CN105081884A - 一种旋转扫描3d成型的法向测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转扫描3D成型的法向测量装置，涉及多曲度曲面外形零件的定点位法向检测判断领域。它包括曲面法向检测头、测试箱、传感器线缆和电机驱动电缆。曲面法向检测头包括从上至下依次连接的主轴刀柄、芯棒、定位电机、联轴器、连接工装和传感器，传感器中心测量线、连接工装的轴线与主轴刀柄的轴线三者重合。测试箱包括设置在内部的上位工控机、网络通信线、控制器、电机驱动器和命令控制线。整套装置结构简单，操作方便，不仅可以实现所有曲面的法向测量，还可以容易地移置应用于多台机床。

Description

一种旋转扫描3D成型的法向测量装置

技术领域

本发明涉及多曲度曲面外形零件的定点位法向检测判断，尤其涉及一种旋转扫描3D成型的法向测量装置。

背景技术

多曲度曲面大型飞机薄壁钣金件、复合材料零件的制孔、锪窝、铆接铣削，以及飞机框梁与蒙皮的连接孔等加工明确要求采用法向方式，但是其实际形状与理论模型存在一定的差别，为保证准确无误的加工，要求事先对零件特征点进行法向检测判断，甚至加工后的法向精度复查。目前，公知的法向检测方法是多点位检测零件调整控制、四点检测对应软吊链驱动控制、三点检测多轴联动调整控制。这三种检测调整方法各有优缺点。多点位检测零件调整控制利用一个或多个(一般不超过4个)传感器通过一定排布规律在零件表面多次测量，依靠机床本身各运动轴的控制精度，但程序控制过于复杂、实际调整时间过长，存在有长期振荡的可能性。四点检测对应软吊链驱动控制能够实现精度较低的法向调整，但是由于采用四点软吊链悬挂产品零件，下降过程全靠产品的自重形成，且调整时产品存在来回晃动，刚性、稳定性、重复性较差，位于零件边缘的加工点根本无法测量。三点检测多轴联动调整控制对检测面积有一定的要求，需要10个控制轴，成本较高，其算法非常复杂，功能实现起来困难，操作也不方便。上述3种方法都寄生于整套设备中，无法单独作为法向测量装置。

发明内容

本发明的目的是为了克服振荡、重复性较差、操作困难、测量受限、成本高昂等不足，提供一种简易便携式法向检测装置，该装置夹持到不同主轴刀柄上时，可应用于不同类型的机床。

为了达到上述的技术效果，本发明采取以下技术方案：一种旋转扫描3D成型的法向测量装置，它包括曲面法向检测头、测试箱、传感器线缆和电机驱动电缆。所述曲面法向检测头包括从上至下依次连接的主轴刀柄、芯棒、定位电机、联轴器、连接工装和传感器，所述传感器中心测量线、连接工装的轴线与主轴刀柄的轴线三者重合。所述测试箱包括设置在内部的上位工控机、网络通信线、控制器、电机驱动器和命令控制线。所述控制器一端口通过网络通信线和上位工控机连接、控制器另一端口通过传感器线缆与传感器头连接；所述电机驱动器一端口通过命令控制线和上位工控机连接，电机驱动器另一端口通过电机驱动电缆和定位电机连接。

进一步的技术方案是：所述旋转扫描3D成型的法向测量装置还包括电机固定支架，用于固定定位电机。

进一步的技术方案是：所述测试箱外部设有电源进线接口，打印接口和数据输出端口。

进一步的技术方案是：所述传感器是条状激光光束位移传感器，所述传感器能发射出条状激光束。

进一步的技术方案是：所述旋转扫描3D成型的法向测量装置还包括传感器航插和电机电缆航插，所述传感器线缆通过传感器航插与控制器连接，所述电机驱动电缆通过电机电缆航插与电机驱动器连接。

控制器通过局域网络通信方式连接到上位工控机，工控机给控制器发出相关命令并采集数据，完成相应的后置处理；同时工控机根据工艺条件设置，控制旋转电机的驱动器，使得电机及工装旋转定位，其传感器定角度进行快速测量；工控机控制测量头旋转一次，采集一次数据，再旋转，再采集，最后在工控机得到不同角度下传感器与零件表面的多点垂直距离，因此可绘制出一个3D空间模型，通过分析、比对和软件处理，即可判断当前测量旋转轴线是否为中心点的法向。

