CN113970293A - 一种点激光的精确在机测量方法及系统 - Google Patents

一种点激光的精确在机测量方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种点激光的精确在机测量方法，包括：设置表征五自由度的坐标系，并在测量时保持激光与待测工件的测量面垂直；基于激光测头到待测工件的测量面对应测量点的测量距离以及激光测头的坐标获取对应测量点的坐标；基于标定操作分别获取水平面两自由度方向上激光测头的坐标与主轴中心的偏距；基于水平面两自由度方向上激光测头的坐标与主轴中心的偏距获取对应测量点的坐标修正项；基于对应测量点的坐标以及对应测量点的坐标修正项获取对应测量点的精确坐标。本发明通过引入标定操作，从而考虑了因激光测头安装难以保证与机床主轴重合而导致的装夹误差，进而提高了复杂零件的主轴在机测量的精度。

Description

一种点激光的精确在机测量方法及系统
技术领域
本发明涉及工件在机检测技术领域，尤其涉及一种点激光的精确在机测量方法及系统。
背景技术
在工件的加工过程中，往往需要对工件的加工尺寸进行测量，判断工件的加工精度是否合格，保证工件制备的准确性。
现有技术中，为了增加测量的精度，已经实现了从传统的三轴机床测量向五轴机床测量的提升。然而，现有五轴机床测量方法的计算是基于点激光测量器的光束轴线与五轴机床主轴重合，但是由于点激光测头的安装难以保证与机床主轴重合，因此还是会产生因点激光测头的装夹误差而导致的测量误差。
发明内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供一种点激光的精确在机测量方法，包括如下步骤：
S1.设置表征五自由度的坐标系，并在测量时保持激光与待测工件的测量面垂直；
S2.基于激光测头到所述待测工件的测量面对应测量点的测量距离以及所述激光测头的坐标获取所述对应测量点的坐标；
S3.基于标定操作分别获取水平面两自由度方向上所述激光测头的坐标与主轴中心的偏距；
S4.基于所述水平面两自由度方向上所述激光测头的坐标与主轴中心的偏距获取所述对应测量点的坐标修正项；
S5.基于所述对应测量点的坐标以及所述对应测量点的坐标修正项获取所述对应测量点的精确坐标。
根据本发明提供的点激光的精确在机测量方法，基于激光测头到所述待测工件的测量面对应测量点的测量距离以及所述激光测头的坐标获取所述对应测量点的坐标的计算公式为：
X1＝X0+L·sin(A0)·cos(C0)
Y1＝Y0+L·sin(A0)·sin(C0)
Z1＝Z0-L·cos(A0)
其中，X0、Y0、Z0分别为所述激光测头在空间三维方向上的坐标，A0为所述激光测头在竖直平面内的角坐标，C0为所述激光测头在水平面内的角坐标；X1、Y1、Z1分别为所述待测工件的测量面对应测量点在空间三维方向上的坐标；L为所述激光测头到所述待测工件的测量面对应测量点的测量距离。
根据本发明提供的点激光的精确在机测量方法，标定操作具体为：
S31.找正标定件上表面圆面，将所述激光测头在竖直平面内的角坐标以及所述激光测头在水平面内的角坐标均设置为零；
S32.在水平面X轴方向上，距所述标定件上表面圆面X轴正方向边缘点为第一距离的位置处开始向所述标定件上表面圆面X轴正方向边缘点每隔第二距离测量一次所述标定件上表面圆面，测量有数据后确定精确测量范围并设置精确测量程序，进而向所述标定件上表面圆面X轴正方向边缘点每隔第三距离测量一次所述标定件上表面圆面，进而获取所述标定件上表面圆面X轴正方向边缘点的坐标X正；
S33.在水平面X轴方向上，距所述标定件上表面圆面X轴负方向边缘点为第一距离的位置处开始向所述标定件上表面圆面X轴负方向边缘点每隔第二距离测量一次所述标定件上表面圆面，测量有数据后确定精确测量范围并设置精确测量程序，进而向所述标定件上表面圆面X轴负方向边缘点每隔第三距离测量一次所述标定件上表面圆面，进而获取所述标定件上表面圆面X轴负方向边缘点的坐标X负；X轴方向所述激光测头的坐标与所述主轴中心的偏距为X2＝(X正+X负)/2；
