專利名稱：一種超重型車床加工精度特性在機測量裝置及方法
技術領域：
本發明屬于超重型機床性能檢測技術領域，涉及以光作為傳感手段在線檢測旋轉 物體表面形貌的方法，特別是一種用于超重型車床加工精度在機測量評估的方法和系統。
背景技術：
在航空航天、大型礦業機械、大型水電機組，核電站設備等超大型工件的加工過程 中，超重型機床是其主要的加工設備之一。目前國內的超重型機床雖處于發展階段，但已有 成型產品出口的報道。在超重型機床研發與使用過程中，對超大型工件加工尺寸的測量是 一個質量控制難題。這是由于在大型工件加工過程中，工件處于旋轉狀態，若以主軸轉速10 轉/分直徑為5000mm的工件來說，機床的切削線速度大于lOOm/min。另外由于加工工件尺 寸大，切削加工是一個長時間連續加工的過程，加工刀具的磨損對于加工質量控制來說是 不可忽視。在線檢測加工工件的尺寸，不僅有利于超大型工件的加工質量控制，而且有利于 檢測機床刀具等組件在機床加工工件過程中性能的變化，為改善機床設計提供依據。對于 旋轉工件的尺寸測量，接觸式測量方法是不適用的。而現有的非接觸式工件加工尺寸測量 方法中，光學測量方法是一種有效的方法。現有的光學測量方法及設備在機床高速線切削 速度下由于不能獲得有效的數據，不適用于超重型機床加工工件的在線測量。
發明內容
針對超重型車床加工工件在線檢測的需求及現有技術創造的缺陷或不足，本發明 的目的在于提供一種可用于超重型車床加工精度特性在機測量裝置和方法，該方法對于旋 轉工件采集數據可靠，可以用于工件加工前的定位，加工過程的在線測量，加工后的在機檢 測。為了實現上述任務，本發明采取如下的技術解決方案一種超重型車床加工精度特性在機測量裝置，包括光源系統、光斑圖像采集系統 及數據處理系統；所述的光源系統包括有激光光源，在激光光源的光路上依次有會聚透鏡、 準直透鏡和準直透鏡、它們都安裝在圓桶型殼體內，圓桶型殼體固定在前支架和后支架上， 前支架和后支架通過前左螺釘、前右螺釘、后左螺釘和后右螺釘固定在安裝殼體上，前支架 殼體以及后支架與殼體之間有彈簧支撐，激光光源發出出射光束經大型工件表面反射后通 過反射光束進入光斑圖像采集系統；光斑圖像采集系統包括濾光片、成像透鏡、固定成像透鏡夾具、固定成像透鏡夾具 的旋轉軸機構和線陣CCD，濾光片安裝在成像透鏡上，成像透鏡安裝在固定成像透鏡夾具 上，夾具固定在旋轉機構15上；數據處理系統包括數據采集及處理電路和接口，接口及接口，接口分別連接數據 采集及處理電路與激光光源，接口連接數據采集及控制電路與線陣CCD，接口連接裝置與計 算機。一種使用如上述裝置的方法，該方法包括如下步驟
步驟1、將上述測量裝置通過固定支架固定在一沿垂直方向運動的導軌上；步驟2、將步驟1的導軌固定在重型車床的刀具座上，使導軌的運動方向處于豎直 方向且與刀具加工前進方向在垂直；步驟3、調整測量裝置在固定支架上的俯仰，使測量裝置出射光束與反射光束形成 的平面與工件表面運動的線速度方向垂直；步驟4、以夾持在重型機床上加工完成的圓柱型工件作為測量對象，使測量裝置沿 導軌上下運動，尋找測量裝置測量的數據的最小值的位置，這個位置就是測量出射光束與 反射光束所形成的平面通過重型機床主軸旋轉中心線的位置。將測量裝置固定在這一位 置；步驟5、以加工工件的幾何參數為測量對象，通過機床刀具座進給系統，標定出測 量裝置測量基準點相對于機床的導軌，托板及刀具座，主軸構成的圓柱坐標系的相對位置 坐標，完成對測量裝置在機床上的標定；步驟6、當測量裝置在機床上在線在位測量時，首先將測量值解算成相對于測量 裝置測量基準的值，后根據測量系統標定的測量裝置基準相對于機床圓柱坐標系的位置坐 標，將測量值解算成相對于機床圓柱坐標系的坐標值。