弧面凸轮加工检测一体机及在线检测方法与流程

本发明涉及机电一体化领域，具体而言，涉及一种弧面凸轮加工检测一体机及在线检测方法。

背景技术：

弧面凸轮机构由弧面分度凸轮和从动件组成，具有传动速度快、分度精度高等优点，被广泛应用于各种轻工机械、纺织机械与加工中心等领域。但是由于弧面分度凸轮的凸轮轮廓是不可展的空间自由曲面，因此对弧面凸轮的加工以及表面误差检测存在很大的困难，缺乏相应的检测手段对加工产品精度进行检测。

目前对于弧面凸轮加工误差的测量方式，主要采用三坐标检测、光栅测量装置等测量设备对已加工产品进行测量。但是这种离线检测方法需要把加工产品从机床上取下才能进行测量；不仅反复装拆麻烦，且存在重复定位误差，从而导致测量效率低，测量精度低等问题。

技术实现要素：

本发明的实施例的目的之一在于提供一种采用双回转坐标轴联动的弧面凸轮加工检测一体机，旨在解决现有技术中的反复装卸而导致的测量效率低，加工精度低等问题。其中包括刀库与回转式机械手的自动换刀装置，刀库设有刀具与接触式测头；机械手用于实现加工刀具与接触式测头的交换，接触式测头用于测量而得到弧面凸轮的中心距误差与廓面误差等加工误差；其中第三驱动机构根据测量的误差值进行中心距的调整，即驱动所述工作台靠近或远离所述刀具主轴，提高了加工精度。该弧面凸轮加工检测一体机的加工及检测操作简单，具备检测效率与精度高的特点，大大提高弧面凸轮的加工效率和加工质量，具有很好的应用价值，具有较好的经济效益和社会效益。

本发明的实施例的目的之二在于提供一种在线检测方法，基于上述的弧面凸轮加工检测一体机；通过接触式测头与弧面凸轮廓面接触，与被测廓面偏置一个侧头半径得到测量路径，在测量过程中接触式测头以点位触发式测量法进行测量，对测量路径上各点的实际坐标值与理论坐标值对比，间接得到弧面凸轮的中心距误差与廓面误差等加工误差；再通过第三驱动机构根据中心距误差，驱动工作台靠近或远离刀具主轴以实时调整中心距。该在线检测方法操作简单方便，有效地解决了反复装拆而导致的中心距加工误差的检测困难的技术问题，具有检测效率与精度高的优点，提高了弧面凸轮的加工效率和加工质量。

本发明的实施例是这样实现的：

弧面凸轮加工检测一体机，包括机座、主轴箱与自动换刀装置；机座包括具有支承面的座体、设于支承面上的回转台与垂直连接于支承面的立柱；主轴箱设于立柱；支承面上设有沿第一方向延伸的第一驱动机构，以及沿第二方向延伸的第二驱动机构；回转台与第一驱动机构和第二驱动机构传动配合。自动换刀装置包括设于主轴箱的刀库与回转式机械手，刀库放置有刀具与接触式测头；主轴箱还设有用于固定刀具和接触式测头的刀具主轴，机械手设置于刀库与刀具主轴之间，用于实现刀具与接触式测头的交换。回转台上设有固定弧面凸轮的工作台与第三驱动机构，第三驱动机构与工作台传动连接，用于驱动工作台靠近或远离刀具主轴。

发明人发现：目前对于弧面凸轮加工误差的测量方式，主要采用三坐标检测、光栅测量装置等测量设备对已加工产品进行测量。但是这种离线检测方法需要把加工产品从机床上取下才能进行测量；不仅反复装拆麻烦，且存在重复定位误差，从而导致测量效率低，测量精度低等问题。

针对解决这种情况，发明人设计了一种采用双回转坐标轴联动的五轴弧面凸轮加工检测一体机，旨在解决现有技术中的反复装卸而导致的测量效率低，测量精度低等问题。其具备工作台的横向运动、纵向运动以及回转台以及弧面凸轮的双回转联动，能够进行对于弧面凸轮廓面加工与检测运动。包括刀库与回转式机械手的自动换刀装置，机械手用于实现加工刀具与接触式测头的交换。因弧面凸轮凸轮曲面为三维空间曲面，通过该接触式测头检测到空间三维坐标数据，与系统中设定的曲面进行比较分析，获得弧面凸轮的中心距误差与廓面误差等加工误差，进而再反馈给机床进行调整加工参数，其中第三驱动机构用于调整弧面凸轮与刀具主轴之间的中心距。该弧面凸轮加工检测一体机的加工及检测操作简单，具备检测效率与精度高的特点，加工和检测中采用了所开发宏程序铣削和检测循环，大大提高弧面凸轮的加工效率和加工质量，具有很好的应用价值，具有较好的经济效益和社会效益。