S34.在水平面Y轴方向上，距所述标定件上表面圆面Y轴正方向边缘点为第一距离的位置处开始向所述标定件上表面圆面Y轴正方向边缘点每隔第二距离测量一次所述标定件上表面圆面，测量有数据后确定精确测量范围并设置精确测量程序，进而向所述标定件上表面圆面Y轴正方向边缘点每隔第三距离测量一次所述标定件上表面圆面，进而获取所述标定件上表面圆面Y轴正方向边缘点的坐标Y正；
S35.在水平面Y轴方向上，距所述标定件上表面圆面Y轴负方向边缘点为第一距离的位置处开始向所述标定件上表面圆面Y轴负方向边缘点每隔第二距离测量一次所述标定件上表面圆面，测量有数据后确定精确测量范围并设置精确测量程序，进而向所述标定件上表面圆面Y轴负方向边缘点每隔第三距离测量一次所述标定件上表面圆面，进而获取所述标定件上表面圆面Y轴负方向边缘点的坐标Y负；Y轴方向所述激光测头的坐标与所述主轴中心的偏距为Y2＝(Y正+Y负)/2。
根据本发明提供的点激光的精确在机测量方法，基于所述水平面两自由度方向上所述激光测头的坐标与主轴中心的偏距获取所述对应测量点的坐标修正项的计算公式为：
Figure BDA0003305557700000031
Figure BDA0003305557700000032
Figure BDA0003305557700000033
其中，dX、dY、dZ分别为X轴、Y轴、Z轴三个方向上的所述对应测量点的坐标修正项，X2为X轴方向所述激光测头的坐标与所述主轴中心的偏距，Y2为Y轴方向所述激光测头的坐标与所述主轴中心的偏距，A0为所述激光测头在竖直平面内的角坐标，C0为所述激光测头在水平面内的角坐标。
根据本发明提供的点激光的精确在机测量方法，基于所述对应测量点的坐标以及所述对应测量点的坐标修正项获取所述对应测量点的精确坐标的计算公式为：
Xj＝X1+dX
Yj＝Y1+dY
Zj＝Z1+dZ
其中，Xj、Yj、Zj分别为X轴、Y轴、Z轴三个方向上的所述对应测量点的精确坐标，dX、dY、dZ分别为X轴、Y轴、Z轴三个方向上的所述对应测量点的坐标修正项，X1、Y1、Z1分别为所述待测工件的测量面对应测量点在空间三维方向上的坐标。
根据本发明提供的点激光的精确在机测量方法，第一距离为10mm。
根据本发明提供的点激光的精确在机测量方法，第二距离为1mm。
根据本发明提供的点激光的精确在机测量方法，第三距离为0.001mm。
另一方面，本发明还提供一种点激光的精确在机测量系统，该系统能够实现上述任一方法的步骤。
本发明通过引入标定操作，从而考虑了因激光测头安装难以保证与机床主轴重合而导致的装夹误差，进而提高了复杂零件的主轴在机测量的精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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的介绍，显而易见的，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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是本发明的点激光的精确在机测量方法的流程图；
图2是本发明的待测工件在机测量轨迹示意图；
图3是本发明的测量数据计算图；
图4是本发明的五轴动力头结构示意图；
图5是本发明的水平面两自由度方向上激光测头的坐标与主轴中心的偏距示意图；
图6是本发明的精确测量数据计算图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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作出创造性劳动的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。
如图1所示，在一个实施例中，本发明提供一种点激光的精确在机测量方法，包括如下S1-S5的步骤：
