CN115509176A - 一种基于在机测量的曲面随形补偿加工系统以及加工方法 - Google Patents

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CN115509176A CN202211214179.1A CN202211214179A CN115509176A CN 115509176 A CN115509176 A CN 115509176A CN 202211214179 A CN202211214179 A CN 202211214179A CN 115509176 A CN115509176 A CN 115509176A
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Abstract

本发明公开了一种基于在机测量的曲面随形补偿加工系统以及加工方法，包括识别待测零件的测量区域，利用检测探头测量测量区域内每个测量点实际坐标，计算每个测量点实际坐标与规划坐标的误差值；根据原始加工刀路，计算加工刀路中每个加工刀位点在零件表面投影点的U/V参数；根据投影点的U/V参数与每个测量点实际坐标与规划坐标的误差值和每个测量点的U/V参数，利用双线性插值法计算投影点的误差值；根据投影点的误差值，调节并保存新的加工刀位点，得到新加工刀路。本发明实现在机测量，避免了在机外测量的不确定因素，提高了准确性，并且采集的数据直接使用，直接根据误差修改之前的加工程序，避免了滞后性，提高了生产加工效率。

Description

一种基于在机测量的曲面随形补偿加工系统以及加工方法
技术领域
本发明涉及曲面自适应加工技术领域，特别是涉及一种基于在机测量的曲面随形补偿加工系统以及加工方法。
背景技术
零件在加工或后期使用的过程中，由于受到外部因素的影响，会产生一些变形或被碰伤，使得零件曲面形状与理论模型之间存在差异，在后续工序的加工或者修复再制造过程中，会导致原始加工程序不再适用于当前零件的加工要求。如果不修正加工程序而直接使用，则可能会导致零件加工不到位或者出现过切，对于一些修复再制造的零件，其焊接的位置也不能做到平滑过渡，因此，修正原始程序就显得尤为重要。其示意图如图1所示。
对于结构复杂的待加工区域为曲面的零件，想要快速确定零件变形之后的形状就比较困难，目前比较常用的技术方案是：通过对变形后的零件曲面进行测量，再依据测量结果去修改理论模型，使理论模型与零件曲面接近，最后根据新的理论模型重新生成加工程序。
目前现有技术主要是借助三坐标或其他测量手段，对零件曲面进行测量，根据测量结果计算出理论模型与零件曲面的差值，再修改理论模型的参数，使其形状接近于零件曲面形状，最后利用修改后的理论模型生成新的加工程序。该方法从修改理论模型的角度着手，解决理论模型与零件的实际曲面形状不一致的问题，但是该方法因为是机外测量，以及后续修改理论模型涉及大量的计算和操作，存在滞后性与不确定性，严重影响生产加工效率。
目前无法实现在机对变形后零件的形状测量，零件中有可直接测量区域和非直接测量区域，可直接测量区域可以直接测量，非直接测量区域无法像在机外一样进行360°无死角的进行测量，导致无法实现在机测量并修改加工方法。
综上所述可以看出，如何实现在机测量并修改加工方法是目前有待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于在机测量的曲面随形补偿加工系统以及加工方法，解决了现有技术中在机外测量，然后构建理论模型，最后根据理论模型修改参数所在的滞后性和准确性。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于在机测量的曲面随形补偿加工系统，包括：
测量设备，用于获取待测零件表面测量区域中每个测量点的实际坐标位置；
上位机，用于调节加工系统中的加工刀路，所述上位机包括：
误差计算模块，计算所述每个测量点的实际坐标位置与规划坐标位置的误差值；
投影点误差计算模块，根据原始加工刀路计算每个刀位点在所述待测零件表面上投影点误差；
调整加工刀路模块，根据所述投影点误差计算模块输出的投影点误差值，调节新的加工刀位点，将所有的加工刀位点组合得到新的加工刀路。
优选地，所述测量设备包括：
检测探头，用于根据所述在机测量路径测量每个测量点的坐标位置。
本发明化提供了一种采用上述任一项所述基于在机测量的曲面随形补偿加工系统的加工方法，包括：
识别待测零件的测量区域并规划多个测量点，计算每个测量点的U/V参数；
利用检测探头测量所述测量区域内每个测量点实际坐标，并计算所述每个测量点实际坐标与规划坐标的误差值；
