一种模块化数控车床加工精度快速检测装置与检测方法

摘要

本发明属于机械设备检测与应用领域，涉及一种模块化数控车床加工精度快速检测装置与检测方法；检测装置，包括骨架模块、线激光检测模块和光纤探头检测模块；线激光检测模块包括线激光发射端、线激光接收端和内齿轮圈；光纤探头检测模块包括电路板外壳、粗糙度光纤探头、测距激光探头和金属触针；电路板外壳、粗糙度光纤探头、固定支柱为一个整体；测距激光探头、金属触针为一个整体；检测装置的检测方法：安装线激光检测模块检测工件的圆度与径向跳动；安装光纤探头检测模块检测工件的表面粗糙度、轴向跳动和车端面精度；本发明在不改变工件的装夹关系的前提下，实时在线检测被加工件的形状误差、回转误差以及表面粗糙度、车削端面精度，方便快捷。

说明书

技术领域

本发明属于机械设备检测与应用领域,涉及一种对加工零件精度检测的装置与检测方法，具体涉及一种模块化数控车床加工精度快速检测装置与检测方法。

背景技术

传统数控车床加工出的回转类零件，加工精度基本上是通过提高数控车床的整体精度来保证。一般对车削工件进行精度检测时，工件的形状误差需要通过停机打表的方式进行测量，工件表面粗糙度的检测则需要将工件从数控机床上拆除，放置于专用平台上检测，而工件的跳动误差需要停机手动选择合适的位置多次安装传感器。以上指标的检测需要多种专业的检测仪器和设备，增加了企业成本。更重要的是，这种检测方式必须要经过工件的拆装、仪器设备的调试等环节，费时费力，极大的降低了产品的生产率。因此，出于成本和效率等因素的考虑，工厂只能进行小批抽样检测，很难实时掌握工件的加工精度。另外，对于重要工件，需在某工序加工过程中进行精度检测，其停机拆装检测的方式甚至会影响二次安装后工件的定位精度，降低工件加工精度和产品一致性。针对机床加工过程的精度指标在线检测技术，英国雷尼绍公司等的设备检测厂家研制了用于加工中心电主轴的接触式位置测头的智能检测刀柄，实现在线位置精度的检测。但是在数控车床领域，并未检索到能够借助数控车床运动系统实现加工件的几何精度、表面粗糙度以及跳动误差三类指标联合实时在线检测的装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是在不拆卸工件安装的前提下，实时检测数控车床加工件的形状误差、跳动误差以及车削表面粗糙度等性能指标。本发明所述的装置能够快速安装在数控刀架上，依托数控车床运动系统的灵活性与准确性，实现数控车床所加工件的加工精度进行在线检测的装置。

为了检测车削工件的形状精度和跳动误差中的径向跳动，本发明装置创造性的设计了旋转式线激光检测装置对工件进行快速检测，通过工件旋转与装置旋转两次检测实现误差分析，与现有方法相比，提高了检测的准确性与效率。为了测量工件的表面粗糙度，本发明装置设计了可定向移动的光纤探针，避免了传统触针式粗糙度测量对工件表面的损伤。

本发明装置在结构上进行了模块化设计：设计了可旋转线激光检测模块，可以检测工件车削圆度及径向跳动；设计了光纤探头检测模块，可以检测工件的车削表面粗糙度、轴向跳动以及端面的平面度和相对工件轴线垂直度，根据检测需要灵活地满足加工需要。在检测装置的运动路径设计中，本发明装置内置了两个小电机，同时结合数控系统中刀架自身的移动，实现多自由度运动，快速完成检测任务。

一种模块化数控车床加工精度快速检测装置，包括骨架模块1-1、线激光检测模块1-2和光纤探头检测模块1-3三大部分；

所述线激光检测模块1-2安装固定在骨架模块1-1上；所述光纤探头检测模块1-3安装固定在骨架模块1-1的外侧面。

所述线激光检测模块1-2包括线激光发射端1-2-1a、线激光接收端1-2-1b和内齿轮圈1-2-2；

所述线激光发射端1-2-1a和线激光接收端1-2-1b分别与内齿轮圈1-2-2两端连接且相对内齿轮圈轴心对称，线激光发射端1-2-1a和线激光接收端1-2-1b相对内齿轮圈轴线对称；

