專利名稱：一種自由曲面類零件加工裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及加工技術領域，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裝置。
背景技術：
近年來，自由曲面類零件(如汽車覆蓋件和航空發動機葉片等)在汽車、飛機和家電等行業得到廣泛應用，實現自由曲面類零件的快速加工制造受到人們的普遍關注。針對待測目標，首先需要建立目標在機床坐標系與設計坐標系之間的位置關系。傳統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系使得設計坐標系中的加工文件在機床坐標系中生效；利用接觸式方法對加工后的產品進行接觸式測量，完成產品質量檢測。由于在不同平臺下執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，浙江大學提出了集成多傳感器測量數據進行仿形加工的方法和系統(專利申請號200610155284. 7)。然而，這種加工系統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銑削加工，對于單件、小批量生產來說，加工效率低且不滿足柔性制造的要求。此外，該系統無法在同一平臺下對精加工后的產品進行質量檢測。
發明內容本實用新型的目的是克服上述現有技術中的不足，提供一種基于多傳感器集成測量的自由曲面類零件加工裝置，滿足產品快速加工制造中涉及的“測量-加工-檢測” 一體化。本實用新型提供的一種自由曲面類零件加工裝置，其特征在于，該裝置包括第一移動式龍門架、第一滑塊、測量主軸、非接觸式傳感器、接觸式傳感器、第一直線導軌、機床、 第二移動式龍門架、第二滑塊、加工主軸、可拆卸銑刀、第二直線導軌、工作臺、夾具、標定球、第三直線導軌、數據處理器和PC機；第一移動式龍門架通過第一直線導軌安裝在機床上，第一滑塊安裝在第一移動式龍門架上，測量主軸安裝在第一滑塊上，測量主軸通過數據線與數據處理器連接；非接觸式傳感器和接觸式傳感器安裝在測量主軸上，接觸式傳感器通過數據線與PC機連接；第二移動式龍門架通過第二直線導軌安裝在機床上，第一、第二移動式龍門架相互平行，第二滑塊安裝在第二移動式龍門架上，加工主軸安裝在第二滑塊上，加工主軸通過數據線與數據處理器連接；可拆卸銑刀安裝在加工主軸上；工作臺通過第三直線導軌安裝在機床上，夾具和標定球固定安裝在工作臺上，且標定球與工作臺相對位置不變，工件通過夾具固定在工作臺上。與現有技術相比，本實用新型具有以下優點(1)本實用新型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、獲取數據量大的特點，快速計算出目標同設計坐標系的空間位置關系，用于生成機床坐標系下可直接應用的加工G代碼；另一方面，利用接觸式測量精度高的特點，對加工后的產品進行質量檢測。因此，與現有的加工裝置相比，本實用新型能在同一機床上實現“測量-加工-檢測” 一體化。(2)本實用新型通過直線導軌實現目標在曲面測量組件-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， 再將加工后的產品返回到曲面測量組件，執行接觸式測量。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，本實用新型特別適應于多品種、小批量自由曲面類零件的快速加工制造。總之，本裝置集成了非接觸式和接觸式兩種傳感器，在同一機床上實現“測量-加工-檢測” 一體化，整個過程無需人工干預，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裝置的結構簡視圖。圖2為基于多傳感器集成測量的自由曲面類零件加工裝置的工作流程圖。圖3是本實用新型裝置的一種具體實施方式
的結構示意圖。
具體實施方式
本實用新型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、獲取數據量大的特點，快速計算出目標同設計坐標系的空間位置關系，用于生成機床坐標系下可直接應用的加工G代碼；另一方面，利用接觸式測量精度高的特點，對加工后的產品進行質量檢測。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裝置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軌連接，實現目標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器，用于對非接觸式傳感器獲得的點云數據進行去噪、補洞和拼合等幾何處理，利用處理后的數據和已知的三維設計參數曲面，計算工件在當前工作臺與設計坐標系間的空間位置關系，從而將設計坐標系下生成的加工文件轉換到當前工作臺可直接執行的加工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，再將加工后的產品返回到接觸式傳感器，執行接觸式測量。質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，評價產品質量。本實用新型裝置的工作流程如圖2所示。
