CN114918679B - 一种连续机械加工和热处理生产线及数据采集处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械加工技术领域，一种连续机械加工和热处理生产线，包括平面加工中心、视觉标记设备和震动测量装置，其中平面加工中心为数控刨床，震动测量装置安装在数控刨床的刨刀上，该震动测量装置用于检测数控刨床在加工铸件工作面时刨刀的震动变化以判断铸件工作面的缺陷，视觉标记设备安装在数控刨床处，视觉标记设备用于向工作面的缺陷处喷涂缺陷标记。该生产线可在机械加工的过程中判别铸件工作面、即机械加工形成工作面是否存在缺陷。同时本发明还提出一种连续机械加工和热处理生产线使用的数据采集处理系统。

Description

一种连续机械加工和热处理生产线及数据采集处理系统

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，特别是一种连续机械加工和热处理生产线及数据采集处理系统。

背景技术

铸造件工作面平面加工主要通过机械加工完成，由于铸造技术特点，铸造件内部难免会有铸造缺陷，例如，铸造件表面由于浇筑过程中炉渣没有完全打净或者是浇道设计问题，铸件工作面侧表面或铸件工作面容易留存炉渣，机械加工铸造件的过程中，如炉渣等杂质凝固在铸造件工作面表面，铸造件可产生沙眼、缩松等缺陷。

例如，生产精密机床机床体的过程中，首先通过铸造的方式生产机床体铸件，将机床体铸件通过刨床加工平面，该平面为机床体工作面，如机床体工作面有炉渣残留，使用该机床体在后续热处理和制作数控机床，可能导致的问题后降低机床加工精度，或者热处理后缺陷处产生裂纹，甚至在长时间使用机床的过程中由缺陷处产生应力集中。

现有技术中判断此种缺陷一般采用人工测量的方式，通过人眼观察的方式判定工作面是否存在缺陷，此种方法人工误差大，另外如刨床加工的过程中，金属封堵缺陷处导致人眼无法判别此处是否具有缺陷。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种连续机械加工和热处理生产线，该生产线可在机械加工的过程中判别铸件工作面、即机械加工形成工作面是否存在缺陷。同时本发明还提出一种连续机械加工和热处理生产线使用的数据采集处理系统。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

在第一个技术方案中，一种连续机械加工和热处理生产线，包括平面加工中心、视觉标记设备和震动测量装置，其中平面加工中心为数控刨床，震动测量装置安装在数控刨床的刨刀上，该震动测量装置用于检测数控刨床在加工铸件工作面时刨刀的震动变化以判断铸件工作面的缺陷，视觉标记设备安装在数控刨床处，视觉标记设备用于向工作面的缺陷处喷涂缺陷标记。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述视觉标记设备包括三维动作机构和视觉喷标机，所述视觉喷标机安装在三维动作机构的移动终端上，三维动作机构携带视觉喷标机进行三维空间移动，所述视觉喷标机包括图像获取设备和喷标装置。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述连续机械加工和热处理生产线还包括检验平台和热处理中心，所述热处理中心用于对平面加工中心加工的铸件进行热处理，所述检验平台用于检测和修补铸件工作面的缺陷、以及铸件热处理后对铸件工作面缺陷修补处进行二次检测。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述震动测量装置包括支架、光线发射器、光线反射装置和光线感受器，其中支架安装在刨刀的刀具夹具上，所述光线反射装置设置在刨刀杆部靠近刀头处，所述光线发射器和光线感受器均安装在支架上，所述光线发射器用于向光线反射装置射出检测光线，该检测光线通过光线反射装置反射后由光线感受器接收，以检测刨刀的震动情况。

在第二个技术方案中，一种数据采集处理系统，用于对第一个技术方案中所述的连续机械加工和热处理生产线进行数据采集、数据处理和设备控制，包括控制中心和模数转换器，

所述模数转换器与所述光线感受器通信连接，以接收光线感受器发送的光线的位置变化的模拟信号，并将模拟信号转化为刀具震动数据；

所述控制中心与所述数控刨床、视觉喷标机、三维动作机构和模数转换器通讯连接，所述控制中心用于向数控刨床发送数控刨床加工铸件的刀具给进控制数据、以及接收模数转换器刀具震动数据以通过铸件加工过程中刨刀的震动情况判断缺陷位置、以及根据刀具的震动情况向三维动作机构发出移动指令并使三维动作机构携带视觉喷标机移动到缺陷位置并通过视觉喷标机标记缺陷。

