CN104985482A - 一种五轴加工中心在机检测复杂型面方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种五轴加工中心在机检测复杂型面方法，所述在机检测复杂型面方法包括以下步骤：基于商用软件UG NX8.0的实体造型技术，对检测点进行规划，获取型面检测点的坐标、法向矢量和切向矢量；利用商用可视化数学软件读取检测点的坐标、法向矢量和切向矢量，规划检测路径；通过检测路径对型面进行检测，根据五轴加工中心的类型，生成相应的在机检测代码。本发明使得工件在加工过程中不再需要将工件从机床搬到检测设备上，加工过程中可以随时检查工件的质量；同时利用所得结果指导工件的定位和加工修正，提高加工过程的生产效率，能以较低的时间成本尽可能及时地检测出现的误差，降低工件报废率。

Description

一种五轴加工中心在机检测复杂型面方法

技术领域

本发明涉及数控加工技术领域，尤其涉及一种五轴加工中心在机检测复杂型面方法。

背景技术

在航空航天、汽车、船舶和各种高技术装备中，具有复杂空间型面几何特征的零件应用日益广泛，在实现系统力学性能、光学性能、流体性能等物理性能要求方面扮演重要角色，其对数控机床的加工精度和质量检测精度的要求也日益提高。随着现代制造业检测技术的发展，提出了新的测量理念，其衍生的检测手段主要可以分为离线检测和在线检测两种。三坐标测量机作为离线测量实现方式的典型代表，被广泛地应用于机械制造、电子、汽车和航空航天等工业中。但该方式对于特殊对象如一些大型工件，加工后线下移动会非常困难，此外，在离线装夹的过程中也会不可避免地添加重复定位误差，不利于后期工件几何误差的评定。在机检测系统可以很好的解决上述问题。采用该检测方式可以避免由于多次装夹而引起的重复定位误差，从而保证检测数据及评定结果的有效性，一定意义上改善了数控机床的性能，可以带来巨大的经济效益。

(1)天津大学何改云教授申请专利名称为：“一种复杂空间型面在机质量检测系统”，其专利公开号为CN101342664，公开日2009.01.14。

(2)Choi等人在三轴机床上配置在机检测，同时建立误差分析补偿的机制，通过相关算法修改刀位文件从而减小加工误差(参见Choi J P,Min B K,Lee S J.Reduction of machiningerrors of a three-axis machine tool by on-machine measurement and error compensation system.Journal of Materials Processing Technology,2004,155:2056～2064)。

(3)华中科技大学李斌等申请专利名称为：“一种复杂曲面法矢在机检测方法”，其专利公开号为CN103433810A，公开日2013.12.11。

文献(1)、(2)中所建立的在机检测系统，虽然在质量检测方面作用显著，但仅适用于三轴机床，如何有效实现五轴机床在机检测复杂曲面，需要作进一步的研究。

文献(3)采用激光测头，提出一种复杂曲面法矢在机检测方法，特别适用于在自由曲面钻孔过程中对钻孔法矢的实时检测。但是由于物体的辐射特性对激光测量结果也有较大影响，如照明情况、表面状态反射情况、阴影、挡光、对谱线吸收情况等，都会引入附加误差。

发明内容

本发明提供了一种五轴加工中心在机检测复杂型面方法，本发明使加工中心具有复杂空间型面质量检测的功能，可以节省大量的时间和成本，详见下文描述：

一种五轴加工中心在机检测复杂型面方法，所述在机检测复杂型面方法包括以下步骤：

基于商用软件UG NX8.0的实体造型技术，对检测点进行规划，获取型面检测点的坐标、法向矢量和切向矢量；

利用商用可视化数学软件读取检测点的坐标、法向矢量和切向矢量，规划检测路径；

通过检测路径对型面进行检测，根据五轴加工中心的类型，生成相应的在机检测代码。

其中，所述基于商用软件UG NX8.0的实体造型技术，对检测点进行规划，获取型面检测点的坐标、法向矢量和切向矢量的步骤具体为：

基于商用软件UG NX8.0的点集功能，在工件坐标系下，选择检测型面，根据非均匀有理B样条曲面的导线和母线方向，创建一组对应于检测型面的检测点，删除包含检测型面两端和底部的检测点；

