CN105382631A - 一种五轴数控机床旋转轴误差的检测设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种五轴数控机床旋转轴误差的检测设备和方法，包括双目机器视觉非接触式测量头和可调位置的标准球装置；双目机器视觉非接触式测量头包括L形安装架，L形安装架上设有连接柄和相机；可调位置的标准球装置包括磁力基座，磁力基座上设有伸缩调节安装座，伸缩调节安装座顶部固定有标准球；利用机床直线轴能带动测量系统的精确定位，检测旋转轴的误差。本发明融合机器视觉非接触式测量，具有效率高、测量过程简单的优点，标准球具有各向同性、安装布局方便的特点，以及在机测量技术实现与机床自身的无缝集成，安装便捷、定位精准的优势，使得高度非线性旋转轴综合误差的测量效率高、精度好、操作简单。

Description

一种五轴数控机床旋转轴误差的检测设备和方法
技术领域
本发明涉及一种数控机床误差的检测设备及测量方法，尤其涉及一种五轴数控机床旋转轴误差的检测设备和方法。
背景技术
五轴数控机床是复杂曲面类零件的理想加工设备，对军事、航空、航天、精密器械等行业具有举足轻重的作用，是叶片、汽轮机转子、船用螺旋桨、大型柴油机曲轴等高精复杂曲面类零件的唯一加工手段，综合体现着一国制造业发展水平。五轴数控机床一般是在三个线性轴的基础上，增加两个旋转轴。增加的旋转轴提升了机床的柔性，进而提高材料的去除率和表面加工质量，能减少工件的装夹次数，缩短加工时间。但是，旋转轴组成零件不可避免的存在制造、安装误差，使用过程中必然存在磨损精度丢失、变形等，使得几何误差具有高度非线性和时变的特点。据研究表明，旋转轴的几何误差对加工精度具有显著的影响。如何对旋转台误差进行快速、高效的测量，为机床误差补偿提供依据是产业界孜孜以求的目标，也是保证产品加工精度的关键。
目前，对于旋转轴误差的测量目前还没有直接、统一的方法，主要以综合误差测量为主。国内外研究人员进行了大量的研究工作。主要采用的测量设备有球杆仪、激光跟踪仪、R-test设备、正12面或24面多棱镜及自准直仪等。球杆仪价格便宜，应用最为广泛，但测量时的安装、调整复杂，测量效率低下，人员经验要求高。激光跟踪仪，测量方便快捷，但价格昂贵。R-test设备为接触式测量，对测量条件要求高，测量效率有限。正12面或24面多棱镜及自准直仪，需特殊工装，测量过程复杂。另外，发明专利CN103323229A提出了一种“基于机器视觉的五轴数控机床旋转轴误差测量方法”通过一套独立的单目图像采集系统和多组同心圆矩形阵列实现五轴误差的测量，测量方法采用非接触测量，测量过程简单，但要求单目相机的成像面与测量标志所在面要平行，检测标志固定面与旋转轴线要垂直，安装调整困难。
数控机床直线轴的误差往往比旋转轴的误差小很多，且可以通过激光干涉仪进行直接测量和补偿，因此基于数控机床自身的在机测量系统正成为旋转轴误差高效、便携测量的理想工具。IBAEAKIS.等人基于三个标准方块利用接触式在机测量系统进行五轴机床旋转轴误差的综合测量。BIQZ等人则基于单个标准方块利用触发式在机测量系统进行五轴机床旋转轴误差的综合测量。ErkanT等人基于多个标准球利用触发式在机测量系统进行五轴机床误差失真程度的分析。然而这些在机测量系统属于接触式测量，测量效率不高，局限了采用点数量。综上所述，现有的旋转轴误差测量方法均有不足。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种五轴数控机床旋转轴误差的检测设备和方法。本发明融合机器视觉非接触式测量，具有效率高、测量过程简单的优点，标准球具有各向同性、安装布局方便的特点，以及在机测量技术实现与机床自身的无缝集成，安装便捷、定位精准的优势，使得高度非线性旋转轴综合误差的测量效率高、精度好、操作简单。
为达到上述技术效果，本发明的技术方案是：
