CN106247939A - 智能检具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能检具，包括安装在工件装夹平台上对应工件检测点的激光传感器，在遮挡于激光传感器的激光的路径上，具有用于校准激光传感器的归零装置。使用时，将激光传感器固定，先用归零装置对激光传感器置零，就可以利用激光传感器精确检测实际零件偏差，板发明提高了检零件检测的效率。

Description

智能检具

技术领域

本发明涉及一种以采用光学方法为特征的计量设备，具体涉及一种对零件尺寸精度进行快速智能化检查的智能检具。

背景技术

各部件为达到理想的制造加工精度，如汽车零部件及整车，需要相关检具的测量稳定性和精度有足够的保证。

现阶段的尺寸检测，通常使用支撑结构(夹具)将零件按照设计图纸规范定位在检具上，采用以下接触或非接触的检查方式在检具上对零件进行尺寸检测：

方式一，专用的量尺或量规手工检查；

方式二，使用空间位置测量设备对工件尺寸进行接触式检测；

方式三，在定位检具上设置一组高精度的检查块，采用百分表或DateMyte等量具逐个插入检查块上的衬套(表座)中，读取零件位置以求导尺寸偏差。

方式一需要在检查的位置有高精度的检查块作为参照来评估零件的尺寸偏差，故获取的零件尺寸读数的误差，是这些检查块的自身精度偏差、量尺/量规的偏差，以及操作人员对量尺/量规的读取判断偏差这三者的累积。检查块的精度在±0.1mm，导致检测方式的偏差能高达0.2mm。造成测量的稳定性不够，测量速度慢，通常需要数分钟，且数据精度不高，影响产品交付质量。

而且由于这类检具上的检查块常常会接触量尺/量规，检查块会受到磨损，要经常维护或更换检查块。维护保养的要求和成本比较高。另外手工测量得到的数据还要手工记录和输入到电脑系统。可见方式一的检测模式效率低下，耗时多，结果还不够精确。

方式二需要借助空间位置测量设备，如固定或移动三坐标测量仪，采用接触测量的方式对零件进行测量。此类检具无需高精度的检查块作参照，如三坐标测量仪直接由探针获取零件在检测位置的偏差。测量结果的精度取决于空间位置测量设备的自身精度，从而获取的零件尺寸读数的误差可以控制在0.05mm或更低。空间位置测量设备的成本较高，固定三坐标测量仪还需要恒温恒湿的环境要求。无论是人工操作三坐标测量仪，还是编程自动检，都需要投入大量的人力和准备工作。而移动式三坐标虽然不受环境温度的影响，但精度已无法满足某些零件的测量要求，尤其是对于形状复杂的汽车零部件，三坐标的探针无法到达某些特定的测量位置。

方式三使用同一个百分表在检具台上依次去测量零件的不同位置，经常需要对百分表归零，每个检查块都是检查基准，检查块的加工和调试精度都要求非常高，这些精度要求都转换为检具的制造成本，制约了其推广使用。

也可以将激光传感器这样的高精度传感器(0.01mm)应用在方式三的检具上，可以瞬间获取测量值，属于目前的新兴技术。然而仍需在检具上设置高精度的检查块作为参照，对激光传感器的位置进行校准，这就对激光传感器的安装提出了极高的精度要求，整个系统综合检查块的精度和激光传感器的安装位置精度才能得到高的检测精度结果。在工业现场的严苛使用环境中，检查块和激光传感器发生任何的偏移，都会导致检查结果的精度降低，与方式一同样存在检查块的定位精度影响测量精度的问题，对检具的制作和维护提出了更高的要求。这些对精度的过高要求最后都转化为设备制造和调试的过高成本，严重影响了该技术的应用推广。

经检索，中国专利文献CN103196365A公开了一种汽车零部件激光扫描检具，采用检具上的激光传感器扫描被检零部件获取测量数据，计算机调用测量数据并合成零件图像，再将零件图像与原先预存标准图像合成作对比，以此判定待检测的产品是否合格，需要采用移动的激光传感器扫描零部件的全部轮廓，通过计算机建模才能得到零件图像，耗时较长。而且现有的扫描设备的扫描精度也无法满足零件质量控制的要求。另外，在实际生产制造中，大部分零部件只需对关键部分的尺寸精度进行质量控制，例如仅将零件上需要安装配合的部位的尺寸作为质量控制点，采用整体扫描和比对的检测方法就显得效率过低。

中国制造2025提出了“推进信息化与工业化深度融合”与“生产过程的自动化和智能化建设”的战略目标及重点，检具的智能化也就成为工业4.0中的“智能工厂”和“智能生产”的重要环节。

