CN103878478A - 一种三维激光加工工件定位测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多轴联动数控机床的三维激光加工定位测量装置及方法，它包括CCD检测系统、运动控制系统和显示系统；激光加工头安装于五轴联动数控机床末端，CCD检测系统随激光加工头安装于五轴联动数控机床末端，CCD检测系统包括CCD传感器、工业显微镜头和指示系统，CCD传感器和指示系统均安装在工业显微镜头上。本发明通过移动多轴联动数控机床各运动轴来调整安装在激光加工头上的CCD测量装置的空间位置和姿态，实现对工件定位点的精确定位观测，从而获取到相应定位点在机床坐标系的空间坐标。本发明具有测量单元模块化、易拆装，测量精度高的优点，可以满足激光加工中对大尺寸工件的高精度定位测量要求。

Description

一种三维激光加工工件定位测量装置及其方法

技术领域

本发明涉及三维激光加工领域(包括三维激光切割、焊接、刻蚀等)，具体涉及一种三维激光加工中工件的定位测量装置及其方法，主要是基于多轴联动数控机床实现。

背景技术

激光加工技术以其高效性、高精度、非接触式、材料适应性强和工艺柔性化程度高等特点，已经广泛地应用于现代工业生产中。将激光加工头安装到五轴联动数控机床上的组合激光加工技术，更是将传统机械加工机床扩展为能完成三维复杂形貌激光加工的新装备。专利申请号为201110106793.1的发明“一种三坐标振镜扫描式激光加工头”提供了一种包括XY两轴激光振镜系统和Z轴移动机构的振镜扫描式激光加工头，采用标准数控机床拉刀接口设计，可以方便的安装在三轴、五轴联动数控机床。专利申请号为201110048935.3的发明“一种适用于复杂曲面的激光加工方法及装置”提出将激光加工头装置并接在五轴联动机床上，通过对复杂曲面划分成多个子曲面片，通过五轴机床依次定位激光头到各子曲面片上方，来完成投影式三维激光刻蚀加工。

然而在进行三维激光加工的过程中，对工件的精确定位是保证加工质量和精度的前提，传统的工件定位装置在激光加工机床上难以安装和使用，目前三维加工中对工件的定位测量方法主要有以下两种：

(1)基于接触式探头定位测量方式，这种测量方式的定位精度取决于探头的分辨率，定位系统灵敏度低，而且容易受到主轴热膨胀的影响，实际操作上容易因定位不准确而使探头破损或折断。

(2)基于视觉图像定位方法。如天津大学的段红旭等人发表的题为“发动机缸体视觉图像定位方法研究”的文献(仪器仪表学报，2012年第3期)，通过面阵CCD获取发动机缸体定位销孔图像信息，利用图像处理提取定位销孔中心位置，以此建立每个被测缸体的测量基准。这种测量方式能够获取定位孔的信息，但是需要复杂的处理算法来对图像进行处理，测量的精度受到图像采集质量和处理算法的制约。

发明内容

本发明提供了一种基于多轴联动数控机床的三维激光加工工件定位测量装置及其方法，目的在于方便快捷地完成激光加工中的大型三维工件高精度在线定位测量。

本发明提供的一种基于多轴联动数控机床的三维激光加工定位测量装置，其特征在于，该装置包括CCD检测系统、运动控制系统和显示系统；

基于多轴联动数控机床的三维激光加工系统中激光加工头安装于五轴联动数控机床末端，CCD检测系统随激光加工头安装于五轴联动数控机床末端，CCD检测系统包括CCD传感器、工业显微镜头和指示系统，CCD传感器和工业显微镜头同轴装配连接，指示系统安装在工业显微镜头一侧，并使指示系统发出的指示光与CCD传感器的中心轴交汇于一点，该点称为CCD检测系统的TCP点。显示系统和CCD检测系统电信号连接，显示系统用于实时显示CCD传感器检测到的图像，显示系统上标识有用于判断与观察的目标点是否重合的CCD检测中心点。

利用上述的三维激光加工定位测量装置的测量方法，包括下述步骤：

(1)、将CCD检测系统固定在激光加工头上，完成CCD检测系统中心TCP点在五轴数控加工机床上的偏置参数设定；

(2)、将待加工工件定位装夹在五轴联动机床中，工件夹具上设置多个工件定位点图案；

(3)、移动数控机床运动轴，对各工件定位点分别进行测量，获取各工件定位点在机床坐标系的空间坐标；

(4)获取CAD模型中模型定位点坐标数据；

(5)、计算工件CAD模型与实际工件坐标的变换矩阵，应用该矩阵完成CAD模型数据到加工工件的转换。

本发明装置解决了目前采用接触法对工件进行定位测量中的探头磨损，定位灵敏度低，而且容易受到主轴热膨胀影响的问题，该测量装置可方便地安装在各类激光加工头上完成测量，具有测量单元模块化、易拆装，测量精度高的优点。可以满足大尺寸和超大尺寸零部件的激光加工的工件定位测量。

