本發(fā)明屬于非接觸式在線精密測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及一種非接觸式車削工件的在線測(cè)量裝置及方法。

背景技術(shù)：

車削加工中，需頻繁地對(duì)加工工件進(jìn)行測(cè)量，目前主要有離線測(cè)量和在線測(cè)量?jī)煞N方式來(lái)完成對(duì)工件的檢測(cè)。在加工中若采用離線測(cè)量方式，不僅因停機(jī)檢測(cè)會(huì)造成時(shí)間上的損失，還有卸下工件測(cè)量后繼續(xù)加工不可避免地要產(chǎn)生二次定位誤差，對(duì)加工高精度工件來(lái)說(shuō)，這是影響工件質(zhì)量的主要原因之一。

在線測(cè)量是指在加工的過(guò)程不拆卸工件對(duì)加工工件進(jìn)行測(cè)量，并依據(jù)檢測(cè)的結(jié)果做出相應(yīng)的處理。目前，加工過(guò)程的在線測(cè)量，主要是指工件直徑及平面的在線測(cè)量。在圓度、圓柱度甚至曲面的面輪廓度的測(cè)量方面難度較大。一些公開(kāi)的專利已經(jīng)公開(kāi)了工件在線測(cè)量方法，如專利“面向數(shù)控車床加工精度的在線檢測(cè)系統(tǒng)及檢測(cè)方法(201210266131.5)”和“復(fù)雜零件曲面加工精度的在線檢測(cè)方法(201210266355.6)”，此檢測(cè)方法采用接觸式的測(cè)量方法，檢測(cè)過(guò)程慢，檢測(cè)精度差，另外需要復(fù)雜的系統(tǒng)生成測(cè)量數(shù)控代碼。專利“用于在線測(cè)量的激光測(cè)量系統(tǒng)(201220420026.8)”提出用非接觸式的激光測(cè)量代替機(jī)械接觸式測(cè)量，但是，所公布的測(cè)量系統(tǒng)僅可以在線測(cè)量平面地板凹口，無(wú)法測(cè)量工件的三維表面形貌。專利“圓筒內(nèi)外壁加工精度在線成像檢測(cè)裝置及在線成像檢測(cè)方法(200610155870.1)”測(cè)量?jī)?nèi)外圓時(shí)由于沒(méi)有配備精確驅(qū)動(dòng)測(cè)量裝置和與被測(cè)物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的裝置，只能簡(jiǎn)單的測(cè)量圓柱面，不能測(cè)量復(fù)雜曲面，而且測(cè)量精度不高。專利“一種周向燕尾榫槽加工精度在線檢測(cè)工具(201420560912.X)”可在線檢測(cè)燕尾槽的加工精度，但是該方法僅能針對(duì)燕尾槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)采用了接觸式測(cè)量，測(cè)量精度低下。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供了一種非接觸式車削工件的在線測(cè)量裝置及方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案之一是：

一種非接觸式車削工件的在線測(cè)量裝置，包括：

機(jī)床；

主軸，裝接在機(jī)床；

卡盤，裝接在主軸且可通過(guò)主軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)；

工件，裝接在卡盤且可通過(guò)卡盤帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，且工件的旋轉(zhuǎn)軸線沿第一方向布置；

導(dǎo)軌，沿第一方向布置，裝接在機(jī)床；

位置調(diào)整機(jī)構(gòu)，滑動(dòng)裝接在導(dǎo)軌且可在導(dǎo)軌上沿第一方向往復(fù)滑動(dòng)；

刀架，裝接在位置調(diào)整機(jī)構(gòu)且可通過(guò)該位置調(diào)整機(jī)構(gòu)沿第二方向往復(fù)滑動(dòng)；

激光位移傳感器，裝接在刀架，其測(cè)量方向可調(diào)并可與工件相對(duì)，該激光位移傳感器的測(cè)量精度優(yōu)于20nm，最大采樣頻率不低于350kHz；

