一种基于在机测量的工件加工方法及系统与流程
本发明涉及数控机械加工领域，尤其涉及一种基于在机测量的工件加工方法及系统。
背景技术：
当前，航天航空、汽车、船舶等领域中存在有大量的大型、复杂和难以加工的零件。在此类零件的加工过程中，由于加工变形、不精确的装夹、刀具磨损、余量不均、设备负荷改变等因素，常导致零件的合格率和加工效率较低。随着数字化测量技术的快速发展，采用一定的在机测量技术能够获得工件(即零件)加工状态的三维数字化信息，通过自适应加工技术使机床能够根据测量得到的工件的加工状态自适应改变加工策略，相对传统的机械加工方式，不仅能够解决上述加工变形、装夹不精确、刀具磨损等问题，而且能够提高加工效率和精度、增加自动化程度。
现有技术中，工件的合格率和加工效率不仅与工件的加工状态有关，还常常与工件的几何尺寸有关，但现有的工件加工方法中没有考虑到工件的几何尺寸，造成工件的合格率和加工效率偏低。
技术实现要素：
本发明实施例提供一种基于在机测量的工件加工方法及系统，以能够基于在机测量的工件几何尺寸数据对工件进行自适应加工，提高工件的合格率和加工效率。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于在机测量的工件加工方法，包括：
利用在机测量方式测量工件的加工表面的几何数据；
根据所述几何数据以及预设理想工件模型，对所述几何数据进行配准调整，得到所述加工表面的几何配准数据；
根据所述几何配准数据，对所述工件的数控加工程序进行补偿修正；
利用补偿修正后的数控加工程序对所述工件进行加工。
可选的，所述利用在机测量方式测量工件的加工表面的几何数据，包括：
利用接触式在机测量方式和/或非接触式在机测量方式，测量所述工件的加工表面的几何数据。
可选的，所述根据所述几何数据以及预设的理想工件模型，对所述几何数据进行配准调整，得到所述加工表面的几何配准数据，包括：
基于stl格式离散所述预设理想工件模型为点云数据，并提取相应stl文件中三角形控制顶点的坐标数据；
基于主成分分析法，按照如下公式分别计算提取出的控制顶点和所述几何数据对应的实测点云的协方差矩阵；
求解所述协方差矩阵，并根据求解结果，对所述几何数据进行初始配准调整，得到初始配准数据；
基于迭代最近点算法，计算如下约束条件的使f值最小的刚体变换r和t；
利用所述r和t，对所述初始配准数据进行配准调整，得到所述几何配准数据；
其中，n为所述控制顶点或所述实测点云的数量，xi为所述控制顶点或所述实测点云的横坐标，
可选的，若利用接触式在机测量方式测量所述工件的加工表面的几何数据，所述几何数据为所述加工表面上特征点的坐标数据，所述根据所述几何配准数据，对所述工件的数控加工程序进行补偿修正，包括：
根据所述几何配准数据，利用nurbs重构理论进行nurbs曲线反求，并进行nurbs曲线正求，得到nurbs曲线上的与刀位点对应的点的坐标数据；
根据所述nurbs曲线上的与刀位点对应的点的坐标数据以及刀轨文件中刀位点的坐标数据，利用反变形法，修正所述刀轨文件中的刀位点的坐标数据，生成带有补偿的nc代码。
可选的，若利用非接触式在机测量方式测量所述工件的加工表面的几何数据，所述根据所述几何配准数据，对所述工件的数控加工程序进行补偿修正，包括：
根据所述几何配准数据，利用反变形法，对加工型面进行nurbs曲面重构，并利用重构后的nurbs曲面计算刀位轨迹；
根据计算出的刀位轨迹，修正相应的刀轨文件，生成带有补偿的nc代码。
第二方面，本发明实施例还提供了一种基于在机测量的工件加工系统，包括：
数据测量模块，用于利用在机测量方式测量工件的加工表面的几何数据；
配准调整模块，用于根据所述几何数据以及预设理想工件模型，对所述几何数据进行配准调整，得到所述加工表面的几何配准数据；
