CN106736862A - 一种非接触式车削工件的在线测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非接触式车削工件的在线测量装置及方法，该装置包括机床、主轴，工件通过卡盘由主轴带动旋转；机床上设有沿第一方向布置的导轨；位置调整机构滑动装接在导轨；刀架通过位置调整机构沿第二方向滑动；激光位移传感器装接在刀架，其激光发射方向与工件相对。通过主轴带动工件旋转，激光位移传感器对工件侧面和/或端面的点进行扫描和采集位置数据，处理该些数据得到工件的3D数字模型。本发明基于高精度的激光位移传感器，结合激光位移传感器的直线运动和工件的旋转运动，可对被测工件的几何特征的尺寸误差、形状误差以及位置误差等进行在线快速测量，扩展了车削过程在线检测的范围，测量精度高。
Description
技术领域
本发明属于非接触式在线精密测量领域，具体涉及一种非接触式车削工件的在线测量装置及方法。
背景技术
车削加工中，需频繁地对加工工件进行测量，目前主要有离线测量和在线测量两种方式来完成对工件的检测。在加工中若采用离线测量方式，不仅因停机检测会造成时间上的损失，还有卸下工件测量后继续加工不可避免地要产生二次定位误差，对加工高精度工件来说，这是影响工件质量的主要原因之一。
在线测量是指在加工的过程不拆卸工件对加工工件进行测量，并依据检测的结果做出相应的处理。目前，加工过程的在线测量，主要是指工件直径及平面的在线测量。在圆度、圆柱度甚至曲面的面轮廓度的测量方面难度较大。一些公开的专利已经公开了工件在线测量方法，如专利“面向数控车床加工精度的在线检测系统及检测方法(201210266131.5)”和“复杂零件曲面加工精度的在线检测方法(201210266355.6)”，此检测方法采用接触式的测量方法，检测过程慢，检测精度差，另外需要复杂的系统生成测量数控代码。专利“用于在线测量的激光测量系统(201220420026.8)”提出用非接触式的激光测量代替机械接触式测量，但是，所公布的测量系统仅可以在线测量平面地板凹口，无法测量工件的三维表面形貌。专利“圆筒内外壁加工精度在线成像检测装置及在线成像检测方法(200610155870.1)”测量内外圆时由于没有配备精确驱动测量装置和与被测物体相对运动的装置，只能简单的测量圆柱面，不能测量复杂曲面，而且测量精度不高。专利“一种周向燕尾榫槽加工精度在线检测工具(201420560912.X)”可在线检测燕尾槽的加工精度，但是该方法仅能针对燕尾槽结构进行检测，同时采用了接触式测量，测量精度低下。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种非接触式车削工件的在线测量装置及方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：
一种非接触式车削工件的在线测量装置，包括：
机床；
主轴，装接在机床；
卡盘，装接在主轴且可通过主轴带动旋转；
工件，装接在卡盘且可通过卡盘带动旋转，且工件的旋转轴线沿第一方向布置；
导轨，沿第一方向布置，装接在机床；
位置调整机构，滑动装接在导轨且可在导轨上沿第一方向往复滑动；
刀架，装接在位置调整机构且可通过该位置调整机构沿第二方向往复滑动；
激光位移传感器，装接在刀架，其测量方向可调并可与工件相对，该激光位移传感器的测量精度优于20nm，最大采样频率不低于350kHz；
通过主轴带动工件旋转，通过激光位移传感器沿第一方向滑动并对工件侧面的点进行扫描和采集位置数据和/或通过激光位移传感器沿第二方向滑动并对工件端面的点进行扫描和采集位置数据，处理工件侧面和/或端面的点的位置数据得到工件的3D数字模型。
一实施例中：所述第一方向与第二方向相互垂直。
一实施例中：所述位置调整机构为中滑板。
一实施例中：所述激光位移传感器的测量精度优于10nm。
一实施例中：所述激光位移传感器的最大采样频率不低于392kHz。
一实施例中：所述激光位移传感器螺接在所述刀架的刀柄卡槽。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：
