CN104139321A - 大型结构件原位测量自动找正系统及其找正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大型结构件原位测量自动找正系统及其找正方法，该自动找正系统包括测量路径规划器等元件，测量路径规划器、运动变换模块、五轴数控机床都与PC机连接，运动变换模块、信号接收器都与五轴数控机床连接，在线测头与信号接收器连接，测量路径规划器自动产生在线测头测量毛坯上点的坐标的路径；PC机接收从测量路径规划器产生的坐标的路径并传给五轴数控机床，而且根据在线测头的测量结果重新计算加工轨迹；运动变换模块把在编程坐标系下表示的刀位文件转换为机床坐标系下的刀位文件，五轴数控机床安装有毛坯、在线测头和信号接收器。本发明提高找正效率和精度，且实现自动补偿加工，从而可以提高零件生产的效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种自动找正系统及其找正方法，特别是涉及一种大型结构件原位测量自动找正系统及其找正方法。
背景技术
目前绝大多数企业仍在使用手动方法进行对刀、工件找正及脱机检测，这些手动操作不仅会引入操作误差，降低加工质量，而且会导致加工机床处于长时间的待机状态，使得生产效率难以提高。手动对刀、工件找正必然存在装夹误差，且误差大小无法准确检测和校正。脱机检测也会降低工件的二次修复精密加工质量。
经对现有技术的文献检索发现，申请号为201120282462.9且名称为《对刀装置》的中国专利的对刀方法仍然通过人工方式，且对刀后如果发现工件偏移，无法通过数控系统进行自动校正；申请号为200910051261.5且名称为《数控加工中心刀具长度自动测量方法》的中国专利中，仅仅是对刀具长度做自动测量和在数控系统中补偿，无法对工件的位置进行自动补偿。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种大型结构件原位测量自动找正系统及其找正方法，其提高找正效率和精度，且实现自动补偿加工，从而可以提高零件生产的效率。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种大型结构件原位测量自动找正系统，其特征在于，其包括测量路径规划器、PC机、运动变换模块、五轴数控机床、信号接收器、在线测头，测量路径规划器、运动变换模块、五轴数控机床都与PC机连接，运动变换模块、信号接收器都与五轴数控机床连接，在线测头与信号接收器连接，测量路径规划器自动产生在线测头测量毛坯上点的坐标的路径；PC机接收从测量路径规划器产生的坐标的路径并传给五轴数控机床，而且根据在线测头的测量结果重新计算加工轨迹；运动变换模块把在编程坐标系下表示的刀位文件转换为机床坐标系下的刀位文件，五轴数控机床安装有毛坯、在线测头和信号接收器，信号接收器安装在数控机床上并接收来自在线测头的信号，在线测头用来测量毛坯上点的三维坐标。
本发明还提供一种大型结构件原位测量自动找正系统的找正方法，其特征在于，该找正方法采用上述的大型结构件原位测量自动找正系统，该找正方法包括以下步骤：
步骤一，通过测量路径规划器产生测头测量路径，根据在加工工序中对零件进行测量得到端面水平误差；
步骤二，通过测量路径规划器产生测头测量路径，在加工工序中对零件进行测量得到中心误差；
步骤三，根据机床运动学关系得到工件坐标系与机床坐标系间的变换关系；
步骤四，根据前面测量所得到的端面水平误差、中心误差，以及工件坐标系与机床坐标系间的变换关系重新计算加工轨迹。
优选地，所述步骤一是在毛坯端面取三个非共线点，得到这些点的坐标，计算出毛坯端面实际位置的位置与法向，求出端面水平偏差。
