CN112296753B - 基于迭代的在机测量工件装夹位置找正方法 - Google Patents

基于迭代的在机测量工件装夹位置找正方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于迭代的在机测量工件装夹位置找正方法，采用迭代测量的方法找正工件装夹位置，使得机床测头的实际测量点与规划的理论测量点逐渐接近，并基于最后一次的测量结果计算工件装夹的位置变换，修正工件的坐标系，实现工件装夹位置的找正。本发明通过迭代的方法进行测量和计算，将粗基准下的工件逐步找正，能够大大消减传统单次测量方式下存在的接触点位置误差的问题，进而提高在机测量的准确性，实现对复杂型面工件更为精准的工件装夹位置找正。

Description

基于迭代的在机测量工件装夹位置找正方法
技术领域
本发明涉及在机测量技术领域，具体涉及一种基于迭代的在机测量工件装夹位置找正方法。
背景技术
在机测量(On Machine Inspection,OMI)是一种在工件加工过程中以机床硬件为载体，附以相应的测量工具，实时在机床上进行几何特征的测量，并根据检测结果指导后续工艺改进的测量。随着高端数控机床的发展，数字化测量技术正被逐渐引入到五轴数控机床的在机测量中，并常用于粗基准下的工件装夹位置找正。高端的数控机床一般都带有测量平面、测量圆心等简单的测量，操作人员在装夹工件时，无需将工件放置在工作台绝对原点，可通过机用测头将加工坐标系设置在工作台任意位置。
近年来，随着机用测头精度的不断提高，在机测量也被广泛用于复杂型面工件的位置找正和轮廓度测量。现阶段在数控机床上对工件进行触发式在机测量进行位置找正时，往往只对工件进行一次测量。由于工件的位置偏差会造成测头的实际接触点与规划的理论测量点之间存在偏差，从而导致测头沿着理论路径去接触工件表面时，机床数据接收器读取的测头触发位置与所期望的理论被测位置之间出现偏差，计算结果不能真实的反应工件从当前实际装夹位置到所期望的理论装夹位置之间的变换。为了通过测量数据得到工件准确的装夹位置，以更加准确的反应工件的实际装夹位置、提高测量精度，需要对测量误差进行控制和处理来缩小偏差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种缩小由于工件装夹位置偏差导致的测头实际接触点与规划的理论测量点之间的偏差，对工件装夹位置进行找正的基于迭代的在机测量工件装夹位置找正方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于迭代的在机测量工件装夹位置找正方法，包括以下步骤：
步骤1：在机床上对工件进行粗基准定位；
步骤2：进行在机测量，获得测量结果，结合测量结果和位置最佳拟合算法计算此次测量中工件从当前实际装夹位置到所期望的理论装夹位置的单次最佳刚体变换矩阵T；
步骤3：使用T更新测量程序，重复步骤2直到获得稳定收敛的单次最佳刚体变换矩阵；
步骤4：停止测量和更新，将此时稳定收敛的单次最佳刚体变换矩阵作为最终的最佳刚体变换矩阵T'，将T'作用到工件坐标系上，实现工件装夹位置的找正。
进一步地，所述步骤3中预设一最大迭代次数，若重复步骤2的次数达到所述最大迭代次数时单次最佳刚体变换矩阵没有稳定收敛，输出故障报警信号。
进一步地，所述步骤2中进行在机测量的具体过程为：将测量模型文件导入测量软件，根据粗基准定位规划测量路径，根据将测量路径生成测量程序并传输给机床，机床根据测量程序对工件进行在机测量。
进一步地，所述步骤2中结合测量结果和位置最佳拟合算法计算此次测量中工件从当前实际装夹位置到所期望的理论装夹位置的单次最佳刚体变换矩阵T的具体过程为：
步骤2-1：在工件的理论曲面上配置n个规划的理论测量点Pi，通过在机测量的测量结果得到对应的n个实际测量点Pi'，设置初始刚体变换矩阵T0；
步骤2-2：基于所有的实际测量点与其对应的理论点之间的距离构建距离之和d的最小二乘模型，得到d最小时对应的刚体变换矩阵并将该矩阵作为此次工件从实际位置到理论位置的单次最佳刚体变换矩阵T。
进一步地，所述步骤3中使用T更新测量程序的方法为：将单次最佳刚体变换矩阵T作用于理论装夹位置下的理论测量点Pi得到新的测量点P″i，利用P″i更新测量程序中的测量路径，重新生成测量程序。
进一步地，所述步骤3中使用T更新测量程序的方法为：利用机床的平移和旋转指令将单次最佳刚体变换矩阵T中的平移和旋转部分作用到工件坐标系上，根据更新的工件坐标系重新生成测量程序。
进一步地，所述步骤3中T稳定收敛的判断方法为：在理论装夹位置下的理论测量点中任取一点P0，将连续两次测量得到的单次最佳刚体变换矩阵分别作用于P0，得到两次变换后的映射点
Figure BDA0002710504640000031
和
Figure BDA0002710504640000032
计算