补偿修正模块，用于根据所述几何配准数据，对所述工件的数控加工程序进行补偿修正；
数控加工模块，用于利用补偿修正后的数控加工程序对所述工件进行加工。
可选的，所述数据测量模块具体用于：
利用接触式在机测量方式和/或非接触式在机测量方式，测量所述工件的加工表面的几何数据。
可选的，所述配准调整模块包括：
提取单元，用于基于stl格式离散所述预设理想工件模型为点云数据，并提取相应stl文件中三角形控制顶点的坐标数据；
第一计算单元，用于基于主成分分析法，按照如下公式分别计算提取出的控制顶点和所述几何数据对应的实测点云的协方差矩阵；
第一配准单元，用于求解所述协方差矩阵，并根据求解结果，对所述几何数据进行初始配准调整，得到初始配准数据；
第二计算单元，用于基于迭代最近点算法，计算如下约束条件的使f值最小的刚体变换r和t；
第二配准单元，用于利用所述r和t，对所述初始配准数据进行配准调整，得到所述几何配准数据；
其中，n为所述控制顶点或所述实测点云的数量，xi为所述控制顶点或所述实测点云的横坐标，
可选的，若利用接触式在机测量方式测量所述工件的加工表面的几何数据，所述几何数据为所述加工表面上特征点的坐标数据，所述补偿修正模块包括：
第三计算单元，用于根据所述几何配准数据，利用nurbs重构理论进行nurbs曲线反求，并进行nurbs曲线正求，得到nurbs曲线上的与刀位点对应的点的坐标数据；
第一修正单元，用于根据所述nurbs曲线上的与刀位点对应的点的坐标数据以及刀轨文件中刀位点的坐标数据，利用反变形法，修正所述刀轨文件中的刀位点的坐标数据，生成带有补偿的nc代码。
可选的，若利用非接触式在机测量方式测量所述工件的加工表面的几何数据，所述补偿修正模块包括：
第四计算单元，用于根据所述几何配准数据，利用反变形法，对加工型面进行nurbs曲面重构，并利用重构后的nurbs曲面计算刀位轨迹；
第二修正单元，用于根据计算出的刀位轨迹，修正相应的刀轨文件，生成带有补偿的nc代码。
本发明实施例的工件加工方法，通过利用在机测量方式测量工件的加工表面的几何数据，并利用加工表面的几何数据进行数控加工程序的补偿修正，利用补偿修正后的数控加工程序对工件进行加工，从而能够基于在机测量的工件几何尺寸数据对工件进行自适应加工，提高加工工件的合格率和加工效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的基于在机测量的工件加工方法的流程图；
图2为本发明具体实施例的接触式在机测量的示意图；
图3为本发明具体实施例的非接触式在机测量的示意图；
图4为本发明具体实施例的反变形法的示意图；
图5为本发明实施例的基于在机测量的工件加工系统的结构示意图；
图6为本发明实施例的基于在机测量的工件加工系统的加工流程图。
具体实施方式
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。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。
参见图1所示，本发明实施例提供了一种基于在机测量的工件加工方法，包括如下步骤：
步骤101：利用在机测量方式测量工件的加工表面的几何数据。
本发明实施例中，利用在机测量方式测量工件的加工表面的几何数据的方式具体可为：利用接触式在机测量方式和/或非接触式在机测量方式，测量工件的加工表面的几何数据。其中，接触式在机测量例如为采用机床测头进行测量，测量的是加工表面上特征点的几何数据，比如参见图2所示，当加工表面为下陷窗口时，可利用机床测头测量下陷窗口上特征点的几何数据。非接触在机测量例如为采用三维激光扫描仪进行测量，测量的是加工表面的几何数据，比如参见图3所示，当加工表面为下陷窗口时，可利用三维激光扫描仪直接测量下陷窗口的几何数据。
