CN111156945A - 一种数控机床加工零件的在机检测方法 - Google Patents

一种数控机床加工零件的在机检测方法 Download PDF

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    • G05B19/401—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by control arrangements for measuring, e.g. calibration and initialisation, measuring workpiece for machining purposes

Abstract

本发明公开了一种数控机床加工零件的在机检测方法。本发明是在数控机床的主轴上安装一种以长度测量传感器为核心的检测装置，使其与被测零件的被侧面法向触测，检测装置能够实时地传输测量结果回上位机，实现在线连续测量。该检测装置安装在主轴上类似于一把加工用的刀具，可以按加工零件的NC程序给定的轨迹在零件加工面上进行连续采样检测，采样结果即是检测结果。

Description

一种数控机床加工零件的在机检测方法
技术领域
本发明涉及零件测量技术领域，具体的说，是一种机加零件型面形位误差在机连续精确的测量方法。
背景技术
数控机床大量应用于机械加工领域，如何高效、便捷、精确的进行零件形位公差的检测，是获取产品加工质量情况的关键。
现有数控加工零件型面形位误差的检测方法有：
第一类是三坐标测量机测量，是一种离开加工机床的测量方法。三坐标测量机使用3D测头对被测目标进行测量。使用3D测头在被测实体上逐个采点，获取被测点的坐标值，通过实测点与理论值之差来评价被测目标的误差。
使用3D测头逐点测量零件型面，采点效率很低，如果测量型面上点位数量越多，则测量效率越低；同时这种测量方法不可避免地会带来二次装夹的误差，也易对工件造成损伤，如划伤表面、工艺变形等；且对测量环境要求高，测量成本高，使用范围受到一定的限制。
第二类是视觉测量法。视觉测量技术是以计算机视觉为基础，结合光、电、机应用的一种新兴测量技术。该方法在测量过程中，由激光二极管发出的激光束在被测型面实体上形成一个亮的光斑，经成像物镜将该光斑成像到光电接收器的光敏面上，光强信号被转换为电信号后经数/模采集并顺序输出，就得到同事具备位置信息和光强信息的一维图像信息，图像信息经过图像数据分析可以精确计算机光斑像点的位置。该方法具有非接触、柔性好等优点，但测量结果受光学成像元器件影响较大，测量效率较低，精度不高等缺点。
现有技术主要存在以下缺点：
三坐标测量机测量：
1、这种测量方法由于被测零件要离开加工它的机床到三坐标测量机上测量，不可避免地会带来二次装夹的误差，也易对零件造成损伤，如划伤表面、工艺变形等；
2、同时由于三坐标测量机检测零件要逐点测量零件型面，测量精度受所测点位数量和位置影响很大，测量精度和测量效率无法很好地协调，且测量成本高；
3、对测量环境要求高，使用范围受到一定的限制；
4、因触发式测头是感应元件，测量到的点是测头的球心位置，故欲求得工件真实外形则需要对球头半径进行补偿，因而可能会导致修正误差的问题。计算比较繁琐，同时也是测量误差的来源之一。
视觉测量法：该方法测量结果受光学成像元器件影响较大，且存在测量效率较低，精度不高等缺点。
发明内容
针对现有技术采点效率很低，有二次装夹的误差，测量效率较低，精度不高等缺点，本发明针对这些不足，提供一种机加零件实体型面在机连续精确的测量方法。
该方法是在机床的主轴上安装一种以长度测量传感器为核心的检测装置，使其与被测零件被测面法向触测，并随着机床运动，实现在线连续测量。该检测装置安装在机床的主轴上类似于一把加工用的刀具，可以按加工零件的NC程序给定的轨迹在零件加工面上进行连续采样检测，采样结果即是检测结果，从而实现高效、便捷、精确的进行零件形位公差的检测的功能，目前对于数控机床加工零件的型面误差在机检测方面上没有公认的技术和标准，本发明参考三坐标测量相关的“产品几何量技术规范（GPS）GB/T 16857.1-200X”、“几何量技术规范长度测量器具：指示表设计及计量技术要求GB/T1219-2000”、“坐标测量机的验收检测和复检检测 eqv ISO 10 360-1:2000”、“测量机的精度判断标准（JJF 1064-2000）”等标准与规范设计。
