基于多传感器集成测量的自由曲面类零件加工系统的制作方法

本发明涉及测量设备技术领域，尤其涉及一种基于多传感器集成测量的自由曲面类零件加工系统。

背景技术：

随着测量技术的发展，单一的实物数字化方法已经不能满足高精度和高效率的应用需求，这就促进了多传感器集成测量系统的发展。多传感器集成测量系统是一种把接触式和非接触式两种测量方法组合在一起的数字化系统，一般以广泛使用的三坐标测量机为基础，集接触式测头、激光扫描测头或者视觉传感器于一体，充分利用两种数字化方法的优点从而实现高效而精确的数字化测量。

随着数控机床技术和cad/cam现代化数控技术的发展，金属零件的制造范围变得越来越广泛，有简单的形体零件向空间复杂曲面零件方向发展。由于含有自由曲面的零件，其形状美观，且曲面有很高的自由度，形状易于调整，且有许多优良的力学、光学性能。

自由曲面类零件(如汽车覆盖件和航空发动机叶片等)在汽车、飞机和家电等行业得到广泛应用，实现自由曲面类零件的快速加工制造受到人们的普遍关注。针对待测目标，首先需要建立目标在机床坐标系与设计坐标系之间的位置关系。传统的方法利用非接触式方法对毛坯进行整体扫描，计算空间刚体变换关系使得设计坐标系中的加工文件在机床坐标系中生效；利用接触式方法对加工后的产品进行接触式测量，完成产品质量检测。由于在不同平台下执行非接触式和接触式测量，涉及多次拆卸、搬运、夹持等，加工效率低且自动化程度低。

目前，浙江大学提出了集成多传感器测量数据进行仿形加工的方法和系统(专利申请号200610155284。然而，这种加工系统将曲面测量组件和铣削加工组件放置在同一机床主轴上。需要人工参与拆卸测量装置以进行后续铣削加工，对于单件、小批量生产来说，加工效率低且不满足柔性制造的要求。此外，该系统无法在同一平台下对精加工后的产品进行质量检测。

综上可知，现有技术在实际使用上显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。

技术实现要素：

针对上述的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于多传感器集成测量的自由曲面类零件加工系统，其利用非接触式和接触式两种传感器集成测量曲面，提高了加工效率和自动化程度，适应于多品种、小批量自由曲面类零件的快速加工制造。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于多传感器集成测量的自由曲面类零件加工系统，包括如下四个工作组件：曲面测量组件、点云处理组件、曲面加工组件和质量检测组件。

所述曲面测量组件包括非接触式传感器和接触式传感器，用于对待测目标进行离散化测量；非接触式传感器包括ccd摄像机、x轴结构光传感器和y轴结构光传感器；接触式传感器包括三坐标测量机；所述曲面测量组件还包括智能控制系统，智能控制系统设有传感器选择策略单元、创建世界模型单元和信息处理单元。

所述点云处理组件包括服务器，用于对非接触式传感器获得的点云数据进行去噪、补洞和拼合等几何处理。

所述曲面加工组件装有铣削用铣刀，用于对工件进行粗加工和精加工。

所述质量检测组件包括pc机，用于对接触式传感器获得的高精度测点进行误差比较，评价产品质量。

根据本发明的基于多传感器集成测量的自由曲面类零件加工系统，所述三坐标测量机上装设有接触式探针和视觉传感器，所述ccd摄像机、x轴结构光传感器和y轴结构光传感器均安装于所述视觉传感器的安装台上。