在第二个技术方案中，作为优选的，所述数据采集、数据处理和设备控制的方法如下：

控制数控刨床对铸件进行切削加工，在切削加工的过程中通过震动测量装置实时获取切削加工过程中刨刀实际震动数据，完成切削加工；

设置铸件加工刀具震动数据阈值标准；

通过控制中心将刨刀实际震动数据与刀具震动数据阈值进行比较，当刨刀实际震动数据超过刀具震动数据阈值时，记录刨刀实际震动数据超过刀具震动数据阈值时刀具刃部对应的坐标，该坐标为缺陷所在坐标；

根据缺陷所在坐标，通过控制中心控制三维动作机构携带视觉喷标机移动到缺陷处，通过视觉喷标机在铸件切削加工面进行缺陷标记。

在第二个技术方案中，作为优选的，

在数控刨床对铸件进行切削加工前进行准备工作，具体如下：

通过控制中心的预设值控制三维动作机构移动到准备位置，将铸件夹装在数控刨床的加工平台，以铸件加工面所在平面为基准设置平面坐标系，获取视觉喷标机在准备位置时喷标装置所在位置在平面坐标系中垂向投影的坐标；

在数控刨床对铸件进行切削加工前通过视觉喷标机获取铸件待加工面的轮廓图像，并将轮廓图像发送到控制中心，通过控制中心依据视觉喷标机在准备位置时喷标装置所在位置在平面坐标系中垂向投影的坐标将轮廓图像转换为轮廓坐标，获取铸件加工面的轮廓坐标；

将视觉喷标机在准备位置时喷标装置所在位置在平面坐标系中垂向投影的坐标、刨刀刃部所在坐标、以及铸件加工面的轮廓坐标分别与平面坐标系拟合，完成坐标系统的构建。

在第二个技术方案中，作为优选的，

所述设置铸件加工刀具震动数据阈值标准的方法为

依据刨刀实际震动数据，参考铸件加工面的轮廓坐标，设置铸件切削加工过程中刀具震动数据阈值标准。

在第二个技术方案中，作为优选的，设置铸件切削加工过程中刀具震动数据阈值标准的方法如下：

控制数控刨床给进，持续获得刨刀震动实时数据；

当刨刀刃部进入铸件加工面的轮廓坐标范围内之前，此期间刨刀震动实时数据记录为数据组K1；

当刨刀刃部进入铸件加工面的轮廓坐标范围内时，此期间刨刀震动实时数据记录为数据组K2，铸件加工面的轮廓坐标范围内为置信区间，设置数据组K2的置信水平；

当刨刀刃部离开铸件加工面的轮廓坐标范围，此期间刨刀震动实时数据记录为数据组K3。

在第二个技术方案中，作为优选的，

当数据组K1和数据组K3中刨刀震动实时数据的最大值大于数据组K2的置信水平时，控制中心报错，并在切削加工后人工检测铸件加工面是否存在缺陷；

在数据组K1、数据组K2和数据组K3的连接处设置震动忽略区间，不对震动忽略区间内刨刀实际震动数据与刀具震动数据阈值标准进行比较。

使用本发明的有益效果是：

1.连续机械加工和热处理生产线可以连续对铸件进行机械加工和热处理，在机械加工的过程中可以检测铸件工作面是否存在沙眼缺陷，在逐渐工作面加工完成后标识缺陷所在位置，方便后续修补；震动测量装置可放大刨刀震动幅度，更准确的通过刨刀切削加工的工作过程随即完成铸件工作面质量的检查。铸件工作面缺陷标记并修补后进入热处理工序，热处理完成后有标记复查缺陷处，完成铸件工作面整体加工。

2.本数据采集处理系统可将多种设备拟合进入同一坐标系，依据刨刀震动数据自行判断工作面震动情况，可根据铸件的材料性质自行动态匹配对应的刀具震动数据阈值标准，方便不同材料铸件，不同批次铸件的加工过程检测。

