CN103737428B - 一种高速数控机床动态变形测量系统及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高速数控机床动态变形测量系统，所述测量系统包括高分辨率工业相机、两片或两片以上加速度计和性能足以处理该工业相机和加速度计所获得的信号的计算机，其中加速度计贴在被测部件上，相机的光轴对准被测部件，相机和加速度计的检测信号通过线路传输至计算机。本发明还提供一种利用该系统测量高速数控机床动态变形的方法。所述系统将工业相机与加速度计相结合，通过低频的工业相机测量结果校正高频的加速度计测量结果，实现对高频动态变形的精确测量。

Description

一种高速数控机床动态变形测量系统及测量方法
技术领域
本发明主要涉及的是一种用于高速数控机床动态变形的测量系统及测量方法，适用于数控机床运行过程中，对机床各部件的动态变形进行精确测量。
背景技术
现代数控机床为了提高加工精度和加工效率，正朝着高速度和高加速度的方向发展。但高速度和高加速度运动产生的惯性力和柔性冲击力必然会使运行中的机床各部件动态变形增加，并最终引起刀具与工件之间相对位置的变化，从而影响工件的加工精度。为了能在数字控制系统中对动态变形进行相应的补偿，从而提高加工精度，有必要对动态变形进行精确地测量。
但在机床运行过程中的动态激励作用下测量机床部件的动态变形很困难，主要是因为目前还没有比较合适的装置来测量动态变形。现有的测量装置中，激光跟踪仪的位移测量精度较高，可以达到微米级，但是它对现场的安装要求比较严格，光束不能被阻挡，很多高速数控机床的布局不能满足要求，而且一次只能测量一个点，不能适应机床部件较大范围的测量要求，另外激光跟踪仪的价格也很昂贵，很难推广应用；比较常用的加速度计经济可靠，也可以多点布局，测量空间范围大，但是它测量位移的精度又达不到要求；使用工业相机的机器视觉进行测量也是一种方案，测量精度可以满足要求，但是相机工作的频率又太低，一般都工作在几帧/秒到几十帧/秒，不能满足高速数控机床高速度、高加速度运动的要求，高速工业相机频率可以满足要求，但它对测量现场光源的要求很严格，而且同样高速相机的价格也很昂贵，不适合工业现场的测量。
综上所述，由于高速数控机床动态变形测量的特殊性，测量频率要求较快，精度要求较高，并且对工业现场的适应性有一定的要求，而目前的测量系统很难满足这样的要求，因此急需开发一种适用于高速数控机床动态变形测量的系统及其数据处理方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有测量系统及方法中存在的问题与不足，提出了一种基于工业相机和加速度计的混合测量系统，同时提供相应的测量方法。本发明不仅实现了高速数控机床动态变形的高频精确测量，而且能够适应工业现场的测量环境，满足现场测量的需求。
具体来说，本发明采用的技术方案如下：
一种高速数控机床动态变形测量系统，其特征在于，所述测量系统包括高分辨率工业相机、两片或两片以上加速度计和性能足以处理该工业相机和加速度计所获得的信号的计算机，其中加速度计贴在被测部件上，相机的光轴对准被测部件，相机和加速度计的检测信号通过线路传输至计算机。
优选地，所述高分辨率工业相机的像素不低于300万并且帧率不低于5fps。
优选地，所述加速度计的量程不低于3g，分辨率不小于10-5g，带宽大于100Hz。
更优选地，加速度计是通过数据采集卡与计算机相连，并且加速度计通过端子板与数据采集卡相连，相机经由1394线和1394卡与计算机相连，其中数据采集卡和1394卡都安装在计算机的PCI插槽中。
本发明还提供了一种高速数控机床动态变形测量方法，利用上述高速数控机床动态变形测量系统来测量高速数控机床动态变形，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
（1）在被测部件上选择若干测量点并在各点上粘贴加速度计；
（2）调整工业相机的焦距、光圈、位置角度和视场，使相机光轴对准被测部件；
（3）启动工业相机和加速度计进行同步测量；
（4）在计算机中将图像中的像素坐标转换成位置数据，将加速度数据二次积分转换成位置数据；
（5）针对每一幅图像，确定来自于图像的位置数据与由加速度计得到的位置之间的误差；
（6）将上述计算误差外推，得到一个高频误差曲线；
（7）用高频误差曲线校正由加速度计得到的位置数据，得到最终的动态变形曲线。
优选地，步骤（2）中使被测部件尽量垂直于相机光轴。
优选地，步骤（4）至（7）中所获得的位置数据都是毫米级位置数据。
有益效果：与现有技术相比，本发明提供的工业相机与加速度计相结合的高速数控机床动态变形测量系统及数据处理方法，通过低频的工业相机测量结果校正高频的加速度计测量结果，实现对高频动态变形的精确测量。
附图说明
图1是本发明实施例的测量系统硬件结构图；
图2是本发明实施例的测量系统数据处理方法流程图；
图3是本发明的高频误差曲线，以及校正后的高频测量结果示意图。
具体实施方式
本发明的发明目的在于针对现有测量系统及方法中存在问题与不足，提出一种基于工业相机和加速度计的混合测量系统，同时提供相应的数据处理方法。本发明不仅实现了高速数控机床动态变形的高频精确测量，而且能够适应工业现场的测量环境，满足现场测量的需求。
下面将结合附图和具体实施例来进一步说明本发明。
在一个实施方案中，本发明的高速数控机床动态变形测量系统主要包括：一台像素不低于300万，例如800万、帧率不低于5fps，例如10fps的高分辨率工业相机、若干量程不低于3g，例如10g、分辨率10-5g、带宽大于100Hz的加速度计、一台高性能计算机、一张8通道以上的数据采集卡，系统中相机经由1394线和1394卡与计算机相连，1394卡和数据采集卡均安装在计算机PCI插槽中，加速度计通过端子板与数据采集卡相连，系统的硬件结构如图1所示。
所提出的基于工业相机和加速度计的混合测量系统对高速数控机床动态变形的测量及数据处理方法主要包括以下步骤：
（1）在被测部件上选择若干测量点；
（2）在各点上粘贴加速度计；
（3）调整工业相机焦距、光圈、位置角度和视场，使被测部件尽可能垂直于相机光轴；
（4）启动工业相机和加速度计进行同步测量；
（5）在计算机中将图像中像素坐标转换成mm级位置坐标，将加速度数据二次积分转换成mm级的位置数据；
（6）针对每一幅图像，确定来自于图像的mm级位置与由加速度计得到的mm级位置之间的误差；
（7）将上述计算误差外推，得到一个高频误差曲线；
（8）用高频误差曲线校正由加速度计得到的位置，得到最终的动态变形曲线。
下面将提供具体的实施例，进一步阐述本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，本系统由一台800万像素、帧率10fps的高分辨率工业相机、两片量程10g、分辨率10-5g、工作频率5kHz的加速度计、一台高性能计算机、一张8通道的NI数据采集卡，系统中相机经由1394线和1394卡与计算机相连，1394卡安装在计算机的PCI插槽中，NI数据采集卡也安装在计算机PCI插槽中，加速度计通过端子板与NI数据采集卡相连。
在实施测量时，操作步骤如下：
(1)在被测量的加工中心主轴运动部件上选择两个感兴趣点；
(2)在这两个点贴上两片TESA加速度计，如图1；
(3)调整工业相机焦距、光圈、位置角度和视场，使主轴运动部件尽可能垂直于相机的光轴；
(4)启动工业相机和加速度计进行同步测量2秒钟；
(5)计算图像中加速度计粘贴点的中心位置坐标，方法如下：
第一步，应用二值化方法，产生一个二值图像；
第二步，计算二值化图像中加速度计粘贴点的中心位置（像素级）；
第三步，将中心点的像素坐标转换成mm级位置坐标；
(6)将被测点的加速度数据二次积分转换成mm级的位置坐标；
(7)根据时间对应原则，确定每一幅图像的mm级位置与由加速度计得到的mm级位置之间的误差；
(8)将上述计算误差外推，得到一个高频误差曲线；
(9)用高频误差曲线校正由加速度计得到的位置，得到最终的动态变形曲线，如图3所示。
上面结合附图和具体实施例对本发明的实施方式作了详细的说明，但是本发明不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (3)

