TW201432401A - 加工機探針測量系統及方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種加工機探針測量方法，該方法控制CNC加工主軸到換針架中的探針的上方並吸取探針再放入，並記錄更換探針時的三維機械座標和吸盤的吸取力道控制CNC加工主軸自動更換探針；接觸各個接觸點並測量其三維機械座標；根據測量的多個接觸點的實際三維機械座標和用戶選擇的元素類型創建三維工件座標系；在三維工件座標系下，計算所有接觸點的實際工件座標；計算所有接觸點的實際工件座標與理論工件座標的偏差值；將所述工件座標系下的偏差值轉換成三維機械座標系下的偏差值，並補償給CNC加工機來校正工件的尺寸。

Description

加工機探針測量系統及方法

本發明涉及一種探針測量系統及方法。

數控機床(Computer numerical control，CNC)加工機加工產品因為加工來料、加工環境等因素造成加工精度不高且精度變化很大。一般通過CNC加工機加工產品毛坯，得到實際的加工產品，再通過檢測實際產品的重點尺寸來校正CNC加工程式，該方法會浪費大量的人力物力。而且由於產品的毛刺和Z方向的尺寸被遮擋的部分等原因，即使通過把機器視覺檢測模組安裝到CNC加工主軸上的方式也無法做到百分百尺寸測量。

鑒於以上內容，有必要提供一種加工機探針測量系統及方法，其可通過在CNC加工機內，探針高精度的接觸工件，並取點測量來校正工件的尺寸。

一種加工機探針測量系統，用於在數控機床CNC加工機內，取點測量工件的尺寸，其包括：控制模組一，用於控制CNC加工主軸到換針架中的探針的上方並吸取探針再放入換針架中，記錄更換探針時的三維機械座標及吸盤的吸取力道；控制模組二，用於控制CNC加工主軸根據用戶選擇的工件類型按照記錄的更換探針的三維機械座標及吸取力道，通過吸盤從換針架中吸取相應的探針；取點測量模組，用於探針被吸取後，在三維機械座標系下，接觸各個接觸點並測量其三維機械座標，所述接觸點是工件上探針待測量的目標點；創建工件座標系模組，用於當所有接觸點測量完畢後，根據測量的多個接觸點的實際三維機械座標和用戶根據工件所選擇的元素類型創建三維工件座標系；計算模組，用於在三維工件座標系下，計算所有接觸點的實際三維工件座標；所述計算模組，還用於計算所有接觸點的實際三維工件座標與理論三維工件座標的偏差值，所述接觸點的理論三維工件座標是由接觸點的理論三維機械座標轉換得到的；校正模組，用於將所述三維工件座標系下的偏差值轉換成三維機械座標系下的偏差值，並補償給CNC加工機來校正工件的尺寸。

一種加工機探針測量方法，用於在數控機床CNC加工機內，取點測量工件的尺寸，該方法包括：控制步驟一，控制CNC加工主軸到換針架中的探針的上方並吸取探針再放入換針架中，記錄更換探針時的三維機械座標及吸盤的吸取力道；控制步驟二，控制CNC加工主軸根據用戶選擇的工件類型按照記錄的更換探針的三維機械座標及吸取力道，通過吸盤從換針架中吸取相應的探針；取點測量步驟，探針被吸取後，在三維機械座標系下，接觸各個接觸點並測量其三維機械座標，所述接觸點是工件上探針待測量的目標點；創建工件座標系步驟，當所有接觸點測量完畢後，根據測量的多個接觸點的實際三維機械座標和用戶根據工件所選擇的元素類型創建三維工件座標系；計算步驟一，在三維工件座標系下，計算所有接觸點的實際三維工件座標；計算步驟二，計算所有接觸點的實際三維工件座標與理論三維工件座標的偏差值，所述接觸點的理論三維工件座標是由接觸點的理論三維機械座標轉換得到的，所述理論三維機械座標是用戶輸入的；校正步驟，將所述三維工件座標系下的偏差值轉換成三維機械座標系下的偏差值，並補償給CNC加工機來校正工件的尺寸。

