CN110587378B - 一种数控系统加工在线检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明针对现有数控系统对零件形位在线检测领域实时性不强，无法实现在线检测的问题，提出了一种基于数控系统的实时在线检测方法。该方法采用光谱共焦传感器及控制器、调整支架、扭矩传感器、工控机及数控系统。将光谱共焦传感器通过调整支架连接在机床主轴上，跟随主轴运动，光谱共焦探测器获取工件距离探测器的距离信息，数控系统采集机床主轴坐标信息。通过数据线将光谱共焦传感器信息与机床检测的主轴信息发送到工控机，工控机上通过软件编程通过数据滤波及矢量求解，从而获得被加工工件的实时数据，实现被加工件的在线检测。本发明的实时在线检测方法实时性好，机床扩展简便，检测位置可调，操作简便、能够有效解决实时在线检测难题。

Description

一种数控系统加工在线检测方法
技术领域
本发明涉及机械数控加工、检测、计算机数据编程等，属于加工过程在线实时测量领域，具体涉及数控系统的实时在线检测方法。
背景技术
“边加工边检测”是数控加工过程中快速加工、快速检测的一种重要措施，通过边加工边检测可实时了解加工过程中的变化量，从而做到实时调整，减小加工误差。
目前数控系统能够边加工边检测从而实现在线补偿等功能，主要采用的方式是在机床主轴上加装扭矩传感器获得零件的切削力实时数据或者在零件安装基座上安装力学传感器，反馈获取工件加工过程中的受力情况，从而实现边加工边检测。通过该类方式可以获得加工过程中的力学信息，但对加工过程中的位移信息无法获取，无法对工件的实时加工过程是否符合零件尺寸精度要求进行评估。
能够实现检测位移的技术方案如：中国科学院沈阳自动化研究所赵吉宾等人申请了一项专利：“一种基于五轴数控系统的工件测量系统”公开号“CN102275093B”，该专利是将光谱共焦传感器通过刀柄架设于机床主轴上，通过加装编码器，经坐标变换等数据处理过程，从而获得工件的三维信息数据。但是由于该探测器架设于主轴刀柄，因此系统无法实现“边加工边检测”的实时检测需求，所以上述专利依然是一种在位检测。
发明内容
针对现有机床在线检测技术无法实时获得被检测工件位置信息的问题，本发明提出一种数控系统加工在线检测方法，是基于“CN102275093B”专利方案进行改进，将位移传感器从主轴位置移开，通过安装支架安装在主轴侧边，并根据检测精度要求，提出了一种新的检测方法，确保检测精度达到要求，实现跟随主轴加工同时进行检测；本发明是采用扭矩或人为触发形式，因此能够做到加工、检测同步实施、实时性强，便于实现动态检测。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
所述一种数控系统加工在线检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：采用调整支架将光谱共焦传感器安装在数控系统机床主轴的一侧，且调整支架安装在机床主轴上，使光谱共焦传感器能够随机床主轴同步移动；调节调整支架状态，使光谱共焦传感器的测量距离在其工作距离内；
步骤2：检测光谱共焦传感器与机床主轴之间的矢量关系f，f＝(ux,uy.uz)分别是对应机床坐标系OX，OY，OZ三轴的单位矢量；
步骤3：采用数控系统机床自带的测头，检测校准样块上特征点的五轴坐标(X，Y，Z，B，C)，然后同步移动光谱共焦传感器和机床主轴，通过光谱共焦传感器对标准样块上的特征点进行检测，记录光谱共焦传感器距离读数H以及此时机床五轴坐标系读数(X'，Y'，Z'，B'，C')；
步骤4：根据公式
(X,Y,Z)*TT*ROT(B,C)＝H*(X'，Y'，Z')*fT*M*ROT(B',C')
计算机床坐标系与光谱共焦传感器之间的变换矩阵M，其中T为标定后已知的机床检测测头与机床坐标系之间的变换矩阵，ROT(B,C)为围绕B，C的旋转矩阵；
步骤5：固定光谱共焦传感器相对机床主轴的位置和姿态；数控系统机床进行零件加工，加工过程中将机床主轴加工点的五轴坐标信息A(X,Y,Z,B,C)和光谱共焦传感器的检测数据H'输入至工控机，根据公式
S＝(TT)-1*H'*A*f*M*ROT(B,C)
计算得到检测点坐标。
进一步的优选方案，所述一种数控系统加工在线检测方法，其特征在于：数控系统机床进行零件加工时，采用机床主轴上的扭矩传感器提供在线检测触发信息。
有益效果
本发明的有益效果体现在：
1.本发明能够用于对零件实际加工过程中的位移状态进行检验，所得到的数据可用于指导后续加工。
2.本发明沿用加工的刀轨信息，不需要重新编制检测程序，只需要在加工之前对光谱共焦传感器与机床主轴进行坐标校准，即使是探测更换刀具，只要在探测器检测量程范围内，依然可以实现边加工边检测。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明的系统构成图；
图2是本发明的零件、加工、检测坐标之间关系示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做详细说明。
如图1所示，本发明方法实现中应用到的系统组成包括光谱共焦传感器3、调整支架4、光谱共焦控制器6、数控系统7、工控机5。其工作原理为：光谱共焦传感器3通过调整支架4架设于机床主轴2上，通过校正光谱共焦传感器与机床主轴之间的矢量关系。在零件加工过程动态检测时，通过扭矩传感器8触发加工开始信号，光谱共焦控制器6收集数控系统7采集的机床主轴坐标信息及光谱共焦探测器信息，并将信息实时反馈至工控机5，工控机实时处理相应信息，从而实现实时在线检测。与动态检测相比，静态检测仅仅是检测触发信号由扭矩传感器改为人工触发。
所述检测过程之前需要对光谱共焦探测器检测方位与机床主轴矢量关系进行校准，确定光谱共焦传感器与机床坐标系变换矩阵M。并记录光谱共焦传感器与机床主轴的矢量f，并将该信息输入至工控机5，为后续实时计算提供依据。
在实施边加工边检测工作前，对光谱共焦传感器与刀具主轴之间的关系进行校准的具体实施如下：
采用调整支架4将光谱共焦传感器3架设于刀具主轴2旁边，调整支架状态，保证测量距离在光谱共焦传感器工作距离之内。此时需要确定两个量：
一个是检测点与机床主轴坐标点之间的对应关系；
一个是光谱共焦探测器相对于机床主轴的矢量。
采用激光干涉仪，检测光谱共焦传感器与机床主轴之间的矢量关系f，f＝(ux,uy.uz),分别是对应机床坐标系OX，OY，OZ三轴的单位矢量。
采用机床自带的测头，检测校准样块上特征点五轴坐标(X，Y，Z，B，C)，再同步移动光谱共焦传感器和机床主轴，通过光谱共焦传感器对标准样块上的特征点进行检测，记录光谱共焦传感器距离读数H以及此时机床五轴坐标系读数(X'，Y'，Z'，B'，C')。
根据公式：
(X,Y,Z)*TT*ROT(B,C)＝H*(X'，Y'，Z')*fT*M*ROT(B',C')
计算机床坐标系与光谱共焦传感器之间的变换矩阵M。其中T为标定后已知的机床检测测头与机床坐标系之间的变换矩阵。ROT(B,C)为围绕B，C的旋转矩阵，一般校正的时候B，C轴恒定。所以上述公式简化为(X,Y,Z)*TT＝H*(X'，Y'，Z')*fT*M
根据上述公式即可确定校正后的矩阵M。
光谱共焦传感器与机床主轴矢量关系等经过确定后，光谱共焦传感器位姿不得改变。此时可以进行边检测边加工具体实施。具体过程如下：
扭矩传感器8作为在线检测触发信息安装在主轴上，将零件加工刀轨程序发送至机床数控系统7，按照加工要求安装相应刀具并启动加工程序。当刀具接触到零件时，当扭矩突然增大时，扭矩传感器8检测到相应数据并将该信号作为开始加工的触发信号，并将该信号发送至光谱共焦控制器6，光谱共焦控制器6根据该信息开始收集机床主轴坐标信息以及光谱共焦传感器信息，通过数据的时域信号统一处理后，光谱共焦控制器通过网线将数控系统7中主轴五轴坐标信息及光谱共焦传感器3测量数据实时发送至工控机5，工控机通过预先校准获得的光谱共焦探测器3及机床主轴2之间的矢量关系f，编程快速运算，从而实时获得零件坐标信息。当扭矩传感器8检测到扭矩信号减至为0时，此时光谱共焦控制器6停止数据采集，检测过程结束。
在实时边加工边检测过程中，机床主轴的五轴坐标信息A(X,Y,Z,B,C)，根据坐标校准的变换矩阵M和光谱共焦传感器3检测的数据H'，通过以下公式可以获得最终的检测点的坐标为：S＝(TT)-1*H'*A*f*M*ROT(B,C)。
在检测过程中，可以根据检测需求，通过编程控制光谱共焦控制器6做到定时数据采集，实现毫秒级数据采集，对光谱共焦数据和机床编码器数据进行一定周期的读取。也可以根据各传感器反馈速率，各通道分别采集数据，光谱共焦控制器6做到时序一致，将数据实时传输至工控机端，再通过数据处理软件对数据进行处理。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (2)

