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CN109079581A - 一种数控机床动态轮廓误差视觉测量装置 - Google Patents

一种数控机床动态轮廓误差视觉测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明一种数控机床动态轮廓误差视觉测量装置属于计算机视觉测量技术领域，涉及一种利用视觉测量数控机床动态轮廓误差的辅助配套装置。该装置由柔性靶标及一体化测量工装组成，柔性靶标包括球头云台，等边三角形结构的靶标基座，安装在靶标基座上的靶球，靶球固定螺栓和双头螺柱。在一体化测量工装中，夹具主体上端安装有定位基准，夹具主体下端通过紧固螺栓及垫块与机床C轴工作台固联。该装置采用柔性靶标和特制定位基准的一体化夹具组合，具备相机标定与位姿测量的一体化功能。仅单次安装可完整记录机床五轴联动轨迹的运动信息，从而快速、便捷、有效的实现机床任意轨迹下轮廓误差的空间测量。操作便捷，测量高效，成本低廉。

Description

一种数控机床动态轮廓误差视觉测量装置
技术领域
本发明属于计算机视觉测量技术领域，涉及一种利用视觉测量数控机床动态轮廓误差的辅助配套装置。
背景技术
随着高精技术领域及高端装备行业对复杂零部件性能要求的不断提升，五轴数控机床因具备高效生产、高精加工、灵活调控等特点成为复杂零部件的重要加工手段。然而，多轴联动误差累积及伺服系统滞后导致的动态轮廓误差极大影响着机床的加工性能。为保证数控机床的高质高效加工，对机床误差的定检和补偿尤为重要。近年来常用的误差检测方法使用了球杆仪、激光干涉仪、R-test等装置，但每种装置都具有一定的适用范围，难以满足机床任意轨迹轮廓误差的快速、高效、便捷的测量要求。视觉测量具有三维测量、快速便捷、经济性好等优势可以实现机床轮廓误差的测量。为了保证数控机床的加工精度，用于辨识、测量以及后续轮廓误差补偿的便捷式视觉辅助配套工装的开发至关重要。
大族激光科技产业集团股份有限公司杨朝、陈百强等发明的专利号为CN103894882 B的“高速机床动态误差测量系统”，该测量系统利用高速摄像机与光刻玻璃线板来记录参照物相对于光刻玻璃线板的刻度位置，直接测量出高速运动参照物的动态误差，但该方法要求运动方向与光刻玻璃线板的刻度一致，且为二维平面测量，具有局限性。华中科技大学陈吉红、周会成等发明的专利号为CN 107085409 A的“一种数控机床的动态误差检验方法及装置”，采用测头探针代替刀具沿着理论轨迹来贴合并扫描“S”件直纹加工面来获得实际刀位轨迹，通过两轨迹的对比来获得机床动态误差，具有测量效率高，设备成本低的特点。但该方法属于接触式测量，若出现未触碰区域需再次进行局部测量，使测量工作繁琐，且测量轨迹固定，不能应用于任意轨迹下机床动态轮廓误差的测量。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服现有技术的缺陷，发明了一种数控机床动态轮廓误差视觉测量装置，解决了机床任意轨迹下轮廓误差空间测量难题。该装置由柔性靶标及一体化测量工装组成，具有安装在机床主轴上的球头云台，靶球安装在等边三角形结构的靶标基座上，成为可转动式靶标，使装置具有柔性，能灵活匹配单目相机的测量景深与测量范围。利用一体化夹具和特制定位基准的组合具备相机标定与位姿测量的一体化功能，利用特制定位基准结合可转动柔性靶标，灵活适配单目相机的测量景深与测量范围，仅单次安装可完整记录机床五轴联动轨迹的运动信息，从而快速、便捷、有效的实现机床任意轨迹下轮廓误差的空间测量。整个装置具备一体化功能，操作便捷、测量高效、成本低廉。
本发明采用的技术方案是一种数控机床动态轮廓误差视觉测量装置，其特征是，该装置由柔性靶标及一体化测量工装组成；
所述柔性靶标包括球头云台3，等边三角形结构的靶标基座2，安装在靶标基座上的靶球1，靶球固定螺栓17和双头螺柱4；双头螺柱4为两端分别加工有粗、细螺纹的圆形阶梯杆件，粗端用于与主轴5的固联，细端连接球头云台3；球头云台3具有球绞副和螺旋杆，可自由转动并具备锁紧功能；靶标基座2为等边三角形基板，基板上加工有三个滑槽，其轴线呈120°均匀分布，靶球1分别安装在滑槽中，方便进行位置及数量调整；靶标基座2中心加工有螺纹孔，与球头云台3的螺旋杆连接并固定；靶球1为反光靶球，底部加工有螺纹孔，靶球固定螺栓17通过螺纹孔将靶球1安装在靶标基座2上；单目相机固定在机床模拟加工位置的斜上方，调整靶标基座2的方向使其垂直于单目相机并锁紧固定；
在一体化测量工装中，夹具主体6上端为长方形体，中间有截面为C型轮廓的内腔，光源15安装在C型轮廓的内腔中，内腔下表面加工有4个通孔，光源锁紧螺栓16分别通过4个通孔将光源15固定在夹具主体6上；C型轮廓上表面为阶梯台结构，定位基准14安装在阶梯台上，阶梯台上加工有4个螺纹孔；夹具主体6上端长方形体左右两侧面各加工有4个螺纹孔，用于安装左、右压板10、12；左压板10与右压板12为对称加工的凸台压板结构，各加工有4个通孔；其中，右压板12的一面加工有用于安装光源供电线的通槽；通过压板螺栓13将左压板10、右压板12、上压板11分别安装到夹具主体6的左、右两侧面及上表面；上压板11为方框型钢板，四角加工有4个螺栓定位通孔，四个边每边各加工有3个观察孔d，用于观察定位基准14固定状况；定位基准14为中间透明块光刻有编码点的棋盘格光刻玻璃板，夹具主体6下端为圆筒形及带有4个U型槽的盘型板，通过紧固螺栓8及垫块9与C轴工作台7固联，从而完成整体工装的定位和夹紧。
