一种三维激光加工工件定位测量装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种三维激光加工工件定位测量装置，它包括CCD检测系统、运动控制系统和显示系统；激光加工头安装于五轴联动数控机床末端，CCD检测系统随激光加工头安装于五轴联动数控机床末端，CCD检测系统包括CCD传感器、工业显微镜头和指示系统，CCD传感器和指示系统均安装在工业显微镜头上。本实用新型通过移动多轴联动数控机床各运动轴来调整安装在激光加工头上的CCD测量装置的空间位置和姿态，实现对工件定位点的精确定位观测，从而获取到相应定位点在机床坐标系的空间坐标。本实用新型具有测量单元模块化、易拆装，测量精度高的优点，可以满足激光加工中对大尺寸工件的高精度定位测量要求。
【专利说明】一种三维激光加工工件定位测量装置【技术领域】
[0001]本实用新型涉及三维激光加工领域(包括三维激光切割、焊接、刻蚀等)，具体涉及一种三维激光加工中工件的定位测量装置，主要是基于多轴联动数控机床实现。
【背景技术】
[0002]激光加工技术以其高效性、高精度、非接触式、材料适应性强和工艺柔性化程度高等特点，已经广泛地应用于现代工业生产中。将激光加工头安装到五轴联动数控机床上的组合激光加工技术，更是将传统机械加工机床扩展为能完成三维复杂形貌激光加工的新装备。专利申请号为201110106793.1的实用新型“一种三坐标振镜扫描式激光加工头”提供了一种包括XY两轴激光振镜系统和Z轴移动机构的振镜扫描式激光加工头,米用标准数控机床拉刀接口设计，可以方便的安装在三轴、五轴联动数控机床。专利申请号为201110048935.3的实用新型“一种适用于复杂曲面的激光加工方法及装置”提出将激光加工头装置并接在五轴联动机床上，通过对复杂曲面划分成多个子曲面片，通过五轴机床依次定位激光头到各子曲面片上方,来完成投影式三维激光刻蚀加工。
[0003]然而在进行三维激光加工的过程中，对工件的精确定位是保证加工质量和精度的前提，传统的工件定位装置在激光加工机床上难以安装和使用，目前三维加工中对工件的定位测量方法主要有以下两种:
[0004](I)基于接触式探头定位测量方式，这种测量方式的定位精度取决于探头的分辨率，定位系统灵敏度低，而且容易受到主轴热膨胀的影响，实际操作上容易因定位不准确而使探头破损或折断。
[0005](2)基于视觉图像定位方法。如天津大学的段红旭等人发表的题为“发动机缸体视觉图像定位方法研究”的文献(仪器仪表学报，2012年第3期)，通过面阵CCD获取发动机缸体定位销孔图像信息，利用图像处理提取定位销孔中心位置，以此建立每个被测缸体的测量基准。这种测量方式能够获取定位孔的信息，但是需要复杂的处理算法来对图像进行处理，测量的精度受到图像采集质量和处理算法的制约。
实用新型内容
[0006]本实用新型提供了一种基于多轴联动数控机床的三维激光加工工件定位测量装置，目的在于方便快捷地完成激光加工中的大型三维工件高精度在线定位测量。
[0007]本实用新型提供的一种基于多轴联动数控机床的三维激光加工定位测量装置，其特征在于，该装置包括CCD检测系统、运动控制系统和显示系统；
[0008]基于多轴联动数控机床的三维激光加工系统中激光加工头安装于五轴联动数控机床末端，CCD检测系统随激光加工头安装于五轴联动数控机床末端，CCD检测系统包括CXD传感器、工业显微镜头和指示系统，C⑶传感器和工业显微镜头同轴装配连接，指示系统安装在工业显微镜头一侧，并使指不系统发出的指不光与CCD传感器的中心轴交汇于一点，指示系统发射的指示光在目标上的光斑与CCD检测中心重合；[0009]显示系统和CXD检测系统电信号连接，显示系统用于实时显示CXD传感器检测到的图像，显示系统上标识有用于判断与观察的目标点是否重合的CCD检测中心点。
[0010]本实用新型装置解决了目前采用接触法对工件进行定位测量中的探头磨损，定位灵敏度低，而且容易受到主轴热膨胀影响的问题，该测量装置可方便地安装在各类激光加工头上完成测量，具有测量单元模块化、易拆装，测量精度高的优点。可以满足大尺寸和超大尺寸零部件的激光加工的工件定位测量。
[0011]本实用新型装置的主要优点是:
[0012]1、工件定位测量过程不用拆卸激光加工头，广泛适用于激光切割头、焊接头、振镜扫描加工头等多种激光加工系统；
[0013]2、非接触的CCD图像检测测量方式，测量观测直观易于操作，安全性好；
[0014]3、通过采集机床运动轴的高精度位置反馈信号来计算工件定位点在机床坐标系下的空间坐标，易于达到微米级测量精度；