相較於習知技術，所述加工機探針測量系統及方法，不受產品毛刺和加工鐵屑的影響，加工精度很高，且被遮擋的部分也能夠通過星形測針進行側面測量。

1．．．CNC加工機

9．．．工件

7．．．電腦

75．．．記憶體

76．．．微處理器

74．．．顯示設備

11．．．換針架

12．．．Z軸線性馬達

13．．．Z軸光學尺

14．．．CNC加工主軸

140．．．吸盤

141．．．探針

17．．．X軸線性馬達

18．．．X軸光學尺

19．．．CNC工作臺

10．．．加工機探針測量系統

100．．．控制模組一

101．．．控制模組二

102．．．取點測量模組

103．．．創建工件座標系模組

104．．．計算模組

105．．．校正模組

圖1是CNC加工機的硬體架構平面圖。

圖2是本發明加工機探針測量系統之模組圖。

圖3是本發明加工機探針測量方法之較佳實施例的流程圖。

圖4是測量一個接觸點之探針移動步驟圖。

圖5是圖3的步驟S13之細化流程圖。

圖6是工件座標系的XY軸面之示意圖。

圖7是圖3的步驟S14之細化流程圖。

如圖1所示，是CNC加工機的硬體架構平面圖。在本實施例中，所述加工機探針測量系統10安裝於電腦7中，該電腦7與CNC加工機1進行通訊連接。所述電腦7包括記憶體75、微處理器76及顯示設備74。所述CNC加工機1包括換針架11、Z軸線性馬達12、Z軸光學尺13、CNC加工主軸14、X軸線性馬達17、X軸光學尺18及CNC工作臺19及探針141。所述的CNC加工機1還包括Y軸光學尺、Y軸線性馬達及固定工件的裝夾治具等。所述CNC加工主軸14還包括吸盤140。所述CNC工作臺19上放有一工件9，通過加工機探針測量系統10來校正工件9的尺寸。

所述光學尺是利用光柵的莫爾條紋和光電轉換技術，通過光折射或透射回饋到感應器中進行計量。在本實施例中，所述Z軸光學尺13貼附在CNC加工主軸14上，所述X軸光學尺18平行於CNC工作臺19，並垂直於Z軸光學尺13，Y軸光學尺垂直於X軸光學尺18及Z軸光學尺13。當X、Y、Z軸光學尺安裝並校準後就會形成一個三維機械座標系。所述X、Y、Z軸光學尺用於測量目標點在三維機械座標系下的X、Y、Z座標，並且每個光學尺各對應一個線性馬達，所述線性馬達利用光學尺測量的座標點驅動CNC加工主軸14的探針141運動到指定的位置進行測量。

所述CNC加工主軸14通過吸盤140從所述換針架11中吸取所需的探針141。所述換針架11中放置了多個探針和刀具。所述探針141放置的位置還可以放置加工所需的刀具，所述CNC加工主軸14可以根據用戶選擇的工件類型自動更換所需的探針141及刀具。所述工件類型可以是長方體、立方體及帶有一定曲面的三維工件。

所述顯示設備74是一種LED顯示螢幕或者其他顯示器，用於顯示測量資料、提供用戶選擇待測量的工件類型、選擇所需創建的元素類型、提供用戶根據工件選擇接觸點的點數及輸入接觸點對應的理論三維機械座標。所述接觸點是工件上探針141待測量的目標點。所述元素類型是指用戶根據工件選擇的圓、線、面及圓柱等。

所述探針141包括柱形探針、球形探針及星形探針。當工件9的Z方向被遮擋時，可以使用星形探針進行側面測量。當工件9的待測面有一定的斜度時，可以用柱形探針測量。當工件9的待測面是平整而且要求測量精度較高時，可以用球形探針測量。所述探針141包括測力感應元件，所述測力感應元件位於所述探針141的針頭上，可以感應到探針是否接觸到工件9。

