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

背景技術：

隨著人們對產(chǎn)品的要求越來越高，精密加工技術已廣泛應用并為各行各業(yè)提供不可替代的服務。加工工件是否達到設計要求必須通過對工件進行測量來判斷，一般做法是把工件從機床上取下來放到測量儀器上進行測量，不合要求的話，就要將工件再次安裝到機床上進行加工。但重復安裝工件會帶來不可忽略的誤差；具體來說，當將工件再次安裝到機床上后，工件坐標會有一定的偏移量，從而給工件的再次加工帶來誤差。另外，由于超大工件(如滾筒)具有上噸重的重量，對其重復安裝具有極差的可操作性。進行在位測量是解決以上問題的一個可行方案。

對于一些大型工件，尤其是一些對精度具有很高要求的大型工件，既要求測量設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量精度以及分辨率。然而一般的測量設備都具有有限的量程以及固定的分辨率，必須對測量范圍和測量分辨率進行取舍，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。在對大工件進行測量時，很難得到一個同時具有高分辨率和大測量量程的大動態(tài)范圍測量結(jié)果。其中一個解決方案是進行多次測量，利用數(shù)據(jù)拼接的方法在保持分辨率的要求時，擴大測量量程范圍。配合在位測量，把測量傳感器安裝在機床上，由機床運動軸帶動傳感器對工件進行掃描從而得到工件完整的幾何信息，但是一般的機床都不開放其運動控制器的接口，對于機床用戶來說很難直接得到機床運動軸的幾何信息。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對上述技術問題，提出了一種用于精密機床上對工件進行大動態(tài)范圍表面形貌在位測量的方法。

本發(fā)明就上述技術問題而提出的技術方案如下：

本發(fā)明提出了一種在位測量方法，包括以下步驟：

s1、將傳感器模塊安裝在機床的加工工具的主軸上；

s2、通過驅(qū)動所述主軸，使傳感器模塊和工件無接觸地相對運動；并在傳感器模塊和工件相對運動的過程中，使傳感器模塊掃描工件的待測量的表面，從而獲取工件待測量表面的相對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運動的運動信息和傳感器模塊所獲取的工件待測量表面的相對于傳感器模塊的位置信息，計算獲得工件的待測量表面的尺寸信息。

本發(fā)明上述在位測量方法中，機床包括用于夾持并移動工件的第一夾持移動機構(gòu)，用于加工工件的加工工具，以及用于夾持并移動加工工具的第二夾持移動機構(gòu)；第二夾持移動機構(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、且存儲有nc程序的第一處理設備；nc程序包含有傳感器模塊與工件相對運動的運動信息；提供用于根據(jù)nc程序控制驅(qū)動第一夾持移動機構(gòu)和第二夾持移動機構(gòu)的第二處理設備；該第二處理設備與第一處理設備通訊連接；

步驟s2還包括：

第一處理設備將nc程序發(fā)送給第二處理設備；

第二處理設備基于nc程序驅(qū)動第一夾持移動機構(gòu)和第二夾持移動機構(gòu)運動，以使傳感器模塊和工件無接觸地相對運動；在工件和傳感器模塊相對運動的過程中，傳感器模塊還將工件待測量表面的相對于傳感器模塊的位置信息發(fā)送給第一處理設備；然后第一處理設備基于傳感器模塊與工件相對運動的運動信息和傳感器模塊所獲得的工件待測量表面的相對于傳感器模塊的位置信息，計算獲得工件的待測量表面的尺寸信息。

本發(fā)明上述在位測量方法中，傳感器模塊包括：

幾何測量傳感器，用于獲取幾何測量傳感器與工件表面之間的距離信息；

運動傳感器，用于獲取幾何測量傳感器的運動信息；

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

單片機，用于控制運動傳感器向第一處理設備傳送幾何測量傳感器的運動信息；

usb集線器，用于將控制器和單片機分別與第一處理設備通信連接；

所述傳感器模塊與工件相對運動的運動信息包含有幾何測量傳感器與工件表面之間的距離信息以及幾何測量傳感器的運動信息。

本發(fā)明上述在位測量方法中，步驟s2還包括：

基于幾何測量傳感器的運動信息，計算獲得工件表面上的點的反射光射入幾何測量傳感器中的角度；然后基于該角度以及幾何測量傳感器與工件表面上的點之間的距離信息，計算獲得該工件表面上的點的坐標；