在本实施例的一种实施方式中：

自动换刀装置还包括第四电机、输出轴以及具有弧面凸轮轴的弧面凸轮机构；第四电机用于驱动弧面凸轮轴转动，输出轴与弧面凸轮轴传动连接，用于带动输出轴垂直于弧面凸轮轴转动；机械手连接于输出轴。

在本实施例的一种实施方式中：

刀库设置于主轴箱相对刀具主轴的侧面上；机械手具备相对于输出轴的旋转轴线对称的两个夹持部，输出轴带动夹持部在刀库与刀具主轴之间运动。

在本实施例的一种实施方式中：

夹持部包括连接于输出轴的第一段以及远离输出轴的第二段；第二段向刀库或刀具主轴的安装面延伸。

在本实施例的一种实施方式中：

第一驱动机构包括沿第一方向延伸的与回转台传动连接的第一丝杠；第一丝杠连接有第一电机；支承面上还设有用于检测回转台行程的第一光栅尺，第一光栅尺与第一电机电连接。

在本实施例的一种实施方式中：

第二驱动机构包括沿第二方向延伸的与回转台传动连接的第二丝杠；第二丝杠连接有第二电机；支承面上还设有用于检测回转台行程的第二光栅尺，第二光栅尺与第二电机电连接。

在本实施例的一种实施方式中：

工作台上设有固定支架与顶尖支架；固定支架设有中心转轴，用于带动弧面凸轮绕水平轴线转动；固定支架与顶尖支架可滑动地设于同一轴线上，用于将弧面凸轮顶住。

在本实施例的一种实施方式中：

回转台上还设有两条平行导轨；第三驱动机构包括与工作台传动连接的第三丝杠；第三丝杠连接有第三电机，用于驱动工作台沿平行导轨靠近或远离刀具主轴；回转台上还设有用于检测工作台行程的第三光栅尺，第三光栅尺与第三电机电连接。

在本实施例的一种实施方式中：

中心转轴设有用于采集弧面凸轮转角的第一编码器，刀具主轴设有用于采集刀具或接触式测头转角的第二编码器。

本发明的实施例具有以下有益效果：

本发明的实施例提供的一种采用双回转坐标轴联动的五轴弧面凸轮加工检测一体机，旨在解决现有技术中的反复装卸而导致的测量效率低，测量精度低等问题。其中机械手用于实现加工刀具与接触式测头的交换，接触式测头用于测量而间接得到弧面凸轮的中心距误差与廓面误差等加工误差；第三驱动机构根据测量的误差值进行中心距的调整，从而避免了反复装拆而导致的测量效率低，提高了加工精度。该弧面凸轮加工检测一体机的加工及检测操作简单，具备检测效率与精度高的特点，大大提高弧面凸轮的加工效率和加工质量。

本发明的实施例还提供一种在线检测方法，基于上述的弧面凸轮加工检测一体机，包含如下步骤：接触式测头装于刀具主轴上固定不动，同时回转台与中心转轴按设定的运动规律转动；接触式测头与弧面凸轮廓面接触，通过与被测廓面偏置一个侧头半径得到测量路径，在测量过程中接触式测头以点位触发式测量法进行测量，对测量路径上各点的实际坐标值与理论坐标值对比，间接得到弧面凸轮的中心距误差与廓面误差等加工误差；第三驱动机构根据中心距误差，驱动工作台靠近或远离刀具主轴以调整中心距。

本发明提供的一种在线检测方法具有以下有益效果：该在线检测方法操作简单方便，有效地解决了反复装拆而导致的中心距误差与廓面误差等加工误差的检测困难的技术问题，具有检测效率与精度高的优点，提高了弧面凸轮的加工效率和加工质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例中弧面凸轮加工检测一体机的第一种视角的结构示意图；