根据原始加工刀路，计算所述加工刀路中每个加工刀位点在所述待测零件表面上投影点的U/V参数；
根据所述投影点的U/V参数与所述每个测量点实际坐标与规划坐标的误差值和所述每个测量点的U/V参数，利用双线性插值法计算所述投影点的误差值；
根据所述投影点的误差值，调节并保存新的加工刀位点，将所有新的加工刀位点组合得到新加工刀路。
优选地，所述识别待测零件的测量区域并规划多个测量点，利用检测探头测量所述测量区域内每个测量点实际坐标，并计算所述每个测量点实际坐标与规划坐标的误差值包括：
将所述测量区域等参数规划出多个测量点，生成在机测量路径；
利用所述检测探头测量每个测量点的实际坐标；
计算所述每个测量点的实际坐标与规划坐标之间的误差值；
其中，所述等参数规划为：在U/V两个方向上，沿着U向规划测量点时保证V不变，沿着V向规划测量点时保证U不变，使得所有测量点呈网格分布。
优选地，所述识别待测零件的测量区域并规划多个测量点，利用检测探头测量所述测量区域内每个测量点实际坐标，并计算所述每个测量点实际坐标与规划坐标的误差值还包括：
当识别到所述测量区域包含非直接测量区域时；
将所述非直接测量区域内规划多个虚拟测量点；
根据每个虚拟测量点周围的四个实际测量点的U/V参数以及误差值，利用所述双线性插值法计算所述每个虚拟测量点的误差值。
优选地，所述根据每个虚拟测量点周围的四个实际测量点的U/V参数以及误差值，利用双线性插值法计算所述每个虚拟测量点的误差值包括：
选取虚拟点Q四周的四个测量点P1(u1,v1)、P2(u2,v1)、P3(u1,v2)、P4(u2,v2)；
利用所述双线性插值法计算所述虚拟点Q的误差值f(Q)；
其中，u方向的线性插值：
Figure BDA0003876174300000031
Figure BDA0003876174300000032
将v方向的线性插值作为所述虚拟点Q的误差值f(Q)：
Figure BDA0003876174300000041
优选地，所述根据原始加工刀路，计算所述加工刀路中每个加工刀位点在所述待测零件表面上投影点的U/V参数包括：
根据所述加工刀路计算每个加工刀位点在所述待测试零件的投影点；
计算所述每个投影点在所述点测量零件表面所对应的U/V参数。
优选地，所述根据所述投影点的U/V参数与所述每个测量点实际坐标与规划坐标的误差值和所述每个测量点的U/V参数，利用双线性插值法计算所述投影点的误差值包括：
获取所述每个测量点的误差值以及每个测量点的U/V参数；
获取每个投影点的U/V参数；
利用所述双线性差值计算法计算所述每个投影点的误差值。
优选地，所述根据所述投影点的误差值，调节并保存新的加工刀位点，将所有新的加工刀位点组合得到新加工刀路包括：
根据所述投影点的误差值修改加工刀位点得到所述新的加工刀位点；
将所述新的加工刀位点组合得到所述新的加工刀路。
优选地，所述根据所述投影点的误差值，调节并保存新的加工刀位点，将所有新的加工刀位点组合得到新加工刀路后包括：
根据所述新加工刀路控制所述加工刀具对所述待测零件进行加工，得到加工后的零件。
本发明所提供的一种基于在机测量的曲面随形补偿加工系统，利用测量设备识别待测零件的测量区域，计算测量区域内每个测量点实际与规划的误差值，解决了现有技术必须依靠机外测量得到零件的真实坐标，提高了检测效率；然后根据原始加工刀路加工刀具参数计算加工刀路中每个加工刀位点在待测零件表面上投影点的U/V参数；最后根据投影点的U/V参数和每个测量点的误差值计算投影点的误差，根据投影误差调整加工刀位点，将所有的刀位点组合得到新加工刀路；之后便可以根据新加工刀路进行加工。本发明相比现有技术中的机外测量，构建理论模型，然后在根据规划模型修改理论模型得到新的加工程序的方式，本方法实现了在机测量，直接获取零件的误差值，根据零件误差值直接调整加工刀具的刀位点，提高了工作效率，并且高效，提高了零件的加工效率。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，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，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为现有曲面零件的模拟结构图；
图2为本发明所提供的一种基于在机测量的曲面随形补偿加工方法的第一种具体实施例的流程图；
图3为本发明所提供的一种基于在机测量的曲面随形补偿加工方法的第二种具体实施例的流程图；
图4为本发明所提供的可直接测量区域的结构图；