通过对三维商用软件UG进行二次开发，利用GRIP语言，提取检测型面的检测点坐标、法向矢量和切向矢量。

其中，所述利用商用可视化数学软件读取检测点的坐标、法向矢量和切向矢量，规划检测路径的步骤具体为：

按照沿检测点法向矢量的接触原则对检测型面进行检测，将检测点进行编号，根据检测点获取对应的定位点、回退点，定位点、回退点的方向均沿对应的检测点的法向方向；

通过对测头移动速度的控制，结合检测点、定位点和回退点实现检测路径的规划。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明使得工件在加工过程中不再需要将工件从机床搬到检测设备上，加工过程中可以随时检查工件的质量；同时利用所得结果指导工件的定位和加工修正，提高加工过程的生产效率，能以较低的时间成本尽可能及时地检测出现的误差，降低工件报废率。

附图说明

图1为一种五轴加工中心在机检测复杂型面方法的流程图；

图2为检测点规划图；

a为包含检测型面两端和底部一些难以测量的检测点的示意图；

b为调整后的检测点示意图。

图3为检测点法向矢量与切向矢量图；

a为调用POINT函数，获得检测点在工件坐标系下的坐标值的示意图；

b为调用SDDUF函数，获得检测型面上的检测点的切向矢量的示意图；

c为调用SNORF函数，获得检测型面上的检测点的法向矢量的示意图。

图4为局部测量路径规划图；

图5为五轴加工中心运动关系图；

图6为实验验证图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明基于商用软件UG NX8.0的实体造型技术，对检测点进行规划，通过GRIP语言对UG软件进行二次开发，获取型面检测点的坐标、法向矢量和切向矢量，将检测点信息以TXT文件形式保存。利用商用可视化数学软件MATLAB 2012的数学计算功能，读取检测点信息，规划检测路径。最后根据五轴加工中心的类型，生成相应的在机检测代码，参见图1，详见下文描述：

实施例1

一种五轴加工中心在机检测复杂型面方法，参见图1，该在机检测复杂型面方法包括以下步骤：

101：基于商用软件UG NX8.0的实体造型技术，对检测点进行规划，获取型面检测点的坐标、法向矢量和切向矢量；

102：利用商用可视化数学软件读取检测点的坐标、法向矢量和切向矢量，规划检测路径；

103：通过检测路径对型面进行检测，根据五轴加工中心的类型，生成相应的在机检测代码。

其中，步骤101中的基于商用软件UG NX8.0的实体造型技术，对检测点进行规划，获取型面检测点的坐标、法向矢量和切向矢量的步骤具体为：

基于商用软件UG NX8.0的点集功能，在工件坐标系下，选择检测型面，根据非均匀有理B样条曲面的导线和母线方向，创建一组对应于检测型面的检测点，删除包含检测型面两端和底部的检测点；

