一种异形壳体内形面在线测量-误差修正装置及方法与流程

1.本发明属于机械异形零件加工技术领域，具体涉及一种异形壳体内形面在线测量-误差修正装置及方法。


背景技术：

2.这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
3.随着工业科技和设备的不断发展和更新，传统的基本零件和机械加工方式并不能满足产品功能的需求，越来越多的异形零件根据使役要求通过工业软件等方式被设计出。当异形件被设计后进行加工时，通过复杂的程序和专用的夹具，采用车、铣、磨等方式进行加工。异形件对于机械加工尺寸精度和表面质量精度较高，所以该类零件加工周期长、成品率底。
4.机械加工难以避免像夹具误差、定位误差、机床误差等影响下造成的机械零件的误差。为提高异形件零件机械加工尺寸精度，提高异形件合格率和加工效率，对异形零件的机械加工尺寸的测量技术提出了更高的需求。现有的测量和误差补偿技术，多是在某一工序完成后，将工件从夹具中取出进行测量标记后，再次放入夹具进行人为修正。这种方式不可避免的会再次引入其他随机误差，例如夹具的二次装夹误差。
5.机械加工表面尺寸精度测量及可视化成为了必然趋势，目前广泛应用的测量方式可以分为接触式测量和非接触式测量。其中接触式测量主要是通过三坐标测量机或者卡尺、直尺等方式测量，三坐标测量机设备及探头价格较高且操作难度大、卡尺或直尺等人工直接测量方式具有较大的测量偏差。其中非接触式测量主要方式有：图像视觉、激光点阵扫描法和工业ct法，机器视觉方式具有很好的异形件外形面测量精度，但是对于内形面却难以进行准确测量，且难以对于表面颜色较浅的材料的工件进行尺寸边界识别；基于工业ct原理测量的装置价格昂贵，难以实现在线测量并不可避免的引入二次装夹误差。
6.针对具有空腔的异形壳体在线测量技术进行研究，发明人发现，现有在线测量装置多为外形面测量装置，针对内形面的测量时，接触式测量方式探头难以深入、机器视觉方式难以实现(光线不足、拍照难以确定基准)，多采用工业ct等装置进行测量，但难以实现在线测量、测量成本较高。综合分析现有机械加工尺寸测量装置原理，现有测量装置功能较为独立，即非在线测量、难以实现补偿。


