CN110076631A - 复杂薄壁结构零件壁厚在机测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了复杂薄壁结构零件壁厚在机测量方法，数控铣床粗加工完安装在回转工作台上的复杂薄壁结构零件后，调用安装接触式探针至机床主轴，并在复杂薄壁结构零件的被测区域曲面上设置若干规划点，利用接触式探针检测得到规划点坐标的实际测量值，再由坐标实际测量值得出复杂薄壁结构零件被测区域曲面上每个规划点的实际法向矢量；继续更换调用安装有超声传感器的转接装置至机床主轴，通过机床主轴与回转工作台的位姿控制，当超声传感器接触到复杂薄壁结构零件曲面规划点时，超声测厚仪会自动计算出被测点处的壁厚值，并将此壁厚值实时通过信号线缆传至计算机；计算机对复杂薄壁结构零件所有规划点壁厚测量数据进行处理、分析和存储。

Description

复杂薄壁结构零件壁厚在机测量方法

技术领域

本发明属于电子检测设备领域，具体涉及一种复杂薄壁结构零件壁厚在机测量方法，可用于多轴联动数控机床对复杂曲面薄壁的壁厚在机测量。

背景技术

薄壁件是现代航空制造业中的一类典型结构零件,具有大尺寸、低刚度、曲面结构复杂等特点。这类零件通常由近净成形和铣削加工的方法制造而成，壁厚精度要求较高。在加工之前，需要对薄壁件壁厚进行精确测量,并依据检测结果实时地修改加工参数，实现壁厚精度精准控制。现在实际生产中测量薄壁零件的方法通常采用手持式超声测厚仪,设备简单且易于操作，可以保证测头与工件的接触状态良好。但是测量位置存在很大的不确定性, 很难获得精确的测量数据，尤其对于复杂曲面零件很难精确控制其法矢方向，影响测量精度，很可能造成零件的加工报废；此外，手持式测量耗时耗力，大大影响测量效率。将测厚仪集成到数控机床上，充分发挥数控机床定位精度高、重复性好等优势，能够实现薄壁零件厚度的精确测量。保证超声传感器与被测点处的法矢的吻合是实现在机壁厚测量的关键，所以有必要探究一种能够实现自动寻找曲面法矢量的数控铣床超声自动测量壁厚方法，完成曲面薄壁零件壁厚的精确自动测量。此外，该壁厚在机测量方法也可应用于加工完成后，对薄壁件壁厚的精度评估。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提出了一种复杂薄壁结构零件壁厚在机测量方法，目的在于减少人工手动测量带来的误差，可以达到高效准确测量壁厚的目的。该方法能够精确测量自由曲面薄壁厚度，对控制零件加工误差、保证加工精度具有指导意义。同时还提出一种转接装置，确保超声传感器缓慢柔性地与工件接触，防止刚性冲击碰撞。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

复杂薄壁结构零件壁厚在机测量方法，包括以下步骤：

步骤一、数控铣床粗加工完安装在回转工作台上的复杂薄壁结构零件后，在不取下复杂薄壁结构零件的情况下，调用数控铣床自动换刀程序，卸下机床主轴上加工使用的铣刀，更换为接触式探针；

步骤二、计算机在复杂薄壁结构零件被测区域的曲面上设置若干规划点，利用接触式探针检测规划点的坐标实际测量值并由数控铣床实时反馈回计算机中，根据反馈的规划点的坐标实际测量值进行计算，得出复杂薄壁结构零件被测区域曲面上每个规划点的实际法向矢量，并生成测量程序；

步骤三、调用数控铣床自动换刀程序，卸下机床主轴(10)上的接触式探针，将超声传感器(4)通过转接装置(11)接在机床主轴(10)上，超声传感器(4)通过信号缆线(9)连接超声测厚仪(8)，所述的超声测厚仪(8)与计算机(7)连接；

步骤四、调用超声传感器，通过机床主轴与回转工作台的位姿控制，实现超声传感器沿复杂薄壁结构零件曲面规划点的实际法向矢量进行移动，当超声传感器接触到复杂薄壁结构零件曲面规划点时，超声测厚仪会自动计算出被测点处的壁厚值，并将此壁厚值实时通过信号线缆传至计算机；