[0015]4、测量过程不但可以调节移动轴X、Y、Z，而且可以调节旋转轴C、A，减少了测量过程机床与工件之间的干涉，使得工件定位点的位置设置自由度大。
[0016]5、该测量装置结构简洁，成本低，适用性强。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为安装在五轴联动机床上的本实用新型装置的结构示意图；
[0018]图2为CXD检测系统的结构示意图；
[0019]图3为本实用新型装置安装在五轴联动机床上的连杆坐标系图；
[0020]图4为工件上多个定位点分布及CXD检测示意图；
[0021 ]图5为调整机床运动轴使CXD对准检测工件定位点过程图；
[0022]图6为工件定位测量流程图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。此夕卜，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0024]本实用新型提供一种基于多轴联动数控机床的三维激光加工定位测量装置，其示例如图1所示，包括CXD检测系统3、运动控制系统5和显示系统4。
[0025]五轴联动数控机床I由X、Y和Z三个移动轴和A、C两个旋转轴组成，其中，A轴绕着X轴旋转，C轴绕着Z轴旋转。激光加工头2安装于五轴联动数控机床I末端。
[0026]CXD检测系统3随激光加工头2安装于五轴联动数控机床I末端，如图2所示，CXD检测系统3由CXD传感器7、工业显微镜头8和指示系统9组成，CXD传感器7和指示系统9均安装在工业显微镜头8上，并使指示系统9发出的指示光与CCD传感器的中心轴交汇于一点，称为CCD检测系统的TCP点10，用来指示CCD传感器镜头到其焦平面的距离。当CCD传感器检测中心点K对准的目标清晰地呈现在显示系统4时，目标位于视场焦点，调整指示系统9指示光与CCD中心轴之间安装夹角，使CCD检测系统TCP点与目标点重合，指示系统9发射的指示光在目标上的光斑L应与CCD检测中心K重合，如图5(b)所示。从而方便以后CCD观测工件定位点等目标时准确调整观测距离，即L与K重合时就代表观测点位于CCD观测视场焦点。
[0027]指示系统9具体可采用激光指示笔或激光位移传感器，
[0028]显示系统4和CXD检测系统3电信号连接，显示系统4用于实时显示CXD传感器7检测到的图像。显示系统4上有标识出的CXD检测中心点K，如图5 (a)，以便于判断观察的目标点与(XD检测中心K是否重合。
[0029]CCD检测系统3相当于机床一刀具，其安装于机床A轴末端，对应的机床连杆示意图如图3所示，图中X、Y、Z为机床三个移动轴，A、C为两个旋转轴，Oi为机床各连杆坐标系，XiiYiiZi为各连杆坐标系的坐标轴，i表示连杆坐标系的序号，i = 0,1,2,3,4,5, O0为机床坐标系。
[0030]DZBA, DZAT, DXBT和PIVOT是CXD检测系统中心TCP点在机床上的刀具偏置参数(即TCP点在机床C轴坐标系O5上x，y，z方向的偏移量)。由机器人运动学知识可知，TCP末端到机床坐标系Otl的变换矩阵T为:
[0031]
【权利要求】
1.一种三维激光加工工件定位测量装置，其特征在于，该装置包括CCD检测系统、运动控制系统和显不系统； 基于多轴联动数控机床的三维激光加工系统中激光加工头安装于五轴联动数控机床末端，CCD检测系统随激光加工头安装于五轴联动数控机床末端，CCD检测系统包括CCD传感器、工业显微镜头和指示系统，CCD传感器和工业显微镜头同轴装配连接，指示系统安装在工业显微镜头一侧，并使指不系统发出的指不光与CCD传感器的中心轴交汇于一点，指示系统发射的指示光在目标上的光斑与CCD检测中心重合； 显示系统和CXD检测系统电信号连接，显示系统用于实时显示CXD传感器检测到的图像，显示系统上标识有用于判断与观察的目标点是否重合的CXD检测中心点。
2.根据权利要求1所述的一种三维激光加工工件定位测量装置，其特征在于，指示系统采用激光指示笔或激光位移传感器。
【文档编号】B23K26/03GK203791832SQ201420055434
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年1月28日 优先权日:2014年1月28日
【发明者】蒋明, 柯善浩, 王曦照, 曾晓雁, 孙晓, 段军, 高明, 李祥友 申请人:华中科技大学