本發(fā)明涉及機電一體化領域，具體而言，涉及一種弧面凸輪加工檢測一體機及在線檢測方法。

背景技術(shù)：

弧面凸輪機構(gòu)由弧面分度凸輪和從動件組成，具有傳動速度快、分度精度高等優(yōu)點，被廣泛應用于各種輕工機械、紡織機械與加工中心等領域。但是由于弧面分度凸輪的凸輪輪廓是不可展的空間自由曲面，因此對弧面凸輪的加工以及表面誤差檢測存在很大的困難，缺乏相應的檢測手段對加工產(chǎn)品精度進行檢測。

目前對于弧面凸輪加工誤差的測量方式，主要采用三坐標檢測、光柵測量裝置等測量設備對已加工產(chǎn)品進行測量。但是這種離線檢測方法需要把加工產(chǎn)品從機床上取下才能進行測量；不僅反復裝拆麻煩，且存在重復定位誤差，從而導致測量效率低，測量精度低等問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的實施例的目的之一在于提供一種采用雙回轉(zhuǎn)坐標軸聯(lián)動的弧面凸輪加工檢測一體機，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中的反復裝卸而導致的測量效率低，加工精度低等問題。其中包括刀庫與回轉(zhuǎn)式機械手的自動換刀裝置，刀庫設有刀具與接觸式測頭；機械手用于實現(xiàn)加工刀具與接觸式測頭的交換，接觸式測頭用于測量而得到弧面凸輪的中心距誤差與廓面誤差等加工誤差；其中第三驅(qū)動機構(gòu)根據(jù)測量的誤差值進行中心距的調(diào)整，即驅(qū)動所述工作臺靠近或遠離所述刀具主軸，提高了加工精度。該弧面凸輪加工檢測一體機的加工及檢測操作簡單，具備檢測效率與精度高的特點，大大提高弧面凸輪的加工效率和加工質(zhì)量，具有很好的應用價值，具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

本發(fā)明的實施例的目的之二在于提供一種在線檢測方法，基于上述的弧面凸輪加工檢測一體機；通過接觸式測頭與弧面凸輪廓面接觸，與被測廓面偏置一個側(cè)頭半徑得到測量路徑，在測量過程中接觸式測頭以點位觸發(fā)式測量法進行測量，對測量路徑上各點的實際坐標值與理論坐標值對比，間接得到弧面凸輪的中心距誤差與廓面誤差等加工誤差；再通過第三驅(qū)動機構(gòu)根據(jù)中心距誤差，驅(qū)動工作臺靠近或遠離刀具主軸以實時調(diào)整中心距。該在線檢測方法操作簡單方便，有效地解決了反復裝拆而導致的中心距加工誤差的檢測困難的技術(shù)問題，具有檢測效率與精度高的優(yōu)點，提高了弧面凸輪的加工效率和加工質(zhì)量。

本發(fā)明的實施例是這樣實現(xiàn)的：

弧面凸輪加工檢測一體機，包括機座、主軸箱與自動換刀裝置；機座包括具有支承面的座體、設于支承面上的回轉(zhuǎn)臺與垂直連接于支承面的立柱；主軸箱設于立柱；支承面上設有沿第一方向延伸的第一驅(qū)動機構(gòu)，以及沿第二方向延伸的第二驅(qū)動機構(gòu)；回轉(zhuǎn)臺與第一驅(qū)動機構(gòu)和第二驅(qū)動機構(gòu)傳動配合。自動換刀裝置包括設于主軸箱的刀庫與回轉(zhuǎn)式機械手，刀庫放置有刀具與接觸式測頭；主軸箱還設有用于固定刀具和接觸式測頭的刀具主軸，機械手設置于刀庫與刀具主軸之間，用于實現(xiàn)刀具與接觸式測頭的交換?；剞D(zhuǎn)臺上設有固定弧面凸輪的工作臺與第三驅(qū)動機構(gòu)，第三驅(qū)動機構(gòu)與工作臺傳動連接，用于驅(qū)動工作臺靠近或遠離刀具主軸。

發(fā)明人發(fā)現(xiàn)：目前對于弧面凸輪加工誤差的測量方式，主要采用三坐標檢測、光柵測量裝置等測量設備對已加工產(chǎn)品進行測量。但是這種離線檢測方法需要把加工產(chǎn)品從機床上取下才能進行測量；不僅反復裝拆麻煩，且存在重復定位誤差，從而導致測量效率低，測量精度低等問題。

