CN1453101A - 以数控铣床为母机的三维反求测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以数控铣床为母机的三维反求测量装置，该装置采用悬架方式与数控铣床进行快速的定位与连接，构成一个三维反求测量系统，可对具有切屑加工性能的任何复杂零件进行内外轮廓的三维精密测量。该装置由悬架连接机构、计算机控制系统、数码拍摄测量机构和排刷去屑机构组成。该装置与数控机床定位连接后，数控铣床实现测量过程中的三个坐标轴直线运动，数码拍摄测量机构实现逐层图象的获取，排刷去屑机构实现层截面的清洁，计算机控制系统实现与数控铣床的信号连接并控制数码拍摄测量机构进行自动拍摄和数据的传输。该装置可与不同类型数控铣床相连接构成三维反求测量系统，将极大地拓展传统数控装备的作用。

Description

以数控铣床为母机的三维反求测量装置

一、所属技术领域

本发明属于测量技术领域，涉及反求工程的测量装置，更进一步涉及一种以数控铣床为母机可同时精密测量复杂零件的内外表面的三维反求测量装置。

二、背景技术

反求测量技术属于一种断层反求测量技术。在理论上，不管零件的复杂程度如何，断层测量技术不光可以测量出零件的外表面几何数据，而且还可以测量内腔的几何尺寸，这一功能是三座标测量仪与以激光三角法为代表的光学反求测量技术所难以实现的。目前，在机械工程领域，断层测量技术包括工业计算机断层扫描技术(ICT)、磁共振图象法(MRI)、超声波数字化断层测量法和“破坏性”的断层测量技术。对于ICT，它和医用CT的原理基本上相同，由于不同的物体和组织对X射线的吸收系数不一样，这种不一样便成了该测量方法重构三维图形的基础，然后利用数学的方法构建物体的断层图象。这种方法是目前比较先进和应用最广泛一种非接触式断层测量方法。它能对物体的内部结构进行测量，特别针对有内腔物体的无损三维测量，但在目前的技术条件下，它存在空间分辨率较低，获得数据需要较长的积分时间，重建图象计算量大的、设备造价高，只能获得一定厚度截面的平均轮廓等缺点。对于核磁共振图象法，根据它的测量原理与特点，它有望在医学领域有广泛的应用前景，该方法也存在着测量时间长、设备昂贵、目前对非生物材料不实用的缺点。对于超声波数字化断层测量法，相对ICT或MRI而言，其设备简单，成本较低，但测量速度较慢，且由于各种回波比较杂乱，必须精确地测量出超声波在被测材料中的传播声速，利用数学模型的计算来定出每一层边缘的位置，特别是若物体中有缺陷，受物体材料及表面特性的影响，则测量出的数据可靠性较低，该方法主要用于无损探伤及厚度检测。为了克服上述技术存在的不足，便产生了“破坏性”的断层测量技术(它的破坏性指的是测量完之后，被测零件不能再保持其完整性)，其基本测量原理是：利用数控铣床以一定的切削厚度逐层切削被测零件，每切削完一层，便利用高分辨率的数码相机拍摄截面图象，重复上述步骤，直至整个零件被切削完，所有截面图象已被摄取，然后将全部截面图象进行图象预处理、零件轮廓提取，重构出零件的三维模型，最后利用不同的数据接口，导出所需格式的文件。这种测量方法虽然对被测零件具有破坏性，但它测量原理简单、极易实现、测量速度相对较快、测量精度高、测量不受零件的纹理材质、复杂程度和周围媒介的影响，而且测量设备相对其它断层测量设备不昂贵，因此，该测量技术是一种先进的、极具发展前景的断层测量技术。

由于该技术是种新型的测量技术，因此目前国内外对该测量技术没有形成统一的称呼。本发明属于这种破坏性的断层测量技术，目前对该技术及其相应反求设备进行研究与开发的，在国内外有以下研究单位与公司：1、西安交通大学激光与红外应用研究所，他们称该技术为“层析三维数字化测量技术”，同时开发出“层析式逆工程三维测量装置”，并于1998年10月10日取得了该装置的实用新型专利，专利申请号为97239460.5。2、海信集团公司青岛海信技术中心，他们就该技术开发出了相应的测量设备：“层析三维数字化测量机”，“层析数字化测量机”，“层析数字化测量头”，并分别于1999年9月27日、1999年12月1日、1999年12月6日提出了上述三项装置的实用新型专利申请，且最终获得了专利权，专利申请号依次是99246569.9、99247352.2、99247387.X。3、美国CGI公司，该公司已经开发出了层去图象法反求测量设备的系列产品，如CSS-300 SYSTEM、CSS-1000 SYSTEM、CSS-3000SYSTEM，并就Cross-Sectional Scanning technology and Spec.Check^TM MeasurementSoftware申请了专利。

