本發(fā)明涉及一種基于多傳感器的在位測(cè)量方法，特別是一種用于精密機(jī)床上對(duì)工件進(jìn)行大動(dòng)態(tài)范圍表面形貌在位測(cè)量的方法。

背景技術(shù)：

隨著人們對(duì)產(chǎn)品的要求越來(lái)越高，精密加工技術(shù)已廣泛應(yīng)用并為各行各業(yè)提供不可替代的服務(wù)。加工工件是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求必須通過(guò)對(duì)工件進(jìn)行測(cè)量來(lái)判斷，一般做法是把工件從機(jī)床上取下來(lái)放到測(cè)量?jī)x器上進(jìn)行測(cè)量，不合要求的話，就要將工件再次安裝到機(jī)床上進(jìn)行加工。但重復(fù)安裝工件會(huì)帶來(lái)不可忽略的誤差；具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)將工件再次安裝到機(jī)床上后，工件坐標(biāo)會(huì)有一定的偏移量，從而給工件的再次加工帶來(lái)誤差。另外，由于超大工件(如滾筒)具有上噸重的重量，對(duì)其重復(fù)安裝具有極差的可操作性。進(jìn)行在位測(cè)量是解決以上問(wèn)題的一個(gè)可行方案。

對(duì)于一些大型工件，尤其是一些對(duì)精度具有很高要求的大型工件，既要求測(cè)量設(shè)備具有高于或等于工件尺度范圍的量程，也要求具有很高的測(cè)量精度以及分辨率。然而一般的測(cè)量設(shè)備都具有有限的量程以及固定的分辨率，必須對(duì)測(cè)量范圍和測(cè)量分辨率進(jìn)行取舍，若要提高分辨率，則要犧牲可視范圍；反之，若要大可視范圍，則要犧牲精度。在對(duì)大工件進(jìn)行測(cè)量時(shí)，很難得到一個(gè)同時(shí)具有高分辨率和大測(cè)量量程的大動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量結(jié)果。其中一個(gè)解決方案是進(jìn)行多次測(cè)量，利用數(shù)據(jù)拼接的方法在保持分辨率的要求時(shí)，擴(kuò)大測(cè)量量程范圍。配合在位測(cè)量，把測(cè)量傳感器安裝在機(jī)床上，由機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸帶動(dòng)傳感器對(duì)工件進(jìn)行掃描從而得到工件完整的幾何信息，但是一般的機(jī)床都不開(kāi)放其運(yùn)動(dòng)控制器的接口，對(duì)于機(jī)床用戶來(lái)說(shuō)很難直接得到機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸的幾何信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)上述技術(shù)問(wèn)題，提出了一種用于精密機(jī)床上對(duì)工件進(jìn)行大動(dòng)態(tài)范圍表面形貌在位測(cè)量的方法。

本發(fā)明就上述技術(shù)問(wèn)題而提出的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明提出了一種在位測(cè)量方法，包括以下步驟：

s1、將傳感器模塊安裝在機(jī)床的加工工具的主軸上；

s2、通過(guò)驅(qū)動(dòng)所述主軸，使傳感器模塊和工件無(wú)接觸地相對(duì)運(yùn)動(dòng)；并在傳感器模塊和工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，使傳感器模塊掃描工件的待測(cè)量的表面，從而獲取工件待測(cè)量表面的相對(duì)于傳感器模塊的位置信息；然后基于傳感器模塊與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)信息和傳感器模塊所獲取的工件待測(cè)量表面的相對(duì)于傳感器模塊的位置信息，計(jì)算獲得工件的待測(cè)量表面的尺寸信息。

本發(fā)明上述在位測(cè)量方法中，機(jī)床包括用于夾持并移動(dòng)工件的第一夾持移動(dòng)機(jī)構(gòu)，用于加工工件的加工工具，以及用于夾持并移動(dòng)加工工具的第二夾持移動(dòng)機(jī)構(gòu)；第二夾持移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括所述主軸；