S1.设置表征五自由度的坐标系，并在测量时保持激光与待测工件的测量面垂直；本方法采用激光三角法进行测算，而当测量激光线垂直于测量面时测量结果才会更精确，因此要设计测量轨迹，如图2所示，并保证测量激光线与待测工件的测量面垂直。因为激光测头有一定的测距范围，因此需要保证激光测头到待测工件的测量面对应测量点的测量距离在激光测头的测距范围内，优选的，取测距范围的中间值。
S2.基于激光测头到所述待测工件的测量面对应测量点的测量距离以及所述激光测头的坐标获取所述对应测量点的坐标；激光测头到所述待测工件的测量面对应测量点的测量距离以及所述激光测头的坐标在激光测头发出激光照射待测工件的测量面对应测量点时就会自动获取并保存。
S3.基于标定操作分别获取水平面两自由度方向上所述激光测头的坐标与主轴中心的偏距；因激光测头安装难以保证与机床主轴重合而导致的装夹误差的存在，故先测算出水平面两自由度方向上激光测头的坐标与主轴中心的偏距。
S4.基于所述水平面两自由度方向上所述激光测头的坐标与主轴中心的偏距获取所述对应测量点的坐标修正项。
S5.基于所述对应测量点的坐标以及所述对应测量点的坐标修正项获取所述对应测量点的精确坐标。
如图3所示，基于激光测头到所述待测工件的测量面对应测量点的测量距离以及所述激光测头的坐标获取所述对应测量点的坐标的计算公式为：
X1＝X0+L·sin(A0)·cos(C0)
Y1＝Y0+L·sin(A0)·sin(C0)
Z1＝Z0-L·cos(A0)
其中，X0、Y0、Z0分别为所述激光测头在空间三维方向上的坐标，A0为所述激光测头在竖直平面内的角坐标，A0值域为[0°,90°]，C0为所述激光测头在水平面内的角坐标，C0值域为[0°,360°]，如图4所示，五轴动力头的偏上部，表征水平面内角度自由度的轴为C轴；五轴动力头的偏下部，表征竖直平面内角度自由度的轴为A轴；X1、Y1、Z1分别为所述待测工件的测量面对应测量点在空间三维方向上的坐标；L为所述激光测头到所述待测工件的测量面对应测量点的测量距离。坐标(X0、Y0、Z0、A0、C0)以及L在测量时由激光测头自动获取并保存。
标定操作具体为：
S31.找正标定件上表面圆面，将所述激光测头在竖直平面内的角坐标以及所述激光测头在水平面内的角坐标均设置为零；标定件为一个圆柱体部件，在标定操作时处于竖直立起的状态，将激光测头在竖直平面内的角坐标以及在水平面内的角坐标均设置为零，即保证激光测头的激光线竖直向下照射，并垂直照射到标定件上表面的圆面处。使激光测头的初始位置的正投影正好在该标定件上表面的圆面圆心处，且保证激光测头在水平面X、Y两个方向的平移轨迹与标定件上表面圆面的两个相互垂直的直径所在的直线相平行。
S32.在水平面X轴方向上，距所述标定件上表面圆面X轴正方向边缘点为第一距离的位置处开始向所述标定件上表面圆面X轴正方向边缘点每隔第二距离测量一次所述标定件上表面圆面，即激光测头先在预估的离X轴正方向边缘点第一距离(即10mm)的位置处开始向该X轴正方向边缘点每隔第二距离(即1mm)平行移动，不断的进行对标定件上表面圆面的测量和数据的读取，测量有数据后确定精确测量范围并设置精确测量程序，进而向所述标定件上表面圆面X轴正方向边缘点每隔优选的第三距离(即0.001mm)测量一次所述标定件上表面圆面，不断逼近标定件上表面圆面X轴正方向边缘点，直至获取所述标定件上表面圆面X轴正方向边缘点的坐标X正；以上先进行每隔1mm的粗找，再进一步调整为每隔0.001mm的精找，最后逐渐小步平移直至激光刚好射出标定件上表面圆面，从而达到逼近标定件上表面圆面X轴正方向边缘点的目的。以下步骤S33-S35中，依次是测算标定件上表面圆面X轴负方向边缘点、Y轴正方向边缘点、Y轴负方向边缘点的坐标，操作方法类似上述步骤，此处不再赘述。
S33.在水平面X轴方向上，距所述标定件上表面圆面X轴负方向边缘点为第一距离的位置处开始向所述标定件上表面圆面X轴负方向边缘点每隔第二距离测量一次所述标定件上表面圆面，测量有数据后确定精确测量范围并设置精确测量程序，进而向所述标定件上表面圆面X轴负方向边缘点每隔第三距离测量一次所述标定件上表面圆面，进而获取所述标定件上表面圆面X轴负方向边缘点的坐标X负。