应说明的是，此处涉及的几何数据具体为加工表面上特征点或者实测点云的三维坐标数据。根据加工需求，可同时利用接触式在机测量方式和非接触式在机测量方式测量一工件的加工表面的几何数据。
步骤102：根据几何数据以及预设理想工件模型，对几何数据进行配准调整，得到加工表面的几何配准数据。
其中，预设理想工件模型例如为预设理想cad模型。在对采集到的工件的加工表面的几何数据进行配准调整时，可基于实测数据和预设理想cad模型的离散云点数据，进行余量与容差约束下的配准分析，完成加工基准调整。
步骤103：根据几何配准数据，对工件的数控加工程序进行补偿修正。
具体的，当利用接触式在机测量方式测量加工表面的几何数据时，可基于刀轨文件法进行误差补偿，即基于实测特征点数据进行加工面的nurbs(非均匀有理b样条，nonuniformrationalb-spline)重构，计算刀轨文件中相应刀位点误差的大小和方向，修改刀轨文件中相应刀位点的坐标数据并进行后处理，生成带有补偿的nc代码。当利用非接触式在机测量方式测量加工表面的几何数据时，可基于加工型面重构进行误差补偿，即首先对实测点云数据进行滤波、精简等预处理，然后基于反变形法重构加工型面，最后基于重构的加工型面进行数控加工程序的重新计算。
步骤104：利用补偿修正后的数控加工程序对工件进行加工。
本发明实施例的工件加工方法，通过利用在机测量方式测量工件的加工表面的几何数据，并利用加工表面的几何数据进行数控加工程序的补偿修正，利用补偿修正后的数控加工程序对工件进行加工，从而能够基于在机测量的工件几何尺寸数据对工件进行自适应加工，提高加工工件的合格率和加工效率。
本发明实施例中，根据测量得到加工表面的几何数据以及预设理想工件模型，对该几何数据进行配准调整，得到相应几何配准数据的过程可为：
首先，基于stl格式离散预设理想工件模型为点云数据，并提取相应stl文件中三角形控制顶点的坐标数据；
其次，基于主成分分析法，按照如下公式分别计算提取出的控制顶点和几何数据对应的实测点云(或者接触式测量时的特征点)的协方差矩阵；
其中，n为控制顶点或实测点云的数量，xi为控制顶点或实测点云的横坐标，
应说明的是，协方差矩阵c中，
再次，求解上述协方差矩阵，并根据求解结果，对几何数据进行初始配准调整，得到初始配准数据；
应说明的是，求解协方差矩阵的求解结果为该协方差矩阵对应的三个特征向量。这样，在根据求解结果，对几何数据进行初始配准调整时，可首先基于求解控制顶点对应的协方差矩阵得到的三个特征向量，重建坐标系1，并基于求解实测点云对应的协方差矩阵得到的三个特征向量，重建坐标系2；然后计算坐标系2相对坐标系1的刚体变换矩阵；最后根据计算出的刚体变换矩阵，对几何数据进行变换，完成初始配准调整过程。
然后，基于迭代最近点算法(iterationclosestpoint，pca)，计算如下约束条件的使f值最小的刚体变换r和t；
其中，n为控制顶点或实测点云的数量，pi为控制顶点的坐标数据(xi，yi，zi)，qi为实测点云对应的初始配准数据(xi，yi，zi)。
最后，利用r和t，对初始配准数据进行配准调整，得到几何配准数据。
这样，借助上述初始配准过程和精准配准过程，可完成加工基准调整，提高后续误差计算过程的准确度。
本发明实施例中，对于利用接触式在机测量方式测量的加工表面的几何数据，该几何数据为加工表面上特征点的坐标数据，根据对应的几何配准数据，对工件的数控加工程序进行补偿修正的过程可为：
首先，根据该几何配准数据，利用nurbs重构理论进行nurbs曲线反求，并进行nurbs曲线正求，得到nurbs曲线上的与刀位点对应的点的坐标数据；
