作为本发明的改进，所述的步骤（3）和（4）可多次循环执行，以得到精确的所述测量误差。

作为本发明的改进，所述步骤（2）中换算为测球球心X和Z方向的刀具偏置长度的具体过程为：首先，测头从车床Z方向或X方向触发标定工装的标定面，得到Z方向或X方向的刀具读取长度；然后，该读取长度减去测球半径值以及预设的触发过冲误差，即可得到测球球心的Z方向或X方向的刀具偏置长度。

作为本发明的改进，所述预设的触发过冲误差为0.02mm。

作为本发明的改进所述步骤（3）中的过冲误差δ通过如下公式计算：

$\mathrm{\δ}=\sqrt{{(X01/2)}^2+{Z01}^2}-(D0+d)/2---\left(I\right)$

或

$\mathrm{\δ}=\sqrt{{(X01/2)}^2+{Z01}^2}-(D0-d)/2---\left(\mathrm{II}\right)$

其中，D0为标定球或标定凹弧直径，d为测头直径，（X01,Z01）为读取的当前坐标值。

作为本发明的改进，所述步骤（3）中，所述法向方向是标定球或标定凹弧表面的法向方向，对应各法向方向的过冲误差可存储于车床存储器中。

作为本发明的改进，所述步骤（4）中，标定面的法向方向与Z方向角度为0°或90°。

作为本发明的改进，所述实际测量步骤中，包括按照工件测量表面上的测量点处的法向方向触碰测量表面，得到读取值，再根据该法向方向的过冲误差，即可得到测量表面上该测量点的准确测量值。

作为本发明的改进，所述准确值计算公式如下：

X′=X-δ*SINβ

Z′=Z-δ*COSβ

其中，（X、Z）为读取的坐标值，（X′、Z′）为准确的坐标值，检测角β为测量点处的法向方向与Z方向的夹角，δ为该夹角对应的标定误差。

作为本发明的改进，所述测量表面为工件的外表面和/或内孔壁面，该外表面和/或内壁面的截面为斜线或曲面。

本发明中，基于车床存储器的限制，可以先确定多个不同检测角度时所对应的过冲误差，实际测量时任一测量点所对应的过冲误差确定为与该监测点对应的检测角最接近的一个已知检测角所对应的过冲误差。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

（一）本发明通过测点曲面法向轨迹进行测头探测，解决了常规测量过程中出现的测头滑移造成的误差问题；

（二）本发明将标定的基准由常规的宝石球头的触点改为宝石球头的圆心，解决了因曲面角度不同造成触点各异导致误差计算复杂，且误差较大的问题；

（三）本发明通过角度测量取值的方法，简化了误差计算，方便标定后的误差修正、补偿。

（四）本发明的方法使加工中的零件的检测精度得到很大的提高，可以编制成标定检测宏程序，应用方便，检测精度高。

附图说明

图1为本发明实施例1的外形检测标定工装示意图；

图2为本发明实施例1的外形检测标定工装装夹及坐标系确定示意图；

图3为本发明实施例1的外形检测标定示意图；

图4为本发明实施例1的外形检测实际检测点坐标值与测头读入的当前坐标点换算示意图；

图5为本发明实施例2的内孔检测标定工装示意图；

图6为本发明实施例2的内孔检测标定工装坐标系确定及标定轨迹示意图；

图7为本发明实施例2的内孔轮廓检测点与测头读写的当前位置点坐标换算示意图。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。

本实施例的在线检测方法可以对零件外表面例如回转体零件外周表面的进行检测，也可以对零件内孔例如内孔为回转体车削的零件进行检测。

下面分别以具体实施例对两种测量方法进行具体描述。

实施例一

本实施例中对外形车削的回转体零件的表面进行在线测量，该方法具体包括如下步骤：

1.标定

1.1制作如图1的外形标定工装，标定工装的标定球为标准高精度检测球，用螺钉3和垫圈4安装在右部标定座2上，保证一定的安装精度，如图1。

1.2如图2所示，装夹标定工装，找正标定工装球跳动在0.01mm以内，以标定工装球心建立坐标系，以测头测球X和Z的极限边缘对刀输入X和Z刀具偏置长度，然后换算为测球球心的X和Z刀具偏置长度。