本发明的有益效果是装置采用可转动式靶标，具有柔性。采用集标定板与编码点为一体的定位基准，可在一次安装中完成相机标定与位姿测量过程，降低人工安装的影响，从而提升测量精度与设备鲁棒性。在机床主轴上设置柔性靶标与安装在机床C轴工作台上的一体化测量工装相结合，利用特制定位基准使相机标定与位姿测量在单次安装下一并实现。能灵活匹配单目相机的测量景深与测量范围，实现了任意轨迹下机床轨迹与轮廓误差的空间测量。整个装置具备一体化功能，操作便捷、测量高效、成本低廉。
附图说明
图1为数控机床动态轮廓误差三维测量装置示意图，图2为图1中一体化测量工装的A-A剖视图，图3为图1中一体化测量工装的B-B剖视图，图4为图1中柔性靶标的K向视图。
其中，1-靶球，2-靶标基座，3-球头云台，4-双头螺柱，5-主轴，6-夹具主体，7-C轴工作台，8-紧固螺栓，9-垫块，10-左压板，11-上压板，12-右压板，13-压板螺栓，14-定位基准，15-光源，16-光源锁紧螺栓，17-靶球固定螺栓。
图5a)为图2一体化测量工装的C向视图，图5b)为图5a)中I的局部放大图，其中，d-观察孔，11-上压板。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
数控机床动态轮廓误差视觉测量装置的结构如附图1、2、3、4所示，该装置由柔性靶标及一体化测量工装组成。其中光源为wordop公司的常亮背光源，型号为FQG2-260×260，定位基准为260mm×260mm×5mm的光刻玻璃板，单目相机为型号EoSens25CXP的高帧频大分辨率工业相机。
所述柔性靶标包括球头云台3，等边三角形结构的靶标基座2，安装在靶标基座上的靶球1，靶球固定螺栓17和双头螺柱4。本实施例采用3个靶球1，根据精度需要还可适当增加靶球数量。将三个靶球1分别通过靶标基座2的滑槽，用靶球固定螺栓17旋紧固定在靶标基座2上，将靶标基座2下表面的螺纹孔与球头云台3的螺旋杆连接并固定。将双头螺柱4细螺纹端连接球头云台3的底座，再将双头螺柱4的粗螺纹端连接到主轴5上。单目相机固定在机床模拟加工位置的斜上方，调整靶标基座2的方向使其垂直于单目相机并锁紧固定。
安装一体化测量工装：将光源15安装在夹具主体6的C型轮廓内腔中，使用光源锁紧螺栓16将光源15固定在夹具主体6上。再放置定位基准14于夹具主体6上端的阶梯台上，将光源供电线穿过右压板12的通槽，之后通过压板螺栓13将左、右压板10、12，上压板11安装到夹具主体6的左、右两侧面及上表面上。上压板11为方框型钢板，四角加工有4个螺栓定位通孔，四个边每边各加工有3个观察孔d，用于观察定位基准14固定状况，如图5所示。并利用左右压板10、12的凸台结构使定位基准14完全定位并夹紧。最后，将夹具主体6的下端圆筒部分安装到机床C轴工作台7上，将U型槽对齐并用紧固螺栓8及垫块9将两部分固联。
若采用本发明的测量装置进行三维测量，开动机床带动测量装置做任意轨迹运动，靶标表征五轴数控机床Z轴的运动信息，一体化夹具表征其他轴的运动信息。在机床运动过程中，利用单目相机采集测量装置的运动序列图像，通过分析靶标及定位基准在序列图像上的位置信息来求解由机床运动缺陷产生的轮廓误差。本发明结合五轴数控机床实际测量需求，采用单目视觉系统对模拟五轴联动加工轨迹进行测量，将测量的实际轨迹与理论轨迹进行对比即可求得机床动态轮廓误差。
测量前先进行相机标定，首先控制机床Z轴使得柔性靶标脱离单目相机视场，并打开光源，采用光刻玻璃板的棋盘格部分进行单目相机的标定，此时定位基准在功能上等同于标定板，再控制机床其他四轴处于相机视场及测量景深内的不同位姿，并分别拍摄一张图片，利用多幅图像结合相关图像处理及标定算法进行标定。
再进行机床轨迹与轮廓误差的三维测量，完成相机标定后，保持单目相机静止的状态下进行如下实验操作：控制机床Z轴及其他四轴使得柔性靶标及定位基准处于相机视场中央，调入编制好的五轴联动加工轨迹程序进行模拟加工，同时控制相机采集定位基准及靶标块运行轨迹的序列图像，由于定位基准与靶标块分别固定在机床C轴工作台及主轴上，图像中编码点和特征标记可完全记录机床的运动信息，再对每一帧图像中的编码点及特征标记结合单目位姿算法进行处理，遍历所采集的序列图像即可求解机床实际运行轨迹，最终将实际轨迹还原到与理论轨迹相同的坐标系中进行对比，就可实现任意轨迹下机床动态轮廓误差的空间测量求解。
本发明采用集标定板与编码点为一体的定位基准，可在一次安装中完成相机标定与位姿测量过程，降低人工安装的影响，从而提升测量精度与设备鲁棒性，发明了安装在主轴上的可转动靶标结合靶标块的位置调整，灵活适应相机的测量景深与测量范围，有效体现了本装置柔性及一体化特性，同时该装置还有操作灵活、高效便捷、实用经济的特点。