然后，根据所述nurbs曲线上的与刀位点对应的点的坐标数据以及刀轨文件中刀位点的坐标数据，利用反变形法，修正刀轨文件中的刀位点的坐标数据，生成带有补偿的nc代码。
其中，在利用nurbs重构理论进行nurbs曲线反求时，若实测特征点的几何配准数据记为qi(i＝0,1,···,m)，m为实测特征点的数量，则可首先确定相应nurbs曲线对应的节点矢量u，其中u0＝u1＝…＝uk＝0，un+1＝un+2＝…＝un+k+1＝1，剩余内节点矢量可采用积累弦长法确定，公式如下：
其中，n＝m+k-1，表示nurbs曲线的控制顶点的个数，k表示nurbs曲线的次数(例如可取值为3)，|δqi-1|＝|qi-qi-1|，
然后，按照如下公式求解控制顶点的坐标数据；
其中，p(u)表示上述公式的符号，dj表示第j个控制顶点的坐标数据，ni,k(u)表示k次b样条基函数，由德布尔-考克斯递推公式定义，如下所示：
在进行nurbs曲线正求时，可首先提取刀轨文件中刀位点的坐标数据，然后按照如下公式求解nurbs曲线上刀位点对应的节点矢量；
其中，n表示nurbs曲线的控制顶点的个数，k表示nurbs曲线的次数，lj表示第j个控制顶点到第j-1个控制顶点的距离。
最后，在已知刀位点对应的节点矢量u＝[u0,u1,···,ui+k+1]、控制顶点di(i＝0,1,···,n)和次数k的前提下，按照如下公式求解nurbs曲线上的与刀位点对应的点的坐标数据；
应说明的是，反变形法可参见图4所示，若理想曲面为水平曲面，变形曲面为向上凸起，则补偿曲面为向下凸起。
本发明实施例中，对于利用非接触式在机测量方式测量的加工表面的几何数据，该几何数据为加工表面(即其上实测点云)的坐标数据，根据对应的几何配准数据，对工件的数控加工程序进行补偿修正的过程可为：
首先，根据几何配准数据，利用反变形法，对加工型面进行nurbs曲面重构，并利用重构后的nurbs曲面计算刀位轨迹；
然后，根据计算出的刀位轨迹，修正相应的刀轨文件，生成带有补偿的nc代码。
其中，在根据几何配准数据，利用反变形法，对加工型面进行nurbs曲面重构时，可首先根据实测点云的几何配准数据，基于加工区域特征提取，给定重构nurbs曲面中的(m+1)x(n+1)个控制顶点di,j(i＝0,1,···,m；j＝0,1,···,n)的阵列，然后给定基于曲面型值点确定的两个参数方向上的节点矢量u与v的次数k和l，其中u＝[u0,u1,···,ui+k+1]，v＝[v0,v1,···,vi+l+1]，而重构nurbs曲面定义为：
若给定曲面定义域内的任一组参数值(u,v)，则求nurbs曲面上相应点坐标数据p(u,v)的过程可为：
首先，利用v参数值对沿v参数方向的m+1个控制顶点执行德布尔递推算法，
然后，利用u参数值对沿这个中间多边形执行德布尔递推算法，所得的一点即为nurbs曲面上参数值(u，v)对应的点坐标数据p(u,v)。
需要指出的是，此nurbs曲面重构的具体过程可参考上述nurbs曲线反求和正求的过程，以基于nurbs曲面上的与刀位点对应的点的坐标数据，修正刀轨文件中的刀位点的坐标数据，生成带有补偿的nc代码。
上述实施例对本发明的基于在机测量的工件加工方法进行了说明，下面将结合实施例和附图对本发明的基于在机测量的工件加工系统进行说明。
参见图5所示，本发明实施例还提供了一种基于在机测量的工件加工系统，包括：
数据测量模块51，用于利用在机测量方式测量工件的加工表面的几何数据；
配准调整模块52，用于根据所述几何数据以及预设理想工件模型，对所述几何数据进行配准调整，得到所述加工表面的几何配准数据；
补偿修正模块53，用于根据所述几何配准数据，对所述工件的数控加工程序进行补偿修正；