一种利用上述的非接触式车削工件的在线测量装置的在线测量方法，包括：
1)将激光位移传感器的激光发射方向调整为沿第二方向发射；调整工件和激光位移传感器的位置，确定侧面测量起始点，并使工件的侧面均位于激光位移传感器的量程范围内；
和/或，
将激光位移传感器的激光发射方向调整为沿第一方向发射；调整工件和激光位移传感器的位置，确定端面测量起始点，并使工件的端面均位于激光位移传感器的量程范围内；
2)启动主轴，通过卡盘带动工件旋转，激光位移传感器由侧面测量起始点出发，在导轨上沿第一方向滑动，由工件侧面外围向工件进给，并对工件侧面进行扫描并采集工件侧面的点的位置数据；
和/或，
启动主轴，通过卡盘带动工件旋转，激光位移传感器由端面测量起始点出发，通过位置调整机构沿第二方向滑动，由工件端面外围向工件进给至工件回转中心，并对工件端面进行扫描并采集工件端面的点的位置数据；
3)测量工件侧面后，结合工件侧面的点的位置数据得到工件侧面的点的坐标数据和分布规律，从而得到工件侧面的3D数字模型；
和/或，
测量工件端面后，结合工件端面的点的位置数据得到工件端面的点的坐标数据和分布规律，从而得到工件端面的3D数字模型。
一实施例中：测量工件侧面时，需在工件未加工区域车削一段外圆柱面作为侧面测量的标定基准面。
一实施例中：所述步骤1)中，侧面测量起始点与工件在第一方向上的最近距离为3～5mm；端面测量起始点与工件在第二方向上的最近距离为3～5mm。
一实施例中：同时测量工件的侧面和端面后，通过拼接缝合工件侧面和端面的3D数字模型，得到工件整体的3D数字模型。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
1.本发明基于高精度的激光位移传感器，利用机床本身的进给系统带动激光位移传感器运动，结合卡盘带动被测工件的旋转运动，可对被测量工件的几乎所有几何特征的尺寸公差、形状公差、以及各个几何特征、检测位置公差进行在线快速测量，扩展了车削过程在线检测的范围。
2.本发明实现了非接触式的在线测量，可以提高被测工件的旋转速度，结合精度优于10nm激光位移感器，使得采样频率足够高，可以高达400KHz。而接触式的测量方式，由于存在机械接触，采样频率十分低，故测量速度十分慢。因此本发明相对于常规接触式测量方法而言测量精度可以提高一个数量级。
3.本发明采用在线测量的方式，避免了传统离线测量过程中重新装夹引入的二次装夹误差，保证了工件的加工精度。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明的非接触式车削工件的在线测量装置结构示意图。
图2为本发明的测量方法原理示意图。
图3为本发明实施例中得到的被测工件整体的3D数字模型示意图。
附图标记：主轴1，卡盘2，导轨3，工件4，激光位移传感器5，刀架6，螺钉7，中滑板8。
具体实施方式
下面通过实施例具体说明本发明的内容：
请查阅图1，一种非接触式车削工件的在线测量装置，包括：
机床；
主轴1，装接在机床；
卡盘2，装接在主轴1且可通过主轴1带动旋转；
工件4，装接在卡盘2且可通过卡盘2带动旋转，且工件4的旋转轴线沿第一方向(即图1中Z轴方向)布置；
导轨3，沿Z轴方向布置，装接在机床；
位置调整机构，为中滑板8，滑动装接在导轨3且可在导轨3上沿Z轴方向往复滑动；
刀架6，装接在中滑板8且可通过中滑板8在第二方向(图1中X轴方向，X轴与Z轴相互垂直)上往复滑动；
激光位移传感器(如基恩士LK-H008型激光位移传感器)5，通过螺钉7装接在刀架6的刀柄卡槽；其测量方向与工件4相对，且可通过调节分别对准工件4的侧面或端面；该激光位移传感器5的测量精度优于10nm，最大采样频率(该最大采样频率为激光位移传感器的设备参数，为激光位移传感器采样频率所能达到的最大值，例如激光位移传感器的最大采样频率为100kHz，则表明该激光位移传感器的采样频率为0～100kHz)不低于392kHz；通过中滑板8和导轨3相互配合可以调节激光位移传感器5在X轴方向和Z轴方向的位置；
本发明的非接触式车削工件的在线测量装置的使用方法如下：
