一種五軸數(shù)控機床旋轉軸誤差的檢測設備和方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種數(shù)控機床誤差的檢測設備及測量方法，尤其涉及一種五軸數(shù)控機床旋轉軸誤差的檢測設備和方法。
【背景技術】
[0002]五軸數(shù)控機床是復雜曲面類零件的理想加工設備，對軍事、航空、航天、精密器械等行業(yè)具有舉足輕重的作用，是葉片、汽輪機轉子、船用螺旋槳、大型柴油機曲軸等高精復雜曲面類零件的唯一加工手段，綜合體現(xiàn)著一國制造業(yè)發(fā)展水平。五軸數(shù)控機床一般是在三個線性軸的基礎上，增加兩個旋轉軸。增加的旋轉軸提升了機床的柔性，進而提高材料的去除率和表面加工質量，能減少工件的裝夾次數(shù)，縮短加工時間。但是，旋轉軸組成零件不可避免的存在制造、安裝誤差，使用過程中必然存在磨損精度丟失、變形等，使得幾何誤差具有高度非線性和時變的特點。據(jù)研究表明，旋轉軸的幾何誤差對加工精度具有顯著的影響。如何對旋轉臺誤差進行快速、高效的測量，為機床誤差補償提供依據(jù)是產(chǎn)業(yè)界孜孜以求的目標，也是保證廣品加工精度的關鍵。
[0003]目前，對于旋轉軸誤差的測量目前還沒有直接、統(tǒng)一的方法，主要以綜合誤差測量為主。國內外研究人員進行了大量的研究工作。主要采用的測量設備有球桿儀、激光跟蹤儀、R-test設備、正12面或24面多棱鏡及自準直儀等。球桿儀價格便宜，應用最為廣泛，但測量時的安裝、調整復雜，測量效率低下，人員經(jīng)驗要求高。激光跟蹤儀，測量方便快捷，但價格昂貴。R-test設備為接觸式測量，對測量條件要求高，測量效率有限。正12面或24面多棱鏡及自準直儀，需特殊工裝，測量過程復雜。另外，發(fā)明專利CN 103323229A提出了一種“基于機器視覺的五軸數(shù)控機床旋轉軸誤差測量方法”通過一套獨立的單目圖像采集系統(tǒng)和多組同心圓矩形陣列實現(xiàn)五軸誤差的測量，測量方法采用非接觸測量，測量過程簡單，但要求單目相機的成像面與測量標志所在面要平行，檢測標志固定面與旋轉軸線要垂直，安裝調整困難。
[0004]數(shù)控機床直線軸的誤差往往比旋轉軸的誤差小很多，且可以通過激光干涉儀進行直接測量和補償，因此基于數(shù)控機床自身的在機測量系統(tǒng)正成為旋轉軸誤差高效、便攜測量的理想工具。IBAEAKI S.等人基于三個標準方塊利用接觸式在機測量系統(tǒng)進行五軸機床旋轉軸誤差的綜合測量。BI Q Z等人則基于單個標準方塊利用觸發(fā)式在機測量系統(tǒng)進行五軸機床旋轉軸誤差的綜合測量。Erkan T等人基于多個標準球利用觸發(fā)式在機測量系統(tǒng)進行五軸機床誤差失真程度的分析。然而這些在機測量系統(tǒng)屬于接觸式測量，測量效率不高，局限了采用點數(shù)量。綜上所述，現(xiàn)有的旋轉軸誤差測量方法均有不足。

【發(fā)明內容】

[0005]為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種五軸數(shù)控機床旋轉軸誤差的檢測設備和方法。本發(fā)明融合機器視覺非接觸式測量，具有效率高、測量過程簡單的優(yōu)點，標準球具有各向同性、安裝布局方便的特點，以及在機測量技術實現(xiàn)與機床自身的無縫集成，安裝便捷、定位精準的優(yōu)勢，使得高度非線性旋轉軸綜合誤差的測量效率高、精度好、操作簡單。
[0006]為達到上述技術效果，本發(fā)明的技術方案是:
[0007]—種五軸數(shù)控機床旋轉軸誤差的檢測設備，包括雙目機器視覺非接觸式測量頭和可調位置的標準球裝置；所述雙目機器視覺非接觸式測量頭包括L形安裝架，L形安裝架上設有連接柄山形安裝架的兩個側邊分別安裝有相機，兩臺相機相互垂直安裝；相機通過無線網(wǎng)絡與計算機相連；所述可調位置的標準球裝置包括磁力基座，磁力基座上設有伸縮調節(jié)安裝座，伸縮調節(jié)安裝座頂部固定有標準球；所述伸縮調節(jié)安裝座包括若干套置的調節(jié)柱，調節(jié)柱外側設有導向銷，調節(jié)柱內側設有豎向導槽和與導向銷配合的定位導軌槽。
[0008]進一步的改進，所述連接柄為與五軸數(shù)控機床的主軸刀座配合的標準刀柄。
[0009]進一步的改進，所述相機為(XD相機；相機的分辨率不低于1000萬像素。
[0010]進一步的改進，所述定位導軌槽為多個，定位導軌槽上下并列設置。
[0011]進一步的改進，所述L形安裝架上設有加強筋。
[0012]進一步的改進，所述定位導軌槽為楔形槽，定位導軌槽沿順時針方向逐漸向上螺旋，導向銷為與定位導軌槽配合的楔形。
