面向数控车床的零件加工精度在线检测系统及检测方法

摘要

本发明是一种面向数控车床的零件加工精度在线检测系统及检测方法。检测系统包括卡盘、工件、车床测头，工件装在卡盘上，车床测头装在工件的旁侧，车床测头的信号输出端与检测系统的控制器连接。检测方法包括如下步骤：1）在工件的旁侧安装车床测头；2)车床测头的标定；3)规划基本几何体零件和曲面零件的测量路径及代码生成；4)检测系统的控制器对零件热变形温度误差进行补偿及进行加工误差分析。本发明在零件加工完成后无需离开机床，将车刀更换为接触式测头，根据被加工件的几何轮廓及检测项目，自动规划测头的检测路径，生成检测代码，通过与数控车床的通讯接口，驱动检测代码，实现被加工零件尺寸与形位精度的自动测量，提高工件的检测精度与效率。

说明书

技术领域

本发明是一种面向数控车床的零件加工精度在线检测系统及检测方法，尤其是一种针对具有自由曲线轮廓的回转体零件的加工精度进行快速检测、具有自动化检测功能的数控车床上加工零件的在线检测系统及检测方法，属于面向数控车床的零件加工精度在线检测系统及检测方法的创新技术。

背景技术

随着数控车床加工精度及曲线轮廓加工能力的提高和完善，对零件尺寸及轮廓形状的检测精度、检测效率也提出了进一步要求。但目前数控车床加工过程中，零件加工精度的检测主要是采用手工测量或离线检测方法，其检测效率低，检测稳定性差，且耗时长。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种设计合理，结构简单的面向数控车床的零件加工精度在线检测系统。

本发明的另一目的在于提供一种操作简便，可以提高数控车床工件批量生产的加工精度检测效率的面向数控车床的零件加工精度在线检测方法。

本发明的技术方案是：本发明的面向数控车床的零件加工精度在线检测系统，包括有卡盘、工件、车床测头，其中工件装设在卡盘上，车床测头装设在工件的旁侧，车床测头的信号输出端与检测系统的控制器连接。

上述车床测头采用触发式测头。

本发明面向数控车床的零件加工精度在线检测系统的检测方法，包括如下步骤：

1）在工件的旁侧安装车床测头；

2) 车床测头的标定；

3) 规划基本几何体零件和曲面零件的测量路径及代码生成；

4) 检测系统的控制器对零件热变形温度误差进行补偿及进行加工误差分析。

上述步骤1）安装车床测头的方法如下：车床测头的测头位置设置在X轴向和Z径向，X轴向即为刀架轴向，Z径向即为刀架径向。

上述步骤2）车床测头的标定方法如下：

21)首先用车刀精车出一个尺寸能精确测量出同心内圆或者同心外圆的圆环作为标定圆环；

22）对测量标定圆环的内径及外径与最初的精确测量值进行比较得出误差；

23）获取车床测头的X向从负到正移动时的修正值t1和偏心修正值e1；获取车床测头的X向从正到负移动时的修正值t2和偏心修正值e2，并将其写出机床刀具误差补偿内，在机床运动时进行补偿。

上述步骤3）中规划基本几何体零件和曲面零件的测量路径的方法如下，由于数控车床加工的零件为回转体，测量路径只要在二维平面上规划即可，按法向触发测量的原则，根据获取的样本检测点的位置、被测表面在测量处的法矢方向，自动生成测量路径；

31）对于标准几何体，直圆柱孔内径的检测，测量要素为内孔直径，获取零件测量起始与终止点坐标，输入内孔直径，需要采样点个数以及速度变化点高度，自动生成测量数控代码；

32）对于具有自由曲线轮廓的零件，轮廓上各点曲率不同，检测采样点法矢方向也不同，在生成检测代码时，利用AutoCAD工具获取检测采样点的垂线，其中测量垂线端点，测点坐标可通过抓取获得或自动遍历获得，测头速度变换点坐标由操作者设定的距工件接触点高度L计算得出，设速度变换点坐标为（Z_T，X_T），在获取样本检测点过程中同时得到测头直线运动最高点（11）和最低点（12）分别为（Z_n，X_n）和（Z_n-1，X_n-1），联立方程                                                和 ，其中，，计算得速度变换点坐标（Z_T，X_T），生成检测路径11→12→13→……→21→22。