本装置在操作时，根据被测物体形状，上位工控机人机界面中设置测量精度、旋转步长、旋转范围等参数，一键启动，旋转电机自动定位旋转，传感器测量位移，即可在一分钟内完成所有的测量并得出结果，并可选择打印测量报告。通过测试，只要有需加工孔孔径2倍直径的面积，设置较小的旋转角度值，宏观上实现面扫描，最后都可以测量计算法向。整个测量装置固定在一个标准芯棒上，测量头与控制器的连接采用航空插头，旋转电机及附件与驱动部分也采用航空插头连接，其它控制器全部安装固定在一个专用测试箱中，所以可以非常方便的移置到其它机床主轴头上，进行法向检测。

本发明与现有技术相比，具有以下的有益效果：整套装置结构简单，操作方便，不仅可以实现所有曲面的法向测量，还可以容易地移置应用于多台机床。针对不同要求，设置简单参数，一键启动，通过旋转定位扫描，数据处理后即可得到3D模型；该装置夹持到不同主轴刀柄上，即可应用于不同类型的机床；特别是小型曲面零件加工孔位于零件边缘，传统方式已无法检测，本装置都能实现。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1旋转扫描测量示意图。

附图标记：

1-主轴刀柄，2-芯棒，3-定位电机，4-联轴器，5-连接工装，6-传感器，7-条状激光束，8-曲面零件，9-测试箱，10-上位工控机，11-网络通信线，12-控制器，13-电机驱动器，14-命令控制线，15-电源进线接口，16-打印接口，17-传感器航插，18-电机电缆航插，19-电缆固定支架，20-数据输出端口。

具体实施方式

下面结合本发明的实施例对本发明作进一步的阐述和说明。

实施例：

如图1所示，发射条状激光束的传感器6固定到连接工装5上，再通过联轴器4与旋转定位电机3组合在一起，电机3再固定到一个标准的芯棒2上，最后形成一个曲面法向检测头。标准芯棒2的直径是16mm，通过标定使得传感器6中心测量线、连接工装5的轴线与加工主轴即芯棒2的轴线重合。通过机床主轴刀柄1很容易连接在任何的机床上工作。传感器线缆通过传感器航插17与控制器12连接，电机驱动电缆通过电机电缆航插18电机驱动器13连接。传感器的控制器12和电机驱动器13均固定在手提式的测试箱9内，在测试箱内还有测量用人机交互的上位工控机10，利用相应的网络通信线11和命令控制线14形成一个完整的电气控制系统。

测量装置的标定：选择一台经过定检的三坐标机床，准备好匹配的主轴刀柄1、雷尼绍工件找正激光探头、一个150mm×150mm标准检验平板和一个直径为200mm的半圆标准球体。在主轴上安装雷尼绍探头，激活相关测量功能，操作机床X、Y、Z移动，并调整标准平板，直到平板与主轴(Z向)垂直。保持好标准平板，更换装有法向测量传感器头的刀柄在主轴上，连接电气控制系统，通电预热10分钟左右达到测量状态。调整Z轴高度，确保在传感器头的测量范围内，激活上位工控机的测量软件，采集激光传感头的数据，调整并校正安装工装Z向4颗调节螺钉，直到所有测量点数据在0.01mm范围内，然后控制旋转定位电机旋转5°，再次测量，再次校正，直到360°范围的测量均满足要求，标明测量头的旋转轴线为当前标准平板的法向。再将直径为200mm的半圆标准球体放置在平板之上，先利用雷尼绍探头找到球的最高点，然后更换上装有测量头的主轴刀柄，调节工装上X、Y水平面的调节螺钉，使得测量头的中心为球体的最高点，从而保证测量头的中心点、旋转工装的中心、主轴中心完全重合，最后锁定测量工装各调节部分，标定工作完成。

如图2所示，正常工作时，传感器6发射出条状激光束7，共计800束激光测量点到达曲面零件8上，要求其中间测量点位于测量点之上，条状直径与测量头距离零件表面高度相关。通过反射回到传感器6，控制器12便得到传感器6与零件8表面的多点垂直距离，上位工控机10通过局域网络与控制器12通信，从而得到第一组2维线性数据Z1(D001、D002、D003、D004、、、、、、D800,注：最多800点数据，根据测量需求进行范围选择)，然后上位工控机10控制定位电机3定位一个角度θ，再次测量，得到另一组数据Z2(D1001、D1002、D1003、D1004、、、、、、D1800)，依次重复，旋转n次后得到数据Zn(Dn001、Dn002、Dn003、Dn004、、、、、、Dn800)。通常情况下，在曲面零件的A1类似点的旋转约180°，之后可以得到以测量点为中心的3D测量数据，数据矩阵如下：