Figure BDA0002710504640000033
和
Figure BDA0002710504640000034
之间的距离，当距离小于预设的阈值δ时认为两次测量得到的单次最佳刚体变换矩阵T已稳定收敛。
进一步地，所述步骤4中将T'作用到工件坐标系上的具体方法为：利用机床的平移和旋转指令将T'中的平移和旋转部分作用到工件坐标系上。
进一步地，所述机床上设有报警装置，所述报警装置输出所述故障报警信号，用于提示操作人员排除故障；在排除故障后，返回步骤1。
进一步地，所述排除故障的内容包括检查工件和机床的状态。
本发明的有益效果：本发明通过迭代的方法进行测量和计算，将粗基准下的工件逐步找正，能够大大消减传统单次测量方式下存在的接触点位置误差的问题，进而提高在机测量的准确性，实现对复杂型面工件更为精准的工件装夹位置找正。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
在本发明中，术语“包括”意图在于覆盖不排他的包含，例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备，没有限定于已列出的步骤或单元而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
刚体变换矩阵T可以表示为：
Figure BDA0002710504640000041
其中R代表旋转矩阵，H代表平移向量，V代表透视变换向量，S代表整体的比例因子。因刚体变换只存在旋转和平移变换，不存在形变，所以将V设为零向量，比例因子S＝1。则刚体变换矩阵T变为：
Figure BDA0002710504640000042
其中旋转矩阵R3×3和平移向量H3×1分别表示为：
Figure BDA0002710504640000051
Figure BDA0002710504640000052
α、β、γ分别表示绕x、y、z轴的旋转角度，hx、hy、hz分别表示沿x、y、z轴的平移量。
如图1所示为本发明的流程图，本实施例中，机床为数控机床，数控机床上设有报警灯，数控机床系统采用海德汉数控系统。本发明一种基于迭代的在机测量工件装夹位置找正方法，包括以下步骤：
步骤1：在工件的初步装夹后，对工件进行大致的定位找正并根据装夹情况设定粗基准，得到初始工件坐标系，将*.igs或*.step格式的模型文件导入测量系统中，根据粗基准规划测量路径。
步骤2：将测量路径后处理成测量程序并传输给数控机床，数控机床根据测量程序对工件进行在机测量，获得测量结果。结合测量结果和位置最佳拟合算法计算此次测量中工件从当前实际装夹位置到所期望的理论装夹位置的单次最佳刚体变换矩阵T。
步骤2-1：在工件的理论曲面上配置n个规划的理论测量点Pi，Pi的坐标位置为(p1，p2，...，pn)，通过在机测量的测量结果，即测头的实际接触点得到对应的n个实际测量点Pi'的坐标为(p′1，p′2，...，p′n)，设置初始刚体变换矩阵T0＝I，I为单位矩阵；
步骤2-2：基于所有的实际测量点与其对应的理论点之间的距离构建距离之和d的最小二乘模型：
Figure BDA0002710504640000053
其中T0(p′i)为实际测量点Pi'经过T0作用后的坐标，再采用最小二乘法中迭代的数值计算方法计算得到d最小时对应的刚体变换矩阵，并将该矩阵作为此次工件从实际位置到理论位置的单次最佳刚体变换矩阵T。
步骤3：预设最大迭代次数为5。在最大迭代次数内使用T更新测量程序，重复步骤2若获得稳定收敛的单次最佳刚体变换矩阵，进行步骤4。若重复步骤2直到测量次数到达预设的最大迭代次数时单次最佳刚体变换矩阵没有稳定收敛，数控机床上的报警灯闪烁输出故障报警信号；操作人员检查工件表面是否有毛刺和污渍，检查数控机床的测头和系统是否安装正确，是否已进行校验，这些因素均会影响测量精度，导致最终的计算结果出错；检查并排除故障后，返回步骤1，即再次执行本发明的方法对工件装夹位置进行找正。
其中，使用T更新测量程序的方法有两种。第一种为采用T更新规划的测量路径，将单次最佳刚体变换矩阵作用于理论测量点Pi，得到新的测量点P″i，变换公式为P″i＝T·Pi，根据更新的测量路径重新生成测量程序。第二种为将T作用到工件坐标系上，利用机床的平移和旋转指令将T中的平移和旋转部分作用到工件坐标系上，海德汉数控系统将矩阵T中的平移向量H3×1和旋转矩阵R3×3提取出来，并将平移量hx、hy、hz和旋转角度α、β、γ分解到X、Y、Z三个坐标方向得到三个方向的分量值，根据三个方向的分量值平移和旋转工件坐标系，根据更新的工件坐标系重新生成测量程序。本实施例中，使用T更新测量程序的方法为在第一种和第二种中任意选择。
其中，判断T稳定收敛的方法为：在理论测量点中任取一点P0，将连续两次测量得到的单次最佳刚体变换矩阵T1、T2作用于P0，得到两次变换后的映射点