步骤五、重复步骤四，直至将所有规划点的壁厚值均采集完毕，计算机对复杂薄壁结构零件所有规划点壁厚测量数据进行处理、分析和存储，得到复杂薄壁结构零件壁厚信息。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的步骤二中，计算得出复杂薄壁结构零件被测区域曲面上每个规划点的实际法向矢量的方法为：先在被测区域曲面上规划m×n个规划点，然后调用机床自带的接触式探针在机测量待测曲面，获得该曲面上规划点的实际坐标值；针对集中的规划点，以相邻的若干个规划点为邻近点，基于最小二乘法计算该点处的近似切平面，从而得出该切平面的法向矢量，即为该集中的规划点的法向矢量；针对离散的规划点，对离散的规划点进行kd-tree拓扑结构重建，在此基础上进行临近点的查找，首先通过二叉树搜索，找到该离散的规划点最近邻的近似点；然后再回溯搜索路径，并判断搜索路径上的结点的其他子结点空间中是否有距离查询点更近的数据点，如果有，则跳到其他子结点空间中搜索，重复这个过程直到搜索路径为空，得到该离散的规划点的最邻近点，以该方法反复搜索，得到该离散的规划点最邻近的k个邻近点，然后根据最小二乘法计算该离散的规划点处的近似切平面，计算出切平面的法向矢量，即为该离散的规划点的法向矢量。

上述的近似点是二叉树搜索的迭代计算过程中产生的点，当相邻两次迭代的近似点误差低于设定数值^-时，跳出迭代，最后一次计算出的近似点即为最近邻的近似点。

上述的步骤二中，计算得出复杂薄壁结构零件被测区域曲面上每个规划点的实际法向矢量的方法为：在每个规划点周围设置若干个沿径向设定距离的周围衍生点，调用接触式探针对规划点以及该规划点的周围衍生点进行检测，获得规划点以及该规划点的周围衍生点的实际坐标值，通过最小二乘法计算出该规划点以及该规划点的周围衍生点所组成切平面的法向矢量，即为该规划点的法向矢量。

上述的每个规划点的周围衍生点数目大于3。

上述的步骤四中还设置有路径规划步骤：计算机根据接触式探针检测规划点的坐标实际测量值规划超声传感器的移动路径，并根据规划点的坐标以及法向矢量，设定出距离规划点由远及近的远端点、偏转点和逼近点，其中，转接装置从远端点至偏转点时完成位姿调整，使超声传感器的检测头轴心与规划点法向矢量重叠，转接装置经正常进给速度至逼近点；沿规定测量路径经过逼近点后，缓慢运动使超声传感器接触规划点。

复杂薄壁结构零件壁厚在机测量方法中使用的转接装置，包括转接刀柄，转接刀柄中部与外部限位套固定连接，转接刀柄一端可与机床主轴连接，另一端固定在外部限位套内部，并与外部限位套之间形成内腔，内腔中设置有可滑动的内部滑动套，内部滑动套与转接刀柄的轴肩处设置有预压紧的限位弹簧，内部滑动套远离机床主轴的一端固定连接有超声传感器，超声传感器连接有数据分析装置。