一种五轴数控机床旋转轴误差的检测设备，包括双目机器视觉非接触式测量头和可调位置的标准球装置；所述双目机器视觉非接触式测量头包括L形安装架，L形安装架上设有连接柄；L形安装架的两个侧边分别安装有相机，两台相机相互垂直安装；相机通过无线网络与计算机相连；所述可调位置的标准球装置包括磁力基座，磁力基座上设有伸缩调节安装座，伸缩调节安装座顶部固定有标准球；所述伸缩调节安装座包括若干套置的调节柱，调节柱外侧设有导向销，调节柱内侧设有竖向导槽和与导向销配合的定位导轨槽。
进一步的改进，所述连接柄为与五轴数控机床的主轴刀座配合的标准刀柄。
进一步的改进，所述相机为CCD相机；相机的分辨率不低于1000万像素。
进一步的改进，所述定位导轨槽为多个，定位导轨槽上下并列设置。
进一步的改进，所述L形安装架上设有加强筋。
进一步的改进，所述定位导轨槽为楔形槽，定位导轨槽沿顺时针方向逐渐向上螺旋，导向销为与定位导轨槽配合的楔形。
一种五轴数控机床旋转轴误差的检测方法，包括如下步骤：
步骤一)标准球位置的调整与安装：
在五轴数控机床的行程范围内，利用磁力基座将标准球安装在工作台上；在五轴数控机床的主轴上安装双目机器视觉非接触式测量头；
步骤二)图像采集：
2.1)利用五轴数控机床的直线轴手动驱动双目机器视觉非接触式测量头接近标准球，获得标准球的初始安装大致位置；两台相机分别采集标准球的投影圆图像，进行图像处理分析；
2.2)根据图像处理分析的结果，五轴数控机床自动调整双目机器视觉非接触式测量头，使标准球的中心处在两台相机中轴线的交点上，获得标准球的初始安装精确位置；
2.3)驱动五轴数控机床的两个旋转轴运动，启动五轴数控机床的随动功能，使相机的焦点跟随标准球的理论球心相对不运动，两台相机中轴线的交点为标准球圆心的理论位置；在运动过程采集标准球的投影圆图像；
步骤三)图像处理与分析：
根据标准球在两个相互垂直角度下的投影圆图像，依次进行圆边界像素信息提取，拟合圆轮廓、拟合圆心位置，获得标准球圆心的实际位置；根据标准球圆心的理论位置与标准球圆心的实际位置得出五轴数控机床两个旋转轴的综合误差；
步骤四)重复测量：
使用磁力基座和伸缩调节安装座调整标准球的水平位置和高度位置，重复步骤一)至步骤三)进行多次测量，根据多次测量得到的综合误差获得两个旋转轴全方位的综合误差。
进一步的改进，所述步骤三)中，采用Canny算子边缘检测算法对投影圆图像进行圆边界像素信息提取。
进一步的改进，所述步骤三)中，采用最小二乘法拟合圆轮廓。
进一步的改进，所述步骤四)中，进行多次测量的测量点均匀分布。
本发明融合机器视觉非接触式测量，具有效率高、测量过程简单的优点，标准球具有各向同性、安装布局方便的特点，以及在机测量技术实现与机床自身的无缝集成，安装便捷、定位精准的优势，使得高度非线性旋转轴综合误差的测量效率高、精度好、操作简单。
附图说明
图1为双目机器视觉非接触式测量头的结构示意图；
图2为可调位置的标准球装置的结构示意图；
图3为调节柱的结构示意图；
图4为发明的安装结构示意图；
图5为发明测量方法的简图；
图6为投影圆图像；
图7为图像处理分析结果图；
其中，1.L形安装架，2.连接柄，3.相机，4.磁力基座，5.伸缩调节安装座，6.标准球，7.调节柱，8.导向销，9.定位导轨槽，10.加强筋，11.双目机器视觉非接触式测量头，12.可调位置的标准球装置。
具体实施方式
实施例1
如图1和图2所示的一种五轴数控机床旋转轴误差的检测设备，包括双目机器视觉非接触式测量头11和可调位置的标准球装置12；所述双目机器视觉非接触式测量头11包括L形安装架1，L形安装架1上设有连接柄2；L形安装架1的两个侧边分别安装有相机3，两台相机3相互垂直安装；相机3通过无线网络与计算机相连。这样采集的图像能实时通过无线通信模块传输到计算机上进行处理分析。
所述可调位置的标准球装置12包括磁力基座4，磁力基座4上设有伸缩调节安装座5，伸缩调节安装座5顶部固定有标准球6；所述伸缩调节安装座5包括若干套置的调节柱7。
如图3所示，调节柱7外侧设有导向销8，调节柱7内侧设有竖向导槽和与导向销8配合的定位导轨槽9。
