CN112685858B - 一种基于三维扫描辅助定位的锻件校调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维扫描辅助定位的锻件校调方法，包括以下步骤：S1模型获取：在零件毛坯上确定至少三个特征点；建立标准模型和毛坯模型；S2数据获取：将标准模型和毛坯模型叠合匹配，以所述标准模型的坐标系测得所述特征点的标准三维坐标；将所述零件毛坯放置在机床上，并测得所述特征点的机床坐标；计算任意两所述特征点对应轴上的标准差值和机床差值；S3确定校调：校调使得所述标准差值和所述机床差值接近或相等。本发明通过三维扫描计算的辅助，简化校调控制目标，校调结果更清晰、可预测，大大降低了锻件的校调难度，缩短了生产周期，降低了生产成本，有效地控制了加工校调导致的缺量风险。

Description

一种基于三维扫描辅助定位的锻件校调方法

技术领域

本发明涉及机械装备制造技术领域，尤其涉及一种基于三维扫描辅助定位的锻件校调方法。

背景技术

随着国家装备制造业的快速发展，对锻件的需求量不断攀升，且制造要求越来越高，逐步向大型化、重型化发展。在锻件锻压完成后、机床进行加工前，需要提前确认零件的余量状态，在确保满足图纸的尺寸要求后，才能继续加工流转。

由于现锻压技术的逐步成熟，为节省生产成本及相应资源，锻压余量逐步降低，锻压目标愈发接近图纸要求形状。在此前提下，冷加工前确认零件余量状态愈发困难且重要。针对简单的筒体类及板类零件，在立车、铣床等机床上装夹固定、打表测量后，根据测量结果进行简单的借调，如平推、垫起等，即可满足需要，且因零件形状、借调方案均较简单，故借调结果可预测且误差较小，校调作业较简单且无需重复校调。但涉及异形零件时，在机床上固定且打表测量后，在相同的借调方案前提下，借调结果难以预测且误差较大，往往需进行反复多次借调测量，极大地增加了生产成本及周期，且加工校调导致的缺量风险较大。例如图1所示的异形大锻件，该零件形状似碗，且“碗口”与“碗底”直径差异较大，在立车上进行测量时，为保证内、外侧可同工位测量，需保持“碗口”朝上的状态放置在机床上，同时在“碗底”部位进行垫平、夹紧等操作；后续进行借调时，由于零件在此工位处于“上大下小”的不稳定状态，平推、垫起等操作引起的零件位置改变往往与预期结果差异较大，同时由于内外侧均为弧形结构，借调结果也难以准确预测。常规校调方法往往无法顺利完成校调作业。

随着科学技术的发展，三维扫描技术日趋成熟，也逐步运用在重型装备制造行业中。如大锻件锻压完成后，可通过三维扫描确定锻件毛坯的尺寸，与后续加工模型进行比对，确定各位置余量情况。但现有的技术方案并不能与机加工进行很好的有机联动，辅助机加工进行零件定位。

发明内容

本发明旨在提供一种基于三维扫描辅助定位的锻件校调方法，以克服现有技术中存在的不足。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种基于三维扫描辅助定位的锻件校调方法，包括以下步骤：