1.一种数控系统加工在线检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：采用调整支架将光谱共焦传感器安装在数控系统机床主轴的一侧，且调整支架安装在机床主轴上，使光谱共焦传感器能够随机床主轴同步移动；调节调整支架状态，使光谱共焦传感器的测量距离在其工作距离内；
步骤2：检测光谱共焦传感器与机床主轴之间的矢量关系f，f＝(ux,uy.uz)分别是对应机床坐标系OX，OY，OZ三轴的单位矢量；
步骤3：采用数控系统机床自带的测头，检测校准样块上特征点的五轴坐标(X，Y，Z，B，C)，然后同步移动光谱共焦传感器和机床主轴，通过光谱共焦传感器对标准样块上的特征点进行检测，记录光谱共焦传感器距离读数H以及此时机床五轴坐标系读数(X'，Y'，Z'，B'，C')；
步骤4：根据公式
(X,Y,Z)*TT*ROT(B,C)＝H*(X'，Y'，Z')*fT*M*ROT(B',C')
计算机床坐标系与光谱共焦传感器之间的变换矩阵M，其中T为标定后已知的机床检测测头与机床坐标系之间的变换矩阵，ROT(B,C)为围绕B，C的旋转矩阵；
步骤5：固定光谱共焦传感器相对机床主轴的位置和姿态；数控系统机床进行零件加工，加工过程中将机床主轴加工点的五轴坐标信息A(X,Y,Z,B,C)和光谱共焦传感器的检测数据H'输入至工控机，根据公式
S＝(TT)-1*H'*A*f*M*ROT(B,C)
计算得到检测点坐标。
2.根据权利要求1所述一种数控系统加工在线检测方法，其特征在于：数控系统机床进行零件加工时，采用机床主轴上的扭矩传感器提供在线检测触发信息。
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