如圖2所示，是本發明加工機探針測量系統的模組圖。在本實施例中，所述加工機探針測量系統10包括控制模組一100、控制模組二101、取點測量模組102、創建工件座標系模組103、計算模組104及校正模組105。本發明所稱的模組是指一種能夠被微處理器76所執行並且能夠完成固定功能的一系列電腦程式段，其存儲在記憶體75中。在本實施例中，關於各模組的功能將在圖3的流程圖中具體描述。

如圖3所示，是本發明加工機探針測量方法的較佳實施例的流程圖。

步驟S10，初始化CNC加工機1，即將換針架11固定到CNC工作臺19上，將探針和加工刀具放置到換針架11中。

步驟S11，控制模組一100控制CNC加工主軸14到換針架11上的探針或者刀具上方並吸取探針或刀具後再放入換針架11中，記錄更換探針或刀具時的三維機械座標和吸盤140的吸取力道，便於CNC加工主軸14下次可以自動更換探針或刀具。

步驟S12，控制模組二101控制CNC加工主軸14根據用戶選擇的工件類型，按照S11記錄的三維機械座標及吸取力道通過吸盤140從換針架11中吸取相應的探針。

步驟S13，探針141被吸取後，在三維機械座標系下，取點測量模組102接觸各個接觸點並測量其三維機械座標。該步驟S13將在圖5中作詳細描述。

步驟S14，當所有接觸點測量完畢後，創建工件座標系模組103根據測量的多個接觸點的實際三維機械座標和用戶根據工件9選擇的元素類型創建三維工件座標系。該步驟S14將在圖7中作詳細描述。

步驟S15，在三維工件座標系下，計算模組104計算所有接觸點的實際三維工件座標。即在三維工件座標系下，計算接觸點到X、Y及Z軸的距離即為其實際三維工件座標。

步驟S16，計算模組104計算所有接觸點的實際三維工件座標與理論三維工件座標的偏差值。所述理論三維工件座標是把接觸點在三維機械座標系下的理論座標轉換成三維工件座標下的理論座標。

步驟S17，所有的偏差值計算完畢後，校正模組105將所述三維工件座標系下的偏差值轉換成三維機械座標系下的偏差值，並補償給CNC加工機1來校正工件的尺寸，使加工路徑採用校正後的實際三維機械座標測量值。

如圖5所示，是圖3的步驟S13的細化流程圖。

如圖4所示，是測量一個接觸點的探針移動步驟圖。取點測量模組102使CNC加工主軸14上的探針141從當前點20垂直提起到第一安全面點21，然後在安全面27上高速運行到第二安全面點23，減速運行到接近點24，再減速運行到接觸點26，接觸到接觸點完成測量後，到回彈點25，最後回到第三安全面點22，完成一個工件9上的接觸點26的取點測量過程。所述當前點是探針141準備測量接觸點時所在的某個任意位置。所述安全面27是預設的一個平面，該平面平行於CNC工作臺19並與其有一定的距離。所述第一安全面點21是當前點20在安全面27上的投影點。所述第三安全面點22是回彈點25在安全面27上的投影點。所述接近點24是與接觸點26距離很小(比如2mm)的一個指定點。所述第二安全面點23是接近點24在安全面27上的投影點。所述回彈點25是測量完畢後，從接觸點26回彈一定距離的指定點。

步驟S130，在三維機械座標系下，取點測量模組102根據當前點20的三維機械座標計算第一安全面點21、根據待測的接觸點26的理論三維機械座標計算第二安全面點23、接近點24的三維機械座標。

步驟S131，取點測量模組102利用三軸的線性馬達驅動CNC加工主軸14使探針141按照圖4所示的移動步驟先在安全面27上高速移動再減速移動到接近點24。

步驟S132，取點測量模組102判斷探針141上的測力感應元件是否感應到CNC工作臺19上的工件9。當測力感應元件感應到CNC工作臺19上的工件9時，執行步驟S135；當測力感應元件沒有感應到工件時，執行步驟S133。