图5为本发明所提供的非直接测量区域的结构图；
图6为本发明所提供的双线性插值法如图；
图7为本发明所提供的加工刀的结构图；
图8为本发明所提供的加工刀改变的结构图；
图9为本发明实施例提供的一种基于在机测量的曲面随形补偿加工系统的结构框图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种基于在机测量的曲面随形补偿加工系统以及加工方法，采用在机测量测量点实际与规划的误差值，然后根据误差值计算加工刀与零件接触点的误差值，最后调整加工刀位点以及加工刀路，得到新的加工方法。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。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。
请参考图2，图2为本发明所提供的一种基于在机测量的曲面随形补偿加工方法的第一种具体实施例的流程图；具体操作步骤如下：
步骤S201：识别待测零件的测量区域并规划多个测量点，计算每个测量点的U/V参数；
步骤S202：利用检测探头测量所述测量区域内每个测量点实际坐标，并计算所述每个测量点实际坐标与规划坐标的误差值；
步骤S203：根据原始加工刀路，计算所述加工刀路中每个加工刀位点在所述待测零件表面上投影点的U/V参数；
步骤S204：根据所述投影点的U/V参数与所述每个测量点实际坐标与规划坐标的误差值和所述每个测量点的U/V参数，利用双线性插值法计算所述投影点的误差值；
步骤S205：根据所述投影点的误差值，调节并保存新的加工刀位点，将所有新的加工刀位点组合得到新加工刀路。
在本实施例中，在机识别待测零件的测量区域，并计算测量区域内测量点实测坐标与规划坐标的误差值，实现了在机测量其待测零件的实际与规划的误差；计算加工刀位点在待测零件表面投影点的U/V参数，根据投影点的U/V参数和实测坐标与规划坐标的误差值计算投影点的误差值，根据投影点的误差具调整加工刀位点，将所有刀位点组合得到新的加工刀路，然后根据新的加工刀路对零件进行加工。本发明相比现有技术需要再机外进行测量零件的曲面数据，然后根据数据修正理论模型，最后根据修正后的理论模型得到新的加工程序；本发明实现在机测量，避免了在机外测量的不确定因素，提高了准确性，并且采集的数据直接使用，直接根据误差修改之前的加工程序，避免了滞后性，提高了生产加工效率。
基于上述实施例，本实施例详细说明了基于在机测量的曲面随形补偿加工方法，请参考图3，图3为本发明所提供的一种基于在机测量的曲面随形补偿加工方法的第二种具体实施例的流程图；具体操作步骤如下：
步骤S301：识别待测零件的测量区域；
步骤S302：判断所述测量区域中是否包含非直接测量区域；
步骤S303：若不包含所述非直接测量区域，则在所述测量区域内规划出多个测量点，并计算每个测量点的实测坐标与规划坐标的误差值；
在零件的可直接测量区域内，等参数规划出若干个测量点，生成在机测量路径。假设规划了n个理论测量点：(P1,P2,…,Pn)，如图4所示，然后生成测量NC程序，并在机床内进行测量，这些测量点的实测坐标与规划坐标之间的差值，即为该点的实测误差，由此可以得到这n个点的误差测量结果；(等参数规划，是指在U/V两个方向上，沿着U向规划测量点时保证V不变，沿着V向规划测量点时保证U不变，使得所有测量点呈网格分布)。
步骤S304：若包含所述非直接测量区域，则计算直接测量区域内多个测量点的误差值，利用所述双线性插值法和所述直接测量区域内多个测量点的误差值计算所述非直接测量区域内多个虚拟点的误差值；
在非直接测量区规划m个假想测量点(Q1,Q2,…,Qm)，如图5所示，因为这些点的误差无法通过测量得到，所以需根据这些点在曲面上的U/V参数，并借助步骤(1)中已经完成测量的误差数据，采用双线性插值法计算这些投影点的误差值，双线性插值法如图6所示；
选取虚拟点Q四周的四个测量点P1(u1,v1)、P2(u2,v1)、P3(u1,v2)、P4(u2,v2)；
利用所述双线性插值法计算所述虚拟点Q的误差值f(Q)；
其中，u方向的线性插值：
Figure BDA0003876174300000071
Figure BDA0003876174300000072
v方向的线性插值：
Figure BDA0003876174300000081
步骤S305：采集所述加工刀具在每个测量点的刀位点以及加工刀具的半径，计算所述加工刀具与所述每个测量点的投影U/V参数；
步骤S306：根据加工刀具与所述每个测量点的投影U/V参数计算加工刀具在每个测量点的投影误差值；
