CN111940843A - 基于非接触测量的大型结构件智能切削系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非接触测量的大型结构件智能切削系统及方法，系统包括切削加工单元、检测单元和控制通讯单元；检测单元包括非接触测量装置和夹持装置；非接触测量装置扫描得到结构件表面三维坐标数据，系统控制主机通过总线分别与机床CNC系统和非接触测量装置相连；首先将大型结构件固定在移动工作台上，通过滑座在三轴移动平台上的移动和位姿调整机构的调整使用非接触测量装置对结构件各特征表面进行测量扫描，并将坐标数据通过得到特征数据修正初始CAD模型，在此基础上规划刀具定位及加工路径，反馈给机床CNC系统。本发明有效解决了人工检测带来的寻找刀具位置的定位误差和空走刀的时间浪费等问题。

Description

基于非接触测量的大型结构件智能切削系统及方法

技术领域

本发明属于切削加工领域，特别是一种基于非接触测量的大型结构件智能切削系统及方法。

背景技术

压力机压铸机等大型设备的机架焊接之后需要进一步进行切削加工，此类大型结构件一般具有厚度大、焊接部位强度高的特点，由于焊接过程存在误差和变形，往往会造成工件表面形状不规则等不同程度的偏离。可能具有三维形貌特征，在设计表面的法线方向上超出允许的误差范围，如凹凸缺陷、腐蚀等，目前大型结构件的切削加工过程还处于人工目测的阶段。数控机床的刀具与待加工工件之间的相对关系，需要在机床坐标系中准确定位。如何保证大型结构件在数控切削加工中快速定位和精确切削，是目前亟待解决的问题。

工件的切削加工过程中，工件的装夹固定、刀具的调整定位等辅助时间占据了加工周期的极大部分。刀具的调整不仅费时费力，而且对刀不准确，最后还需要试切。统计资料表明，工件的切削加工真正的切削时间只占55％。目前，对于大型结构件的切削系统，传统方法一般选用较大的定位余量，通过试切对刀的方式进行定位，另一种是人工检测定位，借助对刀仪等设备完成刀具的定位。这些方式对刀时间慢、精度低、效率低，难以实现切削加工的自动化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于非接触测量的大型结构件智能切削系统及方法，通过非接触测量装置进行待加工件表面位置检测反馈给加工系统实现刀具的快速定位和精确加工，以缩短刀具定位时间，减少空走刀的时间，提高生产效率。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于非接触测量的大型结构件智能切削系统，包括检测单元、控制通讯单元以及加工切削单元；

所述检测单元包括三轴移动平台、非接触测量传感器；所述非接触测量传感器固定在位姿调整机构上；所述位姿调整机构固定在三轴移动平台上，所述三轴移动平台上设有装夹工件的移动平台；所述非接触测量传感器用于对工件表面进行特征点扫描测量，得到三维坐标数据；

所述控制通讯单元包括系统控制主机、信号处理器、三轴移动平台控制器；

所述系统控制主机通过总线与三轴移动平台控制器、加工切削单元的CNC系统以及非接触测量传感器连接；所述三轴移动平台控制器用于控制三轴移动平台的移动和位姿调整机构的旋转，三轴移动平台和位姿调整机构的位姿信息通过三轴移动平台控制器实时反馈给系统控制主机；所述非接触测量传感器与信号处理器相连，将测量得到的三维坐标数据传输到信号处理器生成工件表面特征点的三维坐标数字化模型；系统控制主机中对测得特征位置的坐标数据，对工件特征表面坐标数据与已有CAD模型对比，对已有的CAD模型进行修正，得到最终的实际待加工工件的CAD模型，生成在理论模型坐标系下的刀具定位及加工路径方案，将方案传输到CNC系统，CNC系统进而控制各轴上的进给驱动装置，完成刀具的定位及切削加工。

一种基于非接触测量的大型结构件智能切削方法，包括以下步骤：

步骤S1：测量前，在数控机床以外，将工件装夹在移动工作台上，按照装夹要求进行固定；将三轴移动平台、位姿调整机构、非接触测量传感器装配到初始位置，通过现场总线的方式将三轴移动平台控制器、非接触测量传感器及信号处理器与控制系统连接，完成三轴移动平台和三维激光扫描扫描仪的静态标定；

步骤S2：开启非接触测量传感器，通过控制三轴移动平台的移动和位姿调整机构的旋转，使其携带非接触测量传感器对工件表面进行三维坐标扫描测量；

步骤S3：非接触测量传感器扫描得到的坐标数据通过信号处理器传递给系统控制主机，对获得的特征点的坐标数据和三轴移动平台控制器反馈的相关位姿信息进行分析处理，并由系统控制主机将测得的工件的三维数据通过运动学坐标变换，从扫描仪的坐标系转换到系统坐标系下，得到修正后CAD模型；

步骤S4:系统控制主机根据最终的CAD模型规划刀具定位及加工路径方案，通过总线将其传给数控切削机床的CNC系统，将移动工作台和测量后的工件移至数控机床的待加工区域，开启数控切削机床，调用CNC系统内已修改的数控切削程序，执行刀具定位和切削路径动作，完成切削加工。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