步驟S133，取點測量模組102使探針沿著接觸點26所在面的法線的負方向移動預設距離。如圖4所示，法線的負方向是指從接近點24指向接觸點26方向。

步驟S134，取點測量模組102再次判斷測力感應元件是否感應到CNC工作臺19上的工件。當測力感應元件感應到工件時，執行步驟S135；當測力感應元件沒有感應到工件時，系統報錯，結束該接觸點的測量流程，進行下一個接觸點的測量。

步驟S135，使探針141減速運行到接觸點26，取點測量模組102利用X、Y、Z的光學尺測量接觸點26的實際三維機械座標。

步驟S136，取點測量模組102根據接觸點26的實際三維機械座標計算所述接觸點26對應的回彈點25和第三安全面點22的實際三維機械座標。

步驟S137，計算回彈點25及第三安全面點22的位置後，取點測量模組102利用三軸的線性馬達使探針141從接觸點26到回彈點25，最後回到第三安全面點22。

如圖7所示，是圖3的步驟S14的細化流程圖。

步驟S140，創建工件座標系模組103利用所測的所有接觸點並結合擬合算法迭代擬合用戶所選的元素類型。本實施例中，所選的元素類型可以是一個或者多個圓、線、面、圓柱及其組合。所述擬合算法包括最小二乘法及牛頓迭代法。

步驟S141，創建工件座標系模組103判斷所擬合的元素類型中是否有第二基準面。當所擬合的元素類型中沒有第二基準面時，執行步驟S142；當所擬合的元素類型中有第二基準面時，執行步驟S144。所述第二基準面是根據所測的所有接觸點擬合得到的面且與基準面的誤差最小。所述基準面是預設面。

步驟S142，創建工件座標系模組103從所測的接觸點中選取至少三個不共線的接觸點來擬合一個平面。

步驟S143，創建工件座標系模組103校正所擬合的平面直至為第二基準面。

步驟S144，創建工件座標系模組103將所擬合的元素類型投影到所述第二基準面上，並記錄每個投影點。

步驟S145，創建工件座標系模組103利用所述第二基準面上的所述投影點擬合兩條相互垂直並相交的直線。如圖6所示，在所述第二基準面上擬合兩條垂直的直線，兩線相交的點為原點，其中一條直線作為如圖6所示的X軸，另一條直線作為如圖6所示的Y軸。

步驟S146，創建工件座標系模組103在垂直所述第二基準面的法線方向上擬合一條直線作為Z軸。

通過本發明，即可實現在CNC加工機內，探針高精度的接觸工件，並取點測量來校正工件的尺寸，且不受產品毛刺和加工鐵屑的影響，加工精度很高。

最後應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍。

7．．．電腦

75．．．記憶體

76．．．微處理器

74．．．顯示設備

10．．．加工機探針測量系統

100．．．控制模組一

101．．．控制模組二

102．．．取點測量模組

103．．．創建工件座標系模組

104．．．計算模組

105．．．校正模組

Claims (16)