針對解決這種情況，發(fā)明人設計了一種采用雙回轉(zhuǎn)坐標軸聯(lián)動的五軸弧面凸輪加工檢測一體機，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中的反復裝卸而導致的測量效率低，測量精度低等問題。其具備工作臺的橫向運動、縱向運動以及回轉(zhuǎn)臺以及弧面凸輪的雙回轉(zhuǎn)聯(lián)動，能夠進行對于弧面凸輪廓面加工與檢測運動。包括刀庫與回轉(zhuǎn)式機械手的自動換刀裝置，機械手用于實現(xiàn)加工刀具與接觸式測頭的交換。因弧面凸輪凸輪曲面為三維空間曲面，通過該接觸式測頭檢測到空間三維坐標數(shù)據(jù)，與系統(tǒng)中設定的曲面進行比較分析，獲得弧面凸輪的中心距誤差與廓面誤差等加工誤差，進而再反饋給機床進行調(diào)整加工參數(shù)，其中第三驅(qū)動機構(gòu)用于調(diào)整弧面凸輪與刀具主軸之間的中心距。該弧面凸輪加工檢測一體機的加工及檢測操作簡單，具備檢測效率與精度高的特點，加工和檢測中采用了所開發(fā)宏程序銑削和檢測循環(huán)，大大提高弧面凸輪的加工效率和加工質(zhì)量，具有很好的應用價值，具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

在本實施例的一種實施方式中：

自動換刀裝置還包括第四電機、輸出軸以及具有弧面凸輪軸的弧面凸輪機構(gòu)；第四電機用于驅(qū)動弧面凸輪軸轉(zhuǎn)動，輸出軸與弧面凸輪軸傳動連接，用于帶動輸出軸垂直于弧面凸輪軸轉(zhuǎn)動；機械手連接于輸出軸。

在本實施例的一種實施方式中：

刀庫設置于主軸箱相對刀具主軸的側(cè)面上；機械手具備相對于輸出軸的旋轉(zhuǎn)軸線對稱的兩個夾持部，輸出軸帶動夾持部在刀庫與刀具主軸之間運動。

在本實施例的一種實施方式中：

夾持部包括連接于輸出軸的第一段以及遠離輸出軸的第二段；第二段向刀庫或刀具主軸的安裝面延伸。

在本實施例的一種實施方式中：

第一驅(qū)動機構(gòu)包括沿第一方向延伸的與回轉(zhuǎn)臺傳動連接的第一絲杠；第一絲杠連接有第一電機；支承面上還設有用于檢測回轉(zhuǎn)臺行程的第一光柵尺，第一光柵尺與第一電機電連接。

在本實施例的一種實施方式中：

第二驅(qū)動機構(gòu)包括沿第二方向延伸的與回轉(zhuǎn)臺傳動連接的第二絲杠；第二絲杠連接有第二電機；支承面上還設有用于檢測回轉(zhuǎn)臺行程的第二光柵尺，第二光柵尺與第二電機電連接。

在本實施例的一種實施方式中：

工作臺上設有固定支架與頂尖支架；固定支架設有中心轉(zhuǎn)軸，用于帶動弧面凸輪繞水平軸線轉(zhuǎn)動；固定支架與頂尖支架可滑動地設于同一軸線上，用于將弧面凸輪頂住。

在本實施例的一種實施方式中：

回轉(zhuǎn)臺上還設有兩條平行導軌；第三驅(qū)動機構(gòu)包括與工作臺傳動連接的第三絲杠；第三絲杠連接有第三電機，用于驅(qū)動工作臺沿平行導軌靠近或遠離刀具主軸；回轉(zhuǎn)臺上還設有用于檢測工作臺行程的第三光柵尺，第三光柵尺與第三電機電連接。

在本實施例的一種實施方式中：

中心轉(zhuǎn)軸設有用于采集弧面凸輪轉(zhuǎn)角的第一編碼器，刀具主軸設有用于采集刀具或接觸式測頭轉(zhuǎn)角的第二編碼器。

本發(fā)明的實施例具有以下有益效果：

本發(fā)明的實施例提供的一種采用雙回轉(zhuǎn)坐標軸聯(lián)動的五軸弧面凸輪加工檢測一體機，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中的反復裝卸而導致的測量效率低，測量精度低等問題。其中機械手用于實現(xiàn)加工刀具與接觸式測頭的交換，接觸式測頭用于測量而間接得到弧面凸輪的中心距誤差與廓面誤差等加工誤差；第三驅(qū)動機構(gòu)根據(jù)測量的誤差值進行中心距的調(diào)整，從而避免了反復裝拆而導致的測量效率低，提高了加工精度。該弧面凸輪加工檢測一體機的加工及檢測操作簡單，具備檢測效率與精度高的特點，大大提高弧面凸輪的加工效率和加工質(zhì)量。