本发明通过下述技术方案实现：一种数控机床加工零件的在机检测方法，包括以下步骤：
步骤一，准备一段具有较高精度的长度测量传感器作为测量尺寸的基准，该长度测量传感器的测量精度将决定本发明方法的测量精度；
步骤二，将该段长度测量传感器刚性固定到一端为球面的粗针上，形成探测的检测装置探头，其中的粗针称为探针；
步骤三，使该检测装置探头法向指向被测面，并沿着被测面切线方向运动，由于零件加工完成后，各种原因导致所加工零件表面上点位与理论点位存在误差，其值为所加工零件表面上点位与理论点位之间的距离，方向是沿着该点法向，因此，检测装置探头法向指向被测面触测，检测装置探头将沿触测面上点位法向高低运动，运动的长度即是该点与理论点的误差，读取该长度值即可获得测量结果，而不需要额外计算；
步骤四，读取检测装置探头上长度测量传感器的值，即为被测表面上所在点位的误差。
为了更好的实现本发明，进一步地，由容栅尺及其相关电路组成测头长度测量和读数的主体，容栅动尺连接探针部分。
为了更好的实现本发明，进一步地，利用此检测装置对零件型面进行测量时，必须要根据零件型面生产测量NC程序，该NC程序走刀路径为本次加工的走刀轨迹。
为了更好的实现本发明，进一步地，将检测装置安装在刀柄上，并测量检测装置的长度，该过程与一般的刀具长度测量一样，并将该装有检测装置探头的刀柄安装在机床的主轴，输入相关的刀具参数（即所测检测装置长度等参数）进入机床系统。
为了更好的实现本发明，进一步地，在测量时机床的主轴摆角要回零，并将机床的主轴移至被测零件原点处，使检测装置探头接触到零件原点，并沿Z方向向零件原点压入1mm左右，将检测装置探头读数清零。
为了更好地实现本发明，进一步地，在执行测量NC程序进行测量后，测量结果将实时通过检测装置通信模块传回至上位机。
为了更好地实现本发明，进一步地，在测量过程中，机床的给进速度要保持恒定。
为了更好地实现本发明，进一步地，带摆角机床要打开多轴联动功能。
为了更好地实现本发明，进一步地，测量过程中要避免检测装置与零件干扰。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
（1）本发明能大幅提高零件的测量效率，利用加工机床和检测装置即可对零件进行在机监测，无需脱机或增加其他多余设备；
（2）本发明能有效解决机床加工的零件型面在线测量的精度低的问题，检测使用的设备就是加工机床，使用的NC程序走刀路径也是零件加工的走刀路径，与现有技术相比减少了一些因为检测操作造成的不必要的误差。
附图说明
图1为检测装置探头与长度测量传感器连接；
图2为检测装置主视图；
图3为检测装置俯视图；
图4为检测装置容栅尺左视截面图；
图5为检测装置探头测量时的径向测量路径示意图；
图6为检测装置探头测量时的轴向测量路径示意图；
图7为检测装置与机床的主轴的连接示意图；
图8为检测装置探头触测被测点的运动方向。
其中：1-检测装置探头、2-腔体一，3-装置上盖板，4-容栅一极板，5-腔体二，6-装置后盖，7-电池盒，8-限位卡环，9-容栅一极板B，10-测量杆，11-弹簧，12-装置体，13-上盖板固定螺钉，14-通信模块，15-弹簧固定杆，16-容栅一极板B平衡杆，17-检测装置，18-长度测量传感器，19-主轴。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