1. 一種加工機探針測量系統，用於在數控機床CNC加工機內，取點測量工件的尺寸，該系統包括：
   控制模組一，用於控制CNC加工主軸到換針架中的探針的上方並吸取探針再放入換針架中，記錄更換探針時的三維機械座標及吸盤的吸取力道；
   控制模組二，用於控制CNC加工主軸根據用戶選擇的工件類型按照記錄的更換探針的三維機械座標及吸取力道，通過吸盤從換針架中吸取相應的探針；
   取點測量模組，用於探針被吸取後，在三維機械座標系下，接觸各個接觸點並測量其三維機械座標，所述接觸點是工件上探針待測量的目標點；
   創建工件座標系模組，用於當所有接觸點測量完畢後，根據測量的多個接觸點的實際三維機械座標和用戶根據工件所選擇的元素類型創建三維工件座標系；
   計算模組，用於在三維工件座標系下，計算所有接觸點的實際三維工件座標；
   所述計算模組，還用於計算所有接觸點的實際三維工件座標與理論三維工件座標的偏差值，所述接觸點的理論三維工件座標是由接觸點的理論三維機械座標轉換得到的；
   校正模組，用於將所述三維工件座標系下的偏差值轉換成三維機械座標系下的偏差值，並補償給CNC加工機來校正工件的尺寸。
2. 根據申請專利範圍第1項之加工機探針測量系統，所述取點測量模組接觸各個接觸點並測量其三維機械座標包括步驟：
   點計算步驟一，在三維機械座標系下，根據當前點的三維機械座標計算第一安全面點，根據待測的接觸點的理論三維機械座標計算第二安全面點、接近點的三維機械座標，所述當前點是探針準備測量接觸點時所在的某個任意位置，所述安全面是預設的一個平面，該平面平行於CNC工作臺並與其有預設距離，所述第一安全面點是當前點在安全面上的投影點，所述接近點是與要測量的接觸點的距離很小的一個指定點，所述第二安全面點是接近點在安全面上的投影點；
   驅動步驟，驅動CNC加工主軸使探針在安全面上從第一安全面點高速移動到第二安全面點，再減速移動到接近點；
   測量步驟，當探針上的測力感應元件感應到工件時，利用CNC加工機的X、Y、Z軸上的光學尺測量接觸點的實際三維機械座標；
   點計算步驟二，根據接觸點的實際三維機械座標計算所述接觸點對應的回彈點和第三安全面點的實際三維機械座標，所述回彈點是測量完畢後，從接觸點回彈一定距離的指定點，所述第三安全面點是回彈點在安全面上的投影點；
   返回步驟，利用三軸的線性馬達使探針從接觸點到回彈點，最後回到第三安全面點。
3. 根據申請專利範圍第2項之加工機探針測量系統，當探針上的測力感應元件沒有感應到工件時，使探針沿著接觸點所在面的法線的負方向移動預設距離，所述法線的負方向是指從接近點指向接觸點方向；
   當探針上的測力感應元件感應到工件時，進入測量步驟；
   當探針上的測力感應元件沒有感應到工件時，不再測量該接觸點，進行下一個接觸點的測量。
4. 根據申請專利範圍第1項之加工機探針測量系統，所述創建工件座標系模組創建三維工件座標系包括步驟：
   擬合步驟，利用所測的所有接觸點並結合擬合算法擬合用戶所選的元素類型；
   投影步驟，將所擬合的元素類型投影到第二基準面上，並記錄每個投影點，所述第二基準面是根據所測的接觸點擬合得到的面且與基準面的誤差最小，所述基準面是預設面；
   創建步驟，利用所述第二基準面上的所述投影點擬合兩條相互垂直並相交的直線，其中一條直線作為X軸，另一條直線Y軸，相交點為原點，在垂直所述第二基準面的法線方向上擬合一條直線作為Z軸。
5. 根據申請專利範圍第4項之加工機探針測量系統，在投影步驟之前還包括：
   當所擬合的元素類型中沒有第二基準面時，從所測的接觸點中選取至少三個不共線的接觸點來擬合一個平面；
   校正所擬合的平面直至為所述第二基準面。
6. 根據申請專利範圍第4項之加工機探針測量系統，所述的擬合算法是最小二乘法及牛頓迭代法。
7. 根據申請專利範圍第4項之加工機探針測量系統，所述的元素類型是圓、線、面及圓柱。
8. 根據申請專利範圍第1項之加工機探針測量系統，根據用戶選擇的工件類型，CNC加工主軸自動更換所需的探針及刀具。