根據(jù)計算獲得的工件表面上多個點的坐標，計算得到工件待測量表面的尺寸信息。

本發(fā)明的在位測量方法利用機床的幾何運動軸帶動傳感器進行掃描，可以實現(xiàn)大動態(tài)范圍表面測量，具有高分辨率和大測量量程的特點，利用多傳感器技術，不需要連接機床運動控制器，具有非常高的靈活性，在工業(yè)上具有非常大的潛在應用價值。

附圖說明

下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中：

圖1為本發(fā)明實施例的在位測量設備的示意圖；

圖2為如圖1所示的在位測量設備應用于現(xiàn)有五軸機床的示意圖；

圖3為本發(fā)明一實施例的在位測量方法的流程圖；

圖4為本發(fā)明實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)明實施例的傳感器模塊的另一掃描路徑的示意圖；

圖6為在對如圖2所示的機床上的工件進行在位測量時，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為在對如圖2所示的機床上的工件進行在位測量時，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為在對如圖2所示的機床上的工件進行在位測量時，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為在對如圖2所示的機床上的工件進行在位測量時，傳感器模塊的a軸旋轉(zhuǎn)角速度數(shù)據(jù)的示意圖；

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

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

圖12為在對如圖2所示的機床上的工件進行在位測量時，所測量的工件的實際模型的示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的技術目的、技術方案以及技術效果更為清楚，以便于本領域技術人員理解和實施本發(fā)明，下面將結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明做詳細的說明。

參照圖1，圖1為本發(fā)明實施例的在位測量設備的示意圖。

在本發(fā)明中，是采用如圖1所示的在位測量設備實現(xiàn)對安裝在機床上的工件的在位測量。

通常的機床7都會包括用于夾持并移動工件的第一夾持移動機構(gòu)，用于加工工件的加工工具，以及用于夾持并移動加工工具的第二夾持移動機構(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，工件為通過加工工具(圖中未示出)的加工而被第一夾持移動機構(gòu)夾在機床7上。

本實施例的在位測量設備包括用于掃描工件表面的傳感器模塊12，在對工件進行在位掃描時，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備9；第一處理設備9會基于形貌數(shù)據(jù)產(chǎn)生有關工件表面的幾何參數(shù)，這里，對形貌數(shù)據(jù)的處理，以形成幾何參數(shù)的過程會采用公知的數(shù)學算法。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)描述了工件的一個或多個邊緣或者輪廓。

基于上述描述，本發(fā)明的在位測量方法包括以下步驟：

s1、將傳感器模塊12安裝在機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床上的部件；通過主軸的驅(qū)動，加工工具可以旋轉(zhuǎn)和/或平移。如圖1所示，傳感器模塊12通過連接器6安裝在機床7上。在本實施例中，第二夾持移動機構(gòu)包含所述主軸。

s2、通過驅(qū)動所述主軸，使傳感器模塊12和工件無接觸地相對運動；并在傳感器模塊12和工件相對運動的過程中，使傳感器模塊12掃描工件的待測量的表面，從而獲取工件待測量表面的相對于傳感器模塊12的位置信息；然后基于傳感器模塊12與工件相對運動的運動信息和傳感器模塊12所獲取的工件待測量表面的相對于傳感器模塊12的位置信息，計算獲得工件的待測量表面的尺寸信息。

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

進一步地，如圖2所示，第一夾持移動機構(gòu)包括：

第一主軸14，用于在x軸方向上移動工件13；

第二主軸16，用于在z軸方向上移動工件13；

第三主軸15，用于在y軸方向上移動工件13；

第四主軸19，用于繞z軸轉(zhuǎn)動工件13；

第二夾持移動機構(gòu)包括：

第五主軸17，用于繞y軸轉(zhuǎn)動傳感器模塊12；

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

在圖2中，加工工具被拆卸下來，而將傳感器模塊12裝設在驅(qū)動軸18上。這樣，在本實施例中，定義一個預設nc程序，并通過該預設nc程序可以使第一夾持移動機構(gòu)驅(qū)動工件13在四個自由度上運動和/或使第二夾持移動機構(gòu)驅(qū)動傳感器模塊12在兩個自由度上運動，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與工件相對運動的運動信息。這里，傳感器模塊12與工件相對運動的運動信息通過傳感器模塊12的運動信息和工件的運動信息計算得到。