本發明應用高速線陣圖像傳感器采集激光光斑圖像，通過對獲取的一組光斑圖像 序列應用圖像恢復技術獲得光斑清晰圖像，再應用圖像序列之間像素灰度的相關性識別出 光斑圖像的亞像素中心點，通過三角法成像光路解算，可以有效地獲取旋轉工件表面的位 置信息，從而克服了現有光學測量方法及裝置無法有效獲取旋轉加工工件表面位置信息的 技術缺陷。本發明以獲取的旋轉工件表面位置信息為基礎，將所開發的測量裝置安裝在重型 車床上，完成調試標定過程后，可以實現重型車床旋轉工件加工尺寸的在線在位測量，同時 這種測量系統也具有對加工工件的定位功能。
圖1為基于光學傳感方法的超重型車床加工精度特性在機測量裝置示意圖。圖中標號1、激光光源，2、會聚透鏡，3、準直透鏡1，4、準直透鏡2，5、安裝光源零 件的圓桶型殼體，6、支架1，7、支架2，8、彈簧螺釘裝置1，9、彈簧螺釘裝置2，10、彈簧螺釘裝 置3，11、彈簧螺釘裝置4，12、濾光片，13、成像透鏡，14、固定成像透鏡的夾具，15、固定成像 透鏡夾具的旋轉軸機構，16、線陣CCD，17、數據采集及處理電路，18、安裝殼體，19、接口 1， 20、接口 2，21、接口 3，22、出射光束，23、反射光束，24、大型工件表面。圖2為超重型車床加工精度特性在機測量的方法示意圖。其中的標號分別表示25、被加工的大型工件，26、重型車床導軌平臺，27、刀具進 給箱，28、刀具架，29、刀具，30、導軌，31、固定支架，32、本發明的測量裝置，33、測量光路
具體實施例方式參見圖1，本發明涉及的基于光學傳感方法的超重型車床加工精度特性在機測量 裝置將半導體激光器所發出的激光束經會聚透鏡后，再經過準直透鏡組獲得在測量范圍也 就是離會聚透鏡前表面100 500mm范圍內，每個長度在離激光束腰25mm范圍內，激光束直徑小于40um。激光束經工件表面反射后經濾光片去除干擾光波成份，通過成像透鏡成像。 濾光片透射光波頻率范圍與所采用的半導體激光器的光波頻率范圍相一致。激光光斑應用 高速線陣圖像傳感器接收。通過高速線陣圖像傳感器可獲得一組光斑圖像序列，應用圖像 恢復技術獲得光斑清晰圖像，再應用圖像序列之間像素灰度的相關性識別出光斑圖像的亞 像素中心點。通過標定及解算出射光束與反射光束之間的幾何關系，即可獲得工件表面空 間位置與線陣圖像傳感器像素位置的對應關系。在測量過程中，根據激光光斑在線陣圖像 傳感器上位置，可以解算出工件表面對于標定基準的位置變化。將應用上述超重型車床加工精度特性在機測量裝置固定在機床刀具座上，通過標 定調整獲得裝置相對于導軌，刀具座，主軸圓柱坐標系的基準坐標，再將裝置測量的工件表 面的位置信息解算到圓柱坐標系中，實現工件加工前定位，加工過程中的在線檢測，加工后 工件的在機檢測以及對加工過程中刀具磨損，振動等因素的檢測。本發明可以通過調整準直透鏡3和準直透鏡4調整激光束腰位置，通過調整前左 螺釘8、前右螺釘9、后左螺釘10和后右螺釘11可以調整圓桶型殼體5的俯仰和高低。同 時通過旋轉安裝成像透鏡13的固定夾具14調整成像透鏡光軸與線陣圖像傳感器之間的夾 角，使成像系統滿足Scheimpflug條件，同時改變光學傳感方法的測量基準位置，以適應不 用測量范圍的要求。參見圖2，本發明研發的超重型車床加工精度特性在機測量裝置32在重型機床上 的安裝部件包括導軌30及固定支架31。測量裝置32固定在固定支架31上，固定支架31 固定在導軌30的滑塊上，可以帶動測量裝置32在垂直方向運動。在測量裝置32安裝時， 通過調整使測量裝置32出射光束及反射光束形成的平面與工件表面運動的線速度方向垂直。在測量裝置32在重型車床上安裝完成后，通過沿導軌30上下運動，尋找測量裝置 32測量的數據的最小值的位置，這個位置就是測量出射光束與反射光束所組成的平面與重 型機床主軸旋轉中心線重合的位置。通過上述的安裝及調試過程，測量裝置結合機床導軌，托板及刀具座，主軸構成的 圓柱坐標系，形成一個在機床加工范圍內對工件表面位置進行測量的系統。這個測量系統 通過將測量裝置所測數據解算到機床本身的圓柱坐標系下，實現對工件的定位及加工幾何 參數的在線在位測量。
