專利名稱：基于多傳感器集成測量的自由曲面類零件加工系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于多傳感器集成測量的自由曲面類零件加工系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來，自由曲面類零件(如汽車覆蓋件和航空發(fā)動機葉片等)在汽車、飛機和家電等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，實現(xiàn)自由曲面類零件的快速加工制造受到人們的普遍關(guān)注。針對待測目標(biāo)，首先需要建立目標(biāo)在機床坐標(biāo)系與設(shè)計坐標(biāo)系之間的位置關(guān)系。傳統(tǒng)的方法利用非接觸式方法對毛坯進(jìn)行整體掃描，計算空間剛體變換關(guān)系使得設(shè)計坐標(biāo)系中的加工文件在機床坐標(biāo)系中生效；利用接觸式方法對加工后的產(chǎn)品進(jìn)行接觸式測量，完成產(chǎn)品質(zhì)量檢測。由于在不同平臺下執(zhí)行非接觸式和接觸式測量，涉及多次拆卸、搬運、夾持等，加工效率低且自動化程度低。目前，浙江大學(xué)提出了集成多傳感器測量數(shù)據(jù)進(jìn)行仿形加工的方法和系統(tǒng)(專利申請?zhí)?00610155284. 7)。然而，這種加工系統(tǒng)將曲面測量組件和銑削加工組件放置在同一機床主軸上。需要人工參與拆卸測量裝置以進(jìn)行后續(xù)銑削加工，對于單件、小批量生產(chǎn)來說，加工效率低且不滿足柔性制造的要求。此外，該系統(tǒng)無法在同一平臺下對精加工后的產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量檢測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種基于多傳感器集成測量的自由曲面類零件加工系統(tǒng)，滿足產(chǎn)品快速加工制造中涉及的“測量_加工_檢測” 一體化。本發(fā)明提供的一種基于多傳感器集成測量的自由曲面類零件加工系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括曲面測量組件、點云處理組件、曲面加工組件和質(zhì)量檢測組件；曲面測量組件集成了非接觸式和接觸式兩種傳感器，用于對工件進(jìn)行離散化測量；曲面加工組件裝有銑削用銑刀，用于對工件進(jìn)行粗加工和精加工；曲面測量組件與曲面加工組件通過直線導(dǎo)軌連接，實現(xiàn)目標(biāo)在曲面測量組件和曲面加工組件中的自動化傳輸；點云處理組件用于對非接觸式傳感器獲得的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何處理，利用處理后的數(shù)據(jù)和已知的三維設(shè)計參數(shù)曲面，計算加工前的工件在當(dāng)前工作臺與設(shè)計坐標(biāo)系間的空間位置關(guān)系，從而將設(shè)計坐標(biāo)系下生成的加工文件轉(zhuǎn)換到當(dāng)前工作臺可直接執(zhí)行的加工G 代碼，提供給曲面加工組件進(jìn)行粗加工和精加工；曲面測量組件中的非接觸式傳感器在曲面加工組件進(jìn)行加工之前對工件進(jìn)行非接觸式測量，并根據(jù)控制命令將工件傳送到曲面加工組件進(jìn)行粗加工和精加工，再將精加工得到的產(chǎn)品返回到接觸式傳感器，執(zhí)行接觸式測量；質(zhì)量檢測組件用于對接觸式傳感器獲得的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差比較，獲得產(chǎn)品質(zhì)量結(jié)果。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(1)本發(fā)明將非接觸式和接觸式兩種傳感器集成到曲面測量組件中。一方面利用非接觸式測量速度快、獲取數(shù)據(jù)量大的特點，快速計算出目標(biāo)同設(shè)計坐標(biāo)系的空間位置關(guān)系，用于生成機床坐標(biāo)系下可直接應(yīng)用的加工G代碼；另一方面，利用接觸式測量精度高的特點，對加工后的產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量檢測。因此，與現(xiàn)有的加工系統(tǒng)相比，本發(fā)明能在同一機床上實現(xiàn)“測量_加工_檢測” 一體化。(2)本發(fā)明通過直線導(dǎo)軌實現(xiàn)目標(biāo)在曲面測量組件-曲面加工組件中的自動化傳輸。完成非接觸式測量后，根據(jù)控制命令將工件傳送到曲面加工組件。完成精加工后，再將加工后的產(chǎn)品返回到曲面測量組件，執(zhí)行接觸式測量。整個過程無需人工參與，避免了多次拆卸、搬運、夾持過程，提高了加工效率。因此，本發(fā)明特別適應(yīng)于多品種、小批量自由曲面類零件的快速加工制造。總之，本系統(tǒng)集成了非接觸式和接觸式兩種傳感器，在同一機床上實現(xiàn)“測量-加工_檢測” 一體化，整個過程無需人工干預(yù)，提高了加工效率和自動化程度。