本發(fā)明的實施例還提供一種在線檢測方法，基于上述的弧面凸輪加工檢測一體機，包含如下步驟：接觸式測頭裝于刀具主軸上固定不動，同時回轉(zhuǎn)臺與中心轉(zhuǎn)軸按設定的運動規(guī)律轉(zhuǎn)動；接觸式測頭與弧面凸輪廓面接觸，通過與被測廓面偏置一個側(cè)頭半徑得到測量路徑，在測量過程中接觸式測頭以點位觸發(fā)式測量法進行測量，對測量路徑上各點的實際坐標值與理論坐標值對比，間接得到弧面凸輪的中心距誤差與廓面誤差等加工誤差；第三驅(qū)動機構(gòu)根據(jù)中心距誤差，驅(qū)動工作臺靠近或遠離刀具主軸以調(diào)整中心距。

本發(fā)明提供的一種在線檢測方法具有以下有益效果：該在線檢測方法操作簡單方便，有效地解決了反復裝拆而導致的中心距誤差與廓面誤差等加工誤差的檢測困難的技術(shù)問題，具有檢測效率與精度高的優(yōu)點，提高了弧面凸輪的加工效率和加工質(zhì)量。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發(fā)明的某些實施例，因此不應被看作是對范圍的限定，對于本領域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他相關(guān)的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例中弧面凸輪加工檢測一體機的第一種視角的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例中弧面凸輪加工檢測一體機的第二種視角的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例中回轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例中自動換刀裝置的外部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明實施例中自動換刀裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明實施例中弧面凸輪中心距誤差分析模型。

圖標：100-弧面凸輪加工檢測一體機；1-機座；10-支承面；101-回轉(zhuǎn)臺；102-工作臺；103-立柱；104-主軸箱；105-刀具主軸；106-固定支架；107-頂尖支架；108-數(shù)控箱；2-自動換刀裝置；20-刀庫；21-機械手；210-夾持部；2101-第一段；2102-第二段；22-輸出軸；23-弧面凸輪軸；301-平行導軌；302-第三絲杠。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發(fā)明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。

因此，以下對在附圖中提供的本發(fā)明的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本發(fā)明的范圍，而是僅僅表示本發(fā)明的選定實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。

應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。

在本發(fā)明的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“設置”應做廣義理解，對于本領域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

實施例

請參照圖1，圖1示出了本實施例提供的一種采用雙回轉(zhuǎn)坐標軸聯(lián)動的弧面凸輪加工檢測一體機100的具體結(jié)構(gòu)，搭載數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)自動化操作；其包括機座1、主軸箱104與自動換刀裝置2；機座1包括具有支承面10的座體以及設于支承面10上的回轉(zhuǎn)臺101與垂直連接于支承面10的立柱103；主軸箱104設于立柱103。自動換刀裝置2包括設于主軸箱104的刀庫20與回轉(zhuǎn)式機械手21；其中機械手21用于實現(xiàn)刀具與接觸式測頭的交換，從而完成對于弧面凸輪廓面加工與檢測運動。

座體具有相對的端面，其中一個端面為支承面10，支承面10上設有回轉(zhuǎn)臺101。以支承面10為參照面，沿支承面10長度方向的兩側(cè)延伸的方向為第一方向，相對地，沿支承面10寬度方向的兩側(cè)延伸的為第二方向。支承面10上設有沿第一方向延伸的滑軌機構(gòu)與第一絲杠，其第一絲杠連接有作為驅(qū)動源的第一電機；回轉(zhuǎn)臺101設于支承面10上，與第一絲杠傳動連接從而沿滑軌機構(gòu)滑動，實現(xiàn)機床的橫向X軸進給運動。為了進一步提高回轉(zhuǎn)臺101行程的精確度，在支承面10上還設置了與第一電機電連接的第一光柵尺，形成閉環(huán)伺服系統(tǒng)。