3.本数据采集处理系统可加装在现有的一般数控机床上，可推广度和可匹配度更高。

附图说明

图1为一种连续机械加工和热处理生产线中震动测量装置的安装示意图。

图2为一种连续机械加工和热处理生产线中平面加工中心的示意图。

图3为数据采集处理系统的示意图。

图4为一种连续机械加工和热处理生产线的整体示意图。

图5为数据采集处理系统采集的刨刀震动数据图。

附图标记包括：

10-平面加工中心，11-刀具夹具，12-刨刀，13-加工平台，21-三维动作机构，22-视觉喷标机，30-震动测量装置，31-支架，32-光线发射器，33-光线反射装置，34-光线感受器，35-模数转换器，40-控制中心，50-校验平台，60-热处理中心。

具体实施方式

为使本技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本技术方案进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而不是要限制本技术方案的范围。

实施例1

如图1-图4所示，本实施例提出一种连续机械加工和热处理生产线，包括平面加工中心10、视觉标记设备和震动测量装置30，其中平面加工中心10为数控刨床，震动测量装置30安装在数控刨床的刨刀12上，该震动测量装置30用于检测数控刨床在加工铸件工作面时刨刀12的震动变化以判断铸件工作面的缺陷，视觉标记设备安装在数控刨床处，视觉标记设备用于向工作面的缺陷处喷涂缺陷标记。

如图2所示，视觉标记设备包括三维动作机构21和视觉喷标机22，视觉喷标机22安装在三维动作机构21的移动终端上，三维动作机构21携带视觉喷标机22进行三维空间移动，视觉喷标机22包括图像获取设备和喷标装置。在一个实施例中，三维动作机构21为门式数控三维移动机构，在另一个实施例中，三维动作机构21可以是数控机器手臂。

如图4所示，连续机械加工和热处理生产线还包括检验平台和热处理中心60，热处理中心60用于对平面加工中心10加工的铸件形成热处理，检验平台用于检测和修补铸件工作面的缺陷、以及铸件热处理后对铸件工作面缺陷修补处进行二次检测。

如图3所示，图中箭头指示为切削加工过程中，如发现铸件加工面存在缺陷时，该铸件的流转方向。当平面加工中心10切削加工铸件待加工面形成工作面的过程中，发现铸件工作面存在缺陷，则铸件通过吊装设备移动到校验平台50。在缺陷铸件移动到校验平台50后，根据喷标位置人工检查，如缺陷存在，钻掉缺陷位置沙眼以及周围金属，通过补焊的方式填充钻掉的金属凹陷，以铸件工作面的主要平面为基准打磨补焊位置，使补焊位置与铸件工作面的主要平面平齐。然后将修复后的铸件吊装进入到热处理中心60进行热处理工艺。以球墨铸铁机床体床身为例，进入热处理中心60进行去应力退火，退火温度530°，退火时间为2-3小时，球墨铸铁机床移出热处理中心60自然冷却至室温。该问题铸件再次移动到校验平台50，完成第二次检查，由于补焊材料和铸件本体材料不同，重点检查标记缺陷处是否存在裂纹，避免补焊工艺缺陷导致铸件工作面出现二次缺陷。在铸件完成二次检查后，铸件由校验平台50移出。上述缺陷一次检查和二次检查中的使用的数据录入控制中心40。

如铸件在工作面加工的过程中没有发现缺陷，平面加工完成后直接进入热处理中心60，经过热处理工艺后，直接移出，不需要经过校验平台50。

如图1所示，震动测量装置30包括支架31、光线发射器32、光线反射装置33和光线感受器34，其中支架31安装在刨刀12的刀具夹具11上，光线反射装置33设置在刨刀12杆部靠近刀头处，光线发射器32和光线感受器34均安装在支架31上，光线发射器32用于向光线反射装置33射出检测光线，该检测光线通过光线反射装置33反射后由光线感受器34接收，以检测刨刀12的震动情况。