由于测头是一个弹性运动件，不能用刚性对刀的方式进行精确测量测球球心X和Z刀具偏置长度，只能用光学对刀仪进行测球球心测量，由于车床刀具结构限制，不能用机外对刀仪进行刀具长度测量，对于有机内对刀仪的机床，也难以用机内光学对刀仪进行测头测球的X和Z的极限边缘对刀输入刀具长度，本发明中采用如下方法进行测球球心对刀：

通过对刀的方式，手摇控制测头测球分别对图2中A面接触，快接触到控制手摇倍率为1×（即每刻度0.01mm）时，控制测头刚刚触发，测量测头Z方向长度，然后减去测球直径的一半即d/2与静态触发过冲值（约为0.02mm）的差（d/2-0.02），即是测球中心的以A面为坐标系0点的Z方向初始长度，根据工装设计要求的D1、L0准确值，推算出标定球心位置，以该位置建立工件坐标系，同样方法，用测球手动触发直径D1，推算出测球中心的X方向初始长度；从而即可以建立测头中心与工件零点的相对刀长，确定测球的中心零点。

1.3测头按照一定角度（α）沿标定球法向轨迹接触标定球面，暂停读取当前坐标值（X01,Z01），其中X值为直径尺寸。由于测头接触标定球面后会经过一定的距离，测头才会有反馈，标定的过冲误差δ计算公式如下（见图3）：

$\mathrm{\δ}=\sqrt{{(X01/2)}^2+{Z01}^2}-(D0+d)/2$

其中，D0：标定球直径，d：测头直径。

根据以上公式，分别在0～105°范围内每隔15°进行标定，即对0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°依次进行标定，标定误差δ分别存储，例如可以依次记录在机床存储器的地址位例如#550、#551、#552、#553、#554、#555、#556、#557。

当然，本发明的角度并不限定于上述值，可以根据车床存储器的容量具体选择，一般来说，角度越多对后续测量精度更有利。

1.4分别检测标定面（本实施例中为A面和直径D1），得到标定面的读取坐标值，再根据该标定面的法向方向对应的过冲误差，可获得该标定面的测量值，从而得出X与Z方向的检测值与理论值误差δx和δz，用δx和δz分别修正X与Z方向的刀具长度，得出准确的X与Z方向的刀具长度。

1.5重新进行步骤1.3，记录对应的0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°角度下最终的标定误差δ，并分别存储，重新记录在相应的存储器地址位#550、#551、#552、#553、#554、#555、#556、#557。

2.检测

根据上述标定步骤，获得检测面的准确的X与Z方向的刀具长度，以及各检测角度下的标定误差后，即可进行工件检测。

具体过程如下：

2.1测头对具体点进行检测时，首先确定检测轨迹为按照测点截面曲线的法向方向运动。

2.2通过检测轨迹的起始点A的坐标值（X0、Z0）和终点B即检测点的坐标值（X1、Z1），计算检测角（见图4），计算公式如下：

β=arctg[(X0-X1)/2(Z0-Z1)]

2.3将计算出的检测角β与标定中的角度0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°对应比较，找出最小值，找出与检测角度最接近的标定角度相对应的补偿值δ。

2.4运行检测轨迹，接触实际点，触发测头传感器、暂停读取当前点C坐标值（X、Z），该点C实际上是测球接触检测点后过冲反馈点坐标值，其坐标点消除δ影响后即是B点坐标。

将步骤3中最小值对应的标定误差δ代入下式运算，得出准确的检测点坐标值X′、

Z′。

X′=X-δ*SINβ

Z′=Z-δ*COSβ

计算δx、δz和δr

δx=X′-X1

δz=Z′-Z1

δr=sqrt(δx²+δz²)