步驟s1還包括：

提供與傳感器模塊通訊連接、且存儲(chǔ)有nc程序的第一處理設(shè)備；nc程序包含有傳感器模塊與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)信息；提供用于根據(jù)nc程序控制驅(qū)動(dòng)第一夾持移動(dòng)機(jī)構(gòu)和第二夾持移動(dòng)機(jī)構(gòu)的第二處理設(shè)備；該第二處理設(shè)備與第一處理設(shè)備通訊連接；

步驟s2還包括：

第一處理設(shè)備將nc程序發(fā)送給第二處理設(shè)備；

第二處理設(shè)備基于nc程序驅(qū)動(dòng)第一夾持移動(dòng)機(jī)構(gòu)和第二夾持移動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，以使傳感器模塊和工件無(wú)接觸地相對(duì)運(yùn)動(dòng)；在工件和傳感器模塊相對(duì)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，傳感器模塊還將工件待測(cè)量表面的相對(duì)于傳感器模塊的位置信息發(fā)送給第一處理設(shè)備；然后第一處理設(shè)備基于傳感器模塊與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)信息和傳感器模塊所獲得的工件待測(cè)量表面的相對(duì)于傳感器模塊的位置信息，計(jì)算獲得工件的待測(cè)量表面的尺寸信息。

本發(fā)明上述在位測(cè)量方法中，傳感器模塊包括：

幾何測(cè)量傳感器，用于獲取幾何測(cè)量傳感器與工件表面之間的距離信息；

運(yùn)動(dòng)傳感器，用于獲取幾何測(cè)量傳感器的運(yùn)動(dòng)信息；

控制器，用于控制幾何測(cè)量傳感器向第一處理設(shè)備傳送幾何測(cè)量傳感器與工件表面之間的距離信息；

單片機(jī)，用于控制運(yùn)動(dòng)傳感器向第一處理設(shè)備傳送幾何測(cè)量傳感器的運(yùn)動(dòng)信息；

usb集線器，用于將控制器和單片機(jī)分別與第一處理設(shè)備通信連接；

所述傳感器模塊與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)信息包含有幾何測(cè)量傳感器與工件表面之間的距離信息以及幾何測(cè)量傳感器的運(yùn)動(dòng)信息。

本發(fā)明上述在位測(cè)量方法中，步驟s2還包括：

基于幾何測(cè)量傳感器的運(yùn)動(dòng)信息，計(jì)算獲得工件表面上的點(diǎn)的反射光射入幾何測(cè)量傳感器中的角度；然后基于該角度以及幾何測(cè)量傳感器與工件表面上的點(diǎn)之間的距離信息，計(jì)算獲得該工件表面上的點(diǎn)的坐標(biāo)；

根據(jù)計(jì)算獲得的工件表面上多個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，計(jì)算得到工件待測(cè)量表面的尺寸信息。

本發(fā)明的在位測(cè)量方法利用機(jī)床的幾何運(yùn)動(dòng)軸帶動(dòng)傳感器進(jìn)行掃描，可以實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍表面測(cè)量，具有高分辨率和大測(cè)量量程的特點(diǎn)，利用多傳感器技術(shù)，不需要連接機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制器，具有非常高的靈活性，在工業(yè)上具有非常大的潛在應(yīng)用價(jià)值。

附圖說(shuō)明

下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，附圖中：

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的在位測(cè)量設(shè)備的示意圖；

圖2為如圖1所示的在位測(cè)量設(shè)備應(yīng)用于現(xiàn)有五軸機(jī)床的示意圖；

圖3為本發(fā)明一實(shí)施例的在位測(cè)量方法的流程圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例的傳感器模塊的一種掃描路徑的示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例的傳感器模塊的另一掃描路徑的示意圖；

圖6為在對(duì)如圖2所示的機(jī)床上的工件進(jìn)行在位測(cè)量時(shí)，傳感器模塊所獲取的x軸方向的傳感數(shù)據(jù)的示意圖；

圖7為在對(duì)如圖2所示的機(jī)床上的工件進(jìn)行在位測(cè)量時(shí)，傳感器模塊所獲取的y軸方向的傳感數(shù)據(jù)的示意圖；

圖8為在對(duì)如圖2所示的機(jī)床上的工件進(jìn)行在位測(cè)量時(shí)，傳感器模塊所獲取的z軸方向的傳感數(shù)據(jù)的示意圖；

圖9為在對(duì)如圖2所示的機(jī)床上的工件進(jìn)行在位測(cè)量時(shí)，傳感器模塊的a軸旋轉(zhuǎn)角速度數(shù)據(jù)的示意圖；