连续机械加工和热处理生产线可以连续对铸件进行机械加工和热处理，在机械加工的过程中可以检测铸件工作面是否存在沙眼缺陷，在逐渐工作面加工完成后标识缺陷所在位置，方便后续修补；震动测量装置30可放大刨刀12震动幅度，更准确的通过刨刀12切削加工的工作过程随即完成铸件工作面质量的检查。铸件工作面缺陷标记并修补后进入热处理工序，热处理完成后有标记复查缺陷处，完成铸件工作面整体加工。

连续机械加工和热处理生产线使用的数据采集处理系统和对应的控制方法如下述实施例2所示。

实施例2

如图3所示，一种数据采集处理系统，用于对实施例1中的连续机械加工和热处理生产线进行数据采集、数据处理和设备控制，包括控制中心40和模数转换器35，

模数转换器35与光线感受器34通信连接，以接收光线感受器34发送的光线的位置变化的模拟信号，并将模拟信号转化为刀具震动数据；

控制中心40与数控刨床、视觉喷标机22、三维动作机构21和模数转换器35通讯连接，控制中心40用于向数控刨床发送数控刨床加工铸件的刀具给进控制数据、以及接收模数转换器35刀具震动数据以通过铸件加工过程中刨刀12的震动情况判断缺陷位置、以及根据刀具的震动情况向三维动作机构21发出移动指令并使三维动作机构21携带视觉喷标机22移动到缺陷位置并通过视觉喷标机22标记缺陷。

数据采集、数据处理和设备控制的方法如下：

控制数控刨床对铸件进行切削加工，在切削加工的过程中通过震动测量装置30实时获取切削加工过程中刨刀实际震动数据，完成切削加工；

设置铸件加工刀具震动数据阈值标准；

通过控制中心40将刨刀实际震动数据与刀具震动数据阈值进行比较，当刨刀实际震动数据超过刀具震动数据阈值时，记录刨刀实际震动数据超过刀具震动数据阈值时刀具刃部对应的坐标，该坐标为缺陷所在坐标；

根据缺陷所在坐标，通过控制中心40控制三维动作机构21携带视觉喷标机22移动到缺陷处，通过视觉喷标机22在铸件切削加工面进行缺陷标记。

上述过程中，首先将刨刀12的刀刃下沿所在平面标记为基准平面，三维动作机构21在准备位置时视觉喷标机22的喷标发射端口的下端的垂向位置设有高度坐标，三维动作机构21驱动视觉喷标机22移动的步进高度略小于高度坐标距离基础平面的差值，而三维动作机构21驱动视觉喷标机22移动的步进高度与高度坐标距离基础平面的差值则作为视觉喷标机22喷标最优高度值。上述过程中，三维动作机构21携带视觉喷标机22移动到缺陷位置后，三维动作机构21驱动视觉喷标机22下降的移动步进高度，完成喷标后，三维动作机构21驱动视觉喷标机22上升的移动步进高度，再通过三维动作机构21携带视觉喷标机22返回到准备位置。

当缺陷处有不止1处时，计算两个缺陷处的坐标差，根据两个缺陷处的坐标差向三维动作机构21下达指令移动，使三维动作机构21对应完成多个缺陷处的标记。

在其他实施例中，设置铸件加工刀具震动数据阈值标准可以在平面加工前进行。例如，铸件加工刀具震动数据阈值标准设置可以先通过加工试样的方式获取多组数据，对已经获取的多组数据进行处理，依据上述多组数据的平均数设置铸件加工刀具震动数据阈值标准。