支承面10上還設有沿第二方向延伸的滑軌機構(gòu)與第二絲杠，其第二絲杠連接有作為驅(qū)動源的第二電機?；剞D(zhuǎn)臺101設于支承面10上，與第二絲杠傳動連接從而沿滑軌機構(gòu)滑動，實現(xiàn)機床的縱向Z軸進給運動。為了進一步提高回轉(zhuǎn)臺101行程的精確度，在支承面10上還設置了與第二電機電連接的第二光柵尺，形成閉環(huán)伺服系統(tǒng)。

請參照圖2，回轉(zhuǎn)臺101上設有用于加工弧面凸輪的工作臺102，工作臺102上設有固定支架106與頂尖支架107。固定支架106設有中心轉(zhuǎn)軸，通過伺服電機驅(qū)動用于帶動弧面凸輪繞水平軸線轉(zhuǎn)動；固定支架106與頂尖支架107可滑動地設于同一軸線上，用于將弧面凸輪頂住。值得注意的是，在圖2中示出了機座1上設有的用于控制機床實現(xiàn)自動化加工的數(shù)控箱108。

請進一步參照圖3，在回轉(zhuǎn)臺101上還設有沿第一方向延伸的兩條平行導軌301與第三絲杠302，其第三絲杠302連接有作為驅(qū)動源的第三電機。工作臺102設于回轉(zhuǎn)臺101上，與第三絲杠302傳動連接從而沿平行導軌301滑動，實現(xiàn)工作臺102的靠近或遠離刀具主軸105的進給運動。為了進一步提高工作臺102行程的精確度，在回轉(zhuǎn)臺101上還設置了與第三電機電連接的第三光柵尺，形成閉環(huán)伺服系統(tǒng)。

請參照圖4并結(jié)合圖1所示，圖4示出了自動換刀裝置2的結(jié)構(gòu)以及各個部件相應的布置。立柱103垂直于支承面10與座體連接，立柱103設有主軸箱104。自動換刀裝置2包刀庫20與回轉(zhuǎn)式機械手21，刀庫20放置有刀具與接觸式測頭。主軸箱104面向回轉(zhuǎn)臺101的連接面上設有沿第二方向延伸的刀具主軸105，刀具主軸105用于固定刀具和接觸式測頭。其中刀庫20設置于主軸箱104相對刀具主軸105的側(cè)面上，機械手21設置于刀庫20與刀具主軸105之間，用于實現(xiàn)刀具與接觸式測頭的交換。在本實施例中，刀庫20設置于主軸箱104相對刀具主軸105的側(cè)面上；在其他具體實施例中，刀庫20可以設置于主軸箱104的任意位置，配合機械手21實現(xiàn)換刀。

在本實施例中，優(yōu)選地，自動換刀裝置2采用弧面凸輪機構(gòu)；請參照圖5所示，自動換刀裝置2包括第四電機、輸出軸22以及具有弧面凸輪軸23的弧面凸輪機構(gòu)；第四電機用于驅(qū)動弧面凸輪軸23轉(zhuǎn)動，輸出軸22與弧面凸輪軸23傳動連接，用于帶動輸出軸22垂直于弧面凸輪軸23所在的旋轉(zhuǎn)軸線轉(zhuǎn)動；機械手21連接于輸出軸22。在其他具體實施例中，自動換刀裝置2也可以為其他結(jié)構(gòu)。

請再次參照圖4，機械手21具備相對于輸出軸22的旋轉(zhuǎn)軸線對稱的兩個夾持部210；夾持部210包括連接于輸出軸22的第一段2101以及遠離輸出軸22的第二段2102；第二段2102向刀庫20或刀具主軸105的安裝面延伸。輸出軸22帶動夾持部210在刀庫20與刀具主軸105之間轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)拔刀、交換刀具與接觸式測頭以及裝刀的換刀作業(yè)。

在本實施例中，優(yōu)選地，中心轉(zhuǎn)軸設有用于采集弧面凸輪轉(zhuǎn)角的第一編碼器，刀具主軸105設有用于采集刀具或接觸式測頭轉(zhuǎn)角的第二編碼器；通過設計編碼器可以有效地解決了中心轉(zhuǎn)軸與刀具主軸105因復合運動而存在定位精度難的技術(shù)問題。