所述光纤探头检测模块1-3包括传动件1-3-5、电路板外壳1-3-9、粗糙度光纤探头1-3-10、固定支柱1-3-11、测距激光探头1-3-12和金属触针1-3-13；

所述电路板外壳1-3-9、粗糙度光纤探头1-3-10、固定支柱1-3-11为一个整体，并固定连接在传动件1-3-5上；

所述测距激光探头1-3-12、金属触针1-3-13为一个整体，插入固定支柱1-3-11并用弹簧分隔。

技术方案中所述骨架模块1-1外侧面布置开关按钮1-1-1、电源显示灯1-1-2和无线发射装置1-1-3；骨架模块1-1的内部设置电池及电源控制电路。

技术方案中所述线激光检测模块1-2还包括驱动齿轮1-2-3、皮带轮减速装置1-2-4、步进驱动电机1-2-5和固定支架1-2-6；

所述骨架模块1-1设有平头端K，平头端K设有凹槽，所述内齿轮圈1-2-2以平头端K的凹槽为导向槽，通过固定支架1-2-6固定；

所述步进驱动电机1-2-5与皮带轮减速装置1-2-4连接，步进驱动电机1-2-5通过皮带轮减速装置1-2-4将动力传到驱动齿轮1-2-3，驱动齿轮1-2-3与内齿轮圈1-2-2啮合；所述皮带轮减速装置1-2-4、步进驱动电机1-2-5安装在骨架模块1-1平头端K的内侧面F上。

技术方案中所述光纤探头检测模块1-3还包括步进电机1-3-1、垫铁1-3-2、滑套1-3-3、面板1-3-4、丝杠导轨1-3-6、外壳体1-3-7；

所述步进电机1-3-1与外壳体1-3-7固定，步进电机1-3-1中间装有垫铁1-3-2，限制丝杠导轨1-3-6的轴向移动；

传动件1-3-5与丝杠导轨1-3-6螺纹连接，把转动变成直线运动；

面板1-3-4通过螺钉安装在外壳体1-3-7上，面板1-3-4上有凸台，使传动件1-3-5沿凸台上下滑动；

所述滑套1-3-3安装在丝杠导轨1-3-6上，并且与电机1-3-1的输出轴相连。

一种模块化数控车床加工精度快速检测装置的检测方法，安装线激光检测模块1-2检测工件的圆度与工件的径向跳动，具体检测方法为：

检测工件的圆度，包括以下步骤：

(1)机床刀架做进给运动，使工件处于线激光工作有效区域；

(2)工件不转，步进驱动电机1-2-5驱动内齿轮圈1-2-2旋转,工作时从一个极限转到另一个极限，从位置1转到位置2，线激光发射端1-2-1a沿工件径向发射线激光，线激光接收端1-2-1b接收未被工件挡住的线激光可知阴影部分长度即此位置下工件检测位置的直径；

(3)以旋转初始位置为基点建立旋转角度与阴影长度对应关系，得到工件径向轮廓，并将数据传入计算机；

(4)使用计算机对数据进行分析处理并保存结果。

检测工件的径向跳动，包括以下步骤：

(1)刀架移动使工件处于线激光工作区域；

(2)线激光不动，工件转动，以线激光接收端(1-2-1b)初始位置检测得到的阴影线段左端点作为检测数据的基点，对应工件的转动角度，得到每个旋转角度下检测得到阴影线段左端点偏离基点的距离；