圖1為基于多傳感器集成測量的自由曲面類零件加工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡視圖。圖2為基于多傳感器集成測量的自由曲面類零件加工系統(tǒng)的工作流程圖。圖3是本發(fā)明系統(tǒng)的一種具體實施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明將非接觸式和接觸式兩種傳感器集成到一起。一方面利用非接觸式測量速度快、獲取數(shù)據(jù)量大的特點，快速計算出目標(biāo)同設(shè)計坐標(biāo)系的空間位置關(guān)系，用于生成機床坐標(biāo)系下可直接應(yīng)用的加工G代碼；另一方面，利用接觸式測量精度高的特點，對加工后的產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量檢測。如圖1所示，基于多傳感器集成測量的自由曲面類零件加工系統(tǒng)包括四個工作組件曲面測量組件、點云處理組件、曲面加工組件和質(zhì)量檢測組件。曲面測量組件集成了非接觸式和接觸式兩種傳感器，用于對待測目標(biāo)進(jìn)行離散化測量。曲面加工組件裝有銑削用銑刀，用于對工件進(jìn)行粗加工和精加工。曲面測量組件與曲面加工組件通過直線導(dǎo)軌連接，實現(xiàn)目標(biāo)在曲面測量組件和曲面加工組件中的自動化傳輸。點云處理組件包括服務(wù)器，用于對非接觸式傳感器獲得的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、補洞和拼合等幾何處理，利用處理后的數(shù)據(jù)和已知的三維設(shè)計參數(shù)曲面，計算工件在當(dāng)前工作臺與設(shè)計坐標(biāo)系間的空間位置關(guān)系，從而將設(shè)計坐標(biāo)系下生成的加工文件轉(zhuǎn)換到當(dāng)前工作臺可直接執(zhí)行的加工G代碼，提供給曲面加工組件進(jìn)行加工。曲面測量組件中的非接觸式傳感器完成非接觸式測量后，根據(jù)控制命令將工件傳送到曲面加工組件。完成精加工后，再將加工后的產(chǎn)品返回到接觸式傳感器，執(zhí)行接觸式測量。質(zhì)量檢測組件包括一臺PC機，用于對接觸式傳感器獲得的高精度測點進(jìn)行誤差比較，評價產(chǎn)品質(zhì)量。本發(fā)明系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明提出的基于多傳感器集成測量的自由曲面類零件加工系統(tǒng)做進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)指出的是，所描述的實施例僅旨在便于對本發(fā)明的理解， 而對其不起任何限制作用。凡是在本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)進(jìn)行的通常的變化和替換，均應(yīng)列入本發(fā)明的保護(hù)范圍。如圖3所示，本實例中，所述曲面測量組件包括第一移動式龍門架21、第一滑塊 22、測量主軸23、非接觸式傳感器24、接觸式傳感器25和第一直線導(dǎo)軌26 ；所述曲面加工組件包括機床1、第二移動式龍門架71、第二滑塊72、加工主軸73、可拆卸銑刀74、第二直線導(dǎo)軌75、工作臺31、夾具32、標(biāo)定球34及第三直線導(dǎo)軌5。點云處理組件采用數(shù)據(jù)處理器 8，質(zhì)量檢測組件采用PC機4。第一、第二移動式龍門架21、71分別通過第一、第二直線導(dǎo)軌26、75安裝在機床1 上，第一、第二移動式龍門架21、71相互平行，第一、第二滑塊22、72分別安裝在第一、第二移動式龍門架21、71上，測量主軸23安裝在第一滑塊22上，加工主軸73安裝在第二滑塊 72上，測量主軸23上安裝有非接觸式傳感器24和接觸式傳感器25，接觸式傳感器25通過數(shù)據(jù)線與PC機4連接。