本实施例的一种数控机床加工零件的在机检测方法，结合图1，图2，图3，图4和图8所示，需要用一个由检测装置探头1和长度测量传感器18组成的检测装置17来实现。长度测量传感器18一端刚性固定到一端为球面的粗针上，如图1所示，形成了检测装置17，其中粗针就是检测装置17的检测装置探头1。所述的长度测量传感器18包括腔体一2，装置上盖板3，容栅一极板A4，腔体二5，装置后盖6，电池盒7，限位卡环8，容栅一极板B9，测量杆10，弹簧11，装置体12，上盖板固定螺钉13，通信模块14，弹簧固定杆15，容栅一极板B平衡杆16，其中：
所述容栅一极板A4、容栅一极板B9、测量杆10和弹簧11位于腔体一2之中，并共同构成容栅动尺，所述检测装置探头1与测量杆10向外一端相连接，所述测量杆10向内一端固定在腔体一2与腔体二5之间的固定端中；
所述电池盒7位于腔体二5内，贴于腔体二5空间下部的装置体12处；
所述通信模块14与所述固定端一样位于腔体一2和腔体二5之间，贴合在长度测量传感器18内部空间下部装置体12处；
所述装置上盖板3位于腔体一2和腔体二5上方，盖住长度测量传感器18内部空间，装置上盖板3外部有上盖板固定螺钉13，用于固定装置上盖板3与装置体12；
所述容栅动尺上有容栅一极板B平衡板16，与弹簧11连接处有弹簧固定杆15；
所述装置后盖6位于长度测量传感器18远离检测装置探头1的那一端外部。
工作原理：检测装置17需要选用高精度的长度测量传感器18作为测量尺寸的基准，该长度测量传感器18的测量精度将决定本发明方法的测量精度。如图8所示，检测装置17的检测装置探头1法向指向被测面，并沿着被测面切线方向运动，由于零件加工完成后，各种原因导致所加工零件表面上点位与理论点位存在误差，其值为所加工零件表面上点位与理论点位之间的距离，方向是沿着该点法向，因此，检测装置探头1法向指向被测面触测，检测装置探头1将沿触测面上点位法向高低运动，运动的长度即是该点与理论点的误差，读取该长度值即可获得测量结果，而不需要额外计算。最后读取检测装置17上长度测量传感器18的值，即为被测表面所在点位的误差。
实施例2：
本实施例在实施例1的基础上做进一步优化，如图7所示，在利用实施例1中所述的检测装置17对零件型面进行测量时，需要将检测装置17安装与刀柄之上，再根据零件型面设计测量NC程序，该NC程序走刀路径与本次机床加工零件的走刀轨迹一致，需要注意的是，在测量前需要先对检测装置探头1和检测装置17的长度进行测量，具体的测量方法与一般刀具测量方法一样，将具体参数输入机床系统后再开始测量。
工作原理：将检测装置17安装连接在机床的主轴19上，再使用与加工零件时走刀轨迹一样的NC程序，使用加工的机床进行检测，无需将零件取下，可以避免因转移零件产生的误差，同时因为测量的机床是同一个，可以有效地降低系统对误差进行对比时所产生的误差，而在测量前将测量检测装置探头1和检测装置17的长度则是测量前确定各参数的常规操作，无需多加赘述。
本实施例的其他部分与实施例1相同，故不再赘述。
实施例3：
本实施例在上述实施例1-2任一项的基础上做进一步优化，如图7所示，测量前需要将上述机床的主轴19摆角回零，并将机床的主轴19移至被测零件原点处，使检测装置探头1探针接触到零件原点，并沿Z方向向零件原点压入1mm左右，将检测装置探头1读数清零。
工作原理：本操作是用来确定测量的零位点，测量时首先要确定一个零位点，再以该零位点为参照进行测量，会简化测量的不必要的繁琐步骤，增加测量效率。
本实施例的其他部分与上述实施例1-2任一项相同，故不再赘述。
实施例4：
本实施例在上述实施例1-3任一项基础上做进一步优化，如图3所示，检测装置17内安装有通信模块14，在执行测量NC程序进行测量后，测量结果将实时通过检测装置17的通信模块14传回至上位机。
工作原理：在检测装置17检测后实时传输数据回上位机，可以让工作人员及时获取检测结果，若检测过程中有错误操作，可以及时发现并修改，且通过自动化的信息传输，避免了人工操作对检测造成的误差影响。
本实施例的其他部分与上述实施例1-3任一项相同，故不再赘述。
实施例5：
本实施例在上述实施例1-4任一项基础上做进一步优化，在测量过程中，要保持机床给进速度恒定，带摆角机床打开多轴联动功能，并且要避免检测装置17与零件干涉。