本實施例還提供一種基于上述的弧面凸輪加工檢測一體機100的在線檢測方法，包含如下步驟：接觸式測頭裝于刀具主軸105上固定不動，同時回轉(zhuǎn)臺101與中心轉(zhuǎn)軸按設定的運動規(guī)律轉(zhuǎn)動；接觸式測頭與弧面凸輪廓面接觸，通過與被測廓面偏置一個側(cè)頭半徑得到測量路徑，在測量過程中接觸式測頭以點位觸發(fā)式測量法進行測量，對測量路徑上各點的實際坐標值與理論坐標值對比，間接得到弧面凸輪的中心距誤差與廓面誤差等加工誤差；其中第三驅(qū)動機構(gòu)根據(jù)中心距誤差，驅(qū)動工作臺102靠近或遠離刀具主軸105以調(diào)整中心距。

為了進一步使本領域的技術(shù)人員能夠更加清楚的理解本實施例，以下將對上述在線檢測方法中，對關(guān)于弧面凸輪的加工中心距誤差的計算方法進行詳細說明。

請參照表1，表1為弧面凸輪相關(guān)參數(shù)，通過添加相應的輔助線建立如圖6的弧面凸輪中心距誤差分析模型。

表1

請參照圖6所示，作輔助線連接OB、BC，則BC為凸輪頂弧面停歇期凸脊的弦(即接觸式測頭在檢測中便于測量的凸脊寬度)，BC交中心線于D點，則OB＝OC＝r_c，AB＝r＝ρ，且令∠AOB＝α、∠BOD＝β、BC＝t。

△AOB中，因

△BOD中

凸脊寬度：

根據(jù)式(1)可以求出所給參數(shù)下凸輪停歇期寬度的理論值BC與接觸式測頭的實測值BC＇進行比較以判斷中心距誤差大小，如果BC＇＞BC則中心距偏大，則需要重新調(diào)整機床中心距再進行加工；如果BC＇＜BC，則中心距偏小，產(chǎn)品不滿足要求。

通過上面的推導已知:sinα＝ρ/r_c，sinβ＝t/(2r_c)，α＝π/z－β，則有

最后推導出凸輪頂弧面半徑r_c，計算公式為:

通過實例分析，設定好弧面凸輪加工檢測一體機100的專用加工參數(shù)，通過接觸式測頭實測凸輪停歇期凸脊寬度，代入式(2)計算出凸輪頂弧面半徑實際值r_c＇，與理論值r_c相比得到中心距誤差值δ＝|r_c-r_c'|；第三驅(qū)動機構(gòu)根據(jù)中心距誤差值δ進行中心距的修正。

由于弧面分度凸輪的凸輪輪廓是不可展的空間自由曲面，其輪廓廓面準確與否直接影響到機構(gòu)的傳動質(zhì)量；現(xiàn)有技術(shù)對弧面凸輪的表面加工以及誤差檢測存在很大的困難。而本實施例提供的一種在線檢測方法，通過接觸式測頭實現(xiàn)對弧面凸輪的中心距誤差與廓面誤差等加工誤差的檢測，然后經(jīng)過數(shù)控系統(tǒng)分析之后反饋給機床，從而實現(xiàn)加工精度的修正；該檢測方法具有檢測效率與精度高的優(yōu)點，提高了弧面凸輪的加工效率和加工質(zhì)量。

綜上所述，發(fā)明人設計了一種采用雙回轉(zhuǎn)坐標軸聯(lián)動的五軸弧面凸輪加工檢測一體機，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中的反復裝卸而導致的測量效率低，測量精度低等問題。其具備工作臺的橫向運動、縱向運動以及回轉(zhuǎn)臺以及弧面凸輪的雙回轉(zhuǎn)聯(lián)動，能夠進行對于弧面凸輪廓面加工與檢測運動。包括刀庫與回轉(zhuǎn)式機械手的自動換刀裝置，機械手用于實現(xiàn)加工刀具與接觸式測頭的交換。因弧面凸輪凸輪曲面為三維空間曲面，通過該接觸式測頭檢測到空間三維坐標數(shù)據(jù)，與系統(tǒng)中設定的曲面進行比較分析，獲得弧面凸輪的中心距誤差與廓面誤差等加工誤差，進而再反饋給機床進行調(diào)整加工參數(shù)，其中第三驅(qū)動機構(gòu)用于調(diào)整弧面凸輪與刀具主軸之間的中心距。該弧面凸輪加工檢測一體機的加工及檢測操作簡單，具備檢測效率與精度高的特點，加工和檢測中采用了所開發(fā)宏程序銑削和檢測循環(huán)，大大提高弧面凸輪的加工效率和加工質(zhì)量，具有很好的應用價值，具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。