9. 一種加工機探針測量方法，用於在數控機床CNC加工機內，取點測量工件的尺寸，該方法包括：
   控制步驟一，控制CNC加工主軸到換針架中的探針的上方並吸取探針再放入換針架中，記錄更換探針時的三維機械座標及吸盤的吸取力道；
   控制步驟二，控制CNC加工主軸根據用戶選擇的工件類型按照記錄的更換探針的三維機械座標及吸取力道，通過吸盤從換針架中吸取相應的探針；
   取點測量步驟，探針被吸取後，在三維機械座標系下，接觸各個接觸點並測量其三維機械座標，所述接觸點是工件上探針待測量的目標點；
   創建工件座標系步驟，當所有接觸點測量完畢後，根據測量的多個接觸點的實際三維機械座標和用戶根據工件所選擇的元素類型創建三維工件座標系；
   計算步驟一，在三維工件座標系下，計算所有接觸點的實際三維工件座標；
   計算步驟二，計算所有接觸點的實際三維工件座標與理論三維工件座標的偏差值，所述接觸點的理論三維工件座標是由接觸點的理論三維機械座標轉換得到的；
   校正步驟，將所述三維工件座標系下的偏差值轉換成三維機械座標系下的偏差值，並補償給CNC加工機來校正工件的尺寸。
10. 根據申請專利範圍第9項之加工機探針測量方法，所述取點測量模組接觸各個接觸點並測量其三維機械座標包括步驟：
    點計算步驟一，在三維機械座標系下，根據當前點的三維機械座標計算第一安全面點，根據待測的接觸點的理論三維機械座標計算第二安全面點、接近點的三維機械座標，所述當前點是探針準備測量接觸點時所在的某個任意位置，所述安全面是預設的一個平面，該平面平行於CNC工作臺並與其有預設距離，所述第一安全面點是當前點在安全面上的投影點，所述接近點是與要測量的接觸點的距離很小的一個指定點，所述第二安全面點是接近點在安全面上的投影點；
    驅動步驟，驅動CNC加工主軸使探針在安全面上從第一安全面點高速移動到第二安全面點，再減速移動到接近點；
    測量步驟，當探針上的測力感應元件感應到工件時，利用CNC加工機的X、Y、Z軸上的光學尺測量接觸點的實際三維機械座標；
    點計算步驟二，根據接觸點的實際三維機械座標計算所述接觸點對應的回彈點和第三安全面點的實際三維機械座標，所述回彈點是測量完畢後，從接觸點回彈一定距離的指定點，所述第三安全面點是回彈點在安全面上的投影點；
    返回步驟，利用三軸的線性馬達使探針從接觸點到回彈點，最後回到第三安全面點。
11. 根據申請專利範圍第10項之加工機探針測量方法，當探針上的測力感應元件沒有感應到工件時，使探針沿著接觸點所在面的法線的負方向移動預設距離，所述法線的負方向是指從接近點指向接觸點方向；
    當探針上的測力感應元件感應到工件時，進入測量步驟；
    當探針上的測力感應元件沒有感應到工件時，不再測量該接觸點，進行下一個接觸點的測量。
12. 根據申請專利範圍第9項之加工機探針測量方法，所述創建工件座標系模組創建三維工件座標系包括步驟：
    擬合步驟，利用所測的所有接觸點並結合擬合算法擬合用戶所選的元素類型；
    投影步驟，將所擬合的元素類型投影到第二基準面上，並記錄每個投影點，所述第二基準面是根據所測的接觸點擬合得到的面且與基準面的誤差最小，所述基準面是預設面；
    創建步驟，利用所述第二基準面上的所述投影點擬合兩條相互垂直並相交的直線，其中一條直線作為X軸，另一條直線Y軸，相交點為原點，在垂直所述第二基準面的法線方向上擬合一條直線作為Z軸。
13. 根據申請專利範圍第12項之加工機探針測量方法，在投影步驟之前還包括：
    當所擬合的元素類型中沒有第二基準面時，從所測的接觸點中選取至少三個不共線的接觸點來擬合一個平面；
    校正所擬合的平面直至為所述第二基準面。
14. 根據申請專利範圍第12項之加工機探針測量方法，所述的擬合算法是最小二乘法及牛頓迭代法。
15. 根據申請專利範圍第12項之加工機探針測量方法，所述的元素類型是圓、線、面及圓柱。
16. 根據申請專利範圍第9項之加工機探針測量方法，根據用戶選擇的工件類型，CNC加工主軸自動更換所需的探針及刀具。