原始刀路中有很多个刀位点，分别将这些刀位点沿着刀轴方向减去一个刀具半径，得到刀心位置对应的刀心点，再将刀心点投影到曲面上(投影距离为刀具半径，此时投影点即为加工程序中刀具与零件的接触点，如图7所示)，可以得到一个投影点和该点在曲面上的U/V参数，再通过该投影点的U/V参数和已测区各点的误差数据，同样采用双线性插值法求得这些投影点的误差值；
步骤S307：根据加工刀具与所述每个测量点的投影U/V参数和加工刀具在每个测量点的投影误差值，调整加工刀具在每个测量点的加工刀位点，将所述加工刀位点组合生成新的加工刀路；
利用上述求得的投影点和误差值，可以求得变换后的刀心投影点，将该变换后投影点沿着该点在曲面的法向偏移一个刀具半径(这里需根据误差值的正负来确定偏移方向)，即得到变换后的刀心点，刀心点再沿刀轴反方向偏移一个刀具半径，便得到变换后的刀尖点，即最终所求的刀路点，如图8所示。
步骤S308：根据所述新的加工路控制所述加工刀对零件进行加工，得到加工后的零件。
基于在机测量的曲面随形补偿加工方法步骤如下：
(1)规划测量点并测量误差：在零件的可直接测量区域内，等参数规划出若干个测量点，生成在机测量路径。本实施例中规划了4个测量点：(P1,P2,P3,P4)，然后生成测量NC程序，并在机床内进行测量，得到这些点的实测坐标与规划坐标之间的误差，本例中四个点的误差分别为：f(P1)＝0.20mm,f(P2)＝0.13mm，f(P3)＝0.19mm，f(P4)＝0.24mm；四个点的U/V参数分别为：(5,1)，(5,6)，(7,6)，(7,1)。
(2)求解非直接测量区域的误差值
在零件的非直接测量区域内规划2个测量点(Q1,Q2)，并分别获取它们在曲面上的U/V参数，然后借助步骤(1)测出的误差数据，采用双线性插值法计算这些投影点的误差值，本例中这两个点的(U,V)参数分别为(6,4)和(6.5,2)，经计算得到误差值分别为：
Figure BDA0003876174300000091
Figure BDA0003876174300000092
(3)投影刀路，求解误差值：原始刀路中有很多个刀位点，分别将这些刀位点沿着刀轴方向减去一个刀具半径，得到刀心位置对应的刀位点，再将刀心点投影到曲面上(投影距离为刀具半径，此时投影点即为加工程序中刀具与零件的接触点，)，可以得到一个投影点和该点在曲面上的U/V参数，再通过该投影点的U/V参数和已测区各点的误差值，采用双线性插值法计算这些投影点的误差值。
(4)根据误差值变换刀路：利用求得的变换前的刀心投影点和误差值，可以求得变换后的刀心投影点，将该变换后投影点沿着该点在曲面的法向偏移一个刀具半径(这里需要根据误差值的正负来确定偏移方向)，即得到了变换后的刀心点，刀心点再沿着刀轴反方向偏移一个刀具半径，便得到变换后的刀尖点，即最终所求的刀路点。
(5)利用计算机语言对步骤1、步骤2、步骤3、步骤4进行软件化实现，可固化曲面随形补偿加工的自动化程序。
在本实施例中，本发明在面对可直接测量区域是，通过测量零件曲面，计算每个测量点的测量坐标与规划坐标之间的误差值，面对非直接测量区域，采用双线性插值法计算其误差值；再将加工程序的刀路点也投影到该零件曲面上，然后采用双线性插值法计算这些投影点的误差，最后根据这些误差值变换原始加工程序刀路，得到新的加工方法。本发明通过在机测量避免了机外测量的不确定因素，提高了测量的准确性，并且根据误差值直接修改加工刀的加工程序，之后便可直接根据新的加工程序进行加工，提高了零件的加工效率。
请参考图9，图9为本发明实施例提供的一种基于在机测量的曲面随形补偿加工系统的结构框图；具体系统可以包括：
测量设备100，用于获取待测零件表面测量区域中每个测量点的实际坐标位置；
上位机200，用于调节加工系统中的加工刀路，所述上位机包括：
误差计算模块210，计算所述每个测量点的实际坐标位置与规划坐标位置的误差值；
投影点误差计算模块220，根据原始加工刀路和加工刀具的参数计算每个刀位点在所述待测零件表面上投影点误差；
调整加工刀路模块230，根据所述投影点误差计算模块输出的投影点误差值，调节新的加工刀位点，将所有的加工刀位点组合得到新的加工刀路。
本发明具体实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述一种基于在机测量的曲面随形补偿加工方法的步骤。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上对本发明所提供的一种基于在机测量的曲面随形补偿加工系统以及加工方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于在机测量的曲面随形补偿加工系统，其特征在于，包括：