通過(guò)主軸帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)，通過(guò)激光位移傳感器沿第一方向滑動(dòng)并對(duì)工件側(cè)面的點(diǎn)進(jìn)行掃描和采集位置數(shù)據(jù)和/或通過(guò)激光位移傳感器沿第二方向滑動(dòng)并對(duì)工件端面的點(diǎn)進(jìn)行掃描和采集位置數(shù)據(jù)，處理工件側(cè)面和/或端面的點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)得到工件的3D數(shù)字模型。

一實(shí)施例中：所述第一方向與第二方向相互垂直。

一實(shí)施例中：所述位置調(diào)整機(jī)構(gòu)為中滑板。

一實(shí)施例中：所述激光位移傳感器的測(cè)量精度優(yōu)于10nm。

一實(shí)施例中：所述激光位移傳感器的最大采樣頻率不低于392kHz。

一實(shí)施例中：所述激光位移傳感器螺接在所述刀架的刀柄卡槽。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案之二是：

一種利用上述的非接觸式車削工件的在線測(cè)量裝置的在線測(cè)量方法，包括：

1)將激光位移傳感器的激光發(fā)射方向調(diào)整為沿第二方向發(fā)射；調(diào)整工件和激光位移傳感器的位置，確定側(cè)面測(cè)量起始點(diǎn)，并使工件的側(cè)面均位于激光位移傳感器的量程范圍內(nèi)；

和/或，

將激光位移傳感器的激光發(fā)射方向調(diào)整為沿第一方向發(fā)射；調(diào)整工件和激光位移傳感器的位置，確定端面測(cè)量起始點(diǎn)，并使工件的端面均位于激光位移傳感器的量程范圍內(nèi)；

2)啟動(dòng)主軸，通過(guò)卡盤帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)，激光位移傳感器由側(cè)面測(cè)量起始點(diǎn)出發(fā)，在導(dǎo)軌上沿第一方向滑動(dòng)，由工件側(cè)面外圍向工件進(jìn)給，并對(duì)工件側(cè)面進(jìn)行掃描并采集工件側(cè)面的點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)；

和/或，

啟動(dòng)主軸，通過(guò)卡盤帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)，激光位移傳感器由端面測(cè)量起始點(diǎn)出發(fā)，通過(guò)位置調(diào)整機(jī)構(gòu)沿第二方向滑動(dòng)，由工件端面外圍向工件進(jìn)給至工件回轉(zhuǎn)中心，并對(duì)工件端面進(jìn)行掃描并采集工件端面的點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)；

3)測(cè)量工件側(cè)面后，結(jié)合工件側(cè)面的點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)得到工件側(cè)面的點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)和分布規(guī)律，從而得到工件側(cè)面的3D數(shù)字模型；

和/或，

測(cè)量工件端面后，結(jié)合工件端面的點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)得到工件端面的點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)和分布規(guī)律，從而得到工件端面的3D數(shù)字模型。

一實(shí)施例中：測(cè)量工件側(cè)面時(shí)，需在工件未加工區(qū)域車削一段外圓柱面作為側(cè)面測(cè)量的標(biāo)定基準(zhǔn)面。

一實(shí)施例中：所述步驟1)中，側(cè)面測(cè)量起始點(diǎn)與工件在第一方向上的最近距離為3～5mm；端面測(cè)量起始點(diǎn)與工件在第二方向上的最近距離為3～5mm。

一實(shí)施例中：同時(shí)測(cè)量工件的側(cè)面和端面后，通過(guò)拼接縫合工件側(cè)面和端面的3D數(shù)字模型，得到工件整體的3D數(shù)字模型。

本技術(shù)方案與背景技術(shù)相比，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.本發(fā)明基于高精度的激光位移傳感器，利用機(jī)床本身的進(jìn)給系統(tǒng)帶動(dòng)激光位移傳感器運(yùn)動(dòng)，結(jié)合卡盤帶動(dòng)被測(cè)工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可對(duì)被測(cè)量工件的幾乎所有幾何特征的尺寸公差、形狀公差、以及各個(gè)幾何特征、檢測(cè)位置公差進(jìn)行在線快速測(cè)量，擴(kuò)展了車削過(guò)程在線檢測(cè)的范圍。