由查新的资料知：美国CGI公司开发的测量设备专用性强，不能利用现有的数控铣床资源，设备体积大，运输不便，价格昂贵；西安交大激光与红外应用研究所研制的“层析式逆工程三维测量装置”，其设备质量大、运输不便，同时，它不是立足于现有的数控铣床，因此，一方面使得它专用性强，一旦脱离装置本身的材料切削机构或是材料切削机构发生故障，那么其它正常装置便也丧失其应有的功能，而另一方面，没有利用现有的数控铣床资源，这使得在实现同样的反求测量辅助功能时，他们所选用的装置复杂，甚至可以说是多余，例如采用激光测距仪实时检测被测零件与扫描测量镜头的距离、利用计算机闭环实时控制扫描测量镜头与被测零件的高度一致、采用负压排屑等，这大大增加了设备硬件和软件开发的复杂度，导致设备结构相对复杂，价格昂贵；海信集团公司青岛海信技术中心开发的测量装置，包含了数控铣床，但其测量仪采用支架与数控铣床主轴箱进行钻孔连接方式进行连接，因此一方面它只能应用于某种型号的数控铣床，这就使得它的应用范围受到了很大的限制，而另一方面，测量仪利用支架与数控铣床的主轴箱固联，主轴箱细微的震动对测量仪测量的精度会有所影响；同时，其测量仪没有提供恒定不变的拍摄测量光源，利用环境光作为拍摄光源，这使得测量的精度很难得到保证；另外，青岛海信技术中心开发的测量机，没有自动排屑装置，排屑需要人工干预，因此，难以实现反求测量的完全自动化。

三、发明内容

针对上述现有设备存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种可当作数控铣床柔性附件的反求测量装置。该装置以现有的数控铣床为母机，而且能在不同类型的数控铣床上快速安装与拆卸(安装不破坏机床任何构)，与数控铣床快速构成三维反求测量系统，对具有切削加工性能的任何复杂物体的外形和内腔同时进行精密测量，整个测量过程自动完成，无需人工干预，同时测量不受被测物体的材料(前提是该材料可进行切削加工)、色泽、表面其它物理特性和环境的影响，且测量精度高于一般的三维光电测量装置。

实现上述发明目的的解决方案是：一种以数控铣床为母机的三维反求测量装置，其特征在于，由计算机控制系统、数码拍摄测量机构、去屑机构和悬架连接机构构成；

1)计算机控制系统包括

计算机、信号传输线、数字量信号输入/输出板、行程开关和数据传输线；行程开关用于固定在数控铣床的床身上；

2)数码拍摄测量机构包括

一用于安装数码拍摄测量装置的箱体；

一高分辨率的数码相机；

两个长管状高频日光灯；

高分辨率的数码相机和两个长管状高频日光灯安装在箱体内，长管状高频日光灯安装有灯管防护罩；高分辨率的数码相机的将采集的图象通过数据传输线传递给计算机；

3)去屑机构包括

两个排刷；排刷分别固定设置在数码拍摄测量箱体的下方。

4)悬架连接机构

三个稳定平衡块；

一三角架；

一可连接竖杆；

一连接横杆；

一连接头；

三个松紧旋纽；

通过调节松紧旋纽，连接竖杆可在三角架上垂直升降和紧固，连接横杆可在连接竖杆上紧固和绕连接竖杆进行旋转，连接头用于固联数码拍摄测量箱体，同时可在连接横杆里水平伸缩和紧固。

本发明的其它一些特点是，所述行程开关采用磁铁和金属压块固定在数控铣床的床身上。

所述排刷一个通过金属片和螺钉直接安装在箱体上，另一个安装在箱体上的连接固定块上。

本发明的反求测量装置以数控铣床为母机，可作为多种不同类型数控铣床的柔性附件，能快速安装，与数控铣床组成三维反求测量系统，可对具有切削性能的任何复杂零件进行内外表面自动精密的三维反求测量。