如何对现有的定位检具进行有限的改造升级，以实现高速、高精度的自动检测，已成为亟待解决的技术问题。

发明内容

发明目的：为了克服以上现有技术中存在的诸多不足，本发明提供一种智能检具，用于对零件进行高速、高精度的自动检测。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的智能检具，包括工件装夹平台，所述工件装夹平台上对应工件检测点的位置安装有激光传感器，所述激光传感器与工件之间留出用于取放工件的操作空间，所述工件装夹平台上还具有用于校准激光传感器的归零装置。现有检具上，用于安装定位百分表、DataMyte等量具的安装座，需要极高的位置精度，需要对量具的安装坐标进行非常精确的调整，测得结果的误差也是安装座定位误差与零件误差的累积。而本方案，先将激光传感器牢固地安装在传感器支架(相当于安装座)上，然后再用归零装置的来反推激光传感器的精确位置，节约了高精度安装座的制造成本，以及调整校准安装座所需的人工成本。

作为优选，所述激光传感器通过传感器支架固定安装在工件装夹平台上，所述归零装置遮挡于激光传感器的激光的路径上，所述归零装置采用可拆卸地安装在工件装夹平台或传感器支架上的参考块结构，在激光传感器固定安装到传感器支架上之后，再将参考块安装在该激光传感器可检测的位置，利用三坐标测量机或其他手段测量得到该参考块反射面的坐标，将激光传感器的测量值与反射面实际坐标反推，就能得到激光传感器的准确位置。

作为优选，所述归零装置是安装在传感器支架上的参考块，可以在需要对激光传感器归零时，将归零装置的参考块安装到能够遮挡激光束的位置，当需要检测工件时再安装到对工件不干涉的位置。可以采用铰接安装的方式，在需要对激光传感器归零时，将归零装置的参考块翻转到能够遮挡激光束的位置，当需要检测工件时再翻转折叠到外侧，避免其对工件的干涉。

作为优选，所述工件装夹平台选用定位检具，定位检具的检具型面也可以作为归零装置。

进一步地，将可编程智能操作面板与激光传感器相连接，可以使检具自带显示和编程控制。

进一步地，将可编程智能操作面板通过有线或无线网络接入公司IT系统，对检测数据进行更为充分的分析和利用。

进一步地，激光传感器可以与电源和无线通信装置整合成独立的传感器模块，方便地安装在现有检具上的量具位置，不需要线缆连接，在工业应用中避免了线缆损坏。布置方式也更加灵活，应用范围更广，可作为工业物联网的一部分。

本发明同时提出上述智能检具的检测方法，包括以下步骤：

步骤1，在检具设计加工时期，将产品设计模型测量点A沿零件表面法向投影到检具型面上，并标记出靶点B位置；

步骤2，以测量点A和靶点B连线为光束路径，逆向确定光源点C位置，从而确定传感器安装位置，安装相应的传感器支架机构；

步骤3，在每个传感器的光束路径上设置归零装置，用于在测量开始前对每个传感器置零；

步骤4，打开激光源，检查激光束在检具型面上的光斑是否上靶点B，快速检查传感器光束位置是否无偏移；

步骤5，切换并限位固定归零装置，标记激光束光斑在归零装置上的点位D；

步骤6，用空间位置测量设备测量归零点D的空间坐标值并记录；将此时传感器示数置零；

步骤7，移除归零块使之不再遮挡激光束，并加载实际零件进行检测，传感器激光束在零件上实际投射得到光斑点E，传感器获得点D到点E的距离，正值表示远离激光点C，负值表示靠近激光点C；