上述步骤4）中对零件热变形温度误差进行补偿的方法如下：

由于在线检测的零件温度较高，会造成数据测量偏差，故需要对零件的热变形量进行预计算，对测量结果进行补偿，具体方法如下：

对于加工圆柱轴类零件热变形量的计算表达式有：，其中，D₀、h₀为圆柱轴类零件的直径、高度，α为材料热膨胀系数，为加工前后的温度差，，ρ为材料密度，E₀初始弹性模量，α_E为弹性模量的温度系数，若温度变化前圆柱轴的体积为V₀，当温度发生变化后，轴的几何尺寸发生变化，其直径、长度分别为D₁和h₁，且，温度变化后轴的体积为V₁，由于体积膨胀系数，因此有，在测量值分析计算过程中，将此热变形误差值补偿在所测量的加工零件直径中，得到零件在工作温度下的真实值。

上述步骤3）中，对于出现干涉或者碰撞的点，采用设置检测点时增加过渡点越过干涉点的方法。

上述步骤4）中，如零件还存在平面度、圆度、同轴度多项加工误差，检测系统的控制器通过从RS232接口获取机床测头返回的测量值，然后对测量值进行平面度或同轴度数据处理，确定被测对象的平面度、圆度、同轴度误差。

上述检测系统的控制器为计算机。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1）本发明操作简便，能自动生成测头检测用数控代码，可以提高数控车床工件批量生产的加工精度检测效率。

2）本发明可以解决自由曲线轮廓零件加工精度难以检测的问题，实现轮廓加工精度的自动检测与误差评价。

3）本发明解决检测技术滞后而带来的在生产过程中影响产品精度和生产效率的问题，提高生产线加工的柔性化。

本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的面向数控车床的零件加工精度在线检测系统及其检测方法。

附图说明

图1为本发明的车床测头在x向安装示意图。

图2为本发明的车床测头在z向安装示意图。

图3为本发明对于直圆柱孔的测量路径规划方法及检测代码生成的示意图。

图4为本发明对于自由曲线轮廓零件测量路径规划方法及检测代码生成的示意图。

图5为本发明的在线检测原理图。

图6为本发明的在线检测流程图。

在图中：1、卡盘 ，2～5、工件，6、车床测头， 7、测头位置。

具体实施方式

实施例：

本发明的结构示意图如图1、2、3、4所示，本发明的技术方案是：本发明的面向数控车床的零件加工精度在线检测系统，包括有卡盘1、工件、车床测头6，其中工件装设在卡盘1上，车床测头6装设在工件的旁侧，车床测头6的信号输出端与检测系统的控制器连接。本发明所述的工件分别为图1、图2、图3、图4中标注的工件2～5，工件2～5分别为不同形状的零件。

上述车床测头6采用触发式测头。

本发明面向数控车床的零件加工精度在线检测系统的检测方法，包括如下步骤：

1）在工件的旁侧安装车床测头6；

2) 车床测头6的标定；

3) 规划基本几何体零件和曲面零件的测量路径及代码生成；

4) 检测系统的控制器对零件热变形温度误差进行补偿及进行加工误差分析。

上述步骤1）安装车床测头6的方法如下：车床测头6的测头位置7设置在X轴向和Z径向，X轴向即为刀架轴向，Z径向即为刀架径向。

上述步骤2）车床测头6的标定方法如下：

21)首先用车刀精车出一个尺寸能精确测量出同心内圆或者同心外圆的圆环作为标定圆环；

22）对测量标定圆环的内径及外径与最初的精确测量值进行比较得出误差；

23）获取车床测头6的X向从负到正移动时的修正值t1和偏心修正值e1；获取车床测头6的X向从正到负移动时的修正值t2和偏心修正值e2，并将其写出机床刀具误差补偿内，在机床运动时进行补偿。