S1模型获取：

在零件毛坯上确定至少三个特征点，所述至少三个特征点不共线；

建立标准模型和毛坯模型，所述标准模型为零件经过加工后的三维模型，所述毛坯模型为零件毛坯的三维扫描模型；

S2数据获取：

将标准模型和毛坯模型叠合匹配，以所述标准模型的坐标系测得所述特征点的标准三维坐标(X、Y、Z)；

将所述零件毛坯放置在机床上，并测得所述特征点的机床坐标(X＇＇、Y＇＇、Z＇＇)；

计算任意两所述特征点对应轴上的标准差值和机床差值，所述标准差值为对应轴上标准三维坐标差值，所述机床差值为对应轴上机床坐标差值；

S3确定校调：

校调使得所述标准差值和所述机床差值接近或相等。

本发明的一个较佳实施例中，所述步骤S3确定校调依次包括：

S31水平校调：校调所述零件毛坯，调整至少两组z轴对应的标准差值和机床差值接近或相等；

S32偏转校调：校调所述零件毛坯，调整至少两组x轴对应的标准差值和机床差值接近或相等，以及调整至少两组y轴对应的标准差值和机床差值接近或相等。

本发明的一个较佳实施例中，采用镗铣床校调非回转类零件时，所述至少三个特征点中的一个为轮廓角点，并且所述步骤S3确定校调依次包括：

S31水平校调：校调所述零件毛坯，调整至少两组z轴对应的标准差值和机床差值接近或相等；

S32偏转校调：

S321获取标准模型的x-y象限正投影视图；

S322校调所述标准模型：以轮廓角点为旋转中心旋转所述视图，使得x轴对应的标准差值与机床差值接近或相等，以及y轴对应的标准差值与机床差值接近或相等。

本发明的一个较佳实施例中，所述零件毛坯上最远的两点之间的直线距离为D，至少两所述特征点之间的直线距离L＞0.8D。

本发明的一个较佳实施例中，在零件毛坯上确定四个特征点。

本发明的一个较佳实施例中，采用车床校调回转类零件时，所述标准模型的坐标系z轴和所述标准模型的回转轴重合。

本发明的一个较佳实施例中，采用车床校调时，机床坐标系为x-z坐标系，所述机床坐标为(X＇＇、Z＇＇)，根据以下公式将所述标准三维坐标(X、Y、Z)转换为标准二维坐标(X＇、Z＇)，公式为

本发明的一个较佳实施例中，在铣床校调时，两所述特征点选在机床坐标系x-z象限内。

本发明的一个较佳实施例中，采用车床校调时，至少两个特征点关于机床坐标系z轴对称。

本发明的一个较佳实施例中，计算对称两所述特征点之间的标准差值和机床差值，所述标准差值包括ΔZ＇、ΔX＇，所述机床差值包括ΔZ″、ΔX″。

本发明的一个较佳实施例中，在铣床校调时，依次消除零件绕y轴转动的自由度、零件绕x轴转动的自由度、零件绕z轴转动的自由度，最后消除零件沿x、y、z轴移动的自由度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过三维扫描计算的辅助，将毛坯扫描模型和加工标准模型匹配，将锻件在机床上的校调定位的目标，由保证内、外轮廓等多项尺寸简化为特征点的坐标控制，简化控制目标后，校调结果也更清晰、可预测，大大降低了锻件的校调难度，缩短了生产周期，降低了生产成本，有效地控制了加工校调导致的缺量风险，本发明尤其适用于异形大锻件的校调定位。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1中标准模型的立体示意图，即碗状零件的加工后标准模型；

图2为实施例1中毛坯模型的立体示意图，即碗状零件毛坯扫描模型；

图3为实施例1中标准模型和毛坯模型叠合匹配的示意图；

图4为实施例2中毛坯模型的立体示意图，即大型薄壁钢管毛坯扫描模型示意图；

图5为实施例3中毛坯模型的立体示意图，即板状零件毛坯扫描模型示意图；

图6为实施例3中标准模型的x-y象限内正投影视图；

图7为实施例3中标准模型调整后的视图。

具体地，1、标准模型；2、毛坯模型；3、附着物。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

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；可以直接相连，也可以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，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1，参考图1至图3：

一种大型“碗状”零件，该零件形状似碗，且“碗口”与“碗底”直径差异较大，在立车上进行测量时，为保证内、外侧可同工位测量，需保持“碗口”朝上的状态放置在机床上，同时在“碗底”部位进行垫平、夹紧等操作，该零件的校调主要是对“碗口”位置。