可拆卸銑刀74安裝在加工主軸73上。數(shù)據(jù)處理器8通過數(shù)據(jù)線與測量主軸23及加工主軸73連接，從測量主軸23上獲取的數(shù)據(jù)，并對加工主軸73進(jìn)行信息傳輸。工作臺31安裝在機床1上，通過第三直線導(dǎo)軌5可運動到加工位置6，夾具32和標(biāo)定球34安裝在工作臺31上，且標(biāo)定球34與工作臺31相對位置不變，工件33通過夾具 32固定在工作臺31上。其中，第一、第二移動式龍門架21、71可沿第一、第二直線導(dǎo)軌26、75在X軸方向上移動，第一、第二滑塊22、72可沿第一、第二移動式龍門架21、71在Y軸方向上移動，測量主軸23集成非接觸式和接觸式的多傳感器測量功能，分別對應(yīng)非接觸式傳感器24、接觸式傳感器25，第一、接觸式傳感器24、25可沿X、Y軸旋轉(zhuǎn)一定的角度；標(biāo)定球34用于測量前對非接觸式傳感器24、接觸式傳感器25進(jìn)行標(biāo)定。第1步首先，將工件33放置在當(dāng)前工作臺31上，采用非接觸傳感器24對工件33 進(jìn)行測量。基于線激光掃描的非接觸傳感器測量速度快，每秒鐘可采集1000-100000個點， 因此可在較短的時間內(nèi)獲取工件33表面的三維數(shù)據(jù)。在進(jìn)行非接觸式掃描時，將接觸式傳感器25沿Z軸移動到多傳感器測量主軸23中，以避免掃描過程中接觸式傳感器與工件發(fā)生碰撞。第2步然后，將第1步掃描的點云數(shù)據(jù)輸入到數(shù)據(jù)處理器8中。受測量背景、測量視角有限等因素的影響，非接觸式傳感器直接掃描的數(shù)據(jù)通常存在噪音、數(shù)據(jù)丟失和多個獨立的測量數(shù)據(jù)點集等。在數(shù)據(jù)處理器8中采用商業(yè)化的處理軟件去除噪音、修補空洞和數(shù)據(jù)拼合等，獲得完整的點云數(shù)據(jù)。利用該點云數(shù)據(jù)，采用ADF(Adaptive Distance Function)算法求解機床坐標(biāo)系中工件33同設(shè)計坐標(biāo)系中設(shè)計曲面的剛體變換參數(shù)g = (R，t)，其中R表示旋轉(zhuǎn)參數(shù)，t表示平移參數(shù)。進(jìn)而，由g將設(shè)計坐標(biāo)系下生成的加工文件轉(zhuǎn)換為機床可讀取的加工G代碼。第3步將第3步計算的加工G代碼輸入到第二滑塊72中，同時將工作臺31沿第三直線導(dǎo)軌5移動到加工位置6。由于工件33的位置發(fā)生了變化，需適當(dāng)更新加工G代碼生成當(dāng)前的刀具軌跡。沿計算的刀具軌跡，依次執(zhí)行粗加工和精加工，即可獲得加工后的產(chǎn)品。銑削過程中刀具沿X、Y、Z軸的直線移動分別由第二直線導(dǎo)軌75、第二滑塊72和加工主軸73控制。第4步最后，沿X軸反向移動工作臺，通過接觸式傳感器對第3步加工的產(chǎn)品進(jìn)行測量，將獲得的少量高精度測點輸入PC機4上，采用ADF (Adaptive Distance Function) 算法求解機床坐標(biāo)系中產(chǎn)品同設(shè)計坐標(biāo)系中設(shè)計曲面的剛體變換參數(shù)g' = (R' , t')。 在執(zhí)行ADF迭代求解前，利用第2步計算的剛體變換參數(shù)g= (R，t)更新測量數(shù)據(jù)，可大大減少ADF迭代的次數(shù)，提高計算效率。ADF迭代穩(wěn)定后，由g'計算高精度測點同設(shè)計參數(shù)曲面的均值誤差，并同預(yù)設(shè)的閥值進(jìn)行比較，比已知閥值小則認(rèn)為產(chǎn)品合格，否則認(rèn)為產(chǎn)品不合格并輸入報廢指令。在本實施例中，所有的X、Y、Z軸直線運動均由伺服電機驅(qū)動的精密滾珠絲杠運動機構(gòu)控制，以保證運動精度和可靠性。由于伺服電機驅(qū)動的精密滾珠絲杠運動機構(gòu)為本領(lǐng)域所熟悉，在此不再詳細(xì)描述。
權(quán)利要求