1.一种高速数控机床动态变形测量方法，利用高速数控机床动态变形测量系统测量高速数控机床动态变形，所述高速数控机床动态变形测量系统包括高分辨率工业相机、两片或两片以上加速度计和性能足以处理该工业相机和加速度计所获得的信号的计算机，其中加速度计贴在被测部件上，相机的光轴对准被测部件，相机和加速度计的检测信号通过线路传输至计算机，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
（1）在被测部件上选择若干测量点并在各点上粘贴加速度计；
（2）调整工业相机的焦距、光圈、位置角度和视场，使相机光轴对准被测部件；
（3）启动工业相机和加速度计进行同步测量；
（4）在计算机中将图像中的像素坐标转换成位置数据，将加速度数据二次积分转换成位置数据；
（5）针对每一幅图像，确定来自于图像的位置数据与由加速度计得到的位置数据之间的误差；
（6）将上述计算误差外推，得到一个高频误差曲线；
（7）用高频误差曲线校正由加速度计得到的位置数据，得到最终的动态变形曲线。
2.如权利要求1所述的测量高速数控机床动态变形的方法，其特征在于，步骤（2）中使被测部件尽量垂直于相机光轴。
3.如权利要求1所述的测量高速数控机床动态变形的方法，其特征在于，步骤（4）至（7）中所获得的位置数据都是毫米级位置数据。
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