步骤8，实际零件偏差向量EA＝向量DA-向量DE；系统输出结果读数，计算结果正号表示零件向靠近激光点C方向偏移，负号表示零件向远离激光点C方向偏移。

具体地，所述步骤8中，距离DA是由空间位置测量设备检测得到点D坐标值，直接由空间位置测量设备软件通过D点和A点坐标计算得到。

具体地，所述步骤8中，直接将空间位置测量设备测得的D点坐标值和A点理论坐标输入数据处理系统，由系统换算DA距离。

当采用定位检具的检具型面作为归零装置时，上述方法衍生出另一套检测流程：

步骤1，检测前激光位移传感器以靶点B归零，所述靶点B同时作为归零点D；

步骤2，使用空间位置测量设备标定靶点B的坐标；

步骤3，利用步骤1，2获得的数据，对激光位移传感器置零

步骤4，激光位移传感器检测实际零件，计算产品设计模型测量点A与实测点E的距离，测量系统显示读数为：实际零件偏差AE＝BE-DA。

由于提高了检测的速度和效率，本发明的智能检具即可用于离线抽检，也可以用于在线全检。

发明原理：

1)激光测量系统的逻辑，是传感器测量点，传感器位置清零；一个检具上可能有n个传感器，每一个传感器都清零。

2)输入针对传感器的修正值，并储存起来。

3)打点，存储每个传感器(共n个)的读数。

4)屏幕上显示输出3)的读数+修正值。

5)保存n个#4)数值输出一个带有序列号的数组；数组抬头要有一定的名称要求+测量的时间和第一次清零的时间及输入名目。

测量与计算过程如下：

第一步就是打在参考块上，参考块可以拆卸作为传感器清零的参考。

第二步用空间位置测量设备，如三坐标去打参考块上的同一点，这时传感器清零，三坐标测量机测出的值与检具坐标系中的标称值之差就是下一步用的修正值。

第三步打点就是打的实际零件的测量点。这时用以上的修正值修正传感器测量值就是零件尺寸的绝对偏差。

光束投射角度引起测量误差的原理如图6所示，激光传感器2的激光束投射到实际被测面(实际零件)4，与理论被测面(产品设计模型)5相比，存在实际光速缩短距离1，选取不同的投射角度α，利用三角函数算出测量误差d。

由上表可知，当α取10°，实际法向偏差为1毫米时，测量误差在0.015毫米，已足以满足检具的使用需求。

有益效果：本发明将激光传感器安装在工件装夹平台上对应工件检测点的位置，辅以校准激光传感器的归零装置，相当于在现有定位检具的坐标系统概念和工件定位方式的基础上，引入了高精度非接触式激光测量手段，具有以下显著的进步：

1.不但对零件尺寸数据高速高精度的获取，而且对激光传感器的安装定位精度不做要求，部署非常简单。

2.在现有定位检具的基础上进行有限的加装改造，就能够形成高速、高精度的自动检测系统，对现有定位检具的利用率高，成本优势明显。

3.本检具的核心设备如激光传感器、支架及归零装置及可编程智能操作面板均为通用设备，当产品生命周期结束时，可以将这些通用设备拆除，并转移到其他新产品的定位检具上使用，具备极高的重复使用性。

4.其非接触、高精度的检测特性，在零件装入定位检具时可以避免检具与零件的干涉，免去了在检具上设计过多活动部件所带来的成本和精影响，非常适合检测汽车工业中的车身钣金类、注塑类零部件。

5.检具只需要一次标定，就可以连续检测，检测过程中也不需要重新安装激光传感器，可以执行高速的流水化检测作业。

6.进一步将本检具与自动化不系统集成，可以实时尺寸合格判断、报警，为SPC提供完整精确历史记录。可以在不增加CycleTime的同时对关键零件实施100％全检，为质量管理提供实施尺寸手机端和公司系统报告。

综上，本发明相比现有的检具，具有最低的总成本(硬件、运营)，最高的精度和最快的速度。基于智能检具可以实施最严谨的数据自动化，系统化尺寸管理，杜绝批量性的产品问题，实现自动化的工装维护保养预警。

除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外，本发明的智能检具所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点，将结合附图做出进一步详细的说明。

附图说明

图1是本发明实施例一中传感器支架的结构示意图；

图2是图1的左视图；

图3是图1的俯视图；

图4是将激光传感器安装到衬套中的结构示意图；

图5是图4安装参考块的结构示意图；

图6是光束投射角度引起测量误差的原理图；

图7是本发明实施例二的检测原理图；

图8是本发明实施例四的检测原理图；

图9是本发明实施例五的检测设备图；

图10是图9的使用状态实体图；

图中：101衬套，102参考块，103销钉，1传感器支架，2激光传感器，3归零块，4实际被测面(实际零件)，5理论被测面(产品设计模型)，6零件检具型面，7产品设计模型测量点A，8靶点B，9光源点C，10归零点D，11实测点E，12激光束，13控制箱，14安装支架，15零件安装基准，16零件安装平台。

具体实施方式

实施例一

本实施例主要对传感器支架进行详细说明，其结构如图1、图2和图3所示，包括衬套101和参考块102，其中参考块102呈L形，通过销钉103将参考块102可拆卸地安装在衬套101上，衬套101的内部具有用于夹持激光传感器的通槽。