S34.在水平面Y轴方向上，距所述标定件上表面圆面Y轴正方向边缘点为第一距离的位置处开始向所述标定件上表面圆面Y轴正方向边缘点每隔第二距离测量一次所述标定件上表面圆面，测量有数据后确定精确测量范围并设置精确测量程序，进而向所述标定件上表面圆面Y轴正方向边缘点每隔第三距离测量一次所述标定件上表面圆面，进而获取所述标定件上表面圆面Y轴正方向边缘点的坐标Y正。
S35.在水平面Y轴方向上，距所述标定件上表面圆面Y轴负方向边缘点为第一距离的位置处开始向所述标定件上表面圆面Y轴负方向边缘点每隔第二距离测量一次所述标定件上表面圆面，测量有数据后确定精确测量范围并设置精确测量程序，进而向所述标定件上表面圆面Y轴负方向边缘点每隔第三距离测量一次所述标定件上表面圆面，进而获取所述标定件上表面圆面Y轴负方向边缘点的坐标Y负。
如图5所示，最后得到X轴方向所述激光测头的坐标与所述主轴中心的偏距为X2＝(X正+X负)/2；Y轴方向所述激光测头的坐标与所述主轴中心的偏距为Y2＝(Y正+Y负)/2。
基于所述水平面两自由度方向上所述激光测头的坐标与主轴中心的偏距获取所述对应测量点的坐标修正项的计算公式为：
Figure BDA0003305557700000081
Figure BDA0003305557700000082
Figure BDA0003305557700000083
如图6所示，dX、dY、dZ分别为X轴、Y轴、Z轴三个方向上的所述对应测量点的坐标修正项，X2为X轴方向所述激光测头的坐标与所述主轴中心的偏距，Y2为Y轴方向所述激光测头的坐标与所述主轴中心的偏距，A0为所述激光测头在竖直平面内的角坐标，C0为所述激光测头在水平面内的角坐标。当X2＝0,Y2＞0时，arctan(Y2/X2)＝90°；当X2＝0,Y2＜0时，arctan(Y2/X2)＝270°。
基于所述对应测量点的坐标以及所述对应测量点的坐标修正项获取所述对应测量点的精确坐标的计算公式为：
Xj＝X1+dX
Yj＝Y1+dY
Zj＝Z1+dZ
其中，Xj、Yj、Zj分别为X轴、Y轴、Z轴三个方向上的所述对应测量点的精确坐标，dX、dY、dZ分别为X轴、Y轴、Z轴三个方向上的所述对应测量点的坐标修正项，X1、Y1、Z1分别为所述待测工件的测量面对应测量点在空间三维方向上的坐标，其中，X1、Y1、Z1已由前述的公式：
X1＝X0+L·sin(A0)·cos(C0)
Y1＝Y0+L·sin(A0)·sin(C0)
Z1＝Z0-L·cos(A0)
所测算获取。
使激光测头运动到下一个测量工作位，重复进行上述测量流程，输出此时待测工件的测量面对应测量点的精确坐标，如此继续，直至完成待测工件的测量面的全部区域的精确测量。
在另一个实施例中，本发明还提供一种点激光的精确在机测量系统，该系统能够实现上述任一方法的步骤。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种点激光的精确在机测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.设置表征五自由度的坐标系，并在测量时保持激光与待测工件的测量面垂直；
S2.基于激光测头到所述待测工件的测量面对应测量点的测量距离以及所述激光测头的坐标获取所述对应测量点的坐标；
S3.基于标定操作分别获取水平面两自由度方向上所述激光测头的坐标与主轴中心的偏距；
S4.基于所述水平面两自由度方向上所述激光测头的坐标与主轴中心的偏距获取所述对应测量点的坐标修正项；
S5.基于所述对应测量点的坐标以及所述对应测量点的坐标修正项获取所述对应测量点的精确坐标。
2.根据权利要求1所述的点激光的精确在机测量方法，其特征在于，所述基于激光测头到所述待测工件的测量面对应测量点的测量距离以及所述激光测头的坐标获取所述对应测量点的坐标的计算公式为：
X1＝X0+L·sin(A0)·cos(C0)
Y1＝Y0+L·sin(A0)·sin(C0)
Z1＝Z0-L·cos(A0)