连接柄2为刀柄状，以便于安装到五轴数控机床的主轴刀座上，以实现测量系统与机床本体的无缝集成，利用机床直线轴能带动测量系统的精确定位。所述相机3为CCD相机；相机3的分辨率优选不低于1000万像素。定位导轨槽9为多个，定位导轨槽9上下并列设置。L形安装架1上设有加强筋10。定位导轨槽9为楔形槽，定位导轨槽9沿顺时针方向逐渐向上螺旋，导向销8为与定位导轨槽9配合的楔形。方便通过旋转对标准球6精确定位。高一节的调节柱导向销安装在低一节的定位导轨槽内。当调节柱旋转，导向销刚好落在竖向导槽时，可实现上下位置的调整。当调整到合适高度时，反向旋转以实现锁紧定位。
本装置的安装方式如图4所示。本装置的原理是利用机床直线轴能带动测量系统的精确定位，检测旋转轴的误差。
具体为：将双目机器视觉非接触式测量头11安装到五轴数控机床的主轴刀座上；将磁力基座4吸附到五轴数控机床的工作台面上，调整双目机器视觉非接触式测量头11，使标准球6的中心处在两台相机3中轴线的交点上，然后转动两个旋转轴，五轴数控机床的三个直线轴能带动测量系统的精确定位，启动五轴数控机床的随动功能，使相机的焦点跟随标准球的理论球心相对不运动，两台相机中轴线的交点为标准球圆心的理论位置；在运动过程采集标准球的投影圆图像，计算出标准球球心的实际位置，调整标准球的水平位置和高度，即可得到多出位置标准球圆心的理论位置与标准球球心的实际位置的综合误差。
实施例2
一种五轴数控机床旋转轴误差的检测方法，包括如下步骤：
标准球位置的调整与安装：利用可调节的磁力安装基座，在工作台的不同位置、安装高度不等的标准球，以构造不同坐标位置下的测量点系，球的位置和高度应尽量在行程范围内均布。同时在机床主轴上安装双目机器视觉非接触式测量头。
图像采集：通过手动方式利用直线轴驱动动测量头接近标准球，并采集标准球的两幅图像信息，以获得标准球的初始安装位置。第一次手动测量采集后，利用图像处理分析获得的位置进行进一步的自动精确采集与调整，使得球的中心刚好处在两台相机中轴线的交点上，并精确获得标准球的初始安装位置。通过数控编程，驱动两个旋转轴运动，且利用五轴机床的随动功能，使相机焦点跟随标准球的理论球心相对不运动，在运动过程采集标准球的图像信息。
图像处理与分析：通过采集图像的处理与分析，获得标准球的实际坐标位置。图像的处理与分析包括图像边缘的提取、圆心位置的拟合、标准球球心坐标的计算。利用双目机器视觉测量系统获得的图像为标准球在两个相互垂直角度下的投影圆图像。首先对圆的边界进行检测，采用Canny算子边缘检测算法对圆图像进行圆边界像素信息的提取。对提取的图像边缘像素信息，采用最小二乘法拟合圆轮廓，获得圆心的精确坐标值。对拟合获得的两个圆心坐标，结合机床五个轴所处的位置坐标，计算出标准球的三维实际位置值。
实施例3
以如图4所示的转台加摆头的结构形式的五轴数控机床为例(图中B轴旋转时存在的误差，会使运动链不会闭合，进而通过运动链将B轴的误差同样反映到测量结果上)，进行进一步说明：
如图5所示，设工件坐标系的初始位置与参考坐标系重合，并将原点设在机床的工作台上表面中心。B、C轴旋转的角位移为Bi、Cj(i＝1…Nb,j＝1…Nc)。通过可调伸缩柱的调整，调节标准球的安装高度，并通过磁力基座将标准球安装在工作台平面的指定位置处。机床的旋转轴刚开始处于B1＝0&&C1＝0的初始位置。通过手动方式利用直线轴驱动动测量头接近标准球，并采集标准球的两幅图像信息，经过图像分析和处理后，获得标准球的粗安装位置。图6为采集的图像，图7为图像处理分析结果图。利用图像处理分析获得的位置进行进一步的自动精确采集与调整，使得球的中心刚好处在两台相机中轴线的交点上，并将这一点作为初始安装位置p(1,1,k)，(k＝1…Nt，表示第k次安装的标准球)。C轴每旋转到Cj(j＝1…Nc)位置处，B轴在不同的旋转角位移Bi(i＝1…Nb)下，在假设旋转轴无误差情况下，通过运动链关系计算p(1,1,k)对应的理论坐标点p′(i,j,k)。通过数控编程，通过直线轴的配合运动，将两台相机中轴线的交点精确定位到p′(i,j,k)点处。继而采集标准球的两幅图像信息，通过两幅圆图像边缘检测和圆心的拟合，获得圆心与相机中轴线的偏差。根据两幅图像获得的圆心偏差，即可计算获得球心点的实际坐标值p(i,j,k)，从而可得两个旋转轴在当前状态下的综合误差pe(i,j,k)。继续通过可调伸缩柱的调整，调节标准球的其它安装高度，在工作台平面的不同位置处通过磁力基座安装标准球，并在不同的旋转轴的不同角位移下同上述方法进行采样测量，实现全方位上的两个旋转轴综合误差的测量。