本发明方法的主要优点是：

1、工件定位测量过程不用拆卸激光加工头，广泛适用于激光切割头、焊接头、振镜扫描加工头等多种激光加工系统；

2、非接触的CCD图像检测测量方式，测量观测直观易于操作，安全性好；

3、通过采集机床运动轴的高精度位置反馈信号来计算工件定位点在机床坐标系下的空间坐标，易于达到微米级测量精度；

4、测量过程不但可以调节移动轴X、Y、Z，而且可以调节旋转轴C、A，减少了测量过程机床与工件之间的干涉，使得工件定位点的位置设置自由度大。

5、该测量装置结构简洁，成本低，适用性强。

附图说明

图1为安装在五轴联动机床上的本发明装置的结构示意图；

图2为CCD检测系统的结构示意图；

图3为本发明装置安装在五轴联动机床上的连杆坐标系图；

图4为工件上多个定位点分布及CCD检测示意图；

图5为调整机床运动轴使CCD对准检测工件定位点过程图；

图6为工件定位测量流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供一种基于多轴联动数控机床的三维激光加工定位测量装置，其示例如图1所示，包括CCD检测系统3、运动控制系统5和显示系统4。

五轴联动数控机床1由X、Y和Z三个移动轴和A、C两个旋转轴组成，其中，A轴绕着X轴旋转，C轴绕着Z轴旋转。激光加工头2安装于五轴联动数控机床1末端。

CCD检测系统3随激光加工头2安装于五轴联动数控机床1末端，如图2所示，CCD检测系统3由CCD传感器7、工业显微镜头8和指示系统9组成，CCD传感器7和指示系统9均安装在工业显微镜头8上，并使指示系统9发出的指示光与CCD传感器的中心轴交汇于一点，称为CCD检测系统的TCP点10，用来指示CCD传感器镜头到其焦平面的距离。当CCD传感器检测中心点K对准的目标清晰地呈现在显示系统4时，目标位于视场焦点，调整指示系统9指示光与CCD中心轴之间安装夹角，使CCD检测系统TCP点与目标点重合，指示系统9发射的指示光在目标上的光斑L应与CCD检测中心K重合，如图5(b)所示。从而方便以后CCD观测工件定位点等目标时准确调整观测距离，即L与K重合时就代表观测点位于CCD观测视场焦点。

指示系统9具体可采用激光指示笔或激光位移传感器，

显示系统4和CCD检测系统3电信号连接，显示系统4用于实时显示CCD传感器7检测到的图像。显示系统4上有标识出的CCD检测中心点K，如图5(a)，以便于判断观察的目标点与CCD检测中心K是否重合。

CCD检测系统3相当于机床一刀具，其安装于机床A轴末端，对应的机床连杆示意图如图3所示，图中X、Y、Z为机床三个移动轴，A、C为两个旋转轴，O_i为机床各连杆坐标系，X_i，Y_i，Z_i为各连杆坐标系的坐标轴，i表示连杆坐标系的序号，i＝0，1，2，3，4，5，O₀为机床坐标系。

DZBA、DZAT、DXBT和PIVOT是CCD检测系统中心TCP点在机床上的刀具偏置参数(即TCP点在机床C轴坐标系O₅上x，y，z方向的偏移量)。由机器人运动学知识可知，TCP末端到机床坐标系O₀的变换矩阵T为：

$T_0^{\mathrm{Tcp}}=T_0^3*T_3^4*T_4^5*T_5^6*T_6^{\mathrm{Tcp}}---\left(1\right)$

式中

代表从坐标系j到坐标系i的变换矩阵，j表示连杆坐标系的序号，j＝1，2，3，4，5，j≠i。

可推导得到：

$T_0^{\mathrm{Tcp}}=\left[\begin{array}{cccc}\cos c& -\cos a\sin c& \sin a\sin c& x^{\′}\\ \sin c& \cos a\cos c& -\sin a\cos c& y^{\′}\\ 0& \sin a& \cos a& z^{\′}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中：

$\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′}=x-\mathrm{DZAT}\cos a\sin c+\mathrm{PIVOT}\sin a\sin c+\mathrm{DXBT}\cos c-\mathrm{DZBA}\sin c\\ y^{\′}=y+\mathrm{DZAT}\cos a\cos c-\mathrm{PIVOT}\sin a\cos c+\mathrm{DXBT}\sin c+\mathrm{DZBA}\cos c\\ z^{\′}=z+\mathrm{DZAT}\sin a+\mathrm{PIVOT}\cos a\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中x、y、z、a、c分别代表五轴机床各轴的值，x’，y’，z’代表TCP点在机床坐标系0中的坐标，也就是在TCP点在空间的位置。

在多轴运动机床X、Y、Z、A和C等各轴的运动下CCD检测系统3的中心TCP点可以在机床加工坐标系三维空间中任意移动，而该TCP点的坐标位置可以通过将激光头偏置参数和实时检测得到的机床各轴位置值代入公式(3)进行计算获得。

具体的测量方法包括下述步骤：

(1)、将CCD检测系统3固定在激光加工头2上，完成CCD检测系统3中心TCP点在五轴数控加工机床1上的偏置参数设定。

(2)、将待加工工件在五轴联动机床中定位装夹好，工件夹具上设置多个工件定位点，如图4所示，工件定位点P1、P2、P3、P4，工件定位点可以是十字线或者圆环等便于CCD检测的各种图案。