内部滑动套通过紧定螺钉固定连接超声传感器。

转接刀柄中部与外部限位套采用螺纹的方式固定连接。

本发明具有以下优点：

1、测量方法从手工测量改为利用数控机床自动测量，省时又省力，测量效率高，实时性好；

2、在机测量，只需一次装夹定位，无二次装夹累计误差；加工后就可以直接测量，无需频繁移动工件；

3、能够为计算机提供复杂薄壁结构零件壁厚信息，为之后的加工提供参数指导，大大缩短了加工周期、减少了废品率、降低了原料成本。

4、该壁厚在机测量方法也可应用于加工完成后，对薄壁件壁厚的精度评估。

5、通过曲面数字化、曲面点法矢求解的方法，解决了超声壁厚检测中的测量法矢方向与实际曲面法矢方向不重合问题。

6、本发明不需要对机床结构进行改变，增加了测量系统的适应性。

7、该测量方法移植性高，兼容一般数控系统；也可用于利用机床主轴运动的定位精度、自由度高的特点，用机床主轴夹持测厚仪测量。

8、本发明公开了一种转接装置，用于连接机床主轴和超声传感器，这种转接装置中设有的缓冲弹簧确保超声传感器缓慢柔性地与工件接触，防止刚性冲击碰撞。

附图说明

图1是本发明方法的逻辑框图；

图2是转接转置的结构图；

图3是转接转置的三维剖视图；

图4是测厚仪超声传感器在测量模式的测量路线图；

图5是该单个测量点与衍生点位置示意图；

图6是该测量系统在机床上应用示意图；

图7是该测量系统在通用关节臂上应用示意图；

图8是利用计算机上专用软件在复杂曲面上排布的规划点。

图9是接触式探针安装在机床主轴上测量复杂曲面的示意图。

以上附图中的标号名称：1、转接刀柄，2、外部限位套，3、限位弹簧，4、超声传感器，5、紧定螺钉，6、内部滑动套，7、计算机，8、超声测厚仪，9、信号缆线，10、机床主轴，11、转接装置，12、回转工作台，13、机器人末端执行器，14、测头转接块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

步骤一、数控铣床粗加工完自由曲面薄壁工件后，调用数控铣床自动换刀程序，卸下加工使用的铣刀，更换为接触式探针；

步骤二、利用接触式探针检测计算机规划的曲面的规划点，曲面的规划点实际测量坐标由机床实时反馈到计算机中。其中，接触式探针为机床配用的装置，见附图9，通过计算机上的专用软件生成曲面上的规划点，这些规划点均匀排布待测曲面上。再根据机床反馈的实际测量值计算出待测曲面的实际法矢，并生成测量程序。

完成的该步骤第一种方案是：先在曲面上规划m×n个规划点简称规划点，然后调用机床的接触式探针在机测量曲面，获得曲面上规划点的实际坐标值。针对离散的规划点，为了提高搜索效率，对离散的规划点进行kd-tree拓扑结构重建，在此基础上进行临近点的查找，其基本思路为：首先通过二叉树搜索，顺着“搜索路径”很快能找到最近邻的近似点；近似点是迭代计算过程中产生的，当相邻两次迭代的近似点误差低于设定数值（<10^-9）时，跳出迭代，最后一次计算出的近似点即为最终搜索的点。然后再回溯搜索路径，并判断搜索路径上的结点的其他子结点空间中是否可能有距离查询点更近的数据点，如果有可能，则需要跳到其他子结点空间中去搜索。重复这个过程直到搜索路径为空，得到某点的最邻近即1-邻近点。同样的方法可得到k-邻近。在得到了点集中某一点pi的k-邻近后，可以根据最小二乘的思想计算该点处的近似切平面，计算出切平面的法矢方向。

完成的该步骤第二种方案是：通过测量规划点周围沿径向设定距离的周围衍生点，每个规划点周围的衍生点数目大于3。调用接触式探针所测的实际坐标值，通过最小二乘法计算出该组衍生点所组成的平面法矢。当离散点沿径向设定的距离足够小时，此时通过衍生点计算出的法矢近似等于该规划点的实际法矢。规划点与衍生点的位置关系见附图5。衍生点是通过规划点的坐标及法矢生成的，其空间中的位置关系见附图5.