实施例二

本实施例中对内壁车削的回转体零件进行在线测量，该方法具体包括如下步骤：

1.标定

1.1制作如图5所示的内孔标定工装，为保证标定精度应保证该零件加工加工精度。

1.2如图6装夹标定工装D1外圆，找正外圆跳动在0.01mm以内，找正与垂直圆柱面垂直的平面与X轴平行，以垂直圆柱面的圆形与主轴中心建立坐标系，按照外形对刀的δ长度。

由于测头是一个弹性运动件，不能用刚性对刀的方式进行精确测量测球球心X和Z刀具偏置长度，只能用光学对刀仪进行测球球心测量，由于车床刀具结构限制，不能用机外对刀仪进行刀具长度测量，对于有机内对刀仪的机床，也难以用机内光学对刀仪进行测头测球的X和Z的极限边缘对刀输入刀具长度，本发明中采用如下方法进行测球球心对刀：

通过对刀的方式，手摇控制测头测球与标定面（如图6所示的A面和B面）接触，快接触到控制手摇倍率为1×（即每刻度0.01mm）时，控制测头刚刚触发，测量测头Z方向和X方向长度，然后减去测球直径的一半即d/2与静态触发过冲值（约为0.02mm）的差（d/2-0.02），即是测球中心的标定面A上中点的Z方向初始长度，再根据工装设计要求的D1、L0准确值，推算出标定球心位置。从而即可以建立测头中心与工件零点的相对刀长，确定测球的中心零点。

1.3测头按照一定角度（α）沿标定球法向轨迹接触标定圆拄面，暂停读取当前坐标值（X01,Z01），其中X值为直径尺寸。由于测头接触标定球面后会经过一定的距离，测头才会有反馈，标定的过冲误差δ计算公式如下（见图6）：

$\mathrm{\δ}=\sqrt{{(X01/2)}^2+{Z01}^2}-(D0-d)/2$

D0：标定球直径

d：测头探针直径

根据以上公式，分别对0～105°每隔15°进行标定，即对0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°依次进行标定，标定误差δ依次记录在#560、#561、#562、#563、#564、#565、#566、#567。当然，本发明的角度并不限定于上述值，可以根据车床存储器的容量具体选择，一般来说，角度越多对后续测量精度更有利。

1.4检测A面、L1尺寸，检测方法与步骤2.2一致，得出X和Z方向的检测值与理论值误差δx、δz,用δx、δz分别修正X和Z方向的刀具长度，得出准确的X和Z方向的刀具长度。

1.5重新进行步骤1.3，对应记录0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°最终的标定误差δ分别记录在地址位#560、#561、#562、#563、#564、#565、#566、#567。

2.检测

2.1测头对具体某点进行检测时，设定检测轨迹按照测点截面曲线的法向方向运动；

2.2通过检测轨迹的起始点A的坐标值（X0、Z0）和终点B的坐标值（X1、Z1），计算检测角（见图7），计算公式如下：

β=arctg[(X0-X1)/2(Z0-Z1)]

2.3将计算出的检测角β与0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°比较，找出最小值，找出与检测角度最接近的标定角度相对应的补偿值；

2.4运行检测轨迹，接触实际点，触发、暂停读取当前点C坐标值（X、Z），将步骤3中最小值对应的标定误差δ代入下式运算，得出准确的检测点坐标值X′、Z′。

X′=X-δ*SINβ

Z′=Z-δ*COSβ

计算并记录X、Z两方向的误差δx、δz:和δr

δx=X′-X1

δz=Z′-Z1

δr=sqrt(δx²+δz²)

本发明中的检测方法适用于在车床上利用车床现有的测量系统进行检测，特别是对外表面和/或内壁面为曲面或斜面的工件，本发明可以有效地进行在线测量并且可以达到很高的精度。

本发明中，在标定步骤中，对于刀具长度的确定以及标定过冲误差的确定，并不限定于上述过程，例如可以多次进行过冲误差和刀具长度的循环执行，以无限接近真实值。

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 (10)