圖10為在對(duì)如圖2所示的機(jī)床上的工件進(jìn)行在位測(cè)量時(shí)，傳感器模塊的b軸旋轉(zhuǎn)角速度數(shù)據(jù)的示意圖；

圖11為在對(duì)如圖2所示的機(jī)床上的工件進(jìn)行在位測(cè)量時(shí)，傳感器模塊的c軸旋轉(zhuǎn)角速度數(shù)據(jù)的示意圖；

圖12為在對(duì)如圖2所示的機(jī)床上的工件進(jìn)行在位測(cè)量時(shí)，所測(cè)量的工件的實(shí)際模型的示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的技術(shù)目的、技術(shù)方案以及技術(shù)效果更為清楚，以便于本領(lǐng)域技術(shù)人員理解和實(shí)施本發(fā)明，下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)的說(shuō)明。

參照?qǐng)D1，圖1為本發(fā)明實(shí)施例的在位測(cè)量設(shè)備的示意圖。

在本發(fā)明中，是采用如圖1所示的在位測(cè)量設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)安裝在機(jī)床上的工件的在位測(cè)量。

通常的機(jī)床7都會(huì)包括用于夾持并移動(dòng)工件的第一夾持移動(dòng)機(jī)構(gòu)，用于加工工件的加工工具，以及用于夾持并移動(dòng)加工工具的第二夾持移動(dòng)機(jī)構(gòu)。這里，加工工具可以是車刀、刨刀、銑刀、拉刀或銼刀等。通常情況下，工件為通過(guò)加工工具(圖中未示出)的加工而被第一夾持移動(dòng)機(jī)構(gòu)夾在機(jī)床7上。

本實(shí)施例的在位測(cè)量設(shè)備包括用于掃描工件表面的傳感器模塊12，在對(duì)工件進(jìn)行在位掃描時(shí)，傳感器模塊12安裝在加工工具的主軸上，用于以非接觸的方式采集工件表面的形貌數(shù)據(jù)。該形貌數(shù)據(jù)被傳送到第一處理設(shè)備9；第一處理設(shè)備9會(huì)基于形貌數(shù)據(jù)產(chǎn)生有關(guān)工件表面的幾何參數(shù)，這里，對(duì)形貌數(shù)據(jù)的處理，以形成幾何參數(shù)的過(guò)程會(huì)采用公知的數(shù)學(xué)算法。這樣，這里的幾何參數(shù)可以描述工件的表面狀況，例如，幾何參數(shù)描述了工件的一個(gè)或多個(gè)邊緣或者輪廓。

基于上述描述，本發(fā)明的在位測(cè)量方法包括以下步驟：

s1、將傳感器模塊12安裝在機(jī)床的加工工具的主軸上；這里的主軸是指加工工具固定安裝在機(jī)床上的部件；通過(guò)主軸的驅(qū)動(dòng)，加工工具可以旋轉(zhuǎn)和/或平移。如圖1所示，傳感器模塊12通過(guò)連接器6安裝在機(jī)床7上。在本實(shí)施例中，第二夾持移動(dòng)機(jī)構(gòu)包含所述主軸。

s2、通過(guò)驅(qū)動(dòng)所述主軸，使傳感器模塊12和工件無(wú)接觸地相對(duì)運(yùn)動(dòng)；并在傳感器模塊12和工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，使傳感器模塊12掃描工件的待測(cè)量的表面，從而獲取工件待測(cè)量表面的相對(duì)于傳感器模塊12的位置信息；然后基于傳感器模塊12與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)信息和傳感器模塊12所獲取的工件待測(cè)量表面的相對(duì)于傳感器模塊12的位置信息，計(jì)算獲得工件的待測(cè)量表面的尺寸信息。