1)需要测量工件4侧面数据时，首先在工件4未加工区域车削一段外圆柱面作为测量的标定基准面，用外径千分尺测出标定基准面的外径；将激光位移传感器5的激光发射方向调整为沿X轴方向发射；调整工件4和激光位移传感器5的位置，确定侧面测量起始点，并使工件4的标定基准面和侧面均位于激光位移传感器5的量程范围内；
需要测量工件4端面数据时，将激光位移传感器5的激光发射方向调整为沿Z轴方向(图1中为沿Z轴负方向)发射；调整工件4和激光位移传感器5的位置，确定端面测量起始点，并使工件4的端面均位于激光位移传感器5的量程范围内；
2)测量工件4侧面数据时，启动主轴1，通过卡盘2带动工件4以设定的转速旋转，激光位移传感器5由侧面测量起始点出发，在导轨3上沿Z轴方向以设定的速度滑动，由工件4侧面外围逐渐向工件4进给，对标定基准面和工件4侧面进行扫描并采集标定基准面和工件4侧面的点的位置数据，如图2；
测量工件4端面数据时，启动主轴1，通过卡盘2带动工件4以设定的转速旋转，激光位移传感器5由端面测量起始点出发，通过中滑板8沿X轴方向以设定的速度滑动，由工件4端面外围沿工件4端面径线进给至工件4回转中心，对工件4端面进行扫描并采集工件4端面的点的位置数据；
3)测量工件4侧面后，将采集到的标定基准面和工件4侧面的点的位置数据导入数据处理软件，如MATLAB，经过一定的数据处理，结合侧面测量起始点的位置，可以得到标定基准面和工件4侧面的点的坐标数据和分布规律；根据该些信息可绘制出工件4侧面的3D数字模型；
测量工件4端面后，将采集到的工件4端面的点的位置数据导入数据处理软件，经过一定的数据处理，结合端面测量起始点的位置，可以得到工件4端面的点的坐标数据和分布规律；根据该些信息可绘制出工件4端面的3D数字模型；
根据需要，若同时测量了工件4的侧面和端面，对工件4侧面和端面的3D数字模型进行拼接缝合，即可得到工件4整体的3D数字模型。
4)通过软件将工件4侧面/端面/整体的3D数字模型与工件4的设计CAD模型进行比对，可对各个几何特征的尺寸误差，形状误差以及各个特征间的位置误差等进行评价。
需要注意的是，在测量工件4侧面数据时，侧面测量起始点与工件4在Z轴方向上的最近的距离以3～5mm为佳；同样的，在测量工件4端面数据时，端面测量起始点与工件4在X轴方向上的最近的距离以3～5mm为佳，即侧面/端面测量起始点与工件4上离侧面/端面测量起始点最近的点在Z轴/X轴上的距离以3～5mm为佳，以保证激光位移传感器5从测量起始点开始扫描至工件4之前就已加速到设定的进给速度，以设定的进给速度进行扫描。同时又不至于太远。
下面通过具体例子说明：
a)车削完成得到一带有锥度的工件，在工件未加工区域车削一段外圆柱面作为测量的标定基准面，长度2mm，用外径千分尺测出标定基准面的外径为76.880mm；
b)将激光位移传感器的激光发射方向调整为沿X轴方向发射；调整工件和激光位移传感器的位置，确定侧面测量起始点，并使工件的标定基准面和侧面均位于激光位移传感器的量程范围内；侧面测量起始点与工件在Z轴方向上的最近的距离为4mm，保证激光位移传感器在扫描到工件侧面或标定基准面之前就已加速至设定速度；
c)启动主轴，通过卡盘带动工件以50rpm的转速旋转，激光位移传感器由侧面测量起始点出发，在导轨上沿Z轴方向以1μm/r(此处的直线运动多通过主轴带动，为与转速匹配，此处直线运动速度由主轴转一转直线进给部件的进给距离表示，也即1μm/rpm)速度滑动，由工件侧面外围逐渐向工件进给，进给距离100mm，对标定基准面和工件侧面进行扫描并采集标定基准面和工件侧面的点的位置数据，采样频率为150kHz；
d)将采集到的标定基准面和工件侧面的点的位置数据导入数据处理软件，经过一定的数据处理，结合侧面测量起始点的位置，可以得到标定基准面和工件侧面的点的坐标数据和分布规律；根据该些信息可绘制出工件侧面的3D数字模型；
e)将激光位移传感器的激光发射方向调整为沿Z轴方向发射；调整工件和激光位移传感器的位置，确定端面测量起始点，并使工件的端面均位于激光位移传感器的量程范围内；端面测量起始点与工件在X轴方向上的最近的距离为4mm，保证激光位移传感器在扫描到工件端面之前就已加速至设定速度；