[0013]一種五軸數(shù)控機床旋轉軸誤差的檢測方法，包括如下步驟:
[0014]步驟一)標準球位置的調整與安裝:
[0015]在五軸數(shù)控機床的行程范圍內，利用磁力基座將標準球安裝在工作臺上；在五軸數(shù)控機床的主軸上安裝雙目機器視覺非接觸式測量頭；
[0016]步驟二)圖像采集:
[0017]2.1)利用五軸數(shù)控機床的直線軸手動驅動雙目機器視覺非接觸式測量頭接近標準球，獲得標準球的初始安裝大致位置；兩臺相機分別采集標準球的投影圓圖像，進行圖像處理分析；
[0018]2.2)根據(jù)圖像處理分析的結果，五軸數(shù)控機床自動調整雙目機器視覺非接觸式測量頭，使標準球的中心處在兩臺相機中軸線的交點上，獲得標準球的初始安裝精確位置；
[0019]2.3)驅動五軸數(shù)控機床的兩個旋轉軸運動，啟動五軸數(shù)控機床的隨動功能，使相機的焦點跟隨標準球的理論球心相對不運動，兩臺相機中軸線的交點為標準球圓心的理論位置；在運動過程采集標準球的投影圓圖像；
[0020]步驟三)圖像處理與分析:
[0021]根據(jù)標準球在兩個相互垂直角度下的投影圓圖像，依次進行圓邊界像素信息提取，擬合圓輪廓、擬合圓心位置，獲得標準球圓心的實際位置；根據(jù)標準球圓心的理論位置與標準球圓心的實際位置得出五軸數(shù)控機床兩個旋轉軸的綜合誤差；
[0022]步驟四)重復測量:
[0023]使用磁力基座和伸縮調節(jié)安裝座調整標準球的水平位置和高度位置，重復步驟一)至步驟三)進行多次測量，根據(jù)多次測量得到的綜合誤差獲得兩個旋轉軸全方位的綜合誤差。
[0024]進一步的改進，所述步驟三)中，采用Canny算子邊緣檢測算法對投影圓圖像進行圓邊界像素信息提取。
[0025]進一步的改進，所述步驟三)中，采用最小二乘法擬合圓輪廓。
[0026]進一步的改進，所述步驟四)中，進行多次測量的測量點均勻分布。
[0027]本發(fā)明融合機器視覺非接觸式測量，具有效率高、測量過程簡單的優(yōu)點，標準球具有各向同性、安裝布局方便的特點，以及在機測量技術實現(xiàn)與機床自身的無縫集成，安裝便捷、定位精準的優(yōu)勢，使得高度非線性旋轉軸綜合誤差的測量效率高、精度好、操作簡單。
【附圖說明】
[0028]圖1為雙目機器視覺非接觸式測量頭的結構示意圖；
[0029]圖2為可調位置的標準球裝置的結構示意圖；
[0030]圖3為調節(jié)柱的結構示意圖；
[0031]圖4為發(fā)明的安裝結構示意圖；
[0032]圖5為發(fā)明測量方法的簡圖；
[0033]圖6為投影圓圖像；
[0034]圖7為圖像處理分析結果圖；
[0035]其中，1.L形安裝架，2.連接柄，3.相機，4.磁力基座，5.伸縮調節(jié)安裝座，6.標準球，7.調節(jié)柱，8.導向銷，9.定位導軌槽，10.加強筋，11.雙目機器視覺非接觸式測量頭，
12.可調位置的標準球裝置。
【具體實施方式】
[0036]實施例1
[0037]如圖1和圖2所示的一種五軸數(shù)控機床旋轉軸誤差的檢測設備，包括雙目機器視覺非接觸式測量頭11和可調位置的標準球裝置12 ;所述雙目機器視覺非接觸式測量頭11包括L形安裝架1，L形安裝架1上設有連接柄2 ;L形安裝架1的兩個側邊分別安裝有相機3，兩臺相機3相互垂直安裝；相機3通過無線網(wǎng)絡與計算機相連。這樣采集的圖像能實時通過無線通信模塊傳輸?shù)接嬎銠C上進行處理分析。
[0038]所述可調位置的標準球裝置12包括磁力基座4，磁力基座4上設有伸縮調節(jié)安裝座5，伸縮調節(jié)安裝座5頂部固定有標準球6 ;所述伸縮調節(jié)安裝座5包括若干套置的調節(jié)柱7。
[0039]如圖3所示，調節(jié)柱7外側設有導向銷8，調節(jié)柱7內側設有豎向導槽和與導向銷8配合的定位導軌槽9。
[0040]連接柄2為刀柄狀，以便于安裝到五軸數(shù)控機床的主軸刀座上，以實現(xiàn)測量系統(tǒng)與機床本體的無縫集成，利用機床直線軸能帶動測量系統(tǒng)的精確定位。所述相機3為CCD相機；相機3的分辨率優(yōu)選不低于1000萬像素。定位導軌槽9為多個，定位導軌槽9上下并列設置。L形安裝架1上設有加強筋10。定位導軌槽9為楔形槽，定位導軌槽9沿順時針方向逐漸向上螺旋，導向銷8為與定位導軌槽9配合的楔形。方便通過旋轉對標準球6精確定位。高一節(jié)的調節(jié)柱導向銷安裝在低一節(jié)的定位導軌槽內。當調節(jié)柱旋轉，導向銷剛好落在豎向導槽時，可實現(xiàn)上下位置的調整。當調整到合適高度時，反向旋轉以實現(xiàn)鎖緊定位。
[0041]本裝置的安裝方式如圖4所示。本裝置的原理是利用機床直線軸能帶動測量系統(tǒng)的精確定位