图2为本发明实施例中弧面凸轮加工检测一体机的第二种视角的结构示意图；

图3为本发明实施例中回转台的结构示意图；

图4为本发明实施例中自动换刀装置的外部结构示意图；

图5为本发明实施例中自动换刀装置的内部结构示意图；

图6为本发明实施例中弧面凸轮中心距误差分析模型。

图标：100-弧面凸轮加工检测一体机；1-机座；10-支承面；101-回转台；102-工作台；103-立柱；104-主轴箱；105-刀具主轴；106-固定支架；107-顶尖支架；108-数控箱；2-自动换刀装置；20-刀库；21-机械手；210-夹持部；2101-第一段；2102-第二段；22-输出轴；23-弧面凸轮轴；301-平行导轨；302-第三丝杠。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”应做广义理解，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

请参照图1，图1示出了本实施例提供的一种采用双回转坐标轴联动的弧面凸轮加工检测一体机100的具体结构，搭载数控系统实现自动化操作；其包括机座1、主轴箱104与自动换刀装置2；机座1包括具有支承面10的座体以及设于支承面10上的回转台101与垂直连接于支承面10的立柱103；主轴箱104设于立柱103。自动换刀装置2包括设于主轴箱104的刀库20与回转式机械手21；其中机械手21用于实现刀具与接触式测头的交换，从而完成对于弧面凸轮廓面加工与检测运动。

座体具有相对的端面，其中一个端面为支承面10，支承面10上设有回转台101。以支承面10为参照面，沿支承面10长度方向的两侧延伸的方向为第一方向，相对地，沿支承面10宽度方向的两侧延伸的为第二方向。支承面10上设有沿第一方向延伸的滑轨机构与第一丝杠，其第一丝杠连接有作为驱动源的第一电机；回转台101设于支承面10上，与第一丝杠传动连接从而沿滑轨机构滑动，实现机床的横向X轴进给运动。为了进一步提高回转台101行程的精确度，在支承面10上还设置了与第一电机电连接的第一光栅尺，形成闭环伺服系统。

支承面10上还设有沿第二方向延伸的滑轨机构与第二丝杠，其第二丝杠连接有作为驱动源的第二电机。回转台101设于支承面10上，与第二丝杠传动连接从而沿滑轨机构滑动，实现机床的纵向Z轴进给运动。为了进一步提高回转台101行程的精确度，在支承面10上还设置了与第二电机电连接的第二光栅尺，形成闭环伺服系统。

请参照图2，回转台101上设有用于加工弧面凸轮的工作台102，工作台102上设有固定支架106与顶尖支架107。固定支架106设有中心转轴，通过伺服电机驱动用于带动弧面凸轮绕水平轴线转动；固定支架106与顶尖支架107可滑动地设于同一轴线上，用于将弧面凸轮顶住。值得注意的是，在图2中示出了机座1上设有的用于控制机床实现自动化加工的数控箱108。

请进一步参照图3，在回转台101上还设有沿第一方向延伸的两条平行导轨301与第三丝杠302，其第三丝杠302连接有作为驱动源的第三电机。工作台102设于回转台101上，与第三丝杠302传动连接从而沿平行导轨301滑动，实现工作台102的靠近或远离刀具主轴105的进给运动。为了进一步提高工作台102行程的精确度，在回转台101上还设置了与第三电机电连接的第三光栅尺，形成闭环伺服系统。

请参照图4并结合图1所示，图4示出了自动换刀装置2的结构以及各个部件相应的布置。立柱103垂直于支承面10与座体连接，立柱103设有主轴箱104。自动换刀装置2包刀库20与回转式机械手21，刀库20放置有刀具与接触式测头。主轴箱104面向回转台101的连接面上设有沿第二方向延伸的刀具主轴105，刀具主轴105用于固定刀具和接触式测头。其中刀库20设置于主轴箱104相对刀具主轴105的侧面上，机械手21设置于刀库20与刀具主轴105之间，用于实现刀具与接触式测头的交换。在本实施例中，刀库20设置于主轴箱104相对刀具主轴105的侧面上；在其他具体实施例中，刀库20可以设置于主轴箱104的任意位置，配合机械手21实现换刀。

在本实施例中，优选地，自动换刀装置2采用弧面凸轮机构；请参照图5所示，自动换刀装置2包括第四电机、输出轴22以及具有弧面凸轮轴23的弧面凸轮机构；第四电机用于驱动弧面凸轮轴23转动，输出轴22与弧面凸轮轴23传动连接，用于带动输出轴22垂直于弧面凸轮轴23所在的旋转轴线转动；机械手21连接于输出轴22。在其他具体实施例中，自动换刀装置2也可以为其他结构。