(3)当检测得到工件一周的数据时即可得到数控车床所加工零件径向跳动数据并将数据传入计算机；

(4)使用计算机对数据进行分析处理并保存结果。

一种模块化数控车床加工精度快速检测装置的检测方法，安装光纤探头检测模块1-3检测工件的表面粗糙度、轴向跳动和车削端面精度；具体检测方法为：

检测工件的表面粗糙度，包括以下步骤：

(1)刀架移动，使金属触针1-3-13接触工件并压缩设定距离；

(2)步进电机1-3-1驱动丝杠导轨1-3-6，使金属顶针1-3-13上下滑动并将伸缩数据传入计算机；

(3)计算得到数据的最大值点即对应工件的水平径向位置，调节粗糙度光纤探头1-3-10至工件水平径向位置且相距工作距离；

(4)沿轴向检测并将检测数据传入计算机；

(5)使用计算机对数据进行分析处理并保存结果；

检测工件的轴向跳动，包括以下步骤：

(1)刀架移动，使测距激光探头1-3-12处于目标位置并垂直正对待测端面并间距设定距离；

(2)当使工件转动时，即时检测机床的轴向跳动；

(3)将测距激光探头1-3-12所测得数据传入计算机，处理得机床加工零件时的轴向跳动；

(4)使用计算机对数据进行分析处理并保存结果；

检测工件的车削端面精度，包括以下步骤：

(1)刀架进给运动，使测距激光探头1-3-12移动至待测端面附近；

(2)探头沿预定路线垂直于待测端面运动检测，并在待测端面取点测量，应注意测点尽量均布待测端面且不在一条直线上；

(3)最终将检测数据传入计算机；

(4)使用计算机对数据进行分析处理并保存结果。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1、本发明所述的模块化数控车床加工精度快速检测装置可通过设计的夹紧装置，快速安装在数控刀架的任意空刀位上，作为刀架系统的一部分共享数控车床自身的运动系统。

2、本发明所述的模块化数控车床加工精度快速检测装置充分利用了数控刀架刀盘的剩余空间，在设计时充分考虑了模块化需求，可以根据现场需要选择安装模块。

3、本发明所述的模块化数控车床加工精度快速检测装置，能够在不改变工件的装夹关系的前提下，实时在线检测被加工件的形状误差、回转误差以及表面粗糙度、车削端面精度，方便快捷。

4、本发明所述的模块化数控车床加工精度快速检测装置的检测方法实现了对数控车床加工件的免拆卸快速检测，检测精度高，数据可靠。

附图说明

图1为本发明所述模块化数控车床加工精度快速检测装置整体示意图；

图2为本发明所述夹紧垫铁主视图；

图3为本发明所述模块化数控车床加工精度快速检测装置正面轴测图；

图4为本发明所述模块化数控车床加工精度快速检测装置后部轴测图；

图5为本发明所述线激光检测模块主视图；

图6为本发明所述线激光检测模块俯视图；

图7为本发明所述光纤探头检测模块轴测图；

图8为本发明所述光纤探头检测模块主视图；

图9为本发明所述光纤探头检测模块俯视图；

图10为本发明所述模块化数控车床加工精度快速检测装置检测方法流程图；

图中：

A表示工件；B表示位置1；C表示位置2；D表示螺钉；E表示外侧面；F表示内侧面；G表示圆端头；K表示平端头；

1.模块化数控车床加工精度快速检测装置，1-1.骨架模块，1-1-1.开关按钮，1-1-2.电源显示灯，1-1-3.无线发射装置，1-2.线激光检测模块，1-2-1a.线激光发射端，1-2-1b.线激光接收端，1-2-2.内齿轮圈，1-2-3.驱动齿轮，1-2-4.皮带轮减速装置，1-2-5.步进驱动电机，1-2-6.固定支架，1-3.光纤探头检测模块，1-3-1.步进电机，1-3-2.垫铁，1-3-3.滑套，1-3-4.面板，1-3-5.传动件，1-3-6.丝杠导轨，1-3-7.外壳体，1-3-8.安装支架，1-3-9.电路板外壳，1-3-10.粗糙度光纤探头，1-3-11.固定支柱，1-3-12.测距激光探头，1-3-13.金属触针，2.垫铁，3.刀架，3-1.刀盘，3-2.刀杆。

具体实施方式

参阅图3与图4，本发明所述的加工精度快速检测装置分为骨架模块1-1、线激光检测模块1-2、光纤探头检测模块1-3三大部分。

参阅图3，骨架模块1-1圆头端侧表面布置了包括开关按钮1-1-1、电源显示灯1-1-2以及无线发射装置1-1-3三个功能部件且三功能部件布置在外侧面，更便于操作。而骨架模块1-1的内部空间设计安装有电池及电源控制电路。垫铁2可辅助用于将骨架模块1-1安装至数控刀架的刀位。

