一种复杂曲面变形在线检测及五轴补偿加工方法与流程

1.本发明属于曲面加工技术领域，涉及一种复杂曲面变形在线检测 及五轴补偿加工方法，适用于装备在五轴数控加工中心上的触发式测 头实时测定捕捉不空间复杂曲面上的任意点在其法矢量方向上的实 际位置，并根据测量值计算出与理论值的偏差，并进行测头半径修正， 补偿至零件加工程序，实现复杂曲面变形在线检测及五轴补偿加工。


背景技术：

2.在现今数控技术加工领域，利用触发式测头对零件实行在线检测 及其自动补偿加工技术已成熟应用，但现今的测量范围还仅限于以三 轴定向模式对2d特征进行测量与计算，随着该技术在先进的五轴设 备上大量使用，三轴定向测量模式已无法满足零件的复杂曲面特征测 量。


技术实现要素：

3.(一)发明目的
4.本发明的目的是：为满足五轴设备在复杂曲面特征测量方面的紧 迫需求，本发明开发一种复杂曲面变形在线检测及五轴补偿加工方 法，并进行测头半径修正，补偿至零件加工程序，实现复杂曲面变形 在线检测及五轴补偿加工。
5.(二)技术方案
6.为了解决上述技术问题，本发明提供一种复杂曲面变形在线检测 及五轴补偿加工方法，复杂曲面为零件不规则型面，在零件不规则型 面上加工型面法矢方向的孔，零件外型面与理论型面存在偏差，加工 过程中，在每个孔位置测量该点的法矢方向上的偏差值，将偏差值补 偿至每个孔的轴向进行加工。
7.在线检测及五轴补偿加工方法包括以下操作步骤：
8.s1：确定零件不规则型面上要测量的点和每个点对应的起始点的 点集，其中包括每个测量点的起始点a点坐标(x1,y1,z1)和理论点b 点坐标(x3,y3,z3)以及确定测量的安全距离s和越程距离d；
9.s2：计算安全点b’和越程点b”的坐标值；b’点是机床上测头定 位至理论点b点位上方的安全点，b“点是测头的实际移动终点；
10.s3：测头执行测量动作，记录测量点的实际位置坐标b"
实测
，计 算出实测点b"
实测
距安全点b’的实际距离|b'b"|
实测
；
11.s4：计算实际距离与理论距离偏差值p：p＝|b'b"|
实测-s；
12.s5：根据偏差值测量方式不同分别将不同的测头半径修正值rz和 rj补偿至偏差值p中，得到修正偏差值p
修
，rz为测头轴向半径修正值， rj为测头径向半径修正值；
13.s6：将修正偏差值p
修
补偿至零件加工中，达到零件补偿加工的 效果。
14.步骤s1中，使用nx或cam软件对零件不规则型面上要测量的点 和每个点对应的起始点的点集进行输出。
15.步骤s2中，安全点b’和越程点b”的坐标值的计算步骤如下：
16.(1)根据公式ab＝(x
3-x1,y
3-y1,z
3-z1)求测量法 矢
17.(2)求测量法矢长度d；
18.(3)将d带入下式，求单位法矢
[0019][0020]
(4)将s与d带入下式，分别计算安全点b’和越程点b“的坐标 值：
[0021][0022][0023]
步骤s2中，法矢长度d的计算公式为：
[0024][0025]
步骤s3中，通过编制测头移动的nc程序使测头执行测量动作。
[0026]
步骤s3中，实际距离|b'b"|
实测
的测量方法与步骤s2中计算长度 d的方法相同。
[0027]
步骤s3中，测头测量动作的过程为：
[0028]
(1)测头定位至起始点；
[0029]
(2)测头运行至安全点；
[0030]
(3)以设定测量速度朝向越程点移动；在此过程中，触碰到零 件时，测头停止运行并记录测头此时位置点坐标；
[0031]
(4)计算测头停止点至安全点的距离值；
[0032]
(6)测头回退至安全点；
[0033]
(7)测头复位至起始点。
[0034]
步骤s5中，rz有一个，通过测头标准的长度标定获得；rj根据测 头的标定角度有多个值，通过测头标准的半径标定获得。
[0035]
步骤s5中，采用局部坐标系的方式将非正交姿态转换为局部正 交姿态进行五轴测量时，修正偏差值p
修
＝p rz；采用全局坐标系进行 五轴非正交测量时，rj为多个测头径向半径修正值的算术平均值，修 正偏差值p
修
＝p rj＝p (r1 r2 ...rn)/n。
[0036]
(三)有益效果
[0037]
上述技术方案所提供复杂曲面变形在线检测及五轴补偿加工方 法，具有如下有益效果：
[0038]
(1)突破了复杂曲面五轴在线补偿的行业技术瓶颈；
[0039]
(2)用向量转换的方式大大简化了输入变量；
[0040]
(3)使用参考点省去了补偿向量方向的判定过程，提高了算法 效率；
[0041]
(4)考虑了测头半径在各个方向上的动态误差，提高了补偿精 度。
附图说明
[0042]
图1为测头的五轴检测测量方式一示意图。
[0043]
图2为测头的五轴检测测量方式二示意图。
[0044]
图3为复杂曲面变形在线检测及五轴补偿加工局部示意图。
[0045]
图4为本实施例不规则零件外型面上加工型面法矢方向孔的示意 图。
[0046]
图5为本实施例中测头路径示意图，其中a局部的放大图如图3所 示。
[0047]
具体实施方式
[0048]