技术实现要素：

7.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种异形壳体内形面在线测量-误差修正装置及方法，该装置通过距离监测装置的电动推杆带动位移监测元件偏转以变换其监测方向，可以逐步对异形壳体内表面各纵截面表面点与位移监测元件的距离进行测量，可以实现精密异形壳体内表面机械加工“加工－测量－补偿加工”的闭环制造。
8.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
9.第一方面，本发明提供了一种异形壳体内形面在线测量-误差修正装置，包括固定
装置，固定装置顶部固定竖直移动装置，竖直移动装置与水平移动装置连接，水平移动装置和距离监测装置连接，距离监测装置在竖直、水平移动装置带动下可竖直、水平移动；所述距离监测装置包括位移监测元件，位移监测元件固设于固定支架，固定支架与电动推杆铰接，电动推杆可位移带动位移监测元件偏转以变换其监测方向。
10.作为进一步的技术方案，所述固定支架通过球头连杆与支撑连杆连接，支撑连杆、电动推杆均与水平移动装置连接，以带动位移监测元件水平移动。
11.作为进一步的技术方案，所述竖直移动装置包括竖向设置的第一滚珠丝杆，第一滚珠丝杆与移动滑块连接，第一滚珠丝杆通过盖板与支撑板连接，支撑板与滚珠丝杆平行设置，移动滑块和水平移动装置连接。
12.作为进一步的技术方案，所述第一滚珠丝杆侧部设置光杆导轨，光杆导轨与第一滚珠丝杆平行设置，光杆导轨与移动滑块滑动连接；所述支撑板设置开槽以供水平移动装置穿过。
13.作为进一步的技术方案，所述水平移动装置包括水平设置的第二滚珠丝杆，第二滚珠丝杆与丝杆滑块连接，第二滚珠丝杆侧部设置丝杆导轨，丝杆导轨和第二滚珠丝杆平行设置，丝杆滑块与丝杆导轨滑动连接。
14.作为进一步的技术方案，所述固定装置包括与竖直移动装置连接的底板，底板底部设置多个螺纹式可调支撑螺杆，螺纹式可调支撑螺杆与螺纹式可调支撑螺母连接，底板呈三角形结构。
15.第二方面，本发明还提供了一种如上所述的异形壳体内形面在线测量-误差修正装置的工作方法，包括以下步骤：
16.在机床对异形件加工过程中，通过竖直移动装置和水平移动转置对距离监测装置进行初始监测位置的定位；
17.机床带动异形件转动，位移监测元件采集自身至异形件内表面纵截面一周表面点的距离，而后由电动推杆带动位移监测元件偏转继续采集距离值，分层采集异形件内表面各纵截面表面点和位移监测元件的距离；
18.将采集的距离值转换为离散点的三维坐标，基于多点约束下的t样条曲面重构进行内形面实际加工尺寸的三维重构。
19.作为进一步的技术方案，定位时，由固定装置调节水平，调节位移监测元件的监测方向与电动推杆垂直，调节竖直移动装置和水平移动装置带动位移监测元件所发射光线与异形件夹具轴线重合，完成测量定位。
20.作为进一步的技术方案，在进行三维坐标转换时，通过电动推杆的移动距离计算出在测量某个离散层上点到位移监测元件的距离值时位移监测元件转动的角度，以此角度进行坐标转换，即得到内形面表面离散点的三维坐标。
21.作为进一步的技术方案，三维重构后，通过最近点迭代算法来分离实测数据的位置误差来进行误差评定，将测量所得实际加工下的内形面尺寸重构模型与理论模型尺寸进行布尔运算，得到误差模型，并对误差模型生成加工程序进行误差修正。
22.上述本发明的有益效果如下：
23.本发明的异形壳体内形面在线测量-误差修正装置，基于电动推杆而设计的多连杆结构，带动位移监测元件运动，并配合机床工作台带动下的工件的转动，采集位移监测元
06连接，步进电机ii-06通过内六角螺栓连接到底板i-01上；竖直移动装置整体通过下盖板ii-04和内六角螺栓ii-03固定于底板i-01凹槽上；移动滑块ii-10与滚珠丝杆ii-11配合，光杆导轨ii-09用于移动滑块的定位，保证沿着滚珠丝杆轴线运动而不发生偏转。
51.光杆导轨ii-09设置于滚珠丝杆ii-11侧部，与滚珠丝杆ii-11平行设置，移动滑块ii-10与光杆导轨ii-09、滚珠丝杆ii-11连接，由滚珠丝杆ii-11带动移动滑块ii-10竖直移动。
52.支撑板ii-02与滚珠丝杆ii-11平行设置，支撑板ii-02设置开槽，使水平移动装置iii的结构可穿过其开槽而上下移动。
53.如图4所示，水平移动装置iii也是基于丝杆滑块结构设计，主要用于位移监测元件水平位置的定位；水平移动装置iii包括水平设置的滚珠丝杆iii-11，滚珠丝杆iii-11一端通过滚动轴承iii-10固定于前盖板iii-08上，前盖板iii-08通过内六角螺栓iii-09固定于丝杆导轨iii-06右端面；滚珠丝杆iii-11另一端通过滚动轴承iii-12固定于后盖板iii-13上，后盖板iii-13一侧面通过内六角螺栓iii-04固定于丝杆导轨iii-06左端面、另外一侧面通过内六角螺栓iii-05固定于竖直移动装置中的移动滑块ii-10上；滚珠丝杆iii-11通过联轴器iii-03与步进电机iii-01相连，步进电机iii-01通过内六角螺栓iii-15固定于电机支架iii-02上，电机支架iii-02通过内六角螺栓iii-14固定于竖直移动装置中的移动滑块ii-10上，从而使得水平移动装置iii可随移动滑块ii-10上下移动。
54.丝杆滑块iii-07与滚珠丝杆iii-11配合，由滚珠丝杆iii-11带动丝杆滑块iii-07水平移动，丝杆导轨iii-06设置于滚珠丝杆iii-11侧部，丝杆导轨iii-06和滚珠丝杆iii-11平行设置，丝杆滑块iii-07上设有螺纹孔并且侧面有矩形凸起，矩形凸起与丝杆导轨iii-06上的矩形凹槽相配合，保证丝杆滑块在沿轴线运动的时候不发生转动。