测量设备，用于获取待测零件表面测量区域中每个测量点的实际坐标位置；
上位机，用于调节加工系统中的加工刀路，所述上位机包括：
误差计算模块，计算所述每个测量点的实际坐标位置与规划坐标位置的误差值；
投影点误差计算模块，根据原始加工刀路计算每个刀位点在所述待测零件表面上投影点误差；
调整加工刀路模块，根据所述投影点误差计算模块输出的投影点误差值，调节新的加工刀位点，将所有的加工刀位点组合得到新的加工刀路。
2.如权利要求1所述的加工系统，其特征在于，所述测量设备包括：
检测探头，用于根据所述在机测量路径测量每个测量点的坐标位置。
3.一种采用权利要求1-2任一项所述基于在机测量的曲面随形补偿加工系统的加工方法，其特征在于，包括：
识别待测零件的测量区域并规划多个测量点，计算每个测量点的U/V参数；
利用检测探头测量所述测量区域内每个测量点实际坐标，并计算所述每个测量点实际坐标与规划坐标的误差值；
根据原始加工刀路，计算所述加工刀路中每个加工刀位点在所述待测零件表面上投影点的U/V参数；
根据所述投影点的U/V参数与所述每个测量点实际坐标与规划坐标的误差值和所述每个测量点的U/V参数，利用双线性插值法计算所述投影点的误差值；
根据所述投影点的误差值，调节并保存新的加工刀位点，将所有新的加工刀位点组合得到新加工刀路。
4.如权利要求3所述的加工方法，其特征在于，所述识别待测零件的测量区域并规划多个测量点，利用检测探头测量所述测量区域内每个测量点实际坐标，并计算所述每个测量点实际坐标与规划坐标的误差值包括：
将所述测量区域等参数规划出多个测量点，生成在机测量路径；
利用所述检测探头测量每个测量点的实际坐标；
计算所述每个测量点的实际坐标与规划坐标之间的误差值；
其中，所述等参数规划为在U/V两个方向上，沿着U向规划测量点时保证V不变，沿着V向规划测量点时保证U不变，使得所有测量点呈网格分布。
5.如权利要求3所述的加工方法，其特征在于，所述识别待测零件的测量区域并规划多个测量点，利用检测探头测量所述测量区域内每个测量点实际坐标，并计算所述每个测量点实际坐标与规划坐标的误差值还包括：
当识别到所述测量区域包含非直接测量区域时；
将所述非直接测量区域内规划多个虚拟测量点；
根据每个虚拟测量点周围的四个实际测量点的U/V参数以及误差值，利用所述双线性插值法计算所述每个虚拟测量点的误差值。
6.如权利要求5所述的加工方法，其特征在于，所述根据每个虚拟测量点周围的四个实际测量点的U/V参数以及误差值，利用双线性插值法计算所述每个虚拟测量点的误差值包括：
选取虚拟点Q四周的四个测量点P1(u1,v1)、P2(u2,v1)、P3(u1,v2)、P4(u2,v2)；
利用所述双线性插值法计算所述虚拟点Q的误差值f(Q)；
其中，u方向的线性插值：
Figure FDA0003876174290000021
Figure FDA0003876174290000022
将v方向的线性插值作为所述虚拟点Q的误差值f(Q)：
Figure FDA0003876174290000031
7.如权利要求3所述的加工方法，其特征在于，所述根据原始加工刀路，计算所述加工刀路中每个加工刀位点在所述待测零件表面上投影点的U/V参数包括：
根据所述加工刀路计算每个加工刀位点在所述待测试零件的投影点；
计算所述每个投影点在所述点测量零件表面所对应的U/V参数。
8.如权利要求3所述的加工方法，其特征在于，所述根据所述投影点的U/V参数与所述每个测量点实际坐标与规划坐标的误差值和所述每个测量点的U/V参数，利用双线性插值法计算所述投影点的误差值包括：
获取所述每个测量点的误差值以及每个测量点的U/V参数；
获取每个投影点的U/V参数；
利用所述双线性差值计算法计算所述每个投影点的误差值。
9.如权利要求3所述的加工方法，其特征在于，所述根据所述投影点的误差值，调节并保存新的加工刀位点，将所有新的加工刀位点组合得到新加工刀路包括：
根据所述投影点的误差值修改加工刀位点得到所述新的加工刀位点；
将所述新的加工刀位点组合得到所述新的加工刀路。
10.如权利要求3所述的加工方法，其特征在于，所述根据所述投影点的误差值，调节并保存新的加工刀位点，将所有新的加工刀位点组合得到新加工刀路后包括：
根据所述新加工刀路控制所述加工刀具对所述待测零件进行加工，得到加工后的零件。
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