2.本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了非接觸式的在線測(cè)量，可以提高被測(cè)工件的旋轉(zhuǎn)速度，結(jié)合精度優(yōu)于10nm激光位移感器，使得采樣頻率足夠高，可以高達(dá)400KHz。而接觸式的測(cè)量方式，由于存在機(jī)械接觸，采樣頻率十分低，故測(cè)量速度十分慢。因此本發(fā)明相對(duì)于常規(guī)接觸式測(cè)量方法而言測(cè)量精度可以提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

3.本發(fā)明采用在線測(cè)量的方式，避免了傳統(tǒng)離線測(cè)量過(guò)程中重新裝夾引入的二次裝夾誤差，保證了工件的加工精度。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1為本發(fā)明的非接觸式車削工件的在線測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的測(cè)量方法原理示意圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中得到的被測(cè)工件整體的3D數(shù)字模型示意圖。

附圖標(biāo)記：主軸1，卡盤2，導(dǎo)軌3，工件4，激光位移傳感器5，刀架6，螺釘7，中滑板8。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)實(shí)施例具體說(shuō)明本發(fā)明的內(nèi)容：

請(qǐng)查閱圖1，一種非接觸式車削工件的在線測(cè)量裝置，包括：

機(jī)床；

主軸1，裝接在機(jī)床；

卡盤2，裝接在主軸1且可通過(guò)主軸1帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)；

工件4，裝接在卡盤2且可通過(guò)卡盤2帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，且工件4的旋轉(zhuǎn)軸線沿第一方向(即圖1中Z軸方向)布置；

導(dǎo)軌3，沿Z軸方向布置，裝接在機(jī)床；

位置調(diào)整機(jī)構(gòu)，為中滑板8，滑動(dòng)裝接在導(dǎo)軌3且可在導(dǎo)軌3上沿Z軸方向往復(fù)滑動(dòng)；

刀架6，裝接在中滑板8且可通過(guò)中滑板8在第二方向(圖1中X軸方向，X軸與Z軸相互垂直)上往復(fù)滑動(dòng)；

激光位移傳感器(如基恩士LK-H008型激光位移傳感器)5，通過(guò)螺釘7裝接在刀架6的刀柄卡槽；其測(cè)量方向與工件4相對(duì)，且可通過(guò)調(diào)節(jié)分別對(duì)準(zhǔn)工件4的側(cè)面或端面；該激光位移傳感器5的測(cè)量精度優(yōu)于10nm，最大采樣頻率(該最大采樣頻率為激光位移傳感器的設(shè)備參數(shù)，為激光位移傳感器采樣頻率所能達(dá)到的最大值，例如激光位移傳感器的最大采樣頻率為100kHz，則表明該激光位移傳感器的采樣頻率為0～100kHz)不低于392kHz；通過(guò)中滑板8和導(dǎo)軌3相互配合可以調(diào)節(jié)激光位移傳感器5在X軸方向和Z軸方向的位置；

本發(fā)明的非接觸式車削工件的在線測(cè)量裝置的使用方法如下：

1)需要測(cè)量工件4側(cè)面數(shù)據(jù)時(shí)，首先在工件4未加工區(qū)域車削一段外圓柱面作為測(cè)量的標(biāo)定基準(zhǔn)面，用外徑千分尺測(cè)出標(biāo)定基準(zhǔn)面的外徑；將激光位移傳感器5的激光發(fā)射方向調(diào)整為沿X軸方向發(fā)射；調(diào)整工件4和激光位移傳感器5的位置，確定側(cè)面測(cè)量起始點(diǎn)，并使工件4的標(biāo)定基準(zhǔn)面和側(cè)面均位于激光位移傳感器5的量程范圍內(nèi)；

需要測(cè)量工件4端面數(shù)據(jù)時(shí)，將激光位移傳感器5的激光發(fā)射方向調(diào)整為沿Z軸方向(圖1中為沿Z軸負(fù)方向)發(fā)射；調(diào)整工件4和激光位移傳感器5的位置，確定端面測(cè)量起始點(diǎn)，并使工件4的端面均位于激光位移傳感器5的量程范圍內(nèi)；