(3)、移动数控机床运动轴，对各工件定位点分别进行测量，获取各工件定位点在机床坐标系的空间坐标；

通过数控机床运动控制系统5移动机床各轴，让CCD检测系统3的靠近工件定位点(P1、P2、P3、P4，在图5中统一标示为P)，使得在显示系统4上能观测到工件定位点P和激光指示点L，如图5(c)所示。进一步调整机床各轴运动，使显示系统4上的CCD观测中心点K与工件定位点P以及指示系统9的光斑L重合，如图5(d)，实现CCD检测装置对工件定位点P的准确观测；

(4)获取CAD模型中模型定位点坐标数据。

CAD模型数据可以通过IGES等文件导入，其中包括加工模型数据和模型定位点数据，两者之间的几何关系与实际工件和实际工件定位点的几何关系相同。

(5)、计算工件CAD模型与实际工件坐标的变换矩阵T，应用该矩阵完成CAD模型数据到加工工件的转换。

由步骤(3)获取的实际工件定位点在机床坐标系中的坐标和步骤(4)获取的CAD模型中模型定位点坐标数据，可以求出从CAD模型空间到机床工作空间的坐标变换矩阵M。取CAD模型上的4个点的坐标分别为(x_n′，y_n′，z_n′)，n＝0，1，2，3，对应检测得到的工件模具上4个工件定位点坐标为(x_n，y_n，z_n)，n＝0，1，2，3，则这四组对应点坐标值必定满足存在刚性变换矩阵M使得下列关系式成立：

$M\left[\begin{array}{c}{x}_n^{\′}\\ y_n^{\′}\\ z_n^{\′}\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_n\\ y_n\\ z_n\\ 1\end{array}\right],n=\mathrm{0,1,2,3}---\left(4\right)$

式中M为如下变换矩阵，包括旋转矩阵分量和平移矩阵分量，如公式(5)所示，其中M_ij为旋转矩阵系数，t_x，t_y，t_z为平移矩阵系数。

$M=\left[\begin{array}{cccc}{M}_{00}& M_{01}& M_{02}& t_x\\ M_{10}& M_{11}& M_{12}& t_y\\ M_{20}& M_{21}& M_{22}& t_z\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]---\left(5\right)$

求解方程组(4)即可得到变换矩阵M的各系数，从而得到从工件CAD数据模型到机床坐标系下实际工件加工数据之间的变换矩阵。

整个测量过程流程图如图6所示。

本发明核心思想是通过移动机床各运动轴来调整安装在激光加工头上的CCD测量装置的空间位置和姿态，实现对工件定位点的精确定位观测，从而获取到相应定位点在机床坐标系的坐标。随后结合工件CAD模型上对应定位点坐标数据，计算得出实际工件在机床坐标系的定位矩阵，完成工件CAD模型加工数据与实际工件位置的定位匹配。该测量装置可方便地安装在各类激光加工头上完成工件定位和三维测量工作，具有测量单元模块化、易拆装、高柔性避干涉、测量精度高等优点。

本发明的应用不仅仅局限于工件定位，还可以应用于大型工件的三维测量，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其他多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的技术方案、思路和装置，做一些简单的变化或更改，都不脱离本发明保护范围。

Claims (3)

1.一种基于多轴联动数控机床的三维激光加工定位测量装置，其特征在于，该装置包括CCD检测系统、运动控制系统和显示系统；

基于多轴联动数控机床的三维激光加工系统中激光加工头安装于五轴联动数控机床末端，CCD检测系统随激光加工头安装于五轴联动数控机床末端，CCD检测系统包括CCD传感器、工业显微镜头和指示系统，CCD传感器和工业显微镜头同轴装配连接，指示系统安装在工业显微镜头一侧，并使指示系统发出的指示光与CCD传感器的中心轴交汇于一点，该点称为CCD检测系统的TCP点；

显示系统和CCD检测系统电信号连接，显示系统用于实时显示CCD传感器检测到的图像，显示系统上标识有用于判断与观察的目标点是否重合的CCD检测中心点。

2.根据权利要求1所述的基于多轴联动数控机床的三维激光加工定位测量装置，其特征在于，指示系统采用激光指示笔或激光位移传感器。

3.一种利用权利要求1所述的三维激光加工定位测量装置的测量方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

(1)、将CCD检测系统固定在激光加工头上，完成CCD检测系统中心TCP点在五五轴联动数控机床上的偏置参数设定；

(2)、将待加工工件定位装夹在五轴联动数控机床中，在工件夹具上设置多个工件定位点图案；

(3)、移动五轴联动数控机床的运动轴，对各工件定位点分别进行测量，获取各工件定位点在机床坐标系的空间坐标；

(4)获取CAD模型中模型定位点坐标数据；

(5)、计算工件CAD模型与实际工件坐标的变换矩阵，应用该矩阵完成CAD模型数据到加工工件的转换。

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