步骤三、调用数控铣床自动换刀程序，卸下机床主轴10上的接触式探针，将超声传感器4通过转接装置11接在机床主轴10上，超声传感器4通过信号缆线9连接超声测厚仪8，所述的超声测厚仪8通过信号缆线与计算机7连接；

步骤四、调用超声传感器4，通过机床主轴10及回转动作台12的位姿控制，实现超声测厚仪8沿法矢测量薄壁曲面；超声测厚仪8通过转接装置11安装在机床主轴10上，待测曲面安装在回转工作台12上，机床主轴10移动带动超声传感器4进行壁厚测量。该步骤根据规划点规划出超声传感器4的移动路径，转接装置11从远端点至偏转点时完成位姿调整，经正常进给速度至逼近点；沿规定测量路径经过逼近点后，缓慢运动至目标的规划点；由于实际零件与理论模型的偏差，实际曲面可能在规划点上方或者下侧。因此设定超声传感器4的测量模式，该测量模式是指经过规划点及其法矢方向一定距离分别设置了逼近点和查找点，逼近点与查找点之间的间距小于缓冲装置的行程，这样就能保证超声传感器4在此测量模式下一定会接触到待测曲面。超声传感器4慢慢移动到测量点，转接装置11中的限位弹簧3确保超声传感器4缓慢柔性地与工件接触，防止刚性冲击碰撞；由转接刀柄1、外部限位套2、限位弹簧3和内部滑动套6组成的缓冲装置见图2所示。当超声传感器4接触到被测量零件时，由于被测区域涂有耦合剂，接触时超声测厚仪8会自动计算出被测点处的壁厚值，并将此壁厚值实时通过信号线缆传出。测量时，沿曲面法矢方向进行测量是通过机床主轴10及回转动作台12的位姿控制，实现超声测厚仪8沿法矢测量薄壁曲面；

结合说明书附图2，附图3所示转接装置11主要由转接刀柄1、外部限位套2、限位弹簧3、超声传感器4、紧定螺钉5、内部滑动套6构成。转接刀柄1与外部限位套2采用螺纹连接，处于间隙配合状态；内部滑动套6能在转接刀柄1与外部限位套2形成的内腔滑动。而限位弹簧3两端分别置于转接刀柄1与内部滑动套6的轴肩处；超声传感器4通过紧定螺钉5与内部滑动套6固结在一起，保证超声传感器4接触到测量物体时，保护性的回退；并且由于预压紧的限位弹簧3会保证超声传感器4紧密贴合测量曲面。

步骤五、超声测厚仪8工作将测量的实际检测点坐标及对应壁厚数据通过信号线缆传输到计算机，实施曲面壁厚测量数据处理、分析和存储，为下一步的机械加工提供指导。

本发明不仅可以在数控铣床上使用，还可以利用在通用关节臂上，如图7所示，在应用在通用关节臂上时，以机器人末端执行器13代替机床主轴10带动转接装置11运作，其余无变化。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.复杂薄壁结构零件壁厚在机测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、数控铣床粗加工完安装在回转工作台(12)上的复杂薄壁结构零件后，在不取下复杂薄壁结构零件的情况下，调用数控铣床自动换刀程序，卸下机床主轴(10)上加工使用的铣刀，更换为接触式探针；

步骤二、计算机(7)在复杂薄壁结构零件被测区域的曲面上设置若干规划点，利用接触式探针检测所述的规划点的坐标实际测量值并由数控铣床实时反馈回计算机(7)中，根据反馈的规划点的坐标实际测量值进行计算，得出复杂薄壁结构零件被测区域曲面上每个规划点的实际法向矢量，并生成测量程序；

步骤三、调用数控铣床自动换刀程序，卸下机床主轴(10)上的接触式探针，将超声传感器(4)通过转接装置(11)接在机床主轴(10)上，超声传感器(4)通过信号缆线(9)连接超声测厚仪(8)，所述的超声测厚仪(8)与计算机(7)连接；

步骤四、调用超声传感器(4)，通过机床主轴(10)与回转工作台(12)的位姿控制，实现超声传感器(4)沿复杂薄壁结构零件曲面规划点的实际法向矢量进行移动，当超声传感器(4)接触到复杂薄壁结构零件曲面规划点时，超声测厚仪(8)会自动计算出被测点处的壁厚值，并将此壁厚值实时通过信号线缆传至计算机(7)；