權利要求
1.一種超重型車床加工精度特性在機測量裝置，包括光源系統、光斑圖像采集系統及 數據處理系統(17)；其特征在于，所述的光源系統包括有激光光源(1)，在激光光源(1)的 光路上依次有會聚透鏡(2)、準直透鏡(3)和準直透鏡(4)、它們都安裝在圓桶型殼體(5) 內，圓桶型殼體(5)固定在前支架(6)和后支架(7)上，前支架(6)和后支架(7)固定在安 裝殼體(18)上，前支架(6)殼體(18)以及后支架(7)與殼體(18)之間有彈簧支撐，激光 光源(1)發出出射光束(22)經大型工件表面(24)反射后通過反射光束(23)進入光斑圖 像采集系統；光斑圖像采集系統包括濾光片(12)、成像透鏡(13)、固定成像透鏡夾具(14)、固定成 像透鏡夾具的旋轉軸機構(15)和線陣CCD(16)，濾光片(12)安裝在成像透鏡(13)上，成像 透鏡(13)安裝在固定成像透鏡夾具(14)上，夾具(14)固定在旋轉機構15上；數據處理系統包括數據采集及處理電路(17)和接口(19)，接口(20)及接口(21)，接 口(21)分別連接數據采集及處理電路(17)與激光光源(1)，接口(20)連接數據采集及控 制電路與線陣CCD，接口(19)連接裝置與計算機。
2.一種使用如權利要求1所述的裝置的方法，其特征在于，該方法包括如下步驟 步驟1、將上述測量裝置通過固定支架固定在一沿垂直方向運動的導軌上；步驟2、將步驟1的導軌固定在重型車床的刀具座上，使導軌的運動方向處于豎直方向 且與刀具加工前進方向在垂直；步驟3、調整測量裝置在固定支架上的俯仰，使測量裝置出射光束與反射光束形成的平 面與工件表面運動的線速度方向垂直；步驟4、以夾持在重型機床上加工完成的圓柱型工件作為測量對象，使測量裝置沿導軌 上下運動，尋找測量裝置測量的數據的最小值的位置，這個位置就是測量出射光束與反射 光束所形成的平面通過重型機床主軸旋轉中心線的位置。將測量裝置固定在這一位置；步驟5、以加工工件的幾何參數為測量對象，通過機床刀具座進給系統，標定出測量裝 置測量基準點相對于機床的導軌，托板及刀具座，主軸構成的圓柱坐標系的相對位置坐標， 完成對測量裝置在機床上的標定；步驟6、當測量裝置在機床上在線在位測量時，首先將測量值解算成相對于測量裝置測 量基準的值，后根據測量系統標定的測量裝置基準相對于機床圓柱坐標系的位置坐標，將 測量值解算成相對于機床圓柱坐標系的坐標值。
全文摘要
本發明公開了一種超重型車床加工精度特性在機測量裝置及方法，本發明應用高速線陣圖像傳感器采集激光光斑圖像，通過對獲取的一組光斑圖像序列應用圖像恢復技術獲得光斑清晰圖像，再應用圖像序列之間像素灰度的相關性識別出光斑圖像的亞像素中心點，通過三角法成像光路解算，可以有效地獲取旋轉工件表面的位置信息，從而克服了現有光學測量方法及裝置無法有效獲取旋轉加工工件表面位置信息的技術缺陷。本發明以獲取的旋轉工件表面位置信息為基礎，將所開發的測量裝置安裝在重型車床上，完成調試標定過程后，可以實現重型車床旋轉工件加工尺寸的在線在位測量，同時這種測量系統也具有對加工工件的定位功能。
文檔編號B23Q17/24GK102001025SQ20101051691
公開日2011年4月6日 申請日期2010年10月22日 優先權日2010年10月22日
發明者姜濤, 張維光, 趙宏 申請人:西安交通大學