2)測(cè)量工件4側(cè)面數(shù)據(jù)時(shí)，啟動(dòng)主軸1，通過(guò)卡盤2帶動(dòng)工件4以設(shè)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，激光位移傳感器5由側(cè)面測(cè)量起始點(diǎn)出發(fā)，在導(dǎo)軌3上沿Z軸方向以設(shè)定的速度滑動(dòng)，由工件4側(cè)面外圍逐漸向工件4進(jìn)給，對(duì)標(biāo)定基準(zhǔn)面和工件4側(cè)面進(jìn)行掃描并采集標(biāo)定基準(zhǔn)面和工件4側(cè)面的點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)，如圖2；

測(cè)量工件4端面數(shù)據(jù)時(shí)，啟動(dòng)主軸1，通過(guò)卡盤2帶動(dòng)工件4以設(shè)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，激光位移傳感器5由端面測(cè)量起始點(diǎn)出發(fā)，通過(guò)中滑板8沿X軸方向以設(shè)定的速度滑動(dòng)，由工件4端面外圍沿工件4端面徑線進(jìn)給至工件4回轉(zhuǎn)中心，對(duì)工件4端面進(jìn)行掃描并采集工件4端面的點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)；

3)測(cè)量工件4側(cè)面后，將采集到的標(biāo)定基準(zhǔn)面和工件4側(cè)面的點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件，如MATLAB，經(jīng)過(guò)一定的數(shù)據(jù)處理，結(jié)合側(cè)面測(cè)量起始點(diǎn)的位置，可以得到標(biāo)定基準(zhǔn)面和工件4側(cè)面的點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)和分布規(guī)律；根據(jù)該些信息可繪制出工件4側(cè)面的3D數(shù)字模型；

測(cè)量工件4端面后，將采集到的工件4端面的點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件，經(jīng)過(guò)一定的數(shù)據(jù)處理，結(jié)合端面測(cè)量起始點(diǎn)的位置，可以得到工件4端面的點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)和分布規(guī)律；根據(jù)該些信息可繪制出工件4端面的3D數(shù)字模型；

根據(jù)需要，若同時(shí)測(cè)量了工件4的側(cè)面和端面，對(duì)工件4側(cè)面和端面的3D數(shù)字模型進(jìn)行拼接縫合，即可得到工件4整體的3D數(shù)字模型。

4)通過(guò)軟件將工件4側(cè)面/端面/整體的3D數(shù)字模型與工件4的設(shè)計(jì)CAD模型進(jìn)行比對(duì)，可對(duì)各個(gè)幾何特征的尺寸誤差，形狀誤差以及各個(gè)特征間的位置誤差等進(jìn)行評(píng)價(jià)。

需要注意的是，在測(cè)量工件4側(cè)面數(shù)據(jù)時(shí)，側(cè)面測(cè)量起始點(diǎn)與工件4在Z軸方向上的最近的距離以3～5mm為佳；同樣的，在測(cè)量工件4端面數(shù)據(jù)時(shí)，端面測(cè)量起始點(diǎn)與工件4在X軸方向上的最近的距離以3～5mm為佳，即側(cè)面/端面測(cè)量起始點(diǎn)與工件4上離側(cè)面/端面測(cè)量起始點(diǎn)最近的點(diǎn)在Z軸/X軸上的距離以3～5mm為佳，以保證激光位移傳感器5從測(cè)量起始點(diǎn)開(kāi)始掃描至工件4之前就已加速到設(shè)定的進(jìn)給速度，以設(shè)定的進(jìn)給速度進(jìn)行掃描。同時(shí)又不至于太遠(yuǎn)。