根据本发明的基于多传感器集成测量的自由曲面类零件加工系统，所述智能控制系统还设有控制结构，对多传感器集成与融合过程进行有效的控制，以提高曲面测量的准确性。

根据本发明的基于多传感器集成测量的自由曲面类零件加工系统，所述曲面测量组件与所述曲面加工组件通过直线导轨连接。

根据本发明的基于多传感器集成测量的自由曲面类零件加工系统，所述曲面加工组件的加工过程包括如下步骤：

a在cam编程软件中，根据面形点云数据，设置球头铣刀的半径，并根据球头铣刀的半径和面形点云数据规划加工路径，以及输出数控系统能够识别的数控加工文件；

b数控系统根据数控加工文件对待加工金属零件进行第一次加工；

c数控系统对第一次加工后的曲面进行点接触检测得到检测点的坐标数据并输出至cam编程软件中；

d在cam编程软件中，根据检测点的坐标数据得到点云测量数据，并根据点云测量数据和面形点云数据，得到加工误差数据；

e在cam编程软件中，根据球头铣刀的半径、加工误差数据和面形点云数据规划加工路径，以及输出数控系统能够识别的数控加工文件；

f数控系统根据数控加工文件对第一次加工后金属零件进行第二次加工。

6、根据权利要求1所述的基于多传感器集成测量的自由曲面类零件加工系统，其特征在于，所述y轴结构光传感器与所述x轴结构光传感器的结构相同。

根据本发明的基于多传感器集成测量的自由曲面类零件加工系统，本发明还提供一种利用所述加工系统加工工件的方法，包括如下加工步骤：

步骤一，将毛坯件放置在曲面测量组件上，采用非接触式传感器对工件进行测量，获取点云数据；

步骤二，将所述点云数据输入到点云处理组件的数据处理器中进行去除噪音、修补空洞和数据拼合，获得完整的点云数据，并转换为机床可读取的加工g代码；

步骤三将所述加工g代码输入到曲面加工组件中，进行粗加工和精加工，制成初加工工件；

步骤四将所述初加工工件重新放置在曲面测量组件上，采用接触式传感器对初加工工件进行测量，筛选合格工件和报废工件。

基于光传感器的非接触传感器测量速度快，每秒钟可采集1000～100000个点，因此可在较短的时间内获取工件表面的三维数据。

根据本发明的加工工件的方法，所述步骤二中，采用adf算法求解机床坐标系中毛坯件同设计坐标系中设计曲面的刚体变换参数，由所述刚体变换参数将设计坐标系下生成的加工文件转换为所述加工g代码。

根据本发明的加工工件的方法，所述步骤二中，在执行adf迭代求解前，利用所述刚体变换参数更新测量数据，以减少adf迭代的次数，提高计算效率。

本发明的目的在于提供一种基于多传感器集成测量的自由曲面类零件加工系统，通过。综上，本发明的有益效果为：。

附图说明

图1是本发明自由曲面类零件加工系统流程示意图；

在图中：1-曲面测量组件，2-点云处理组件，3-曲面加工组件，4-质量检测组件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，本发明提供了一种基于多传感器集成测量的自由曲面类零件加工系统，包括如下四个工作组件：曲面测量组件1、点云处理组件2、曲面加工组件3和质量检测组件4。

曲面测量组件1包括非接触式传感器和接触式传感器，用于对待测目标进行离散化测量。非接触式传感器包括ccd摄像机、x轴结构光传感器和y轴结构光传感器，y轴结构光传感器与x轴结构光传感器的结构相同。接触式传感器包括三坐标测量机，三坐标测量机上装设有接触式探针，以及视觉传感器，非接触式传感器中的ccd摄像机、x轴结构光传感器和y轴结构光传感器均安装于视觉传感器的安装台上。

曲面测量组件1还包括智能控制系统，智能控制系统设有传感器选择策略单元、创建世界模型单元和信息处理单元。传感器选择是多传感器集成的一部分，在对一件工件进行测量时，传感器选择策略单元可以使多传感器系统从可用的传感器之中选择对工件最合适的传感器组合。创建世界模型单元可以对先前获得的传感信息进行存储和推理，通常世界模型根据传感信息的高层表示来定义，来自不同传感器的数据首先被融合为统一的、高层的表示形式，然后被增添到世界模型当中。信息处理单元主要是进行数据融合，多传感器数据融合的实质是多源不确定性信息的处理，多源不确定性信息包括不断地变化的信息、随机的信息、模糊的信息等，加权平均法是最简单、最直观的融合方法。