如图4和图5所示，衬套101可采用矩形框结构，与激光传感器2的外轮廓相匹配，并在框上流出用于调整的缺口，在衬套101上安装有参考块102。

由于激光传感器是在固定安装到衬套上之后，才进行精度标定的，所以衬套与参考块本身不需要太高的精度，衬套只需要满足牢固固定激光传感器的要求即可，参考块要求具有一个能够遮挡激光的平面。

实施例二

本实施例的检测原理如图7所示，工件装夹平台是用于将被检测工件牢固固定的一种夹具，在本实施例中沿用现有的定位检具。

在定位检具设计加工时期，将产品设计模型测量点A(即产品数模的测量点)沿零件表面法向投影到零件检具型面6上作为理论被测面(产品设计模型)5，并标记出靶点B位置；

以测量点A和靶点B连线为光束路径，逆向确定光源点C位置、激光传感器2安装位置，并设计开发相应的传感器支架1；

设计开发归零块3，每个激光传感器2配一块，用以在测量开始前将每个激光传感器2置零。

检测流程如下：

1.在检具设计加工时期，从产品设计模型测量点A沿零件表面法向向外作一直线，光源点C位置即在此直线上，C到A的距离理论上应为激光传感器的设计标称测量距离，安装后的实际C到A距离值不超出传感器可测量距离范围即可，并以接近传感器的设计标称测量距离值为优；

2.根据点C位置及C到A点连线方向，设计传感器安装位置与角度，C、A连线应为激光束的理论轨迹，安装固定传感器；

3.在每个传感器的光束路径上设置归零装置，用于在测量开始前对每个传感器置零，归零点D到A的距离须在传感器可测量距离范围内；

4.测量开始时，先将归零块安装或切换固定至恰好遮挡激光路径位置；

5.打开激光源，此时光束在归零块上投射出光斑点D；

6.用空间位置测量设备测量点D的空间坐标值并记录，并将此时传感器示数置零；

7.移除归零块使之不再遮挡激光束，并加载实际零件进行检测，传感器激光束在零件上实际投射得到光斑点E，传感器获得点D到点E的距离，正值表示远离激光点C，负值表示靠近激光点C；