四、附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的数码拍摄测量程序控制流程图。

五、具体实施方式

下面结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步描述。

参见图1，图1为本发明的结构示意图。依本发明的技术方案，装置包括计算机控制系统、数控铣床、数码拍摄测量机构，去屑机构、悬架连接机构。

计算机1、数据传输线2、数字量信号输入/输出板4、行程开关7和信号传输线3构成本发明的计算机控制系统。行程开关7利用磁铁5和金属压块6固定在数控铣床22的床身上。当数控铣床22将被测零件与包埋材料组成的包埋体23切削完一个层面后，数控铣床22驱动工作台向行程开关7的方向运动，当包埋体23到达高分辨率数码相机19(例如Kodak DC4800 310万象素的数码相机，采用多少象素的数码相机依据包埋体23截面的大小以及测量精度来决定，只要能满足零件整体测量的精度要求，可用高象素的数码相机，如340万、500万象素的数码相机等，也可采用底象素的数码相机，如260万、200万象素的数码相机等)镜头正下方的最佳拍摄靶区时，工作台停止，同时触发行程开关7动作，产生模拟信号，模拟信号经过数字量信号输入/输出板4转化为数字信号，并由信号传输线3输送给计算机1。计算机1经由数据传输线2实现与数码拍摄测量机构的数据传输。接收到由信号传输线3输入的数字信号后，计算机1通过数据传输线2给高分辨率数码相机19传输截面图象拍摄的驱动指令，高分辨率数码相机19便进行拍摄，每拍摄完一层包埋体23的截面轮廓，高分辨率数码相机19又通过数据传输线2将图象数据传送给计算机1，进行存储。本发明的数码拍摄测量机构由高分辨率数码相机19、相机固定架20、内六角螺栓21、数码拍摄测量箱体18、两个长管状高频日光灯14、灯管防护罩17、螺钉13构成；相机固定架通过内六角螺栓21固定在数码拍摄测量箱体18上，并保证高分辨率的数码相机19的镜头在数码拍摄测量箱体18的正中间；长管状高频日光灯14固定在灯管防护罩17上，灯管防护罩17通过螺钉13固定在数码拍摄测量箱体18的内壁、高分辨率数码相机19镜头的斜下方，这两个长管状高频日光灯14将光线均匀明亮的照射在被测零件截面上，同时保证数码拍摄测量光源的恒定，而数码拍摄测量箱体18将环境光隔离，避免了环境光的干扰。排刷8、连接固定块11、内六角螺栓12、金属片9和螺钉10构成了本发明的排屑机构，其中一个排刷通过金属片9和螺钉10直接安装在数码拍摄测量箱体18上，另一个则利用金属片和螺钉安装在连接固定块11上，而连接固定块通过内六角螺栓12固定在数码拍摄测量箱体18上，本发明的去屑机构，利用排刷8与数控铣床22工作台的相对运动，实现了去屑的自动化，同时，两个排刷的应用，可以干净去除切屑。悬架连接机构由三个稳定平衡块30、31、32，三角架29，连接竖杆24，连接横杆25，连接头15，三个松紧旋纽26、27、28构成和内六角螺栓16构成；连接头15利用内六角螺栓16将数码拍摄测量箱体18固联，同时利用松紧旋纽27，连接头15可固连于连接横杆25里，并可在连接横杆25内水平伸缩；连接横杆25利用松紧旋纽26可在连接竖杆24上固定，也可绕连接竖杆24进行圆周旋转；连接竖杆24通过松紧旋纽28可固定在三角架29上，同时通过调节松紧旋纽28，连接竖杆24可在三角架29作垂直的升降运动；三角架固定安装在起稳定平衡作用的稳定平衡块30、31、32上。本发明的数码拍摄测量机构利用悬架连接机构实现与数控铣床22的快速定位，且不接触数控铣床22，因此可避免数控铣床22微小的震动对数码拍摄测量产生的影响，同时又利用数控铣床22控制系统自身的数控程序保证高分辨率数码相机镜头与被测零件的所有截面保持相同的距离，而且数码拍摄测量机构利用悬架连接机构在水平和竖直方向的位置灵活可调性，可应用于多种不同类型的数控铣床，因此，本发明可与多种不同类型的数控铣床快速组成三维反求测量系统。

图2为本发明的数码拍摄测量程序控制流程图。本发明的计算机控制系统开始数码拍摄测量控制程序后，首先检测外部终止信号，外部终止信号人为产生；当数控铣床22切削完包埋体23的一个层面后，数控程序驱动工作台向行程开关7的方向运动，当包埋体23的截面至于高分辨率数码相机19镜头正下方的最佳拍摄靶区时，工作台触动行程开关7，并停止，行程开关7产生的模拟量经过数字量信号输入/输出板4转化为数字信号，并由信号传输线3输送给计算机1，这便产生了数码拍摄测量控制信号，高分辨率数码相机19进行拍摄；计算机1检测到数码拍摄测量控制信号后，便由数据传输线2向高分辨率数码相机19传达拍摄指令，高分辨率数码相机19便进行数码拍摄测量，同时将所获得的图象数据经由数据传输线2传送给计算机1进行存储。到此，计算机控制系统便完成了被测零件一层图象数据的获取。再往复循环，直至获取整个被测零件的切削层面图象数据或是在检测外部终止信号时检测到外部终止信号。