参阅图4与图5，线激光检测模块1-2包括线激光发射端1-2-1a，线激光接收端1-2-1b，内齿轮圈1-2-2，驱动齿轮1-2-3，皮带轮减速装置1-2-4，步进驱动电机1-2-5以及固定支架1-2-6。骨架模块1-1平头端K的凹槽作为线激光检测模块1-2中零件内齿轮圈1-2-2的导向槽并通过固定支架1-2-6用螺钉安装固定，皮带轮减速装置1-2-4、步进驱动电机1-2-5用螺钉安装在骨架模块1-1平头端K的内侧面F，由此即把线激光检测模块1-2安装到骨架模块1-1上。

参阅图7、图8与图9，光纤探头检测模块1-3包括步进电机1-3-1，垫铁1-3-2，滑套1-3-3，面板1-3-4，传动件1-3-5，丝杠导轨1-3-6，外壳体1-3-7，安装支架1-3-8，电路板外壳1-3-9，粗糙度光纤探头1-3-10，固定支柱1-3-11，测距激光探头1-3-12以及金属触针1-3-13。光纤探头检测模块1-3通过安装支架1-3-8用螺钉安装在骨架模块1-1的外侧面E，安装前骨架模块1-1的外侧面E即打好螺纹孔。滑套1-3-3安装在丝杠导轨1-3-6上并且在靠近电机1-3-1端，保证丝杠导轨1-3-6在外壳体1-3-7上良好转动。垫铁1-3-2将步进电机1-3-1与丝杠导轨1-3-6隔开，并且可以顶紧滑套1-3-3，避免步进电机1-3-1工作时受到丝杠导轨1-3-6的冲击。

参阅图1，该图表示了在线检测装置在刀架上的安装位置。可在刀架上的空余刀位，借助刀架自身的夹紧装置安装本发明所述装置。为使安装配合更牢固紧凑，专门设计了横截面为楔形的夹紧垫铁，如图2所示。垫铁2布置在骨架模块1-1上下两面各一个，安装时锥口朝向刀位，参阅图3、图4。

参阅图4、图5与图6，骨架模块1-1平头端的凹槽作为线激光检测模块1-2的导向槽，通过固定支架1-2-6用螺栓把线激光检测模块1-2安装固定在骨架模块1-1的平头端；光纤探头检测模块1-3通过安装支架1-3-8用螺栓固定在骨架模块1-1的外侧面E。

参阅图4，在具有旋转能力的线激光检测模块1-2中，步进驱动电机1-2-5通过皮带轮减速装置1-2-4将动力传到驱动齿轮1-2-3，驱动齿轮1-2-3与内齿轮圈1-2-2啮合。内齿轮圈1-2-2带动线激光发射端1-2-1a和线激光接收端1-2-1b转动，利用步进驱动电机1-2-5的自锁固定旋转角度。步进驱动电机1-2-5通过螺钉与皮带轮减速装置1-2-4连接，线激光发射端1-2-1a和线激光接收端1-2-1b分别与内齿轮圈1-2-2两端连接且相对内齿轮圈轴心对称。

参阅图5，当检测工件的圆度时，机床刀架进给系统运动即在导轨丝杠副下的x、y进给运动，使得工件轴线与线激光发射端1-2-1a和线激光接收端1-2-1b的工作中心平面重合，步进驱动电机1-2-5驱动内齿轮圈1-2-2旋转，从位置1转到位置2，并在线激光发射端1-2-1a和线激光接收端1-2-1b设置极限开关，工作时从一个极限转到另一个极限，线激光发射端1-2-1a沿工件径向发射线激光，另一侧线激光接收端1-2-1b接收未被工件挡住的线激光，得到阴影部分长度，可知阴影部分长度即此位置下工件检测位置的直径；以旋转初始位置为基点建立旋转角度与阴影长度对应关系，即得到工件径向轮廓，从而得到工件圆度。

参阅图5，当检测工件径向跳动时，以线激光接收端1-2-1b在工件初始位置检测得到的阴影线段部分的左端点作为检测数据的基点，当线激光发射端1-2-1a和线激光接收端1-2-1b不动而工件转动时，对应工件的转动角度，得到每个旋转角度下检测得到阴影线段左端点偏离基点的偏移距离，当检测得到工件一周的数据时即可得到工件径向跳动数据。当检测工件圆度的工件初始位置与检测工件的径向跳动的初始位置相同时，所检测得到的工件径向跳动数据，可以从径向跳动数据中分离出工件的圆度误差，提高检测精度。