8.实际零件偏差向量EA＝向量DA-向量DE；系统输出结果读数，计算结果正号表示零件向靠近激光点C方向偏移，负号表示零件向远离激光点C方向偏移；

步骤8中的向量DA，由点D和点A的坐标通过系统换算获得，点D的坐标在步骤6中测得，点A的坐标由软件中直接提取获得。而距离DA有两种获得方法：

a.空间位置测量设备检测得到点D坐标值，直接由空间位置测量设备软件通过D点和A点坐标计算得到，输入至数据处理系统；

b.直接将空间位置测量设备测得的D点坐标值和A点理论坐标输入数据处理系统，由系统换算DA距离。

实施例三

本实施例采用以下的步骤进行检测。

步骤1，在检具设计加工时期，将产品设计模型测量点A沿零件表面法向投影到检具型面上，并标记出靶点B位置；

步骤2，以测量点A和靶点B连线为光束路径，逆向确定光源点C位置，从而确定传感器安装位置，安装相应的传感器支架机构；

步骤3，在每个传感器的光束路径上设置归零块，用于在测量开始前对每个传感器置零；

步骤4，打开激光源，检查激光束在检具型面上的光斑是否上靶点B，快速检查传感器光束位置是否无偏移；

步骤5，切换并限位固定归零块，标记激光束光斑在归零块上的点位D；

步骤6，将此时传感器示数置零；

步骤7，用空间位置测量设备(如CMM)测量归零点D的空间坐标值并记录；

步骤8，撤除归零块，加载实际零件进行检测，传感器获得点D到实测点E的距离；

步骤9，传感器读数输出，实际零件偏差AE＝距离DA-距离DE；计算结果正号表示零件向检具实体空间外偏，负号表示零件向检具实体空间内偏。

实施例四

本实施例的检测如图8所示，包括传感器支架1，激光传感器2，实际被测面(实际零件)4，理论被测面(产品设计模型)5、零件检具型面6和激光束a。

某些情况下，工件装夹平台在传感器相对于零件的另一侧有实体，例如，一些普通零件检具。故对实施例二的进行改进，步骤如下：

1.同方法一中的步骤1；

2.同方法一中的步骤2；

3.将方法一中步骤3取消；

4.将方法一中步骤4取消；

5.测量开始时，先不加载零件，打开激光源，此时光束在工件装夹平台实体上投射得到靶点B；

6.用空间位置测量设备测量点B的空间坐标值并记录，并将此时传感器示数置零；

7.加载实际零件进行检测，传感器激光束在零件上实际投射得到光斑点E，传感器获得点B到点E的距离，数值应为负值；

8.实际零件偏差向量EA＝向量BA-向量BE；计算结果正号表示零件向靠近激光点C的方向偏移，负号表示零件向远离激光点C的方向偏移；

9.8中所述向量BA，由点B和点A的坐标通过系统换算获得，点B的坐标由上述第6条测得，点A的坐标由软件中直接提取获得。

由本实施例可知，本发明的归零装置，包括但不局限于块状的归零块、置零块、参考块的结构布置形式。

实施例五

本实施例提供一种用于检测汽车中控面板的尺寸偏差的检具，如图8所示，是在零件安装平台14上安装控制箱13、安装支架14和零件安装基准15。其中，安装支架14和零件安装基准15成对设置在汽车中控面板的四个质量控制点上(靠近四角的位置)。

控制箱内具有可编程智能操作面板、电源等，对激光传感器获取的数据进行处理和计算。安装支架用于安装激光传感器，在检测开始前安装归零装置，开机，对激光传感器进行置零。

如图9所示，置零完成后拆卸置零装置，安装零件开始检测。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种智能检具，包括工件装夹平台，其特征在于：所述工件装夹平台上对应工件检测点的位置安装有激光传感器，所述工件装夹平台上还具有用于校准激光传感器的归零装置。

2.根据权利要求1所述的智能检具，其特征在于：所述激光传感器通过传感器支架固定安装在工件装夹平台上，所述归零装置遮挡于激光传感器的激光的路径上。

3.根据权利要求2所述的智能检具，其特征在于：所述归零装置是安装在传感器支架上的参考块。

4.根据权利要求1所述的智能检具，其特征在于：所述工件装夹平台是定位检具，定位检具的检具型面作为归零装置。

5.根据权利要求1所述的智能检具，其特征在于：所述激光传感器与可编程智能操作面板相连接，所述可编程智能操作面板用于显示和编程控制。

6.根据权利要求5所述的智能检具，其特征在于：所述编程智能操作面板通过有线或无线网络接入数据库。

7.根据权利要求1所述的智能检具，其特征在于：所述激光传感器与电源和无线通信装置整合成独立的传感器模块，作为工业物联网的组成部分。

8.根据权利要求1所述的智能检具的检测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，在检具设计加工时期，将产品设计模型测量点A沿零件表面法向投影到检具型面上，并标记出靶点B位置；

步骤2，以测量点A和靶点B连线为光束路径，逆向确定光源点C位置，从而确定传感器安装位置，安装相应的传感器支架机构；

步骤3，在每个传感器的光束路径上设置归零装置，用于在测量开始前对每个传感器置零；

步骤4，打开激光源，检查激光束在检具型面上的光斑是否上靶点B，快速检查传感器光束位置是否无偏移；

步骤5，切换并限位固定归零装置，标记激光束光斑在归零装置上的点位D；

步骤6，用空间位置测量设备测量归零点D的空间坐标值并记录；将此时传感器示数置零；

步骤7，移除归零块使之不再遮挡激光束，并加载实际零件进行检测，传感器激光束在零件上实际投射得到光斑点E，传感器获得点D到点E的距离，正值表示远离激光点C，负值表示靠近激光点C；

步骤8，实际零件偏差向量EA=向量DA-向量DE；系统输出结果读数，计算结果正号表示零件向靠近激光点C方向偏移，负号表示零件向远离激光点C方向偏移。

9.根据权利要求8所述的智能检具的检测方法，其特征在于：所述步骤8中，点D和点A的坐标通过系统换算获得，点D的坐标在步骤6中测得，点A的坐标由软件中直接提取获得。

10.根据权利要求1所述的智能检具的检测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，在检具设计加工时期，将产品设计模型测量点A沿零件表面法向投影到检具型面上，并标记出靶点B位置；

步骤2，以测量点A和靶点B连线为光束路径，逆向确定光源点C位置，从而确定传感器安装位置，安装相应的传感器支架机构；

步骤3，测量开始时，先不加载零件，打开激光源，此时光束在工件装夹平台实体上投射得到靶点B；

步骤4，用空间位置测量设备测量点B的空间坐标值并记录，并将此时传感器示数置零；

步骤5，加载实际零件进行检测，传感器激光束在零件上实际投射得到光斑点E，传感器获得点B到点E的距离，数值应为负值；

步骤6，实际零件偏差向量EA=向量BA-向量BE；计算结果正号表示零件向靠近激光点C的方向偏移，负号表示零件向远离激光点C的方向偏移。