下面通過(guò)具體例子說(shuō)明：

a)車削完成得到一帶有錐度的工件，在工件未加工區(qū)域車削一段外圓柱面作為測(cè)量的標(biāo)定基準(zhǔn)面，長(zhǎng)度2mm，用外徑千分尺測(cè)出標(biāo)定基準(zhǔn)面的外徑為76.880mm；

b)將激光位移傳感器的激光發(fā)射方向調(diào)整為沿X軸方向發(fā)射；調(diào)整工件和激光位移傳感器的位置，確定側(cè)面測(cè)量起始點(diǎn)，并使工件的標(biāo)定基準(zhǔn)面和側(cè)面均位于激光位移傳感器的量程范圍內(nèi)；側(cè)面測(cè)量起始點(diǎn)與工件在Z軸方向上的最近的距離為4mm，保證激光位移傳感器在掃描到工件側(cè)面或標(biāo)定基準(zhǔn)面之前就已加速至設(shè)定速度；

c)啟動(dòng)主軸，通過(guò)卡盤帶動(dòng)工件以50rpm的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，激光位移傳感器由側(cè)面測(cè)量起始點(diǎn)出發(fā)，在導(dǎo)軌上沿Z軸方向以1μm/r(此處的直線運(yùn)動(dòng)多通過(guò)主軸帶動(dòng)，為與轉(zhuǎn)速匹配，此處直線運(yùn)動(dòng)速度由主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)直線進(jìn)給部件的進(jìn)給距離表示，也即1μm/rpm)速度滑動(dòng)，由工件側(cè)面外圍逐漸向工件進(jìn)給，進(jìn)給距離100mm，對(duì)標(biāo)定基準(zhǔn)面和工件側(cè)面進(jìn)行掃描并采集標(biāo)定基準(zhǔn)面和工件側(cè)面的點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)，采樣頻率為150kHz；

d)將采集到的標(biāo)定基準(zhǔn)面和工件側(cè)面的點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件，經(jīng)過(guò)一定的數(shù)據(jù)處理，結(jié)合側(cè)面測(cè)量起始點(diǎn)的位置，可以得到標(biāo)定基準(zhǔn)面和工件側(cè)面的點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)和分布規(guī)律；根據(jù)該些信息可繪制出工件側(cè)面的3D數(shù)字模型；

e)將激光位移傳感器的激光發(fā)射方向調(diào)整為沿Z軸方向發(fā)射；調(diào)整工件和激光位移傳感器的位置，確定端面測(cè)量起始點(diǎn)，并使工件的端面均位于激光位移傳感器的量程范圍內(nèi)；端面測(cè)量起始點(diǎn)與工件在X軸方向上的最近的距離為4mm，保證激光位移傳感器在掃描到工件端面之前就已加速至設(shè)定速度；

f)啟動(dòng)主軸，通過(guò)卡盤帶動(dòng)工件以60rpm的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，激光位移傳感器由端面測(cè)量起始點(diǎn)出發(fā)，通過(guò)中滑板沿X軸方向以1μm/r的速度滑動(dòng)，由工件端面外圍沿工件端面徑線進(jìn)給至工件回轉(zhuǎn)中心，對(duì)工件端面進(jìn)行掃描并采集工件端面的點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)，采樣頻率為150kHz；

g)將采集到的工件端面的點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件，經(jīng)過(guò)一定的數(shù)據(jù)處理，結(jié)合端面測(cè)量起始點(diǎn)的位置，可以得到工件端面的點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)和分布規(guī)律；根據(jù)該些信息可繪制出工件端面的3D數(shù)字模型；

h)對(duì)工件側(cè)面和端面的3D數(shù)字模型進(jìn)行拼接縫合，得到工件整體的3D數(shù)字模型，如圖3。

i)通過(guò)軟件將工件的3D數(shù)字模型與工件的設(shè)計(jì)CAD模型進(jìn)行比對(duì)，可對(duì)各個(gè)幾何特征的尺寸誤差，形狀誤差以及各個(gè)特征間的位置誤差等進(jìn)行評(píng)價(jià)。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳實(shí)施例而已，故不能依此限定本發(fā)明實(shí)施的范圍，即依本發(fā)明專利范圍及說(shuō)明書內(nèi)容所作的等效變化與修飾，皆應(yīng)仍屬本發(fā)明涵蓋的范圍內(nèi)。