通过在压铸机、压力机等大型机架结构件的切削加工过程中引入非接触测量装置，通过三轴移动平台和位姿调整机构的一系列运动完成对工件各加工面特征点的精确测量，测量结束后将固定在移动工作台上的大型结构件移至数控加工机床工作区域，实现数控机床刀具的快速定位和加工路径的规划，解决了数控机床对刀慢、定位不准确和加工误差大的问题。避免了因定位不准确造成的打刀等问题，实现了切削加工的自动化过程，有效的提高了加工效率，降低了加工成本。

附图说明

图1为本发明智能切削系统示意图。

图2为本发明检测单元装置示意图。

图3为本发明控制通讯装置连接示意图。

图4为本发明方法整体工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

结合图1，本发明的一种基于非接触测量的大型结构件智能切削系统，包括加工切削单元3、检测单元1以及控制通讯单元2；

所述检测单元1包括非接触测量传感器4、位姿调整机构5以及三轴移动平台16上；所述三轴移动平台16包括第一滑动支架6、第二滑动支架11、横梁9、立柱10、Z轴导轨7、X轴导轨8、Y轴导轨14、滑轨固定座12和移动工作台15；所述非接触测量传感器4通过夹持装置安装在位姿调整机构5上，所述夹持装置可以为螺钉或螺栓固定。位姿调整机构5与Z轴滑动导轨7伸出机构相连。所述Z轴滑动导轨7与X轴导轨8滑动连接；所述X轴导轨8设置在横梁9上；所述第一滑动支架6与设置在横梁(9)上的X轴导轨8滑动连接；所述横梁9通过立柱10与第二滑动支架11固定连接，第二滑动支架11与Y轴导轨14滑动相接；所述Y轴导轨14安装在滑轨固定座12上，滑轨固定座12固定连接在支承架13上。位姿调整机构5具有多自由度，能够以任意角度旋转，实现末端执行器位姿调整的动作。大型结构件17装夹在移动工作台15上，非接触测量装置用于在切削加工之前对大型结构件17表面的位置坐标进行数据采集，调整位姿调整机构5，通过各滑动支架在导轨上的移动将待加工机架17放在非接触测量传感器4的扫描范围内，使得非接触测量传感器4沿着工件各表面进行特征点扫描测量，得到相关三维坐标数据。

所述加工切削单元3为数控切削机床或数控加工中心，数量N≥1，包括机床本体、执行机构、CNC系统23等。

其特征在于，所述控制通讯单元2包括系统控制主机22、信号处理器21、三轴移动平台控制器12和总线等通讯装置。

所述非接触测量传感器4与信号处理器21相连，将测量得到的三维坐标数据传输到信号处理器21生成待加工机架17表面特征点的三维坐标数字化模型。所述系统控制主机22通过现场总线与三轴移动平台控制器12、CNC系统23以及信号处理器21(进行数模转换)连接，所述系统控制主机22能够控制导轨三个方向的移动和位姿调整机构5的旋转，三轴移动平台16和位姿调整机构5的相关位姿信息通过三轴移动平台控制器12实时反馈给系统控制主机22。所述三轴移动平台的三轴以及位姿调整机构5的移动均通过电机驱动，电机上设置编码器，用于采集坐标位置信息，三轴移动平台和位姿调整机构5的坐标位姿信息由三轴移动平台控制器12实时反馈至系统控制主机22；系统控制主机22通过现场总线与机床数控中心21和信号处理器23连接。信号处理器21将处理的数据信号传给系统控制主机22，在系统控制主机22中对测得特征位置的坐标数据，由计算机分析进行相关特征元素的构造，对检测单元1测量得到的大型结构件17特征表面坐标数据与已有CAD模型对比分析，对已有的CAD模型进行修正，得到最终的实际待加工工件的CAD模型，生成在理论模型坐标系下的刀具定位及加工路径方案。将所得方案传输到CNC系统23，CNC系统23进而控制各轴上的进给驱动装置，完成刀具的定位及切削加工。

测量结束后，所述移动检测单元上的移动工作台15将待加工机架17送至切削单元1待加工区域，不需要做其它调整，CNC系统23根据修正后的刀具定位和加工路径方案对待加工机架完成加工。

进一步的，所述非接触测量传感器4可以为三维激光扫描仪，利用激光测距原理，记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标等信息。激光测距仪主动发射激光，同时接受由自然物表面反射的信号从而可以进行测距，针对每一个扫描点可测得测站至扫描点的斜距，再配合扫描的水平和垂直方向角，可以得到每一扫描点与测站的空间相对坐标，进而得到每一个扫描点的三维坐标。

按照本发明的上述系统，还提供了一种基于非接触测量的大型结构件智能切削的方法，采用如前所述的检测单元、控制通讯单元、切削单元，该基于非接触测量的大型结构件智能切削方法包括以下步骤：

S1：测量前，在数控机床以外，将大型结构件装夹在移动工作台上，按照装夹要求进行固定；将三轴移动平台、位姿调整机构、非接触测量传感器装配到初始位置，通过现场总线的方式将三轴移动平台控制器、非接触测量传感器及信号处理器与控制系统连接，完成三轴移动平台和三维激光扫描扫描仪的静态标定。