$\left[\begin{array}{c}0\\ \mathrm{\θ}\\ 2\mathrm{\θ}\\ 3\mathrm{\θ}\\ \mathrm{..}\\ .\\ n\mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccccccc}D001& D002& .& D399& D400& .& D798& D800\\ D1001& D1002& .& D1399& D1400& .& D1798& D1800\\ D2001& D2002& .& D2399& D2400& .& D2798& D2800\\ .D3001& D3002& .& D3399& D3400& .& D3798& D3800\\ .& .& .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .& .& .\\ Dn001& Dn002& .& Dn399& Dn400& .& Dn798& Dn800\end{array}\right]$

通过上述矩阵中的数据，进行作图并输出一个3维空间模型，根据测量精度、零件表面复杂程度、测量数据的有效性，选择以测量中心点为圆心的同一直径点的多组数据进行比较，比如(D1002，D2002，D3002，，，Dn002，D1798，D2798，D3798，，，Dn798)或者(D1108，D2108，D3108，，，Dn108，D1692，D2692，D3692，，，Dn692)，对上述同组数据，首先采用小波过滤法去除干扰带来的突变数据，如果剩下有效数据个数满足设定计算要求，再对剩下的数据求平均值，否则舍弃当前数据组，然后利用标准GB/T17421.2—2000即ISO230-2：1997进行均方根等误差计算，如果在设定的允许误差范围内即可表示通过；重复上述步骤，在系统指定个数的有效数据组均在误差范围内，则说明当前位置状态即为法向；如果超出允差范围较多，则说明不是法向状态。

在曲面零件的A2类似点的n次旋转约180°之后，得到较少测量数据点，如(D1002，D2002，D3002，，，Dn002)；在A3类似点，要求n次旋转约90°左右，虽然扫描范围变小，系统一旦识别到这些特征点，即自动减少设定旋转角度，变为θ/2,再次返回旋转自动测量，从而得到更密集的测量数据，通过上述算法可以判定当前主轴状态是否为曲面零件加工点的法向。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种旋转扫描3D成型的法向测量装置，其特征在于：它包括曲面法向检测头、测试箱(9)、传感器线缆和电机驱动电缆，所述曲面法向检测头包括从上至下依次连接的主轴刀柄(1)、芯棒(2)、定位电机(3)、联轴器(4)、连接工装(5)和传感器(6)，所述传感器(6)中心测量线、连接工装(5)的轴线与主轴刀柄(1)的轴线三者重合；所述测试箱(9)包括设置在内部的上位工控机(10)、网络通信线(11)、控制器(12)、电机驱动器(13)和命令控制线(14)，所述控制器(12)一端口通过网络通信线(11)和上位工控机(10)连接、控制器(12)另一端口通过传感器线缆与传感器(6)连接，所述电机驱动器(13)一端口通过命令控制线(14)和上位工控机(10)连接，电机驱动器(13)另一端口通过电机驱动电缆和定位电机(3)连接。

2.根据权利要求1所述的旋转扫描3D成型的法向测量装置，其特征在于：所述旋转扫描3D成型的法向测量装置还包括电机固定支架(19)，用于固定定位电机(3)。

3.根据权利要求1所述的旋转扫描3D成型的法向测量装置，其特征在于：所述测试箱(9)外部设有电源进线接口(15)，打印接口(16)和数据输出端口(20)。

4.根据权利要求1所述的旋转扫描3D成型的法向测量装置，其特征在于：所述传感器(6)是条状激光光束位移传感器，所述传感器(6)能发射出条状激光束(7)。

5.根据权利要求1-4任一项所述的旋转扫描3D成型的法向测量装置，其特征在于：所述旋转扫描3D成型的法向测量装置还包括传感器航插(17)和电机电缆航插(18)，所述传感器线缆通过传感器航插(17)与控制器(12)连接，所述电机驱动电缆通过电机电缆航插(18)与电机驱动器(13)连接。