CN110977064B - 基于点云数据处理的成型电极损耗最优修整量实现方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于点云数据处理的成型电极损耗最优修整量实现方法，利用激光三坐标测量机对成型电极损耗情况进行测量并得到点云数据，将点云数据从机床坐标系下变换至工件坐标系下并降噪处理；再采用最小二乘法进行平面近似拟合得到最优修整量，采用反成型修整技术，结合最优修整量，利用反拷块对损耗的成型电极进行修整。本发明能够准确确定电火花特种加工中的工具电极损耗最优修整量，提高加工效率，保证修整质量。

Description

基于点云数据处理的成型电极损耗最优修整量实现方法
技术领域
本发明涉及的是一种电极加工领域的技术，具体是一种基于点云数据处理的成型电极损耗最优修整量实现方法。
背景技术
在电火花放电加工过程中，成型电极不可避免地存在损耗。目前针对成型电极损耗的修整一般利用反拷块技术实现，但该技术受操作员影响较大一致性较差，若修整量少于损耗量，则会导致成型电极损耗部位修整效果不理想，进而影响工件的加工精度；若修整量大于损耗量，则会导致修整时间过长，影响加工效率，降低成型电极使用率。
发明内容
本发明针对现有成型电极损耗修整中严重依赖主观经验确定成型电极修整量的问题，提出一种基于点云数据处理的成型电极损耗最优修整量实现方法，能够准确确定电火花特种加工中的工具电极损耗最优修整量，提高加工效率，保证修整质量。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明利用激光三坐标测量机对成型电极损耗情况进行测量并得到点云数据，将点云数据从机床坐标系下变换至工件坐标系下并降噪处理；再采用最小二乘法进行平面近似拟合得到最优修整量，采用反成型修整技术，结合最优修整量，利用反拷块对损耗的成型电极进行修整。
所述的测量，保证激光光束入射角度与被测点所在平面法向角度之间角度偏差不超过3°，需要结合激光测量机五轴空间运动结构进行运动学公式推导，将待测点坐标由工件坐标系转化为机床坐标系下，从而便于激光测量机进行测量，具体为：以成型电极原点为坐标系原点分别建立工件坐标系(xg,yg,zg)和机床坐标系(xj,yj,zj)，其中：成型电极上的待测点在工件坐标系下的坐标(xcg,ycg,zcg)，在机床坐标系下的坐标(xcj,ycj,zcj)，其中：待测点在机床坐标系下的坐标(xcj,ycj,zcj)到工件坐标系下坐标时的平移变换矩阵
Figure BDA0002303395390000011
其中：(x,y,z)为机床对应的x,y,z轴的平移距离，其中：待测点在机床坐标系下的坐标(xcj,ycj,zcj)到工件坐标系下坐标时的B轴旋转变换矩阵
Figure BDA0002303395390000012
其中：ω为激光测量机B轴的旋转角度，单位为弧度，其中：待测点在机床坐标系下的坐标(xcj,ycj,zcj)到工件坐标系下坐标时的C轴旋转变换矩阵
Figure BDA0002303395390000021
其中：α为激光测量机C轴的旋转角度，单位为弧度；由此得到成型电极上的待测点在工件坐标系下的坐标(xcg,ycg,zcg)与在机床坐标系下的坐标(xcj,ycj,zcj)两者之间的变换关系满足：
Figure BDA0002303395390000022
Figure BDA0002303395390000023
Figure BDA0002303395390000024
所述的变换至工件坐标系是指：将激光三坐标测量机测量到的数据，按照测量过程的逆处理，从机床坐标系下得到工件坐标系下成型电极被测表面的点云数据，通过运动学推导得到工件坐标系下的成型电极表面点云。
所述的降噪处理是指：采用半径滤波器过滤去除点云数据中心由于振动、激光测量误差等因素引入的噪声点，进行数据清洗，确保后续分析处理是在准确的数据集基础上进行。