Figure BDA0002710504640000061
和
Figure BDA0002710504640000062
变换公式为
Figure BDA0002710504640000063
计算
Figure BDA0002710504640000064
和
Figure BDA0002710504640000065
之间的距离，当距离小于预设的阈值δ时认为两次测量得到的单次最佳刚体变换矩阵十分接近，T已稳定收敛。本实施例中，δ值设定为0.05mm。
步骤4：停止测量和更新，将此时稳定收敛的单次最佳刚体变换矩阵作为最终的最佳刚体变换矩阵T'，利用机床的平移和旋转指令将T'中的平移和旋转部分作用到工件坐标系上，具体方式与步骤3中使用T更新测量程序的第二种方法相同，故此处不再赘述。经过多次迭代，在最后更新的工件坐标系和测量路径下，工件的实际测量点坐标与理论测量点坐标已基本重合，即实现了工件装夹位置的找正。
本发明的有益效果：本发明通过迭代的方法进行测量和计算，将粗基准下的工件逐步找正，能够大大消减传统单次测量方式下存在的接触点位置误差的问题，进而提高在机测量的准确性，实现对复杂型面工件更为精准的工件装夹位置找正。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种基于迭代的在机测量工件装夹位置找正方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在机床上对工件进行粗基准定位；
步骤2：进行在机测量，获得测量结果，结合测量结果和位置最佳拟合算法计算此次测量中工件从当前实际装夹位置到所期望的理论装夹位置的单次最佳刚体变换矩阵T；
步骤2-1：在工件的理论曲面上配置n个规划的理论测量点Pi，通过在机测量的测量结果得到对应的n个实际测量点Pi'，设置初始刚体变换矩阵T0；
步骤2-2：基于所有的实际测量点与其对应的理论点之间的距离构建距离之和d的最小二乘模型，得到d最小时对应的刚体变换矩阵并将该矩阵作为此次工件从实际位置到理论位置的单次最佳刚体变换矩阵T；
步骤3：使用T更新测量程序，重复步骤2直到获得稳定收敛的单次最佳刚体变换矩阵；
步骤4：停止测量和更新，将此时稳定收敛的单次最佳刚体变换矩阵作为最终的最佳刚体变换矩阵T'，将T'作用到工件坐标系上，实现工件装夹位置的找正。
2.根据权利要求1所述的基于迭代的在机测量工件装夹位置找正方法，其特征在于，所述步骤3中预设一最大迭代次数，若重复步骤2的次数达到所述最大迭代次数时单次最佳刚体变换矩阵没有稳定收敛，输出故障报警信号。
3.根据权利要求1所述的基于迭代的在机测量工件装夹位置找正方法，其特征在于，所述步骤2中进行在机测量的具体过程为：将测量模型文件导入测量软件，根据粗基准定位规划测量路径，根据将测量路径生成测量程序并传输给机床，机床根据测量程序对工件进行在机测量。
4.根据权利要求1所述的基于迭代的在机测量工件装夹位置找正方法，其特征在于，所述步骤3中使用T更新测量程序的方法为：将单次最佳刚体变换矩阵T作用于理论装夹位置下的理论测量点Pi得到新的测量点P″i，利用P″i更新测量程序中的测量路径，重新生成测量程序。
5.根据权利要求1所述的基于迭代的在机测量工件装夹位置找正方法，其特征在于，所述步骤3中使用T更新测量程序的方法为：利用机床的平移和旋转指令将单次最佳刚体变换矩阵T中的平移和旋转部分作用到工件坐标系上，根据更新的工件坐标系重新生成测量程序。
6.根据权利要求1所述的基于迭代的在机测量工件装夹位置找正方法，其特征在于，所述步骤3中T稳定收敛的判断方法为：在理论装夹位置下的理论测量点中任取一点P0，将连续两次测量得到的单次最佳刚体变换矩阵分别作用于P0，得到两次变换后的映射点
Figure FDA0003131746490000021
和
Figure FDA0003131746490000022
计算
Figure FDA0003131746490000023
和
Figure FDA0003131746490000024
之间的距离，当距离小于预设的阈值δ时认为两次测量得到的单次最佳刚体变换矩阵T已稳定收敛。
7.根据权利要求1所述的基于迭代的在机测量工件装夹位置找正方法，其特征在于，所述步骤4中将T'作用到工件坐标系上的具体方法为：利用机床的平移和旋转指令将T'中的平移和旋转部分作用到工件坐标系上。
8.根据权利要求2所述的基于迭代的在机测量工件装夹位置找正方法，其特征在于：所述机床上设有报警装置，所述报警装置输出所述故障报警信号，用于提示操作人员排除故障；在排除故障后，返回步骤1。
9.根据权利要求8所述的基于迭代的在机测量工件装夹位置找正方法，其特征在于：所述排除故障的内容包括检查工件和机床的状态。
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