通过对三维商用软件UG进行二次开发，利用GRIP语言，提取检测型面的检测点坐标、法向矢量和切向矢量。

其中，步骤102中的利用商用可视化数学软件读取检测点的坐标、法向矢量和切向矢量，规划检测路径的步骤具体为：

按照沿检测点法向矢量的接触原则对检测型面进行检测，将检测点进行编号，根据检测点获取对应的定位点、回退点，定位点、回退点的方向均沿对应的检测点的法向方向；

通过对测头移动速度的控制，结合检测点、定位点和回退点实现检测路径的规划。

通过上述步骤101-步骤103使加工中心具有复杂空间型面质量检测的功能，可以节省大量的时间和成本，满足实际应用中的需要。

实施例2

本实施例结合具体的计算公式、例子、试验和附图对实施例1中的方案进行详细的描述，详见下文描述：

201：基于商用软件UG NX8.0的实体造型技术，对检测点进行规划，获取型面检测点的坐标、法向矢量和切向矢量，并以TXT文件形式保存；

其中，本发明基于商用软件UG NX8.0的点集功能，在工件坐标系(X_w，Y_w，Z_w)下，选择检测型面，根据NURBS(非均匀有理B样条)曲面的导线和母线方向，即u，v方向，设置检测点个数，创建一组对应于检测型面的检测点，如图2a所示(包括10列，每一列有3个检测点，本发明实施例对检测点的数量不做限制，根据实际应用中的需要进行设定)。通过调整u，v的起始值和终止值，避免检测点中包含检测型面两端和底部一些难以测量的检测点(图2a，有些检测点位于底部和检测型面的两端)，调整后的效果图如图2b所示(检测点分布很均匀)。

通过对三维商用软件UG进行二次开发，利用GRIP语言，提取检测型面的检测点坐标、法向矢量和切向矢量。GRIP是一种专用的图形交互编程语言，有完整的语法规则、程序结构和内部函数，具有简单、交互性强等优点。GRIP语言中包含了许多用于曲面分析的函数，它们以u，v为参数。通过编程调用函数可以求出相关参数，而无需经过大量复杂计算获取曲面的表达式来求解。例如，通过调用POINT函数，获得检测点在工件坐标系下的坐标值，如图3a所示；通过调用SDDUF函数，获得检测型面上的检测点的切向矢量，如图3b所示；通过调用SNORF函数，获得检测型面上的检测点的法向矢量，如图3c所示。将提取的上述检测点信息保存为TXT文件，为检测点路径规划提供理论依据。

202：利用商用可视化数学软件MATLAB 2012的数学计算功能，读取检测点的坐标、法向矢量和切向矢量，规划检测路径；

即，按照沿检测点法向矢量的接触原则对检测型面进行检测，检测路径如图4所示。将检测点编号为：1—N(N为检测点个数)，在检测点1和检测点2时，将测头快速移动到定位点P，以低测速沿PQ方向运动，当接触到检测点1后，后退至回退点Q。快速将测头移动到定位点M，以低测速沿MN方向运动，当接触到检测点2后，后退至回退点N。依次循环，直至检测完毕。

其中，定位点(点P、点M)与回退点(点Q、点N)的方向均沿检测点(点1、点2)的法向方向，具体位置根据机床类型进行设置。本发明实施例中，定位点与检测点之间的距离为4mm，回退点与检测点之间的距离为2mm，测头的移动速度(快速移动)为100mm/min，测量速度(低测速)为10mm/min，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

203：根据五轴加工中心的类型，生成相应的在机检测代码。

根据在机检测五轴加工中心的类型，需要根据不同的应用平台推导机床的运动学模型，完成相应的检测后置处理。以B摆头C转台五轴加工中心机床为例，在检测中，运动状态从测头坐标系依次通过B轴摆动，各平动轴移动和回转工作台转动，最终变换到工件坐标系下。如图5所示。其中，w代表工件坐标系，m代表机床坐标系，t代表测头坐标系。因此，检测过程中测点的变化情况可由式(1)计算获得，测头的姿态变动可由式(2)计算获得。

[p_x p_y p_z 1]^T＝T[0 0 0 1]^T  (1)

[u_x u_y u_z 0]^T＝T[0 0 1 0]^T  (2)

其中T为坐标转换矩阵，将测头坐标系转换到工件坐标系。

$\begin{array}{c}T=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& m_x\\ 0& 1& 0& m_y\\ 0& 0& 1& m_z\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{cccc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_C\right)& \sin \left({\mathrm{\θ}}_C\right)& 0& 0\\ -\sin \left({\mathrm{\θ}}_C\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_C\right)& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& s_x-m_x+l_x\\ 0& 1& 0& s_y-m_y+l_y\\ 0& 0& 1& s_z-m_z+l_z\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\\ \·\left[\begin{array}{cccc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_B\right)& 0& \sin \left({\mathrm{\θ}}_B\right)& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ -\sin \left({\mathrm{\θ}}_B\right)& 0& \cos \left({\mathrm{\θ}}_B\right)& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& -l_x\\ 0& 1& 0& -l_y\\ 0& 0& 1& -l_z\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\end{array}---\left(3\right)$