Claims (1)

1.一种数控机床动态轮廓误差视觉测量装置，其特征是，该装置由柔性靶标及一体化测量工装组成；
所述柔性靶标包括球头云台(3)，等边三角形结构的靶标基座(2)，安装在靶标基座上的靶球(1)，靶球固定螺栓(17)和双头螺柱(4)；双头螺柱(4)为两端分别加工有粗、细螺纹的圆形阶梯杆件，粗端用于与主轴(5)的固联，细端连接球头云台(3)；球头云台(3)具有球绞副和螺纹杆，自由转动并具备锁紧功能；靶标基座(2)为等边三角形基板，其上加工有三个滑槽，滑槽的轴线呈120°均匀分布，靶球(1)分别安装在滑槽中，方便进行位置及数量调整；靶标基座(2)中心加工有螺纹孔，用于与球头云台(3)的螺旋杆连接并固定；靶球(1)为反光靶球，底部加工有螺纹孔，靶球固定螺栓(17)通过螺纹孔将靶球(1)安装在靶标基座(2)上；单目相机固定在机床模拟加工位置的斜上方，调整靶标基座(2)的方向使其垂直于单目相机并锁紧固定；
在一体化测量工装中，夹具主体(6)上端为长方形体，中间有截面为C型轮廓的内腔，光源(15)安装在C型轮廓的内腔中，内腔下表面加工有4个通孔，光源锁紧螺栓(16)分别通过4个通孔将光源(15)固定在夹具主体(6)上；C型轮廓上表面为阶梯台结构，将定位基准(14)安装在阶梯台上，阶梯台四角加工有4个螺纹孔；夹具主体(6)上端长方形体左右两侧面各加工有4个螺纹孔，用于安装左、右压板(10、12)；左、右压板(10、12)为对称加工的凸台压板结构，各加工有4个通孔；其中，右压板(12)的一面加工有用于安装光源供电线的通槽；通过压板螺栓(13)将左、右压板(10、12)、上压板(11)分别安装到夹具主体(6)的左、右两侧面及上表面上；上压板(11)为方框型钢板，四角加工有4个螺栓定位通孔，四个边每边各加工有3个观察孔(d)，用于观察定位基准(14)固定状况；定位基准(14)为中间透明块光刻有编码点的棋盘格光刻玻璃板；夹具主体(6)下端为圆筒形及带有4个U型槽的盘型板，通过紧固螺栓(8)及垫块(9)与机床C轴工作台(7)固联，从而完成整体工装的定位和夹紧。
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