上述步骤3）中规划基本几何体零件和曲面零件的测量路径的方法如下，由于数控车床加工的零件为回转体，测量路径只要在二维平面上规划即可，按法向触发测量的原则，根据获取的样本检测点的位置、被测表面在测量处的法矢方向，自动生成测量路径；

31）对于标准几何体，直圆柱孔内径的检测，测量要素为内孔直径，获取零件测量起始与终止点坐标，输入内孔直径，需要采样点个数以及速度变化点高度，自动生成测量数控代码；

32）对于具有自由曲线轮廓的零件，轮廓上各点曲率不同，检测采样点法矢方向也不同，在生成检测代码时，利用AutoCAD工具获取检测采样点的垂线，其中测量垂线端点，测点坐标可通过抓取获得或自动遍历获得，测头速度变换点坐标由操作者设定的距工件接触点高度L计算得出，设速度变换点坐标为（Z_T，X_T），在获取样本检测点过程中同时得到测头直线运动最高点（11）和最低点（12）分别为（Z_n，X_n）和（Z_n-1，X_n-1），联立方程 和 ，其中，，计算得速度变换点坐标（Z_T，X_T），生成检测路径11→12→13→……→21→22。

上述步骤4）中对零件热变形温度误差进行补偿的方法如下：

由于在线检测的零件温度较高，会造成数据测量偏差，故需要对零件的热变形量进行预计算，对测量结果进行补偿，具体方法如下：

对于加工圆柱轴类零件热变形量的计算表达式有：，其中，D₀、h₀为圆柱轴类零件的直径、高度，α为材料热膨胀系数，为加工前后的温度差，，ρ为材料密度，E₀初始弹性模量，α_E为弹性模量的温度系数，若温度变化前圆柱轴的体积为V₀，当温度发生变化后，轴的几何尺寸发生变化，其直径、长度分别为D₁和h₁，且，温度变化后轴的体积为V₁，由于体积膨胀系数，因此有，在测量值分析计算过程中，将此热变形误差值补偿在所测量的加工零件直径中，得到零件在工作温度下的真实值；

上述步骤3）中，对于出现干涉或者碰撞的点，采用设置检测点时增加过渡点越过干涉点的方法。

上述步骤4）中，如零件还存在平面度、圆度、同轴度多项加工误差，检测系统的控制器通过从RS232接口获取机床测头返回的测量值，然后对测量值进行平面度或同轴度数据处理，确定被测对象的平面度、圆度、同轴度误差。

本实例中，上述检测系统的控制器为计算机。

本发明的工作原理如下：本发明的目的是把数控车床和接触式检测装置有机结合起来，开发出了面向车床加工零件的在线自动检测系统，解决数控车床上被加工零件的快速自动化检测问题。该系统在零件加工工序完成之后，直接将车刀更换为接触式测头，根据被加工件的几何轮廓及检测项目，自动规划测头的检测路径，生成检测代码，通过与数控车床的通讯接口，驱动检测代码，实现被加工零件尺寸与形位精度的自动测量，从而提高加工工件的检测精度与效率。

本发明的具体功能包括：

① 根据零件的几何特征选择适合的测量代码生成方式：面向几何特征的基本宏程序检测和面向自由曲面零件的检测路径生成。

② 根据零件检测的项目及精度要求，设定测量系统的参数。

③ 系统自动规划测头检测路径，生成检测用数控代码。

④ 检测路径及检测代码通过RS232通讯接口，实现检测系统与车床数控系统的通讯。

⑤ 对返回的测量值进行误差计算与评价，获得几何特征及曲线轮廓零件的加工精度，输出测量报告。

⑥ 对被加工零件的热变形量进行预计算，并对测量结果进行补偿

此外，零件还存在多项加工误差。本发明由计算机通过从RS232接口获取机床测头返回的测量值，然后对测量值进行平面度或同轴度数据处理，可以确定被测对象的平面度、圆度、同轴度等误差。

本发明面向不同零件及特征，实现面向几何特征和自由曲线轮廓不同检测项目的检测代码自动生成、测量点数据反馈、误差分析报告生成及热变形补偿等功能，其具体检测流程如图6所示。