数控加工模块54，用于利用补偿修正后的数控加工程序对所述工件进行加工。
本发明实施例的工件加工系统，通过利用在机测量方式测量工件的加工表面的几何数据，并利用加工表面的几何数据进行数控加工程序的补偿修正，利用补偿修正后的数控加工程序对工件进行加工，从而能够基于在机测量的工件几何尺寸数据对工件进行自适应加工，提高加工工件的合格率和加工效率。
需要指出的是，本发明实施例的数据测量模块51、配准调整模块52、补偿修正模块53和补偿修正模块54可构成一个闭环的工件几何自适应加工系统。参见图6所示，其中数据测量模块可利用接触式在机测量，采用机床测头测量加工表面的几何数据，和/或利用非接触式在机测量，采用三维激光扫描仪测量加工表面的几何数据；配准调整模块可在接触式在机测量基础上，利用实测特征点的数据集和预设理想工件模型，进行基准重合分析以及多约束下的配准分析，以求解加工误差，对测量得到的几何数据进行调整，和/或在非接触式在机测量基础上，利用实测点云数据和预设理想工件模型，进行基准重合分析以及多约束下的配准分析，以求解加工误差，对测量得到的几何数据进行调整；补偿修正模块可利用理想刀轨文件计算刀位点的个数和坐标数据，并根据几何配准数据，进行nurbs曲线重构，修改刀轨文件中的刀位点的坐标数据，直至所有刀位点都得到补偿，并经后处理后得到补偿的nc代码，和/或对实测点云的几何配准数据进行预处理，提取加工区域的特征点数据，基于点云重构的加工型面再设计，并利用重构后的nurbs曲面计算刀位轨迹，生成带有补偿的nc代码；补偿修正模块可将原nc代码或者带有补偿的nc代码，输入至数控机床，对工件进行数控加工。
可选的，所述数据测量模块具体用于：
利用接触式在机测量方式和/或非接触式在机测量方式，测量所述工件的加工表面的几何数据。
可选的，所述配准调整模块包括：
提取单元，用于基于stl格式离散所述预设理想工件模型为点云数据，并提取相应stl文件中三角形控制顶点的坐标数据；
第一计算单元，用于基于主成分分析法，按照如下公式分别计算提取出的控制顶点和所述几何数据对应的实测点云的协方差矩阵；
第一配准单元，用于求解所述协方差矩阵，并根据求解结果，对所述几何数据进行初始配准调整，得到初始配准数据；
第二计算单元，用于基于迭代最近点算法，计算如下约束条件的使f值最小的刚体变换r和t；
第二配准单元，用于利用所述r和t，对所述初始配准数据进行配准调整，得到所述几何配准数据；
其中，n为所述控制顶点或所述实测点云的数量，xi为所述控制顶点或所述实测点云的横坐标，
可选的，若利用接触式在机测量方式测量所述工件的加工表面的几何数据，所述几何数据为所述加工表面上特征点的坐标数据，所述补偿修正模块包括：
第三计算单元，用于根据所述几何配准数据，利用nurbs重构理论进行nurbs曲线反求，并进行nurbs曲线正求，得到nurbs曲线上的与刀位点对应的点的坐标数据；
第一修正单元，用于根据所述nurbs曲线上的与刀位点对应的点的坐标数据以及刀轨文件中刀位点的坐标数据，利用反变形法，修正所述刀轨文件中的刀位点的坐标数据，生成带有补偿的nc代码。
可选的，若利用非接触式在机测量方式测量所述工件的加工表面的几何数据，所述补偿修正模块包括：
第四计算单元，用于根据所述几何配准数据，利用反变形法，对加工型面进行nurbs曲面重构，并利用重构后的nurbs曲面计算刀位轨迹；
第二修正单元，用于根据计算出的刀位轨迹，修正相应的刀轨文件，生成带有补偿的nc代码。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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