步骤五、重复步骤四，直至将所有规划点的壁厚值均采集完毕，计算机(7)对复杂薄壁结构零件所有规划点壁厚测量数据进行处理、分析和存储，得到复杂薄壁结构零件壁厚信息。

2.根据权利要求1所述的复杂薄壁结构零件壁厚在机测量方法，其特征在于，步骤二中，计算得出复杂薄壁结构零件被测区域曲面上每个规划点的实际法向矢量的方法为：先在被测区域曲面上规划m×n个规划点，然后调用机床自带的接触式探针在机测量待测曲面，获得该曲面上规划点的实际坐标值；针对集中的规划点，以相邻的若干个规划点为邻近点，基于最小二乘法计算该点处的近似切平面，从而得出该切平面的法向矢量，即为该集中的规划点的法向矢量；针对离散的规划点，对离散的规划点进行kd-tree拓扑结构重建，在此基础上进行临近点的查找，首先通过二叉树搜索，找到该离散的规划点最近邻的近似点；然后再回溯搜索路径，并判断搜索路径上的结点的其他子结点空间中是否有距离查询点更近的数据点，如果有，则跳到其他子结点空间中搜索，重复这个过程直到搜索路径为空，得到该离散的规划点的最邻近点，以该方法反复搜索，得到该离散的规划点最邻近的k个邻近点，然后根据最小二乘法计算该离散的规划点处的近似切平面，计算出切平面的法向矢量，即为该离散的规划点的法向矢量。

3.根据权利要求2所述的复杂薄壁结构零件壁厚在机测量方法，其特征在于，近似点是二叉树搜索的迭代计算过程中产生的点，当相邻两次迭代的近似点误差低于设定数值10^-9时，跳出迭代，最后一次计算出的近似点即为最近邻的近似点。

4.根据权利要求1所述的复杂薄壁结构零件壁厚在机测量方法，其特征在于，步骤二中，计算得出复杂薄壁结构零件被测区域曲面上每个规划点的实际法向矢量的方法为：在每个规划点周围设置若干个沿径向设定距离的周围衍生点，调用接触式探针对规划点以及该规划点的周围衍生点进行检测，获得规划点以及该规划点的周围衍生点的实际坐标值，通过最小二乘法计算出该规划点以及该规划点的周围衍生点所组成切平面的法向矢量，即为该规划点的法向矢量。

5.根据权利要求4所述的复杂薄壁结构零件壁厚在机测量方法，其特征在于，每个规划点的周围衍生点数目大于3。

6.根据权利要求3或5所述的复杂薄壁结构零件壁厚在机测量方法，其特征在于，步骤四中还设置有路径规划步骤：计算机(7)根据接触式探针检测所述的规划点的坐标实际测量值规划超声传感器(4)的移动路径，并根据规划点的坐标以及法向矢量，设定出距离规划点由远及近的远端点、偏转点和逼近点，其中，转接装置(11)从远端点至偏转点时完成位姿调整，使超声传感器(4)的检测头轴心与规划点法向矢量重叠，转接装置(11)经正常进给速度至逼近点；沿规定测量路径经过逼近点后，缓慢运动使超声传感器(4)接触规划点。

7.根据权利要求1所述的复杂薄壁结构零件壁厚在机测量方法，其特征在于，转接装置(11)包括转接刀柄(1)，所述的转接刀柄(1)中部与外部限位套(2)固定连接，转接刀柄(1)一端可与机床主轴(10)连接，另一端固定在外部限位套(2)内部，并与外部限位套(2)之间形成内腔，所述的内腔中设置有可滑动的内部滑动套(6)，所述的内部滑动套(6)与转接刀柄(1)的轴肩处设置有预压紧的限位弹簧(3)，内部滑动套(6)远离机床主轴(10)的一端固定连接有超声传感器(4)，所述的超声传感器(4)连接有数据分析装置。

8.根据权利要求7所述的复杂薄壁结构零件壁厚在机测量方法，其特征在于，所述的内部滑动套(6)通过紧定螺钉(5)固定连接超声传感器(4)。

9.根据权利要求8所述的复杂薄壁结构零件壁厚在机测量方法，其特征在于，所述的转接刀柄(1)中部与外部限位套(2)采用螺纹的方式固定连接。