智能控制系统还包括控制结构，控制结构主要是对多传感器集成与融合过程进行有效的控制，以提高曲面测量的准确性。

点云处理组件2包括服务器，用于对非接触式传感器获得的点云数据进行去噪、补洞和拼合等几何处理，利用处理后的数据和已知的三维设计参数曲面，计算工件在当前工作台与设计坐标系间的空间位置关系，从而将设计坐标系下生成的加工文件转换到当前工作台可直接执行的加工代码，提供给曲面加工组件3进行加工。

曲面加工组件3装有铣削用铣刀，用于对工件进行粗加工和精加工。曲面测量组件1与曲面加工组件3通过直线导轨连接，实现目标在曲面测量组件1和曲面加工组件3中的自动化传输，曲面加工组件3的加工过程包括如下步骤：

a在cam编程软件中，根据面形点云数据，设置球头铣刀的半径，并根据球头铣刀的半径和面形点云数据规划加工路径，以及输出数控系统能够识别的数控加工文件；

b数控系统根据数控加工文件对待加工金属零件进行第一次加工；

c数控系统对第一次加工后的曲面进行点接触检测得到检测点的坐标数据并输出至cam编程软件中；

d在cam编程软件中，根据检测点的坐标数据得到点云测量数据，并根据点云测量数据和面形点云数据，得到加工误差数据；

e在cam编程软件中，根据球头铣刀的半径、加工误差数据和面形点云数据规划加工路径，以及输出数控系统能够识别的数控加工文件；

f数控系统根据数控加工文件对第一次加工后金属零件进行第二次加工。

质量检测组件4包括pc机，用于对接触式传感器获得的高精度测点进行误差比较，评价产品质量。

利用上述加工系统加工工件的方法包括如下步骤：

步骤一，将毛坯件放置在曲面测量组件1上，采用非接触式传感器对工件进行测量。基于光传感器的非接触传感器测量速度快，每秒钟可采集1000～100000个点，因此可在较短的时间内获取工件表面的三维数据。

步骤二，将步骤一扫描的点云数据输入到点云处理组件2的数据处理器中。受测量背景、测量视角有限等因素的影响，非接触式传感器直接扫描的数据通常存在噪音、数据丢失和多个独立的测量数据点集等。在数据处理器中采用商业化的处理软件去除噪音、修补空洞和数据拼合等，获得完整的点云数据。利用该点云数据，采用adf(adaptivedistancefunction)算法求解机床坐标系中毛坯件同设计坐标系中设计曲面的刚体变换参数g＝(r，t)，其中r表示旋转参数，t表示平移参数。进而，由g将设计坐标系下生成的加工文件转换为机床可读取的加工g代码。

步骤三将步骤二中计算的加工g代码输入到曲面加工组件3中。由于毛坯件的位置发生了变化，需适当更新加工g代码生成当前的刀具轨迹。沿计算的刀具轨迹，依次执行粗加工和精加工，制得初加工工件。

步骤四将初加工工件重新放置在曲面测量组件1上，采用接触式传感器对初加工工件进行测量，将获得的少量高精度测点输入pc机上，采用adf算法求解机床坐标系中初加工工件同设计坐标系中设计曲面的刚体变换参数。adf迭代稳定后，由刚体变换参数计算高精度测点同设计参数曲面的均值误差，并同预设的阀值进行比较，比已知阀值小则认为工件合格，否则认为工件不合格并输入报废指令。

在执行adf迭代求解前，利用步骤二计算的刚体变换参数更新测量数据，可大大减少adf迭代的次数，提高计算效率。

综上所述，本发明利用非接触式和接触式两种传感器集成测量曲面，非接触式测量速度快、获取数据量大，能够快速计算出目标同设计坐标系的空间位置关系，用于生成机床坐标系下可直接应用的加工g代码；接触式测量精度高，对加工后的工件进行质量检测；同时，装置结构简单，零件少，制造方便；曲面测量过程中，无需人工参与，降低劳动强度，提高加工效率。综上所述，本发明的有益效果是：提高了加工效率和自动化程度，适应于多品种、小批量自由曲面类零件的快速加工制造。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。