本发明的优点是：1)对零件进行数控铣削，采用高分辨率的数码相机进行分层自动测量，整个测量过程自动完成，无需人工干预，可同时精密测量零件的内外表面，这是三座标测量仪与以激光三角法为代表的光学反求测量技术所难以实现的，而且测量不受被测物体的材料(前提是该材料可进行切削加工)、色泽、表面其它物理特性和测量环境的影响，这又是目前断层测量技术中的ICT、MRI和超声波数字化断层测量法所未能达到的。2)本发明以数控铣床为母机，用作数控铣床的一个柔性附件，可与数控铣床快速构成三维反求测量系统，同时，本发明的悬架连接机构在水平和竖直方向具有空间位置灵活可调性，使得本发明可适用于多种不同类型的数控铣床，而非某一种类型的数控铣床，例如大致龙门铣床，小致台式铣床，且本发明在数控铣床的定位，无需任何其它的辅助装置或工艺，同时，本发明的数码拍摄测量机构脱离于数控铣床或是材料层削加工机构，这避免了加工机构的震动给反求测量带来精度上的影响。这是目前国内外同类型的设备所未能实现的。另外，将极大拓展传统数控铣床设备的作用。3)本发明的排屑机构，利用排刷与工作台的相对运动，实现自动排屑的功能，且排屑在工作台运动的过程中完成，这与西安交大激光红外与应用研究所开发同类型设备所采用的可行的负压排屑的方式相比，其一，在达到去屑效果的前提下，本发明的排屑机构所用装置简单，成本很低，其二，本发明对切削的去除不花费反求测量的时间。4)本发明所用装置，在满足自动精密测量的前提下，所用设备硬件结构和计算机控制系统简单，成本低。如依托已有的数控铣床资源，利用数控程序和位置方便可调的行程开关，在拍摄时，保证所有切削层面与高分辨率码相机镜头的相对位置始终不变，而无需另加其它位置检测与测距装置，如激光测距仪和计算机闭环控制等。

Claims (4)

1.一种以数控铣床为母机的三维反求测量装置，其特征在于，由计算机控制系统、数码拍摄测量机构、去屑机构和悬架连接机构构成；

1)计算机控制系统包括

计算机【1】、数据传输线【2】、数字量信号输入/输出板【4】、行程开关【7】和信号传输线【3】；行程开关【7】用于固定在数控铣床的床身上；

2)数码拍摄测量机构包括

一用于安装数码拍摄测量装置的数码拍摄测量箱体【18】；

一高分辨率的数码相机【19】；

两个长管状高频日光灯【14】；

高分辨率的数码相机【19】和两个长管状高频日光灯【14】安装在箱体内，长管状高频日光灯安装有灯管防护罩【17】；高分辨率的数码相机【19】将采集的图象通过数据传输线【2】传递给计算机【1】；

3)去屑机构包括

两个排刷【8】；排刷分别固定设置在数码拍摄测量箱体【18】的下方；

4)用于支撑数码拍摄测量机构的悬架，包括：

三个稳定平衡块【30】、【31】、【32】；

一三角架【29】；

一连接竖杆【24】；

一连接横杆【25】；

一连接头【15】；

三个松紧旋纽【26】、【27】、【28】；

通过调节松紧旋纽，连接竖杆【24】可在三角架【29】上垂直升降和紧固，连接横杆【25】可在连接竖杆【24】上紧固和绕连接竖杆进行旋转，连接头【15】用于固联数码拍摄测量箱体，同时可在连接横杆【25】内水平伸缩和紧固。

2.如权利要求1所述的以数控铣床为母机的三维反求测量装置，其特征在于，所述行程开关【7】采用磁铁【5】和金属压快【6】固定在数控铣床【22】的床身上。

3.如权利要求1所述的以数控铣床为母机的三维反求测量装置，其特征在于，所述排刷【8】一个通过金属片【9】和螺钉【10】直接安装在箱体【18】上，另一个安装在箱体【16】上的连接固定块【11】上。

4.如权利要求1所述的以数控铣床为母机的三维反求测量装置，其特征在于，所述高分辨率的数码相机【19】为高象素的数码相机。

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