S1模型获取：

S10根据“三点可定位物体空间位置”的原则，特征点应不少于三点，并且特征点应尽量均匀对称分布，各特征点应具有代表性且不重复。若特征点集合在物体的小片区域内，相应的坐标差值小，校调不便，且校调后对整体的偏差影响极大，故特征点应分散，一般而言，若零件毛坯上最远的两点之间的直线距离为D，则至少两特征点之间的直线距离L＞0.8D，最好为任意两特征点之间距离均满足该要求；同时特征点位于不同方位可消除不同方向的偏差，若在同一轴线，则基本仅可校正该轴线。

按照立车校调经验，关于机床坐标z轴对称布置的四点最便于校调，故本实施例中以四个特征点为例。

如图2所示，在零件上“碗口”位置确定四个特征点，分别位于0°、90°、180°、270°位置。特征点可采用固定附着物的方式方便后续识别，当然也可以采用零件本身的特征作为特征点，从而无需固定附着物。本实施例中由于碗口位置无特征，故采用在0°(特征点a)、90°(特征点b)、180°(特征点c)、270°(特征点d)位置分别固定附着物。

S11将零件放置于空旷处，避免遮挡，对其进行三维扫描，利用点云数据构建毛坯模型(图2)，并建立后续的标准模型(图1)，标准模型为零件加工后的三维模型。

S2数据获取：

S20如图3所示，将标准模型1匹配至毛坯模型2的合适位置后，即保证毛坯模型2各部位均满足标准模型1要求，且余量尽量均匀，根据标准模型1的坐标系，测量前述四处附着物3上特征点的标准三维坐标(X、Y、Z)。标准模型坐标系设置应尽量符合实际加工习惯，便于后续校调及加工中机床坐标系的设置，也即标准模型坐标系与所述零件校调用机床的机床坐标系平行，即对应轴平行，原点位置不同。同时回转类零件，标准模型的坐标系z轴和标准模型的回转轴重合。

由于立车仅有x、z两轴，故将标准三维坐标(X、Y、Z)转化为标准二维坐标(X＇、Z＇)，其中转化原则为：

Z＇＝，即获得了特征点a(X₁＇、Z₁＇)、特征点b(X₂＇、Z₂＇)、特征点c(X₃＇、Z₃＇)、特征点d(X₄＇、Z₄＇)。

S21零件上机床后，初步校调，通过机床上固有的机床坐标系，打表测量四处特征点的机床坐标，即获得了特征点a(X₁＇＇、Z₁＇＇)、特征点b(X₂＇＇、Z₂＇＇)、特征点c(X₃＇＇、Z₃＇＇)、特征点d(X₄＇＇、Z₄＇＇)。

S22标准二维坐标和机床坐标进行对点间比对，以对点a、c为例，即以标准二维坐标计算，特征点a(X₁＇、Z₁＇)和特征点c(X₃＇、Z₃＇)的标准差值包括ΔZ_1-3＇、ΔX_1-3＇，以机床坐标计算，特征点a(X₁＇＇、Z₁＇＇)和特征点c(X₃＇＇、Z₃＇＇)的机床差值包括ΔZ_1-3"、ΔX_1-3"。另一对点b、d相同计算。

S3确定校调：

S31水平校调：

校调零件毛坯，使得所述标准差值和所述机床差值接近或相等，即根据差值ΔZ_1-3＇与差值ΔZ_1-3"，垫起0°或180°位置，使两个差值相接近或相等；同理校调90°与270°方位，保证零件水平状态与标准相符。

S32偏转校调：

再根据对点间差值ΔX_1-3＇与差值ΔX_1-3"，水平推动零件，使两个差值相接近或相等；同理校调90°与270°方位，保证零件轴线位置正确。

校调时各差值允许存在一定偏差，偏差值可根据零件余量情况、特征点位于零件的相对位置等因素自行确定。以本实施例为例，零件直径较大，且特征点位于接近零件最大直径的位置，此处的偏差值反馈在零件中部的偏差值会相对减小。

本实施例中选取四个特征点，但也可以选取三个特征点。采用三个特征点时，任选其中两点进行校调，后再任选不完全相同的两点进行校调，因特征点重叠，后一次的校调影响前一次的校调结果，故可能会需要多次反复校调。而采用四个特征点时，可使得特征点计算选取不重叠，故减小前后校调影响，提高校调效率。