進一步地，如圖1所示，預設nc程序保存在第一處理設備9中，這里，第一處理設備9為計算機。在位測量設備還包括用于控制驅(qū)動機床7的第一夾持移動機構(gòu)和第二夾持移動機構(gòu)的第二處理設備8，該第二處理設備8也為計算機，其與機床7組合成數(shù)控機床。第一處理設備9與第二處理設備8通訊連接，在進行工件的在位測量時，第一處理設備9會將預設nc程序發(fā)送給第二處理設備8，然后第二處理設備8根據(jù)預設nc程序驅(qū)動第一夾持移動機構(gòu)和第二夾持移動機構(gòu)，以實現(xiàn)工件13和傳感器模塊12的相對運動。在工件13和傳感器模塊12相對運動的過程中，傳感器模塊12掃描工件的待測量的表面，從而獲得工件待測量表面的相對于傳感器模塊12的位置信息，然后，傳感器模塊12可將工件待測量表面的相對于傳感器模塊12的位置信息發(fā)送給第一處理設備9，第一處理設備9便可以基于傳感器模塊12與工件相對運動的運動信息和傳感器模塊12所獲得的工件待測量表面的相對于傳感器模塊12的位置信息，計算獲得工件的待測量表面的尺寸信息。

具體地，如圖1所示，傳感器模塊12包括：

幾何測量傳感器1，用于獲取幾何測量傳感器1與工件表面之間的距離信息；

運動傳感器3，用于獲取幾何測量傳感器1的運動信息；

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

單片機4，用于控制運動傳感器3向第一處理設備9傳送幾何測量傳感器1的運動信息；

usb集線器5，用于將控制器2和單片機4分別與第一處理設備9通信連接。

在這里，幾何測量傳感器1的運動信息包括幾何測量傳感器1平移和/或轉(zhuǎn)動的信息?；趲缀螠y量傳感器1的運動信息，可以獲得工件表面上的點的反射光射入幾何測量傳感器1中的角度；然后，基于該角度以及幾何測量傳感器1與工件表面上的點之間的距離信息，可以獲得該工件表面上的點的坐標。通過這種方式，可以產(chǎn)生足夠多的工件待測量表面上的點的位置信息，從而獲得工件待測量表面的尺寸信息。第一處理設備9基于傳感器模塊12與工件相對運動的運動信息和傳感器模塊12所獲得的工件待測量表面相對于傳感器模塊12的位置信息，可以對工件的參考模型進行重構(gòu)，從而得到工件13的實際模型。

如圖3所示，圖3為本發(fā)明一實施例的在位測量方法的流程圖。

在本實施例中，由于實際加工環(huán)境比較惡劣，傳感器模塊12在機床加工工件時可以不安裝，待需要測量工件時再安裝上，因而實際操作時第一步應該是安裝傳感器模塊，然后通過第一處理設備9生成預設nc程序，并將該預設nc程序發(fā)送給第二處理設備8，而第二處理設備8基于預設nc程序控制傳感器模塊12與工件相對運動，然后，傳感器模塊12采集數(shù)據(jù)，并發(fā)送給第一處理設備9，第一處理設備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)進行數(shù)據(jù)融合，從而得到工件的待測量表面的實際模型，這樣，就完成了工件的待測量表面的測量工作。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)機床的主軸配置來確定，若機床有旋轉(zhuǎn)軸，則可以采用環(huán)形掃描路徑10，若機床只有直線運動軸，則可以采用柵格掃描路徑11。

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

在在位測量過程中，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；而工件做x軸平移運動，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，進行數(shù)據(jù)的時間和空間的匹配和融合，重構(gòu)得到工件的實際模型，如圖12所示。圖12所示的工件的實際模型證明了本發(fā)明的在位測量方法的可行性和有效性。

應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬于本發(fā)明所附權利要求的保護范圍。