參照?qǐng)D2，圖2為如圖1所示的在位測(cè)量設(shè)備應(yīng)用于現(xiàn)有五軸機(jī)床的示意圖。通常情況下，五軸機(jī)床可被nc程序控制，并可根據(jù)nc程序制造出一個(gè)工件。這里，nc程序定義了在用加工工具制造工件時(shí)必須遵循的移動(dòng)路徑，因此，包含了工件的參考模型。

進(jìn)一步地，如圖2所示，第一夾持移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括：

第一主軸14，用于在x軸方向上移動(dòng)工件13；

第二主軸16，用于在z軸方向上移動(dòng)工件13；

第三主軸15，用于在y軸方向上移動(dòng)工件13；

第四主軸19，用于繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)工件13；

第二夾持移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括：

第五主軸17，用于繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器模塊12；

驅(qū)動(dòng)軸18，用于驅(qū)動(dòng)加工工具和/或傳感器模塊12自轉(zhuǎn)；

在圖2中，加工工具被拆卸下來(lái)，而將傳感器模塊12裝設(shè)在驅(qū)動(dòng)軸18上。這樣，在本實(shí)施例中，定義一個(gè)預(yù)設(shè)nc程序，并通過(guò)該預(yù)設(shè)nc程序可以使第一夾持移動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)工件13在四個(gè)自由度上運(yùn)動(dòng)和/或使第二夾持移動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)傳感器模塊12在兩個(gè)自由度上運(yùn)動(dòng)，因此，nc程序除包含工件13的參考模型外，還包含傳感器模塊12與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)信息。這里，傳感器模塊12與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)信息通過(guò)傳感器模塊12的運(yùn)動(dòng)信息和工件的運(yùn)動(dòng)信息計(jì)算得到。

進(jìn)一步地，如圖1所示，預(yù)設(shè)nc程序保存在第一處理設(shè)備9中，這里，第一處理設(shè)備9為計(jì)算機(jī)。在位測(cè)量設(shè)備還包括用于控制驅(qū)動(dòng)機(jī)床7的第一夾持移動(dòng)機(jī)構(gòu)和第二夾持移動(dòng)機(jī)構(gòu)的第二處理設(shè)備8，該第二處理設(shè)備8也為計(jì)算機(jī)，其與機(jī)床7組合成數(shù)控機(jī)床。第一處理設(shè)備9與第二處理設(shè)備8通訊連接，在進(jìn)行工件的在位測(cè)量時(shí)，第一處理設(shè)備9會(huì)將預(yù)設(shè)nc程序發(fā)送給第二處理設(shè)備8，然后第二處理設(shè)備8根據(jù)預(yù)設(shè)nc程序驅(qū)動(dòng)第一夾持移動(dòng)機(jī)構(gòu)和第二夾持移動(dòng)機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)工件13和傳感器模塊12的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在工件13和傳感器模塊12相對(duì)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，傳感器模塊12掃描工件的待測(cè)量的表面，從而獲得工件待測(cè)量表面的相對(duì)于傳感器模塊12的位置信息，然后，傳感器模塊12可將工件待測(cè)量表面的相對(duì)于傳感器模塊12的位置信息發(fā)送給第一處理設(shè)備9，第一處理設(shè)備9便可以基于傳感器模塊12與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)信息和傳感器模塊12所獲得的工件待測(cè)量表面的相對(duì)于傳感器模塊12的位置信息，計(jì)算獲得工件的待測(cè)量表面的尺寸信息。