实施例2，参考图4：

一种大型薄壁钢管，在余量较少的时候，卧车加工外圆前需兼顾内圆余量，确定零件轴线。现拟采用铣床加工两端基准孔的方式确定零件轴线，则需要在工作台上校正零件后进行加工。

步骤S1和步骤S2与实施例1相似，此处不再赘述，注意此时的特征点b与特征点c应尽量设置在同一截象限处，减少后续校调的交互影响，本实施例中特征点b和特征点c设置在x-z象限。

S3确定校调：

该钢管零件采用的是三维坐标对比，即对应的x、y、z轴向上的ΔX、ΔY、ΔZ。以标准三维坐标计算，特征点b(X₂、Y₂、Z₂)和特征点c(X₃、Y₃、Z₃)的标准差值包括ΔX_2-3、ΔY_2-3、ΔZ_2-3，以机床坐标计算，特征点b(X₂＇＇、Y₂＇＇、Z₂＇＇)和特征点c(X₃＇＇、Y₃＇＇、Z₃＇＇)的机床差值包括ΔX_2-3"、ΔY_2-3"、ΔZ_2-3"。另一a、d相同计算。

在在铣床校调时，优选依次消除零件绕y轴转动的自由度、零件绕x轴转动的自由度、零件绕z轴转动的自由度，最后消除零件沿x、y、z轴移动的自由度。

具体地，钢管零件放置在工作台后，首先水平校调，校调特征点b与特征点c的z轴上机床差值ΔZ_2-3"和标准差值ΔZ_2-3相接近或相等，零件垫实，消除零件绕Y轴转动对校调结果的影响。校调特征点a与特征点d的z轴上机床差值和标准差值相接近或相等，消除零件绕X轴转动对校调结果的影响。其次偏转校调，绕z轴水平转动零件，校调特征点a与特征点d的x、y轴上的机床差值和标准差值相接近或相等，保证零件轴线与机床坐标轴相平行。

优选地，最后任选一特征点，通过其坐标定位零件毛坯。

根据校调后特征点机床坐标，确定零件轴线具体位置，按轴线加工两端内孔基准，则可满足加工要求。

实施例3，参考图5-图7：

如图5所示，一种板状零件，在上表面设置三处特征点a、b、c，特征点在图6所示的标准模型的坐标系中的三维坐标分别为a(X₁，Y₁，Z₁)、b(X₂，Y₂，Z₂)、c(X₃，Y₃，Z₃)。

将该零件毛坯放置于机床台面上，获得特征点在机床坐标系下的三维坐标a(X₁＇＇，Y₁＇＇，Z₁＇＇)、b(X₂＇＇，Y₂＇＇，Z₂＇＇)、c(X₃＇＇，Y₃＇＇，Z₃＇＇)。

各特征点的Z轴坐标Z即是特征点距离X-Y平面的垂直距离。当零件毛坯在两个坐标系中有不同的水平状态时，其相应的Z轴坐标差值(Z_1-2，Z_1-3)与(Z_1-2＇＇，Z_1-3＇＇)不等。故首先进行水平调整，将零件毛坯在机床坐标系中的Z轴坐标差值(Z_1-2＇＇，Z_1-3＇＇)校调至与前述的(Z_1-2，Z_1-3)相等，即表示零件毛坯在机床上与在模型中有了相同的水平状态。

再进行偏转调整，该步骤可参考上述实施例，将零件水平推转，将相应的X、Y坐标差值校调一致。

为了减少实际校调，还可以采取另一方法：选取一轮廓角点a作为特征点。如图6所示，在二维绘图软件中，根据各个特征点的(X，Y)坐标值画出轮廓及特征点位置。根据机床坐标系中的特征点差值，以轮廓角点作旋转中心旋转画出的‘轮廓及特征点’(如图7所示)，使各个特征点(X，Y)坐标差值符合机床坐标系中的特征点差值，即将模型角度旋转至机床的实际角度，再反馈此坐标系下的轮廓坐标，即为机床坐标系中所需的加工轮廓坐标。

