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行加工之前對工件進行非接觸式測量，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?？傊?，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)進行的通常的變化和替換，均應(yīng)列入本發(fā)明的保護范圍。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?？刹鹦躲姷?4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 進行測量?；诰€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行加工之前對工件進行非接觸式測量，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行加工；曲面測量組件對工件進行非接觸式測量，再對精加工得到的產(chǎn)品進行接觸式測量；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)