具體地，如圖1所示，傳感器模塊12包括：

幾何測(cè)量傳感器1，用于獲取幾何測(cè)量傳感器1與工件表面之間的距離信息；

運(yùn)動(dòng)傳感器3，用于獲取幾何測(cè)量傳感器1的運(yùn)動(dòng)信息；

控制器2，用于控制幾何測(cè)量傳感器1向第一處理設(shè)備9傳送幾何測(cè)量傳感器1與工件表面之間的距離信息；

單片機(jī)4，用于控制運(yùn)動(dòng)傳感器3向第一處理設(shè)備9傳送幾何測(cè)量傳感器1的運(yùn)動(dòng)信息；

usb集線器5，用于將控制器2和單片機(jī)4分別與第一處理設(shè)備9通信連接。

在這里，幾何測(cè)量傳感器1的運(yùn)動(dòng)信息包括幾何測(cè)量傳感器1平移和/或轉(zhuǎn)動(dòng)的信息。基于幾何測(cè)量傳感器1的運(yùn)動(dòng)信息，可以獲得工件表面上的點(diǎn)的反射光射入幾何測(cè)量傳感器1中的角度；然后，基于該角度以及幾何測(cè)量傳感器1與工件表面上的點(diǎn)之間的距離信息，可以獲得該工件表面上的點(diǎn)的坐標(biāo)。通過(guò)這種方式，可以產(chǎn)生足夠多的工件待測(cè)量表面上的點(diǎn)的位置信息，從而獲得工件待測(cè)量表面的尺寸信息。第一處理設(shè)備9基于傳感器模塊12與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)信息和傳感器模塊12所獲得的工件待測(cè)量表面相對(duì)于傳感器模塊12的位置信息，可以對(duì)工件的參考模型進(jìn)行重構(gòu)，從而得到工件13的實(shí)際模型。

如圖3所示，圖3為本發(fā)明一實(shí)施例的在位測(cè)量方法的流程圖。

在本實(shí)施例中，由于實(shí)際加工環(huán)境比較惡劣，傳感器模塊12在機(jī)床加工工件時(shí)可以不安裝，待需要測(cè)量工件時(shí)再安裝上，因而實(shí)際操作時(shí)第一步應(yīng)該是安裝傳感器模塊，然后通過(guò)第一處理設(shè)備9生成預(yù)設(shè)nc程序，并將該預(yù)設(shè)nc程序發(fā)送給第二處理設(shè)備8，而第二處理設(shè)備8基于預(yù)設(shè)nc程序控制傳感器模塊12與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)，然后，傳感器模塊12采集數(shù)據(jù)，并發(fā)送給第一處理設(shè)備9，第一處理設(shè)備9再將nc程序所包含的信息與傳感器模塊12所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，從而得到工件的待測(cè)量表面的實(shí)際模型，這樣，就完成了工件的待測(cè)量表面的測(cè)量工作。最后，再將傳感器模塊12卸載掉。

如圖4和圖5所示，圖4示出了本發(fā)明實(shí)施例的傳感器模塊12的一種掃描路徑的示意圖，圖5示出了本發(fā)明實(shí)施例的傳感器模塊12的另一掃描路徑的示意圖。

圖4所示出的掃描路徑為環(huán)形掃描路徑10，而圖5所示出的掃描路徑為柵格掃描路徑11，傳感器模塊12的掃描路徑的選擇可以根據(jù)機(jī)床的主軸配置來(lái)確定，若機(jī)床有旋轉(zhuǎn)軸，則可以采用環(huán)形掃描路徑10，若機(jī)床只有直線運(yùn)動(dòng)軸，則可以采用柵格掃描路徑11。

如圖6-圖11所示，圖6-圖11示出了對(duì)如圖2所示的機(jī)床上的工件進(jìn)行在位測(cè)量時(shí)，傳感器模塊12所獲取的數(shù)據(jù)的示意圖。

在在位測(cè)量過(guò)程中，傳感器模塊12做b軸的旋轉(zhuǎn)(繞y軸旋轉(zhuǎn))掃描，具體以如圖10所示的傳感器模塊12的旋轉(zhuǎn)角速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)；而工件做x軸平移運(yùn)動(dòng)，這樣，傳感器模塊12到工件之間的距離可以采用如圖8所示的z軸方向的傳感數(shù)據(jù)；然后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的時(shí)間和空間的匹配和融合，重構(gòu)得到工件的實(shí)際模型，如圖12所示。圖12所示的工件的實(shí)際模型證明了本發(fā)明的在位測(cè)量方法的可行性和有效性。

應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)上述說(shuō)明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。