在本实施例中，设置铸件加工刀具震动数据阈值标准的方法为

依据刨刀实际震动数据，参考铸件加工面的轮廓坐标，设置铸件切削加工过程中刀具震动数据阈值标准。

作为优选的，设置铸件切削加工过程中刀具震动数据阈值标准的方法如下：

控制数控刨床给进，持续获得刨刀震动实时数据；

当刨刀12刃部进入铸件加工面的轮廓坐标范围内之前，此期间刨刀震动实时数据记录为数据组K1；

当刨刀12刃部进入铸件加工面的轮廓坐标范围内时，此期间刨刀震动实时数据记录为数据组K2，铸件加工面的轮廓坐标范围内为置信区间，设置数据组K2的置信水平；

当刨刀12刃部离开铸件加工面的轮廓坐标范围，此期间刨刀震动实时数据记录为数据组K3。

当数据组K1和数据组K3中刨刀震动实时数据的最大值大于数据组K2的置信水平时，控制中心40报错，并在切削加工后人工检测铸件加工面是否存在缺陷；

在数据组K1、数据组K2和数据组K3的连接处设置震动忽略区间，不对震动忽略区间内刨刀实际震动数据与刀具震动数据阈值标准进行比较。

上述的置信水平和置信区间的设置方法，可以根据铸件加工面的轮廓坐标设置置信区间。置信水平的设置方法可以采用箱形图剖析法或者基于孤立森林的方法设置。

本方案中，依据刨刀实际震动数据自行判断工作面震动情况，可根据铸件的材料性质自行动态匹配对应的刀具震动数据阈值标准，方便不同材料铸件、不同批次铸件的加工过程检测。

如图5所示，数据组K1段代表刨刀12未接触铸件，数据组K2段代表刨刀12接触铸件，数据组K3段代表刨刀12离开铸件。数据组P段代表刨刀12由未接触铸件到接触铸件的过程震动测量装置30测量的振动数据，数据组Q段代表刨刀12由脱离铸件过程震动测量装置30测量的振动数据，上述的数据组P段和数据组Q段为震动忽略区间。数据组K2段去除数据组P段和数据组Q段的剩余设置为置信区间，O为置信水平。由此可以判断R处所在坐标为缺陷坐标。

上述过程中，在数控刨床对铸件进行切削加工前进行准备工作，具体如下：

通过控制中心40的预设值控制三维动作机构21移动到准备位置，将铸件夹装在数控刨床的加工平台13，以铸件加工面所在平面为基准设置平面坐标系，获取视觉喷标机22在准备位置时喷标装置所在位置在平面坐标系中投影的坐标；

在数控刨床对铸件进行切削加工前通过视觉喷标机22获取铸件待加工面的轮廓图像，并将轮廓图像发送到控制中心40，通过控制中心40依据视觉喷标机22在准备位置时喷标装置所在位置在平面坐标系中投影的坐标将轮廓图像转换为轮廓坐标，获取铸件加工面的轮廓坐标；

将视觉喷标机22在准备位置时喷标装置所在位置在平面坐标系中投影的坐标、刨刀12刃部所在坐标、以及铸件加工面的轮廓坐标分别与平面坐标系拟合，完成坐标系统的构建。

本技术方案中，震动测量装置30可以支架31加装在现有设备的数控刨床上，三维动作机构21和视觉喷标机22可设置在数控刨床旁边，控制中心40采用本地计算机。本数据采集处理系统可加装在现有的一般数控机床上，可推广度和可匹配度更高。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本技术内容的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本专利的保护范围。

Claims (8)

1.一种连续机械加工和热处理生产线，其特征在于：包括平面加工中心、视觉标记设备和震动测量装置，其中平面加工中心为数控刨床，震动测量装置安装在数控刨床的刨刀上，该震动测量装置用于检测数控刨床在加工铸件工作面时刨刀的震动变化以判断铸件工作面的缺陷，视觉标记设备安装在数控刨床处，视觉标记设备用于向工作面的缺陷处喷涂缺陷标记；

所述震动测量装置包括支架、光线发射器、光线反射装置和光线感受器，其中支架安装在刨刀的刀具夹具上，所述光线反射装置设置在刨刀杆部靠近刀头处，所述光线发射器和光线感受器均安装在支架上，所述光线发射器用于向光线反射装置射出检测光线，该检测光线通过光线反射装置反射后由光线感受器接收，以检测刨刀的震动情况；

所述视觉标记设备包括三维动作机构和视觉喷标机，所述视觉喷标机安装在三维动作机构的移动终端上，三维动作机构携带视觉喷标机进行三维空间移动，所述视觉喷标机包括图像获取设备和喷标装置。

2.根据权利要求1所述的连续机械加工和热处理生产线，其特征在于：所述连续机械加工和热处理生产线还包括检验平台和热处理中心，所述热处理中心用于对平面加工中心加工的铸件进行热处理，所述检验平台用于检测和修补铸件工作面的缺陷、以及铸件热处理后对铸件工作面缺陷修补处进行二次检测。