工作原理：机床给进速度恒定，才能保证处处测量的精准与一致，速度不一致会对结果造成误差，多轴联动可以提高测量的精度和效率，而避免检测装置17与零件干涉也是出于避免造成更多误差的目的。
本实施例的其他部分与上述实施例1-4任一项相同，故不再赘述。
实施例6：
本实施例在上述实施例1-5任一项基础上做进一步优化，结合图5和图6所示，在机床测量时，根据被测零件表面及周边情况，检测装置探头1触测的方向有两种：检测装置探头1轴向测量和检测装置探头1径向测量。
工作原理：通过被测零件表面及周边情况的不一样，有些地方适合轴向测量，有些地方适合径向测量，根据需求不同选择合适的测量方法，可以提高测量精度。
本实施例的其他部分与上述实施例1-5任一项相同，故不再赘述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种数控机床加工零件的在机检测方法，其特征在于：通过一个检测装置（17）实现，所述检测装置（17）可与机床的主轴（19）连接，实现对加工零件的在机检测，所述检测装置（17）包括检测装置探头（1）和长度测量传感器（18），所述长度测量传感器（18）包括腔体一（2）、装置上盖板（3）、容栅一极板A（4）、腔体二（5）、装置后盖（6）、电池盒（7）、限位卡环（8）、容栅一极板B（9）、测量杆（10）、弹簧（11）、装置体（12）、上盖板固定螺钉（13）、通信模块（14）、弹簧固定杆（15）、容栅一极板B平衡杆（16），其中：
所述容栅一极板A（4）、容栅一极板B（9）、测量杆（10）和弹簧（11）位于腔体一（2）之中并共同构成容栅动尺，所述检测装置探头（1）与测量杆（10）向外一端相连接，所述测量杆（10）向内一端固定在腔体一（2）与腔体二（5）之间的固定端中；
所述电池盒（7）位于腔体二（5）内，贴于腔体二（5）空间下部的装置体（12）处；
所述通信模块（14）与所述固定端一样位于腔体一（2）和腔体二（5）之间，贴合在长度测量传感器（18）内部空间下部装置体（12）处；
所述装置上盖板（3）位于腔体一（2）和腔体二（5）上方，盖住长度测量传感器（18）内部空间，装置上盖板（3）外部有上盖板固定螺钉（13），用于固定装置上盖板（3）与装置体（12）；
所述容栅动尺上有容栅一极板B平衡板（16），与弹簧（11）连接处有弹簧固定杆（15）；
所述装置后盖（6）位于长度测量传感器（18）远离检测装置探头（1）的那一端外部。
2.根据权利要求1所述的一种数控机床加工零件的在机检测方法，其特征在于：利用上述检测装置（17）对零件型面进行测量时，必须要根据零件型面设计测量NC程序，该NC程序走刀路径为本次加工的走刀轨迹。
3.根据权利要求2所述的一种数控机床加工零件的在机检测方法，其特征在于：测量前将检测装置（17）安装于刀柄上时，需要对检测装置探头（1）和检测的长度进行测量，具体测量方法与一般刀具测量方法一样，再将具体参数输入机床系统。
4.根据权利要求3所述的一种数控机床加工零件的在机检测方法，其特征在于：测量前需要将上述机床的主轴（19）摆角回零，并将机床的主轴（19）至被测零件原点处，使检测装置探头（1）接触到零件原点，并沿Z方向向零件原点压入1mm左右，将检测装置（17）的读数清零。
5.根据权利要求4所述的一种数控机床加工零件的在机检测方法，其特征在于：执行测量NC程序进行测量，测量结果将实时通过检测装置（17）的通信模块（14）传回至上位机。
6.根据权利要求5所述的一种数控机床加工零件的在机检测方法，其特征在于：所述机床在测量的时候给进速度要保持恒定。
7.根据权利要求6所述的一种数控机床加工零件的在机检测方法，其特征在于：当机床为带摆角的机床时需要打开多轴联动功能。
8.根据权利要求7所述的一种数控机床加工零件的在机检测方法，其特征在于：测量时要避免检测装置（17）与零件干涉。
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