优选地，所述步骤二是用在线测头与毛坯上的测量点碰撞，通过找中心原理找到中心，在加工工序中加入原位测量对零件进行测量得到中心误差。
优选地，所述步骤四把在工件坐标系下表示的刀位文件变换为机床坐标系下的加工代码。
本发明的积极进步效果在于：本发明提高找正效率和精度，且实现自动补偿加工，从而可以提高零件生产的效率，并减少废品率。
附图说明
图1为本发明大型结构件原位测量自动找正系统的原理框图。
图2为本发明中得到端面水平误差的工作原理示意图。
图3为本发明求解端面水平误差的工作原理示意图。
图4为本发明中变换关系的工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明大型结构件原位测量自动找正系统包括测量路径规划器、PC机、运动变换模块、五轴数控机床、信号接收器、在线测头，测量路径规划器、运动变换模块、五轴数控机床都与PC机连接，运动变换模块、信号接收器都与五轴数控机床连接，在线测头与信号接收器连接，测量路径规划器自动产生在线测头测量毛坯上点的坐标的路径；PC机接收从测量路径规划器产生的坐标的路径并传给五轴数控机床，而且根据在线测头的测量结果重新计算加工轨迹；运动变换模块把在编程坐标系下表示的刀位文件转换为机床坐标系下的刀位文件，五轴数控机床安装有毛坯、在线测头和信号接收器，信号接收器安装在数控机床上并接收来自在线测头的信号，在线测头用来测量毛坯上点的三维坐标。
本发明大型结构件原位测量自动找正系统的找正方法包括以下步骤：
步骤一，通过测量路径规划器产生测头测量路径，根据在加工工序中对零件进行测量得到端面水平误差，具体过程如下：采用三角标架进行检测，如图2所示，在毛坯端面取三个非共线点 、、，利用在线测头依次对三个点进行测量，当在线测头碰到对应的位置时发出信号，五轴数控机床通过信号接收器接收在线测头的信号后，记录这些点的坐标，其中取1，2，3。
从而可以计算出毛坯端面实际位置F的位置与法向，如图2所示，与端面理想位置G法向之间的夹角α即端面水平误差。
如图3所示，为了补偿端面水平误差，需要求出实际端面与水平面在X、Y两个方向的误差角An、Bn。
按照误差校正先后顺序，先确定An，如图3所示，绕X轴旋转An后，平面P1P2P3与XY平面的交线MN与Y轴平行。设旋转后为于是如式（1）：
（1）
于是可得如式（2）、（3）、（4）：
（2）
（3）
（4）
其中，表示理论毛坯端面在编程坐标系中坐标。
步骤二，通过测量路径规划器产生测头测量路径，在加工工序中对零件进行测量得到中心误差，具体过程如下：回转中心偏移误差检测采用简单的找中心原理找到中心。在线测头以五轴数控机床绝对坐标在方向上与毛坯测量点、碰撞，从而找到回转中心的轴坐标，调整测量路径，使得、测量点位置更改至、，使其轴坐标为回转中心的轴坐标。回转中心坐标为。下图中为了图片表达清晰，将测量点选在毛坯边缘处，实际上测量点必须选在相同坐标圆柱面上，且不在圆柱边缘处。
于是可得式（5）、（6）：
（5）
（6）
步骤三，根据机床运动学关系得到工件坐标系与机床坐标系间的变换关系，具体过程如下：这里以适合叶轮加工的AC双转台机床（五轴数控机床的一种）进行测量与补偿方案的设计，其中A轴和C轴为两个回转轴。为了方便描述机床的运动，建立图4所示的坐标系统。工件J1快速找正与装夹误差补偿就是要实现从到之间的转换，可以通过运动变换模块得到。其中，为与工件固联的工件坐标系；为与刀具J2固联的刀具坐标系，其原点设在刀位点上，其坐标轴方向与机床坐标系一致；为与定轴固联的坐标系，其原点为两回转轴的交点，其坐标轴方向与机床坐标系一致。为原位检测后计算得到的新的工件固联的工件坐标系，其坐标轴方向与机床坐标系一致。由于装配误差，两回转轴的轴线没有相交，轴实际上是绕轴线旋转，与的距离为。与之间的变化属于后置处理部分，这里暂不讨论，主要考虑与之间的变化。