综上所述，本发明通过三维扫描计算的辅助，将毛坯扫描模型和加工标准模型匹配，将锻件在机床上的校调定位的目标，由保证内、外轮廓等多项尺寸简化为特征点的坐标控制，简化控制目标后，校调结果也更清晰、可预测，大大降低了锻件的校调难度，缩短了生产周期，降低了生产成本，有效地控制了加工校调导致的缺量风险，本发明尤其适用于异形大锻件的校调定位。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种基于三维扫描辅助定位的锻件校调方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1模型获取：

在零件毛坯上确定至少三个特征点，所述至少三个特征点不共线，所述零件毛坯上最远的两点之间的直线距离为D，至少两所述特征点之间的直线距离L＞0.8D；

建立标准模型和毛坯模型，所述标准模型为零件经过加工后的三维模型，所述毛坯模型为零件毛坯的三维扫描模型；

S2数据获取：

将标准模型和毛坯模型叠合匹配，以所述标准模型的坐标系测得所述特征点的标准三维坐标(X、Y、Z)；

将所述零件毛坯放置在机床上，并测得所述特征点的机床坐标(X″、Y″、Z″)；

计算任意两所述特征点对应轴上的标准差值和机床差值，所述标准差值为对应轴上标准三维坐标差值，所述机床差值为对应轴上机床坐标差值；

S3确定校调：

校调使得所述标准差值和所述机床差值接近或相等。

2.根据权利要求1所述的基于三维扫描辅助定位的锻件校调方法，其特征在于，所述步骤S3确定校调依次包括：

S31水平校调：校调所述零件毛坯，调整至少两组z轴对应的标准差值和机床差值接近或相等；

S32偏转校调：校调所述零件毛坯，调整至少两组x轴对应的标准差值和机床差值接近或相等，以及调整至少两组y轴对应的标准差值和机床差值接近或相等。

3.根据权利要求1所述的基于三维扫描辅助定位的锻件校调方法，其特征在于，采用镗铣床校调非回转类零件时，所述至少三个特征点中的一个为轮廓角点，并且所述步骤S3确定校调依次包括：

S31水平校调：校调所述零件毛坯，调整至少两组z轴对应的标准差值和机床差值接近或相等；

S32偏转校调：

S321获取标准模型的x-y象限正投影视图；

S322校调所述标准模型：以轮廓角点为旋转中心旋转所述视图，使得x轴对应的标准差值与机床差值接近或相等，以及y轴对应的标准差值与机床差值接近或相等。

4.根据权利要求1所述的基于三维扫描辅助定位的锻件校调方法，其特征在于，在零件毛坯上确定四个特征点。

5.根据权利要求1所述的基于三维扫描辅助定位的锻件校调方法，其特征在于，采用车床校调回转类零件时，所述标准模型的坐标系z轴和所述标准模型的回转轴重合。

6.根据权利要求1所述的基于三维扫描辅助定位的锻件校调方法，其特征在于，采用车床校调时，机床坐标系为x-z坐标系，所述机床坐标为(X″、Z″)，根据以下公式将所述标准三维坐标(X、Y、Z)转换为标准二维坐标(X＇、Z＇)，公式为

Z′＝Z。

7.根据权利要求1所述的基于三维扫描辅助定位的锻件校调方法，其特征在于，在铣床校调时，两所述特征点选在机床坐标系x-z象限内。

8.根据权利要求5或6所述的基于三维扫描辅助定位的锻件校调方法，其特征在于，采用车床校调时，至少两个特征点关于机床坐标系z轴对称。

9.根据权利要求8所述的基于三维扫描辅助定位的锻件校调方法，其特征在于，计算对称两所述特征点之间的标准差值和机床差值，所述标准差值包括ΔZ＇、ΔX＇，所述机床差值包括ΔZ"、ΔX"。

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