以下結合附圖和實施例對本實用新型提出的基于多傳感器集成測量的自由曲面類零件加工裝置做進一步詳細說明。應指出的是，所描述的實施例僅旨在便于對本實用新型的理解，而對其不起任何限制作用。凡是在本實用新型技術方案內進行的通常的變化和替換，均應列入本實用新型的保護范圍。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M、接觸式傳感器25和第一直線導軌沈；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、第二直線導軌75、工作臺31、夾具32、標定球34及第三直線導軌5。點云處理組件采用數據處理器 8，質量檢測組件采用PC機4。第一、第二移動式龍門架21、71分別通過第一、第二直線導軌沈、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M和接觸式傳感器25，接觸式傳感器25通過數據線與PC機4連接。可拆卸銑刀74安裝在加工主軸73上。數據處理器8通過數據線與測量主軸23及加工主軸73連接，從測量主軸23上獲取的數據，并對加工主軸73進行信息傳輸。工作臺31安裝在機床1上，通過第三直線導軌5可運動到加工位置6，夾具32和標定球；34安裝在工作臺31上，且標定球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、第二直線導軌沈、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，分別對應非接觸式傳感器M、接觸式傳感器25，第一、接觸式傳感器M、25可沿X、Y軸旋轉一定的角度；標定球34用于測量前對非接觸式傳感器對、接觸式傳感器25進行標定。第1步首先，將工件33放置在當前工作臺31上，采用非接觸傳感器M對工件33 進行測量。基于線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獲取工件33表面的三維數據。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生碰撞。第2步然后，將第1步掃描的點云數據輸入到數據處理器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據通常存在噪音、數據丟失和多個獨立的測量數據點集等。在數據處理器8中采用商業化的處理軟件去除噪音、修補空洞和數據拼合等，獲得完整的點云數據。利用該點云數據，采用ADF(Adaptive Distance Function)算法求解機床坐標系中工件33同設計坐標系中設計曲面的剛體變換參數g = (R，t)，其中R表示旋轉參數，t表示平移參數。進而，由g將設計坐標系下生成的加工文件轉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沿第三直線導軌5移動到加工位置6。由于工件33的位置發生了變化，需適當更新加工G代碼生成當前的刀具軌跡。沿計算的刀具軌跡，依次執行粗加工和精加工，即可獲得加工后的產品。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軌75、第二滑塊72和加工主軸73控制。[0029]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) 算法求解機床坐標系中產品同設計坐標系中設計曲面的剛體變換參數g' = (R' , t')。 在執行ADF迭代求解前，利用第2步計算的剛體變換參數g= (R，t)更新測量數據，可大大減少ADF迭代的次數，提高計算效率。ADF迭代穩定后，由g'計算高精度測點同設計參數曲面的均值誤差，并同預設的閥值進行比較，比已知閥值小則認為產品合格，否則認為產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動的精密滾珠絲杠運動機構控制，以保證運動精度和可靠性。由于伺服電機驅動的精密滾珠絲杠運動機構為本領域所熟悉，在此不再詳細描述。
權利要求1. 一種自由曲面類零件加工裝置，其特征在于，該裝置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)、第一直線導軌 (26)、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)、 第二直線導軌(75)、工作臺(31)、夾具(32)、標定球(34)、第三直線導軌(5)、數據處理器 (8)禾口 PC 機(4)；第一移動式龍門架(21)通過第一直線導軌(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)通過數據線與數據處理器(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)通過數據線與PC機(4)連接；第二移動式龍門架(71)通過第二直線導軌(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)通過數據線與數據處理器(8)連接；可拆卸銑刀(74)安裝在加工主軸(73)上；工作臺(31)通過第三直線導軌(5)安裝在機床(1)上，夾具(32)和標定球(34)固定安裝在工作臺(31)上，且標定球(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。
專利摘要本實用新型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裝置；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據進行幾何處理，將當前工作臺可直接執行的加工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品進行接觸式測量；質量檢測組件用于對接觸式傳感器獲得的測量數據進行誤差比較，獲得產品質量結果。本裝置集成了非接觸式和接觸式兩種傳感器，在同一機床上實現“測量-加工-檢測”一體化，整個過程無需人工干預，提高了加工效率和自動化程度。
文檔編號B23C3/00GK202317181SQ201120420398
公開日2012年7月11日 申請日期2011年10月28日 優先權日2011年10月28日
發明者吳謀虎, 尹周平, 李文龍 申請人:華中科技大學