请再次参照图4，机械手21具备相对于输出轴22的旋转轴线对称的两个夹持部210；夹持部210包括连接于输出轴22的第一段2101以及远离输出轴22的第二段2102；第二段2102向刀库20或刀具主轴105的安装面延伸。输出轴22带动夹持部210在刀库20与刀具主轴105之间转动，实现拔刀、交换刀具与接触式测头以及装刀的换刀作业。

在本实施例中，优选地，中心转轴设有用于采集弧面凸轮转角的第一编码器，刀具主轴105设有用于采集刀具或接触式测头转角的第二编码器；通过设计编码器可以有效地解决了中心转轴与刀具主轴105因复合运动而存在定位精度难的技术问题。

本实施例还提供一种基于上述的弧面凸轮加工检测一体机100的在线检测方法，包含如下步骤：接触式测头装于刀具主轴105上固定不动，同时回转台101与中心转轴按设定的运动规律转动；接触式测头与弧面凸轮廓面接触，通过与被测廓面偏置一个侧头半径得到测量路径，在测量过程中接触式测头以点位触发式测量法进行测量，对测量路径上各点的实际坐标值与理论坐标值对比，间接得到弧面凸轮的中心距误差与廓面误差等加工误差；其中第三驱动机构根据中心距误差，驱动工作台102靠近或远离刀具主轴105以调整中心距。

为了进一步使本领域的技术人员能够更加清楚的理解本实施例，以下将对上述在线检测方法中，对关于弧面凸轮的加工中心距误差的计算方法进行详细说明。

请参照表1，表1为弧面凸轮相关参数，通过添加相应的辅助线建立如图6的弧面凸轮中心距误差分析模型。

表1

请参照图6所示，作辅助线连接OB、BC，则BC为凸轮顶弧面停歇期凸脊的弦(即接触式测头在检测中便于测量的凸脊宽度)，BC交中心线于D点，则OB＝OC＝r_c，AB＝r＝ρ，且令∠AOB＝α、∠BOD＝β、BC＝t。

△AOB中，因

△BOD中

凸脊宽度：

根据式(1)可以求出所给参数下凸轮停歇期宽度的理论值BC与接触式测头的实测值BC＇进行比较以判断中心距误差大小，如果BC＇＞BC则中心距偏大，则需要重新调整机床中心距再进行加工；如果BC＇＜BC，则中心距偏小，产品不满足要求。

通过上面的推导已知:sinα＝ρ/r_c，sinβ＝t/(2r_c)，α＝π/z－β，则有

最后推导出凸轮顶弧面半径r_c，计算公式为:

通过实例分析，设定好弧面凸轮加工检测一体机100的专用加工参数，通过接触式测头实测凸轮停歇期凸脊宽度，代入式(2)计算出凸轮顶弧面半径实际值r_c＇，与理论值r_c相比得到中心距误差值δ＝|r_c-r_c'|；第三驱动机构根据中心距误差值δ进行中心距的修正。

由于弧面分度凸轮的凸轮轮廓是不可展的空间自由曲面，其轮廓廓面准确与否直接影响到机构的传动质量；现有技术对弧面凸轮的表面加工以及误差检测存在很大的困难。而本实施例提供的一种在线检测方法，通过接触式测头实现对弧面凸轮的中心距误差与廓面误差等加工误差的检测，然后经过数控系统分析之后反馈给机床，从而实现加工精度的修正；该检测方法具有检测效率与精度高的优点，提高了弧面凸轮的加工效率和加工质量。

综上所述，发明人设计了一种采用双回转坐标轴联动的五轴弧面凸轮加工检测一体机，旨在解决现有技术中的反复装卸而导致的测量效率低，测量精度低等问题。其具备工作台的横向运动、纵向运动以及回转台以及弧面凸轮的双回转联动，能够进行对于弧面凸轮廓面加工与检测运动。包括刀库与回转式机械手的自动换刀装置，机械手用于实现加工刀具与接触式测头的交换。因弧面凸轮凸轮曲面为三维空间曲面，通过该接触式测头检测到空间三维坐标数据，与系统中设定的曲面进行比较分析，获得弧面凸轮的中心距误差与廓面误差等加工误差，进而再反馈给机床进行调整加工参数，其中第三驱动机构用于调整弧面凸轮与刀具主轴之间的中心距。该弧面凸轮加工检测一体机的加工及检测操作简单，具备检测效率与精度高的特点，加工和检测中采用了所开发宏程序铣削和检测循环，大大提高弧面凸轮的加工效率和加工质量，具有很好的应用价值，具有较好的经济效益和社会效益。

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。