参阅图7与图8、图9，光纤探头检测模块1-3能够实现装置对加工件车削表面、轴向跳动以及车削端面垂直度与平面度的在线检测。安装支架1-3-8是光纤探头检测模块1-3与骨架模块1-1的连接件，通过螺栓将光纤探头检测模块1-3固定于骨架模块1-1的外侧面。

光纤探头检测模块1-3通过安装支架1-3-8安装在骨架模块1-1的外侧面E上；

步进电机1-3-1与外壳体1-3-7固定，步进电机1-3-1中间装有垫铁1-3-2，限制丝杠导轨1-3-6的轴向移动，以避免导轨对步进电机1-3-1主轴的冲击。传动件1-3-5与丝杠导轨1-3-6螺纹连接，把转动变成直线运动。面板1-3-4通过螺钉安装在外壳体1-3-7上，面板1-3-4上有凸台，使传动件1-3-5沿凸台上下滑动。电路板外壳1-3-9、粗糙度光纤探头1-3-10、固定支柱1-3-11为一个整体，并通过螺栓固定连接在传动件1-3-5上。测距激光探头1-3-12、金属触针1-3-13为一个整体，并且插入固定支柱1-3-11，且设有弹簧分隔，使该测距激光探头1-3-12、金属触针1-3-13整体能在外力作用下沿固定支柱1-3-11内表面滑动，并可以受弹簧力作用而恢复。

所述的检测方法流程图如图10所示，首先需要根据待检测项目选择检测模块，并将选择的线激光检测模块或光纤探头检测模块安装在所述骨架模块1-1上。

安装线激光检测模块1-2可以检测工件的圆度与工件的径向跳动。

当检测工件的圆度时:

(1)机床刀架做进给运动使工件处于线激光工作有效区域；

(2)工件不转，步进驱动电机1-2-5驱动内齿轮圈1-2-2旋转,工作时从一个极限转到另一个极限，线激光发射端1-2-1a沿工件径向发射线激光，线激光接收端1-2-1b接收未被工件挡住的线激光可知阴影部分长度即此位置下工件检测位置的直径；

(3)以旋转初始位置为基点建立旋转角度与阴影长度对应关系，即得到工件径向轮廓，并将数据传入计算机；

(4)使用计算机对数据进行分析处理并保存结果。

当检测工件的径向跳动时:

(1)刀架移动使工件处于线激光工作区域；

(2)线激光发射端1-2-1a和线激光接收端1-2-1b不动，工件转动，以线激光接收端1-2-1b初始位置检测得到的阴影线段左端点作为检测数据的基点，对应工件的转动角度，得到每个旋转角度下检测得到阴影线段左端点偏离基点的距离；

(3)当检测得到工件一周的数据时即可得到数控车床所加工零件径向跳动数据并将数据传入计算机；

(4)使用计算机对数据进行分析处理并保存结果。

安装光纤探头检测模块1-3可检测工件表面粗糙度、轴向跳动以及车削端面精度。

在对工件车削表面进行粗糙度的检测时:

(1)刀架移动使金属触针1-3-13接触工件并压缩一定距离；

(2)步进电机1-3-1驱动丝杠导轨1-3-6，使金属顶针1-3-13上下滑动并将伸缩数据传入计算机；

(3)计算得到数据的最大值点即对应工件的水平径向位置，调节粗糙度光纤探头1-3-10至工件水平径向方向且相距工作距离；

(4)沿轴向检测并将检测数据传入计算机；

(5)使用计算机对数据进行分析处理并保存结果。

当检测工件的轴向跳动时:

(1)刀架移动使测距激光探头1-3-12处于目标位置并垂直正对待测端面并间距一定距离；

(2)当使工件转动时，即时检测机床的轴向跳动；

(3)将测距激光探头1-3-12所测得数据传入计算机，处理得机床加工零件时的轴向跳动；

(4)使用计算机对数据进行分析处理并保存结果。

当检测工件的端面精度时：

(1)刀架移动使测距激光探头移动至待测端面附近并垂直端面；

(2)探头沿预定路线在端面多处取点测量，且测点尽量均布待测端面；

(3)最终将检测数据传入计算机；

(4)使用计算机对数据进行分析处理并保存结果。