令原位检测装夹误差校正顺序为轴，因此，中刀位点与中刀位点之间的变换关系为：
（7） （8）
上式中，T和R分别为平移和回转运动的齐次坐标变换矩阵：
（9）
（10）
（11）
（12）
（13）
上述关系式（包括变换关系、齐次坐标变换矩阵等）内嵌在数控系统中。
步骤四，根据前面测量所得到的端面水平误差、中心误差，以及工件坐标系与机床坐标系间的变换关系重新计算加工轨迹，具体过程如下：根据式（7）、（8）中的关系式，将测量值补偿在关系式中的（7）、（8），这样得到补偿后的刀位文件，通过运动变换模块，把在工件坐标系下表示的刀位文件变换为机床坐标系下的加工代码，通过补偿计算消除了由装夹误差而引起的零件加工误差，使加工出来的零件满足精度要求，且提高找正效率，实现自动补偿加工，从而可以提高零件生产的效率。
将上述四步计算得到的刀具位置及矢量进行连接，并输出为机床能够识别的代码格式。通过原位测量得到装夹误差后，不可能直接对数控代码进行修改补偿，然而能够根据装夹误差方便快捷的对编程坐标系下刀位文件进行补偿，即将忽略装夹误差的数控代码根据机床机构及参数反算为刀位文件，对刀位文件进行误差补偿，或者直接对编程软件产生的刀位文件（反算得到的与之相同）进行误差补偿，然后再转化为五轴数控机床的数控系统能够识别的数控代码。
本领域的技术人员可以对本发明进行各种改型和改变。因此，本发明覆盖了落入所附的权利要求书及其等同物的范围内的各种改型和改变。
Claims (5)
1.一种大型结构件原位测量自动找正系统，其特征在于，其包括测量路径规划器、PC机、运动变换模块、五轴数控机床、信号接收器、在线测头，测量路径规划器、运动变换模块、五轴数控机床都与PC机连接，运动变换模块、信号接收器都与五轴数控机床连接，在线测头与信号接收器连接，测量路径规划器自动产生在线测头测量毛坯上点的坐标的路径；PC机接收从测量路径规划器产生的坐标的路径并传给五轴数控机床，而且根据在线测头的测量结果重新计算加工轨迹；运动变换模块把在编程坐标系下表示的刀位文件转换为机床坐标系下的刀位文件，五轴数控机床安装有毛坯、在线测头和信号接收器，信号接收器安装在数控机床上并接收来自在线测头的信号，在线测头用来测量毛坯上点的三维坐标。
2.一种大型结构件原位测量自动找正系统的找正方法，其特征在于，该找正方法采用权利要求1的大型结构件原位测量自动找正系统，该找正方法包括以下步骤：
步骤一，通过测量路径规划器产生测头测量路径，根据在加工工序中对零件进行测量得到端面水平误差；
步骤二，通过测量路径规划器产生测头测量路径，在加工工序中对零件进行测量得到中心误差；
步骤三，根据机床运动学关系得到工件坐标系与机床坐标系间的变换关系；
步骤四，根据前面测量所得到的端面水平误差、中心误差，以及工件坐标系与机床坐标系间的变换关系重新计算加工轨迹。
3.如权利要求2所述的大型结构件原位测量自动找正系统的找正方法，其特征在于，所述步骤一是在毛坯端面取三个非共线点，得到这些点的坐标，计算出毛坯端面实际位置的位置与法向，求出端面水平偏差。
4.如权利要求2所述的大型结构件原位测量自动找正系统的找正方法，其特征在于，所述步骤二是用在线测头与毛坯上的测量点碰撞，通过找中心原理找到中心，在加工工序中加入原位测量对零件进行测量得到中心误差。
5.如权利要求2所述的大型结构件原位测量自动找正系统的找正方法，其特征在于，所述步骤四把在工件坐标系下表示的刀位文件变换为机床坐标系下的加工代码。
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