3.一种数据采集处理系统，用于对如权利要求1所述的连续机械加工和热处理生产线进行数据采集、数据处理和设备控制，其特征在于：包括控制中心和模数转换器，

所述模数转换器与所述光线感受器通信连接，以接收光线感受器发送的光线的位置变化的模拟信号，并将模拟信号转化为刀具震动数据；

所述控制中心与所述数控刨床、视觉喷标机、三维动作机构和模数转换器通讯连接，所述控制中心用于向数控刨床发送数控刨床加工铸件的刀具给进控制数据、以及接收模数转换器刀具震动数据以通过铸件加工过程中刨刀的震动情况判断缺陷位置、以及根据刀具的震动情况向三维动作机构发出移动指令并使三维动作机构携带视觉喷标机移动到缺陷位置并通过视觉喷标机标记缺陷。

4.根据权利要求3所述的数据采集处理系统，其特征在于：所述数据采集、数据处理和设备控制的方法如下：

控制数控刨床对铸件进行切削加工，在切削加工的过程中通过震动测量装置实时获取切削加工过程中刨刀实际震动数据，完成切削加工；

设置铸件加工刀具震动数据阈值标准；

通过控制中心将刨刀实际震动数据与刀具震动数据阈值进行比较，当刨刀实际震动数据超过刀具震动数据阈值时，记录刨刀实际震动数据超过刀具震动数据阈值时刀具刃部对应的坐标，该坐标为缺陷所在坐标；

根据缺陷所在坐标，通过控制中心控制三维动作机构携带视觉喷标机移动到缺陷处，通过视觉喷标机在铸件切削加工面进行缺陷标记。

5.根据权利要求4所述的数据采集处理系统，其特征在于：

在数控刨床对铸件进行切削加工前进行准备工作，具体如下：

通过控制中心的预设值控制三维动作机构移动到准备位置，将铸件夹装在数控刨床的加工平台，以铸件加工面所在平面为基准设置平面坐标系，获取视觉喷标机在准备位置时喷标装置所在位置在平面坐标系中垂向投影的坐标；

在数控刨床对铸件进行切削加工前通过视觉喷标机获取铸件待加工面的轮廓图像，并将轮廓图像发送到控制中心，通过控制中心依据视觉喷标机在准备位置时喷标装置所在位置在平面坐标系中垂向投影的坐标将轮廓图像转换为轮廓坐标，获取铸件加工面的轮廓坐标；

将视觉喷标机在准备位置时喷标装置所在位置在平面坐标系中垂向投影的坐标、刨刀刃部所在坐标、以及铸件加工面的轮廓坐标分别与平面坐标系拟合，完成坐标系统的构建。

6.根据权利要求5所述的数据采集处理系统，其特征在于：所述设置铸件加工刀具震动数据阈值标准的方法为：

依据刨刀实际震动数据，参考铸件加工面的轮廓坐标，设置铸件切削加工过程中刀具震动数据阈值标准。

7.根据权利要求6所述的数据采集处理系统，其特征在于：设置铸件切削加工过程中刀具震动数据阈值标准的方法如下：

控制数控刨床给进，持续获得刨刀震动实时数据；

当刨刀刃部进入铸件加工面的轮廓坐标范围内之前，此期间刨刀震动实时数据记录为数据组K1；

当刨刀刃部进入铸件加工面的轮廓坐标范围内时，此期间刨刀震动实时数据记录为数据组K2，铸件加工面的轮廓坐标范围内为置信区间，设置数据组K2的置信水平；

当刨刀刃部离开铸件加工面的轮廓坐标范围，此期间刨刀震动实时数据记录为数据组K3。

8.根据权利要求7所述的数据采集处理系统，其特征在于：

当数据组K1和数据组K3中刨刀震动实时数据的最大值大于数据组K2的置信水平时，控制中心报错，并在切削加工后人工检测铸件加工面是否存在缺陷；

在数据组K1、数据组K2和数据组K3的连接处设置震动忽略区间，不对震动忽略区间内刨刀实际震动数据与刀具震动数据阈值标准进行比较。