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施 例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
[0049]
本发明不同于传统的测量动作与软件，只能执行三轴定向检测模 式，而是通过使用nx或其他cam软件，对零件空间复杂曲面上要测 量的点和每个点对应的起始点的点集进行输出，编制程序路径使得测 头沿着起始点指向测量点的型面法向移动，通过这种空间移动测量得 出测量点在型面法向矢量上的偏差值，由此实现测头的五轴检测，该 检测有两种测量方式，分别如图1和图2所示。
[0050]
测量方式一为：采用局部坐标系的方式将非正交姿态转换为局部 正交姿态进行五轴测量。这种测量方式适用于数控系统支持采用局部 坐标系进行在线测量，并且零件、工装、机床空间位置允许测头进行 摆角和测量的情况。
[0051]
测量方式二为：采用全局坐标系进行五轴非正交测量。这种测量 方式适用于数控系统不支持局部坐标系的在线测量系统，或者由于零 件、工装、机床的空间位置关系，不允许测头进行摆角和测量的情况。
[0052]
传统的测头补偿方式只能在平行于坐标系的正交法向上进行数 值补偿，而本发明是通过数学方式计算解得每个点在其法矢量方向上 的偏差距离与方向，根据向量方向确定补偿符号，根据向量长度确定 补偿数值，根据测头运动作用半径确定补偿修正值，最终实现测头在 非正交方向上的修正补偿。
[0053]
图4为本发明方法的流程图，对输出至数控系统用户变量中的各 个值在零件的数控加工nc程序中进行调用与处理，实现加工程序对 零件在法矢量方向上的补偿加工。
[0054]
s1：使用nx或其他cam软件对零件不规则型面上要测量的点和 每个点对应的起始点的点集进行输出，参考上面的(a局部图)示意， 在这里，我们将得到每个测量点的起始点a点坐标(x1,y1,z1)和理论 点b点坐标(x3,y3,z3)以及确定测量的安全距离s和越程距离d
(这两 个值为缺省值，由用户自定义)，并将其作为输入信息进行下面步骤 的计算；
[0055]
s1：使用nx或其他cam软件对零件不规则型面上要测量的点和 每个点对应的起始点的点集进行输出，参考上面的(a局部图)示意， 在这里，我们将得到每个测量点的起始点a点坐标(x1,y1,z1)和理论 点b点坐标(x3,y3,z3)以及确定测量的安全距离s和越程距离d(这两 个值为缺省值，由用户自定义)，并将其作为输入信息进行下面步骤 的计算；
[0056]
s2：计算安全点b’和越程点b“的坐标值。b’点是测头快速定位至 测量目标点位上方的安全点，b“点是测头的实际移动终点，由于零件 变形，测头若移动至理论点b有可能接触不到零件，因此添加越程距 离d使测头移动至越程点b“确保测头能够接触到零件，计算步骤如下 所示：
[0057]
(1)根据公式ab＝(x
3-x1,y
3-y1,z
3-z1)求测量法 矢
[0058]
(2)求测量法矢长度d：
[0059][0060]
(3)将d带入下式，求单位法矢
[0061][0062]
(4)将缺省值s与d带入下式，分别计算安全点b’和越程点 b“的坐标值，
[0063][0064][0065]
s3：通过编制测头移动的nc程序使测头执行测量动作，记录测 量点的实际位置坐标b"
实测
，同上一步骤中计算长度d方法一样计 算出实测点b"
实测
距安全点b’的实际距离
[0066]
测头测量动作：
[0067]
(1)测头g00快速定位至起始点；
[0068]
(2)快速运行至安全点；
[0069]
(3)以测量速度f50朝向越程点慢速移动；
[0070]
(4)在此过程中，触碰到零件，测头停止运行并记录测头此时 位置点坐标；
[0071]
(5)计算测头停止点至安全点的距离值；
[0072]
(6)测头快速回退至安全点；
[0073]
(7)测头快速复位至起始点。
[0074]
s4：计算与理论距离偏差值p：
[0075]
s5：根据测量方式不同分别将不同的测头半径修正值rz和rj补偿 至偏差值p中，rz为测头轴向半径修正值，只有一个，可通过执行测 头标准的长度标定程序获得；rj为测头径向半径修正值，根据测头的 标定角度有多个值，可通过执行测头标准的半径标定程序获得。
[0076]
(1)若使用测量方式一，修正偏差值p
修
＝p rz；
[0077]
(2)若使用测量方式二，rj为多个测头径向半径修正值的算术 平均值，修正偏差值p
修
＝p rj＝p (r1 r2 ...rn)/n
[0078]
s6：将修正偏差值p
修
通过修改数控nc程序点位或修改刀具参 数、坐标系参数等方式补偿至零件加工中，达到零件补偿加工的效果。
[0079]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领 域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以 做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。