所述的最优修整量，利用MATLAB将得到的点云数据采取最小二乘法进行近似平面拟合，并求解得到该平面P1的方程为：k1x+k2y+k3z＝d，其中：k1代表平面与y轴和z轴的截距b和c的乘积，即：k1＝b*c，其中：k2代表平面与x轴和z轴的截距a和c的乘积，即：k2＝a*c，其中：k3代表平面与x轴和y轴的截距a和b的乘积，即：k3＝a*b；依据点云数据拟合得到的平面方程，求解得到平面方程与成型电极交点的最低点(xzd,yzd,zzd)。以该最低点为基准，做水平横截面P2，则此时平面P2与损耗表面的拟合平面P1两平面之间的近似楔状即为最优修整量。
本发明涉及一种现上述方法的系统，包括：形貌检测模块、点云数据处理模块和最优修整量确定模块，其中：形貌检测模块与点云数据处理模块通过数据线相连接，传输三维坐标点数据信息，点云数据处理模块与最优修整量确定模块通过程序调用函数相互连接。
技术效果
与现有技术相比，本发明整体所解决的技术问题是：现有成型电极损耗修整中严重依赖主观经验确定成型电极修整量的问题，提出一种基于点云数据处理的成型电极损耗最优修整量实现方法，能够准确确定电火花特种加工中的工具电极损耗最优修整量，提高加工效率，保证修整质量。
本发明能够有效避免传统成型电极修整过程中在确定修整量时对于现场工人师傅经验的依赖，便于大范围推广应用于工业生产现场。
可根据损耗情况自适应确定最优修整量，从而避免欠修整和过修整的情况，进而保证成型电极修整质量的一致性。
可以将成型电极修整时间降低41％，且成型电极利用率增加37.5％。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为成型电极实物图；
图3为成型电极损耗检测初始点云图；
图4为经过降噪处理的电极损耗检测降噪点云图；
图5为数据清洗前后点云数据的波形图；
图6为电极损耗表面拟合平面图；
图7为最优修整量确定点云图；
图8为成型电极修整过程图。
具体实施方式
本实施例中采用的等腰梯形截面成型电极实物图及截面几何尺寸如图2所示，具体为：楔形结构，该电极的宽度，即楔形面长度为7mm，楔形角为20°，窄边厚度为0.8mm。
如图1所示，为本实施例涉及一种基于点云数据处理的成型电极损耗最优修整量实现方法，包括以下步骤：
步骤1)测量轨迹规划：利用激光三坐标测量机对成型电极损耗情况进行测量，预先确定待测平面在工件坐标系下的坐标范围，结合激光三坐标测量机的几何空间运动结构，推导得到待测平面及其坐标点在激光三坐标测量机机床坐标系下的坐标。
步骤2)点云数据处理：将激光三坐标测量机测量得到的数据，按照步骤1)中的推导公式进行变换处理，将点云数据从机床坐标系下变换处理到工件坐标系下，具体如图3所示。由于机床振动以及激光测量误差等因素的存在，在激光测量过程中可能会引入噪声，从图3可见。因此，通过运动变换推导得到的点云数据是无法直接使用的，需要对点云数据进行进一步的降噪处理。
优选地，通过激光三坐标测量机测量得到的坐标点，其噪声的影响主要分布于Z轴方向上，这是由于激光三坐标测量机采用竖直测量的测量原理所导致的。因此，在进行降噪处理和数据清洗时，应将重心放在Z轴数据的异常点清理上。
采用半径滤波器对点云数据进行数据清洗，经过点云降噪后的点云三维图如图4所示。相较于降噪之前，点云数据的方差由原来的1.17％降低为0.45％，具体详细数据如图5所示。
步骤3)最优修整量确定：需要在上述几个步骤的基础上，利用MATLAB将得到的点云数据采用最小二乘法进行平面近似拟合，并求解该平面所在方程，如图6所示。依据点云数据拟合得到的平面方程，求解得到平面方程与成型电极交点的最低点(xzd,yzd,zzd)。以该最低点为基准，做水平横截面P2，则此时平面P2与损耗表面的拟合平面P1两平面之间的近似楔状即为最优修整量，具体如图7所示。
步骤4)基于最优修整量对成型电极进行修整，采用反成型修整技术，结合上述步骤确定的最优修整量，利用反拷块对损耗的成型电极进行修整。在修整成型电极时，可以根据最优修整量确定加工电参数和修整时间，如图8所示。相关加工电参数如表1所示。
表1 修整电极时采用电参数
Figure BDA0002303395390000041
修整效果检测：为检测修整效果，同时检验上述方式确定的最优修整量是否有效，需要利用激光三坐标测量机对修整之后的成型电极表面进行检测，具体测量方式同步骤1)。