1.一种在车床上进行工件尺寸在线测量的方法，利用车床测头触碰工件外表面或内壁面以精确测量其尺寸，其特征在于，该方法包括标定步骤和利用该标定步骤得到的准确测头中心位置和过冲误差进行实际测量的步骤，其中，所述标定步骤包括：

（1）首先建立标定工装，其中标定球或标定凹弧设置在一端；

（2）以标定工装球心建立坐标系，以车床测头测球X和Z方向的极限边缘对刀输入X和Z方向刀具偏置长度，然后换算为测球球心的X和Z方向刀具偏置长度，从而建立测头中心与工件零点的相对刀长，确定测球的中心零点；

（3）初步确定过冲误差，即根据上述确定的测球中心零点，控制车床测头分别从不同的法向方向触碰所述标定球或标定凹弧，通过读取的当前坐标值获得车床测头在各个方向上的过冲误差δ；

（4）利用测头触碰标定工装的标定面，得到标定面的读取坐标值，再根据该标定面的法向方向对应的过冲误差，可获得该标定面的测量值，并根据该测量值与该标定面的理论值得到测量误差；

（5）根据该测量误差对步骤（2）中的X和Z刀具偏置长度进行修正，即可获得准确的测头中心与工件零点的相对刀长，从而完成标定。

2.根据权利要求1所述的一种在车床上进行工件尺寸在线测量的方法，其特征在于，所述的步骤（3）和（4）可多次循环执行，以得到精确的所述测量误差。

3.根据权利要求1或2所述的一种在车床上进行工件尺寸在线测量的方法，其特征在于，所述步骤（2）中换算为测球球心X和Z方向的刀具偏置长度的具体过程为：首先，测头从车床Z方向或X方向触发标定工装的标定面，得到Z方向或X方向的刀具读取长度；然后，该读取长度减去测球半径值以及预设的触发过冲误差，即可得到测球球心的Z方向或X方向的刀具偏置长度。

4.根据权利要求3所述的一种在车床上进行工件尺寸在线测量的方法，其特征在于，所述预设的触发过冲误差为0.02mm。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种在车床上进行工件尺寸在线测量的方法，其特征在于，所述步骤（3）中的过冲误差δ通过如下公式计算：

$\mathrm{\δ}=\sqrt{{(X01/2)}^2+{Z01}^2}-(D0+d)/2---\left(I\right)$

或

$\mathrm{\δ}=\sqrt{{(X01/2)}^2+{Z01}^2}-(D0-d)/2---\left(\mathrm{II}\right)$

其中，D0为标定球或标定凹弧直径，d为测头直径，（X01,Z01）为读取的当前坐标值。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种在车床上进行工件尺寸在线测量的方法，其特征在于，所述步骤（3）中，所述法向方向是标定球或标定凹弧表面的法向方向，对应各法向方向的过冲误差可存储于车床存储器中。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种在车床上进行工件尺寸在线测量的方法，其特征在于，所述步骤（4）中，标定面的法向方向与Z方向角度为0°或90°。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种在车床上进行工件尺寸在线测量的方法，其特征在于，所述实际测量步骤中，包括按照工件测量表面上的测量点处的法向方向触碰测量表面，得到读取值，再根据该法向方向的过冲误差，即可得到测量表面上该测量点的准确测量值。

9.根据权利要求8所述的一种在车床上进行工件尺寸在线测量的方法，其特征在于，所述准确值计算公式如下：

X′=X-δ*SINβ

Z′=Z-δ*COSβ

其中，（X、Z）为读取的坐标值，（X′、Z′）为准确的坐标值，检测角β为测量点处的法向方向与Z方向的夹角，δ为该夹角对应的标定误差。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的一种在车床上进行工件尺寸在线测量的方法，其特征在于，所述测量表面为工件的外表面和/或内孔壁面，该外表面和/或内壁面的截面为斜线或曲面。

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