以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种五轴数控机床旋转轴误差的检测设备，其特征在于，包括双目机器视觉非接触式测量头(11)和可调位置的标准球装置(12)；所述双目机器视觉非接触式测量头(11)包括L形安装架(1)，L形安装架(1)上设有连接柄(2)；L形安装架(1)的两个侧边分别安装有相机(3)，两台相机(3)相互垂直安装；相机(3)通过无线网络与计算机相连；所述可调位置的标准球装置(12)包括磁力基座(4)，磁力基座(4)上设有伸缩调节安装座(5)，伸缩调节安装座(5)顶部固定有标准球(6)；所述伸缩调节安装座(5)包括若干套置的调节柱(7)，调节柱(7)外侧设有导向销(8)，调节柱(7)内侧设有竖向导槽和与导向销(8)配合的定位导轨槽(9)。
2.如权利要求1所述的五轴数控机床旋转轴误差的检测设备，其特征在于，所述连接柄(2)为与五轴数控机床的主轴刀座配合的标准刀柄。
3.如权利要求1所述的五轴数控机床旋转轴误差的检测设备，其特征在于，所述相机(3)为CCD相机；相机(3)的分辨率不低于1000万像素。
4.如权利要求1所述的五轴数控机床旋转轴误差的检测设备，其特征在于，所述定位导轨槽(9)为多个，定位导轨槽(9)上下并列设置。
5.如权利要求1所述的五轴数控机床旋转轴误差的检测设备，其特征在于，所述L形安装架(1)上设有加强筋(10)。
6.如权利要求1所述的五轴数控机床旋转轴误差的检测设备，其特征在于，所述定位导轨槽(9)为楔形槽，定位导轨槽(9)沿顺时针方向逐渐向上螺旋，导向销(8)为与定位导轨槽(9)配合的楔形。
7.一种五轴数控机床旋转轴误差的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一)标准球位置的调整与安装：
在五轴数控机床的行程范围内，利用磁力基座(4)将标准球(6)安装在工作台上；在五轴数控机床的主轴上安装双目机器视觉非接触式测量头(11)；
步骤二)图像采集：
2.1)利用五轴数控机床的直线轴手动驱动双目机器视觉非接触式测量头(11)接近标准球(6)，获得标准球(6)的初始安装大致位置；两台相机(3)分别采集标准球(6)的投影圆图像，进行图像处理分析；
2.2)根据图像处理分析的结果，五轴数控机床自动调整双目机器视觉非接触式测量头(11)，使标准球(6)的中心处在两台相机(3)中轴线的交点上，获得标准球(6)的初始安装精确位置；
2.3)驱动五轴数控机床的两个旋转轴运动，启动五轴数控机床的随动功能，使相机(3)的焦点跟随标准球(6)的理论球心相对不运动，两台相机(3)中轴线的交点为标准球(6)圆心的理论位置；在运动过程采集标准球(6)的投影圆图像；
步骤三)图像处理与分析：
根据标准球(6)在两个相互垂直角度下的投影圆图像，依次进行圆边界像素信息提取，拟合圆轮廓、拟合圆心位置，获得标准球(6)圆心的实际位置；根据标准球(6)圆心的理论位置与标准球(6)圆心的实际位置得出五轴数控机床两个旋转轴的综合误差；
步骤四)重复测量：
使用磁力基座(4)和伸缩调节安装座(5)调整标准球(6)的水平位置和高度位置，重复步骤一)至步骤三)进行多次测量，根据多次测量得到的综合误差获得两个旋转轴全方位的综合误差。
8.如权利要求7所述的五轴数控机床旋转轴误差的检测方法，其特征在于，所述步骤三)中，采用Canny算子边缘检测算法对投影圆图像进行圆边界像素信息提取。
9.如权利要求7所述的五轴数控机床旋转轴误差的检测方法，其特征在于，所述步骤三)中，采用最小二乘法拟合圆轮廓。
10.如权利要求7所述的五轴数控机床旋转轴误差的检测方法，其特征在于，所述步骤四)中，进行多次测量的测量点均匀分布。
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