S2：开启非接触测量传感器，通过控制三轴移动平台的移动和位姿调整机构的旋转，使其携带非接触测量传感器在合适位姿情况下对大型结构件特征表面进行三维坐标扫描测量。

S3：非接触测量传感器扫描得到的坐标数据通过信号处理器传递给系统控制主机，根据编写的算法对获得的特征点的坐标数据和三轴移动平台控制器反馈的相关位姿信息进行分析处理，并由系统控制主机将测得的工件的三维数据通过运动学坐标变换，从扫描仪的坐标系转换到系统坐标系下，得到修正后CAD模型。

S4:系统控制主机根据最终的CAD模型规划刀具定位及加工路径方案，通过总线将其传给数控切削机床的CNC系统。将移动工作台和测量后的工件移至数控机床的待加工区域，开启数控切削机床，调用CNC系统内已修改的数控切削程序，执行刀具定位和切削路径动作，完成切削加工。

Claims (5)

1.一种基于非接触测量的大型结构件智能切削系统，其特征在于，包括检测单元(1)、控制通讯单元(2)以及加工切削单元(3)；

所述检测单元(1)包括三轴移动平台(16)、非接触测量传感器(4)；所述非接触测量传感器(4)固定在位姿调整机构(5)上；所述位姿调整机构(5)固定在三轴移动平台上，所述三轴移动平台上设有装夹工件的移动平台(15)；所述非接触测量传感器(4)用于对工件表面进行特征点扫描测量，得到三维坐标数据；

所述控制通讯单元(2)包括系统控制主机(22)、信号处理器(21)、三轴移动平台控制器(12)；

所述系统控制主机(22)通过总线与三轴移动平台控制器(12)、加工切削单元(3)的CNC系统(23)以及非接触测量传感器(4)连接；所述三轴移动平台控制器(12)用于控制三轴移动平台(16)的移动和位姿调整机构(5)的旋转，三轴移动平台(16)和位姿调整机构(5)的位姿信息通过三轴移动平台控制器(12)实时反馈给系统控制主机(22)；所述非接触测量传感器(4)与信号处理器(21)相连，将测量得到的三维坐标数据传输到信号处理器(21)生成工件表面特征点的三维坐标数字化模型；系统控制主机(22)中对测得特征位置的坐标数据，对工件特征表面坐标数据与已有CAD模型对比，对已有的CAD模型进行修正，得到最终的实际待加工工件的CAD模型，生成在理论模型坐标系下的刀具定位及加工路径方案，将方案传输到CNC系统(23)，CNC系统(23)进而控制各轴上的进给驱动装置，完成刀具的定位及切削加工。

2.根据权利要求1所述的切削系统，其特征在于，所述三轴移动平台16包括第一滑动支架(6)、第二滑动支架(11)、横梁(9)、立柱(10)、Z轴导轨(7)、X轴导轨(8)、Y轴导轨(14)和滑轨固定座(12)；

所述位姿调整机构(5)与Z轴滑动导轨(7)伸出机构相连；所述Z轴滑动导轨7与X轴导轨(8)滑动连接；所述第一滑动支架(6)与设置在横梁(9)上的X轴导轨(8)滑动相接；所述横梁(9)通过立柱(10)与第二滑动支架(11)固定连接，第二滑动支架(11)与安装在滑轨固定座(12)上的Y轴导轨(14)滑动相接。

3.根据权利要求1所述的切削系统，其特征在于，所述三轴移动平台(16)还包括移动工作台(15)；所述移动工作台(15)用于夹持工件，并将待加工工件送至切削单元(1)待加工区域。

4.根据权利要求1所述的切削系统，其特征在于，所述非接触测量传感器(4)为三维激光扫描仪。

5.一种基于非接触测量的大型结构件智能切削方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：测量前，在数控机床以外，将工件装夹在移动工作台上，按照装夹要求进行固定；将三轴移动平台、位姿调整机构、非接触测量传感器装配到初始位置，通过现场总线的方式将三轴移动平台控制器、非接触测量传感器及信号处理器与控制系统连接，完成三轴移动平台和三维激光扫描扫描仪的静态标定；

步骤S2：开启非接触测量传感器，通过控制三轴移动平台的移动和位姿调整机构的旋转，使其携带非接触测量传感器对工件表面进行三维坐标扫描测量；

步骤S3：非接触测量传感器扫描得到的坐标数据通过信号处理器传递给系统控制主机，对获得的特征点的坐标数据和三轴移动平台控制器反馈的相关位姿信息进行分析处理，并由系统控制主机将测得的工件的三维数据通过运动学坐标变换，从扫描仪的坐标系转换到系统坐标系下，得到修正后CAD模型；

步骤S4:系统控制主机根据最终的CAD模型规划刀具定位及加工路径方案，通过总线将其传给数控切削机床的CNC系统，将移动工作台和测量后的工件移至数控机床的待加工区域，开启数控切削机床，调用CNC系统内已修改的数控切削程序，执行刀具定位和切削路径动作，完成切削加工。

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