1.一種基于多傳感器集成測量的自由曲面類零件加工系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括曲面測量組件、點云處理組件、曲面加工組件和質(zhì)量檢測組件；曲面測量組件集成了非接觸式和接觸式兩種傳感器，用于對工件進(jìn)行離散化測量；曲面加工組件裝有銑削用銑刀，用于對工件進(jìn)行粗加工和精加工；曲面測量組件與曲面加工組件通過直線導(dǎo)軌連接，實現(xiàn)目標(biāo)在曲面測量組件和曲面加工組件中的自動化傳輸；點云處理組件用于對非接觸式傳感器獲得的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何處理，利用處理后的數(shù)據(jù)和已知的三維設(shè)計參數(shù)曲面，計算加工前的工件在當(dāng)前工作臺與設(shè)計坐標(biāo)系間的空間位置關(guān)系，從而將設(shè)計坐標(biāo)系下生成的加工文件轉(zhuǎn)換到當(dāng)前工作臺可直接執(zhí)行的加工G代碼，提供給曲面加工組件進(jìn)行粗加工和精加工；曲面測量組件中的非接觸式傳感器在曲面加工組件進(jìn)行加工之前對工件進(jìn)行非接觸式測量，并根據(jù)控制命令將工件傳送到曲面加工組件進(jìn)行粗加工和精加工，再將精加工得到的產(chǎn)品返回到接觸式傳感器，執(zhí)行接觸式測量；質(zhì)量檢測組件用于對接觸式傳感器獲得的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差比較，獲得產(chǎn)品質(zhì)量結(jié)^ ο
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自由曲面類零件加工系統(tǒng)，其特征在于，所述曲面測量組件包括第一移動式龍門架(21)、第一滑塊(22)、測量主軸(23)、非接觸式傳感器(24)、接觸式傳感器(25)和第一直線導(dǎo)軌(26)；第一移動式龍門架(21)通過第一直線導(dǎo)軌(26)安裝在機床(1)上，第一滑塊(22)安裝在第一移動式龍門架(21)上，測量主軸(23)安裝在第一滑塊(22)上，測量主軸(23)通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)處理器(8)連接；非接觸式傳感器(24)和接觸式傳感器(25)安裝在測量主軸(23)上，接觸式傳感器(25)通過數(shù)據(jù)線與PC機(4)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自由曲面類零件加工系統(tǒng)，其特征在于，所述曲面加工組件包括機床(1)、第二移動式龍門架(71)、第二滑塊(72)、加工主軸 (73)、可拆卸銑刀(74)、第二直線導(dǎo)軌(75)、工作臺(31)、夾具(32)、標(biāo)定球(34)及第三直線導(dǎo)軌(5)。第二移動式龍門架(71)通過第二直線導(dǎo)軌(75)安裝在機床(1)上，第一、第二移動式龍門架(21)、(71)相互平行，第二滑塊(72)安裝在第二移動式龍門架(71)上，加工主軸 (73)安裝在第二滑塊(72)上，加工主軸(73)通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)處理器(8)連接；可拆卸銑刀(74)安裝在加工主軸(73)上；工作臺(31)通過第三直線導(dǎo)軌(5)安裝在機床(1)上， 夾具(32)和標(biāo)定球(34)固定安裝在工作臺(31)上，且標(biāo)定球(34)與工作臺(31)相對位置不變，工件(33)通過夾具(32)固定在工作臺(31)上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于多傳感器集成測量的自由曲面類零件加工系統(tǒng)；曲面測量組件集成了非接觸式和接觸式兩種傳感器，曲面加工組件裝有銑削用銑刀，曲面測量組件與曲面加工組件通過直線導(dǎo)軌連接；點云處理組件用于對非接觸式傳感器獲得的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何處理，將當(dāng)前工作臺可直接執(zhí)行的加工G代碼提供給曲面加工組件進(jìn)行加工；曲面測量組件對工件進(jìn)行非接觸式測量，再對精加工得到的產(chǎn)品進(jìn)行接觸式測量；質(zhì)量檢測組件用于對接觸式傳感器獲得的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差比較，獲得產(chǎn)品質(zhì)量結(jié)果。本系統(tǒng)集成了非接觸式和接觸式兩種傳感器，在同一機床上實現(xiàn)“測量-加工-檢測”一體化，整個過程無需人工干預(yù)，提高了加工效率和自動化程度。
文檔編號B23C3/00GK102430961SQ20111033512
公開日2012年5月2日 申請日期2011年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月28日
發(fā)明者吳謀虎, 尹周平, 李文龍 申請人:華中科技大學(xué)