f)启动主轴，通过卡盘带动工件以60rpm的转速旋转，激光位移传感器由端面测量起始点出发，通过中滑板沿X轴方向以1μm/r的速度滑动，由工件端面外围沿工件端面径线进给至工件回转中心，对工件端面进行扫描并采集工件端面的点的位置数据，采样频率为150kHz；
g)将采集到的工件端面的点的位置数据导入数据处理软件，经过一定的数据处理，结合端面测量起始点的位置，可以得到工件端面的点的坐标数据和分布规律；根据该些信息可绘制出工件端面的3D数字模型；
h)对工件侧面和端面的3D数字模型进行拼接缝合，得到工件整体的3D数字模型，如图3。
i)通过软件将工件的3D数字模型与工件的设计CAD模型进行比对，可对各个几何特征的尺寸误差，形状误差以及各个特征间的位置误差等进行评价。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。
Claims (10)
1.一种非接触式车削工件的在线测量装置，其特征在于：包括：
机床；
主轴，装接在机床；
卡盘，装接在主轴且可通过主轴带动旋转；
工件，装接在卡盘且可通过卡盘带动旋转，且工件的旋转轴线沿第一方向布置；
导轨，沿第一方向布置，装接在机床；
位置调整机构，滑动装接在导轨且可在导轨上沿第一方向往复滑动；
刀架，装接在位置调整机构且可通过该位置调整机构沿第二方向往复滑动；
激光位移传感器，装接在刀架，其测量方向可调并可与工件相对，该激光位移传感器的测量精度优于20nm，最大采样频率不低于350kHz；
通过主轴带动工件旋转，通过激光位移传感器沿第一方向滑动并对工件侧面的点进行扫描和采集位置数据和/或通过激光位移传感器沿第二方向滑动并对工件端面的点进行扫描和采集位置数据，处理工件侧面和/或端面的点的位置数据得到工件的3D数字模型。
2.根据权利要求1所述的非接触式车削工件的在线测量装置，其特征在于：所述第一方向与第二方向相互垂直。
3.根据权利要求1所述的非接触式车削工件的在线测量装置，其特征在于：所述位置调整机构为中滑板。
4.根据权利要求1所述的非接触式车削工件的在线测量装置，其特征在于：所述激光位移传感器的测量精度优于10nm。
5.根据权利要求1所述的非接触式车削工件的在线测量装置，其特征在于：所述激光位移传感器的最大采样频率不低于392kHz。
6.根据权利要求1所述的非接触式车削工件的在线测量装置，其特征在于：所述激光位移传感器螺接在所述刀架的刀柄卡槽。
7.一种利用权利要求1至6中任一项所述的非接触式车削工件的在线测量装置的在线测量方法，其特征在于：包括：
1)将激光位移传感器的激光发射方向调整为沿第二方向发射；调整工件和激光位移传感器的位置，确定侧面测量起始点，并使工件的侧面均位于激光位移传感器的量程范围内；
和/或，
将激光位移传感器的激光发射方向调整为沿第一方向发射；调整工件和激光位移传感器的位置，确定端面测量起始点，并使工件的端面均位于激光位移传感器的量程范围内；
2)启动主轴，通过卡盘带动工件旋转，激光位移传感器由侧面测量起始点出发，在导轨上沿第一方向滑动，由工件侧面外围向工件进给，并对工件侧面进行扫描并采集工件侧面的点的位置数据；
和/或，
启动主轴，通过卡盘带动工件旋转，激光位移传感器由端面测量起始点出发，通过位置调整机构沿第二方向滑动，由工件端面外围向工件进给至工件回转中心，并对工件端面进行扫描并采集工件端面的点的位置数据；
3)测量工件侧面后，结合工件侧面的点的位置数据得到工件侧面的点的坐标数据和分布规律，从而得到工件侧面的3D数字模型；
和/或，
测量工件端面后，结合工件端面的点的位置数据得到工件端面的点的坐标数据和分布规律，从而得到工件端面的3D数字模型。
8.根据权利要求7所述的在线测量方法，其特征在于：测量工件侧面时，需在工件未加工区域车削一段外圆柱面作为侧面测量的标定基准面。
9.根据权利要求8所述的在线测量方法，其特征在于：所述步骤1)中，侧面测量起始点与工件在第一方向上的最近距离为3～5mm；端面测量起始点与工件在第二方向上的最近距离为3～5mm。
10.根据权利要求8所述的在线测量方法，其特征在于：同时测量工件的侧面和端面后，通过拼接缝合工件侧面和端面的3D数字模型，得到工件整体的3D数字模型。
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