对比加工验证：采用修整之后的成型电极进行加工实验，分析对比采用最优修整量修整的成型电极与传统基于工人师傅经验修整的成型电极的工件加工精度和加工效率。从而得到量化的对比验证结论。通过与传统工人师傅根据经验确定修整量的对比实验，本方法中提出的技术方案可以将成型电极修整时间降低41％，且成型电极利用率增加37.5％。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (6)

1.一种基于点云数据处理的成型电极损耗最优修整量实现方法，其特征在于，利用激光三坐标测量机对成型电极损耗情况进行测量并得到点云数据，将点云数据从机床坐标系下变换至工件坐标系下并降噪处理；再采用最小二乘法进行平面近似拟合得到最优修整量，采用反成型修整技术，结合最优修整量，利用反拷块对损耗的成型电极进行修整；
所述的最优修整量，利用MATLAB将得到的点云数据采取最小二乘法进行近似平面拟合，并求解得到该平面P1的方程为：k1x+k2y+k3z＝d，其中：k1代表平面与y轴和z轴的截距b和c的乘积，即：k1＝b*c，其中：k2代表平面与x轴和z轴的截距a和c的乘积，即：k2＝a*c，其中：k3代表平面与x轴和y轴的截距a和b的乘积，即：k3＝a*b；依据点云数据拟合得到的平面方程，求解得到平面方程与成型电极交点的最低点(xzd,yzd,zzd)，以该最低点为基准，做水平横截面P2，则此时平面P2与损耗表面的拟合平面P1两平面之间的近似楔状即为最优修整量。
2.根据权利要求1所述的基于点云数据处理的成型电极损耗最优修整量实现方法，其特征是，所述的测量，保证激光光束入射角度与被测点所在平面法向角度之间角度偏差不超过3°，需要结合激光测量机五轴空间运动结构进行运动学公式推导，将待测点坐标由工件坐标系转化为机床坐标系下，从而便于激光测量机进行测量。
3.根据权利要求1或2所述的基于点云数据处理的成型电极损耗最优修整量实现方法，其特征是，所述的测量，以成型电极原点为坐标系原点分别建立工件坐标系(xg,yg,zg)和机床坐标系(xj,yj,zj)，其中：成型电极上的待测点在工件坐标系下的坐标(xcg,ycg,zcg)，在机床坐标系下的坐标(xcj,ycj,zcj)，其中：待测点在机床坐标系下的坐标(xcj,ycj,zcj)到工件坐标系下坐标时的平移变换矩阵
Figure FDA0002677163200000011
其中：(x,y,z)为机床对应的x,y,z轴的平移距离，其中：待测点在机床坐标系下的坐标(xcj,ycj,zcj)到工件坐标系下坐标时的B轴旋转变换矩阵
Figure FDA0002677163200000012
Figure FDA0002677163200000013
其中：ω为激光测量机B轴的旋转角度，单位为弧度，其中：待测点在机床坐标系下的坐标(xcj,ycj,zcj)到工件坐标系下坐标时的C轴旋转变换矩阵
Figure FDA0002677163200000014
Figure FDA0002677163200000015
其中：α为激光测量机C轴的旋转角度，单位为弧度；由此得到成型电极上的待测点在工件坐标系下的坐标(xcg,ycg,zcg)与在机床坐标系下的坐标(xcj,ycj,zcj)两者之间的变换关系满足：
Figure FDA0002677163200000021
Figure FDA0002677163200000022
4.根据权利要求1所述的基于点云数据处理的成型电极损耗最优修整量实现方法，所述的变换至工件坐标系是指：将激光三坐标测量机测量到的数据，按照测量过程的逆处理，从机床坐标系下得到工件坐标系下成型电极被测表面的点云数据，通过运动学推导得到工件坐标系下的成型电极表面点云。
5.根据权利要求1所述的基于点云数据处理的成型电极损耗最优修整量实现方法，所述的降噪处理是指：采用半径滤波器过滤去除点云数据中心由于振动、激光测量误差等因素引入的噪声点，进行数据清洗，确保后续分析处理是在准确的数据集基础上进行。
6.一种实现权利要求1～5中任一所述方法的系统，其特征在于，包括：形貌检测模块、点云数据处理模块和最优修整量确定模块，其中：形貌检测模块与点云数据处理模块通过数据线相连接，传输三维坐标点数据信息，点云数据处理模块与最优修整量确定模块通过程序调用函数相互连接。
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