公式(1)、(2)、(3)中，(p_x,p_y,p_z)代表工件坐标系下测点的位置坐标，(u_x,u_y,u_z)代表工件坐标系下测头的方向矢量，而在测头坐标系下，这两个量分别为(0,0,1)和(0,0,0)。(m_x,m_y,m_z)为机床初始状态下工件坐标系到回转中心的偏移量，记作r_m1。θ_C代表转台的正向回转角度，θ_B代表摆头的正向摆动角度。(s_x,s_y,s_z)分别代表机床三个运动轴的位移量。(l_x,l_y,l_z)为机床初始状态下测头坐标系到摆动中心的偏移量，记作r_m2。

根据公式(1)-(3)，可计算获得检测过程中，机床的运动参数。

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_B=\±\arccos \left(u_z\right)\\ {\mathrm{\θ}}_C=\arctan 2(-u_y/\sin ({\mathrm{\θ}}_B),u_x/\sin \left({\mathrm{\θ}}_B\right))\\ s_x=m_x+\cos \left({\mathrm{\θ}}_B\right)l_x+\sin \left({\mathrm{\θ}}_B\right)l_z-l_x+m_x+\\ \cos \left({\mathrm{\θ}}_C\right)(p_x-m_x)-\sin \left({\mathrm{\θ}}_C\right)(p_y-m_y)\\ s_y=m_y+\sin \left({\mathrm{\θ}}_C\right)(p_x-m_x)+\cos \left({\mathrm{\θ}}_C\right)(p_y-m_y)\\ s_z=-\sin \left({\mathrm{\θ}}_B\right)l_x+\cos \left({\mathrm{\θ}}_B\right)l_z-l_z+p_z\end{array}\right.---\left(4\right)$

最后根据机床控制器的类型，将机床运动参数编入G代码程序命令中，生成检测代码。

实验验证

为验证本方案的可行性，对图6所示的工件进行在机检测验证。依托DMU 60monoblock五轴加工中心实现五轴平台在机检测功能，所采用的数控系统为海德汉公司的iTNC530，采样元件为3D测头TS649，经过实验验证，本方法取得了较好的实验效果，存在可行性。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种五轴加工中心在机检测复杂型面方法，其特征在于，所述在机检测复杂型面方法包括以下步骤：

基于商用软件UG NX8.0的实体造型技术，对检测点进行规划，获取型面检测点的坐标、法向矢量和切向矢量；

利用商用可视化数学软件读取检测点的坐标、法向矢量和切向矢量，规划检测路径；

通过检测路径对型面进行检测，根据五轴加工中心的类型，生成相应的在机检测代码。

2.根据权利要求1所述的一种五轴加工中心在机检测复杂型面方法，其特征在于，所述基于商用软件UG NX8.0的实体造型技术，对检测点进行规划，获取型面检测点的坐标、法向矢量和切向矢量的步骤具体为：

基于商用软件UG NX8.0的点集功能，在工件坐标系下，选择检测型面，根据非均匀有理B样条曲面的导线和母线方向，创建一组对应于检测型面的检测点，删除包含检测型面两端和底部的检测点；

通过对三维商用软件UG进行二次开发，利用GRIP语言，提取检测型面的检测点坐标、法向矢量和切向矢量。

3.根据权利要求1所述的一种五轴加工中心在机检测复杂型面方法，其特征在于，所述利用商用可视化数学软件读取检测点的坐标、法向矢量和切向矢量，规划检测路径的步骤具体为：

按照沿检测点法向矢量的接触原则对检测型面进行检测，将检测点进行编号，根据检测点获取对应的定位点、回退点，定位点、回退点的方向均沿对应的检测点的法向方向；

通过对测头移动速度的控制，结合检测点、定位点和回退点实现检测路径的规划。