55.如图5所示，距离监测装置基于多连杆结构设计，主要是用于定位后位移监测元件位置的移动；位移监测元件iv-04固定于位移监测元件固定支架iv-05上，位移监测元件固定支架iv-05一段侧面设有球形空腔轨道，并与球头连杆iv-06配合，保证配合后的球头连杆即可以在位移监测元件固定支架iv-05中沿着轴向移动又可以转动；球头连杆iv-06通过内六角螺栓iv-07固定于支撑连杆iv-08上，支撑连杆iv-08另一端通过内六角螺栓iv-09固定于丝杆滑块iii-07上；位移监测元件固定支架iv-05另外一端通过圆柱销iv-03与电动推杆iv-02连接，电动推杆iv-02通过内六角螺栓iv-01固定于丝杆滑块iii-07上，距离监测装置整体可随丝杆滑块iii-07水平移动。
56.初始状态下，电动推杆iv-02与位移监测元件固定支架iv-05垂直设置，位移监测元件iv-04的监测方向与电动推杆iv-02垂直，电动推杆iv-02动作可推动位移监测元件固定支架iv-05摆动，以使位移监测元件iv-04变换监测方向。
57.本实施例中，位移监测元件采用激光位移传感器。激光测量不受内形面透光差、工件材料表面颜色等的影响，可以简捷地实现高精度测量。
58.相比于工业ct、机器视觉等测量方式，机器视觉测量方式并不能实现内形面的测量，工业ct设备价格高且难以操作，本发明的装置具有操作简单、效率高、成本低和易于维护等优点。
59.通过本发明装置，能有效保证异形件加工产品合格率、避免能源浪费、提高经济效益。
60.实施例2：
61.本实施例中提出如上所述异形壳体内形面加工-在线测量-误差修正装置的工作方法，主要为通过对表面离散点距离的采集值进行坐标转换、离散点三维坐标的曲面拟合、误差评定等，在得到误差模型后进行误差补偿。
62.如图6所示，一种异形壳体内形面加工-在线测量-误差修正装置的工作方法，包括以下步骤：
63.步骤一，距离监测装置初始化：机床对异形件v加工过程中，某一工序完成后，机床停机。将整体装置放置在机床一侧，调节固定装置中的螺纹式可调支撑结构直至装置整体水平、调节位移监测元件与电动推杆垂直，即保证位移监测元件的监测方向和电动推杆轴垂直(也即位移监测元件所发射光线与电动推杆轴垂直)、调节竖直移动装置和水平移动装置带动位移监测元件所发射光线与异形件夹具轴线重合，完成测量定位。调节过程的控制由计算机控制步进电机实现。
64.步骤二，测量过程：位移监测元件通过控制器编程处理，以控制位移监测元件间歇性采集数据，编写机床程序保证机床工作台以360度为周期间歇性运动。测量开始时，位移监测元件开始采集自身至异形件内表面表面点的距离，同时机床带动工件缓慢转动，当工件转动一周后，位移监测元件停止采集，由此即采集到异形件内表面某一纵截面(即与轴向相垂直的截面)一周表面点与位移监测元件之间的距离。此后，电动推杆位移移动一个微小距离，使得位移监测元件固定支架发生偏转，位移监测元件在连杆机构的带动下发生偏转，位移监测元件所发射光线发生偏转，与初始位置形成一个夹角，光线终点在内形面内移动了一个微小距离，机床转动且位移监测元件再次采集数据，完成异形件内形面该位置处环形一周上的表面点到位移监测元件的距离值；以此往复，直至完成整个内形面各纵截面表面点至位移监测元件距离值的采集。
65.测量时异形件保持在机床夹具原位置，并由机床工作台带动进行间歇性360
°
周期转动。
66.步骤三，测量数据处理：将采集的距离值转换为离散点的三维坐标，通过处理系统中的基于多点约束下的t样条曲面重构进行内形面实际加工尺寸的三维重构，通过最近点迭代(icp)算法来分离实测数据的位置误差来进行误差评定，并在计算机的控制系统中以颜色深浅表示出加工误差的位置和分布。
67.三维测量点数据通过多点约束下的t样条曲面重构原理能拟合出内形面的三维曲面模型，并通过最近点迭代(icp)算法实现点集间精配准并分离实测数据的位置误差，能够实现微米级的拟合精度和高精度误差评定。
68.步骤四，加工误差补偿：将测量所得实际加工下的内形面尺寸重构模型与理论模型尺寸进行布尔运算，得到误差模型，并对误差模型进行加工程序编程并导入到机床进行误差修正，最终实现异形件内形面加工尺寸在线测量及误差补偿。
69.位移监测元件在电动推杆和连杆结构的带动下每次偏转一个微小角度，保证位移监测元件在内形面新的采集位置上仅相比于原位置向内形面腔体外端面移动一个微小距离，对内形面进行分层采集。
70.优选地，位移监测元件外接专用变压器，其测量数据经控制器传输至计算机中，对位移监测元件的控制器进行编程，控制位移监测元件采样频率进行间歇性采集数据。因位
移监测元件采集频率较高，所以位移监测元件每个间歇区间采集的数据的平均值为位移监测元件到内形面表面点距离值。
71.优选地，在进行三维坐标转换时，由于位移监测元件所发射光线与异形件轴向具有一定夹角，所以并不能当做三维坐标值，因此进行坐标转换：通过电动推杆的移动距离可以计算出在测量某个离散层上点到传感器的距离值时激光位移传感器转动的角度，以此角度进行坐标转换，即得到内形面表面离散点的三维坐标。具体的，电动推杆移动距离li由控制程序发出，通过多次测量球头连杆在激光位移传感器上移动距离di，可以得到li和di的线性关系，因此可以计算出激光位移传感器的偏转角度θ，从图6坐标转换的原理图可以看出，位移监测元件到异形件内表面上某一点的距离li与偏转角度θ的关系为：sinθ＝ri/li，其中ri即为所求极坐标下的极径。通过工件的转动可以计算出该测量位置的距离初始位置的偏转角度，即极角，因此得到该点的极坐标。结合初始位置可以计算出该层横截面的高度信息，因此可以将点的极坐标转为三维坐标。
72.整个装置的操作及数据的显示通过计算器的操控界面实现。
73.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。