其中，X0、Y0、Z0分别为所述激光测头在空间三维方向上的坐标，A0为所述激光测头在竖直平面内的角坐标，C0为所述激光测头在水平面内的角坐标；X1、Y1、Z1分别为所述待测工件的测量面对应测量点在空间三维方向上的坐标；L为所述激光测头到所述待测工件的测量面对应测量点的测量距离。
3.根据权利要求2所述的点激光的精确在机测量方法，其特征在于，所述标定操作具体为：
S31.找正标定件上表面圆面，将所述激光测头在竖直平面内的角坐标以及所述激光测头在水平面内的角坐标均设置为零；
S32.在水平面X轴方向上，距所述标定件上表面圆面X轴正方向边缘点为第一距离的位置处开始向所述标定件上表面圆面X轴正方向边缘点每隔第二距离测量一次所述标定件上表面圆面，测量有数据后确定精确测量范围并设置精确测量程序，进而向所述标定件上表面圆面X轴正方向边缘点每隔第三距离测量一次所述标定件上表面圆面，进而获取所述标定件上表面圆面X轴正方向边缘点的坐标X正；
S33.在水平面X轴方向上，距所述标定件上表面圆面X轴负方向边缘点为第一距离的位置处开始向所述标定件上表面圆面X轴负方向边缘点每隔第二距离测量一次所述标定件上表面圆面，测量有数据后确定精确测量范围并设置精确测量程序，进而向所述标定件上表面圆面X轴负方向边缘点每隔第三距离测量一次所述标定件上表面圆面，进而获取所述标定件上表面圆面X轴负方向边缘点的坐标X负；X轴方向所述激光测头的坐标与所述主轴中心的偏距为X2＝(X正+X负)/2；
S34.在水平面Y轴方向上，距所述标定件上表面圆面Y轴正方向边缘点为第一距离的位置处开始向所述标定件上表面圆面Y轴正方向边缘点每隔第二距离测量一次所述标定件上表面圆面，测量有数据后确定精确测量范围并设置精确测量程序，进而向所述标定件上表面圆面Y轴正方向边缘点每隔第三距离测量一次所述标定件上表面圆面，进而获取所述标定件上表面圆面Y轴正方向边缘点的坐标Y正；
S35.在水平面Y轴方向上，距所述标定件上表面圆面Y轴负方向边缘点为第一距离的位置处开始向所述标定件上表面圆面Y轴负方向边缘点每隔第二距离测量一次所述标定件上表面圆面，测量有数据后确定精确测量范围并设置精确测量程序，进而向所述标定件上表面圆面Y轴负方向边缘点每隔第三距离测量一次所述标定件上表面圆面，进而获取所述标定件上表面圆面Y轴负方向边缘点的坐标Y负；Y轴方向所述激光测头的坐标与所述主轴中心的偏距为Y2＝(Y正+Y负)/2。
4.根据权利要求3所述的点激光的精确在机测量方法，其特征在于，所述基于所述水平面两自由度方向上所述激光测头的坐标与主轴中心的偏距获取所述对应测量点的坐标修正项的计算公式为：
Figure FDA0003305557690000031
Figure FDA0003305557690000032
Figure FDA0003305557690000033
其中，dX、dY、dZ分别为X轴、Y轴、Z轴三个方|向上的所述对应测量点的坐标修正项，X2为X轴方向所述激光测头的坐标与所述主轴中心的偏距，Y2为Y轴方向所述激光测头的坐标与所述主轴中心的偏距，A0为所述激光测头在竖直平面内的角坐标，C0为所述激光测头在水平面内的角坐标。
5.根据权利要求4所述的点激光的精确在机测量方法，其特征在于，所述基于所述对应测量点的坐标以及所述对应测量点的坐标修正项获取所述对应测量点的精确坐标的计算公式为：
Xj＝X1+dX
Yj＝Y1+dY
Zj＝Z1+dZ
其中，Xj、Yj、Zj分别为X轴、Y轴、Z轴三个方向上的所述对应测量点的精确坐标，dX、dY、dZ分别为X轴、Y轴、Z轴三个方向上的所述对应测量点的坐标修正项，X1、Y1、Z1分别为所述待测工件的测量面对应测量点在空间三维方向上的坐标。
6.根据权利要求3所述的点激光的精确在机测量方法，其特征在于，所述第一距离为10mm。
7.根据权利要求3所述的点激光的精确在机测量方法，其特征在于，所述第二距离为1mm。
8.根据权利要求3所述的点激光的精确在机测量方法，其特征在于，所述第三距离为0.001mm。
9.一种点激光的精确在机测量系统，其特征在于，所述系统能够实现权利要求1-8任一项所述方法的步骤。
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