[發(fā)明專利]一種釬身喉部線激光掃描測量-銑削一體化加工方法

有效

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• 申請日: 2021-03-24
• 公開（公告）號: CN112935353B
• 公開（公告）日: 2023-09-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 薄其樂;王永青;苗子健;李雙吉;邢祥勝;劉煒;李旭;劉海波
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: B23C3/00
• 分類號: B23C3/00;B23Q15/013;B23Q17/20;B23Q17/24
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪

1.一種釬身喉部線激光掃描測量-銑削一體化加工方法，該方法首先將零件臥式安裝，采用線激光傳感器掃描零件流道槽輪廓，獲取零件實際幾何廓形；對線激光點云數(shù)據(jù)進行精簡，并對流道槽筋頂、槽底邊緣特征進行識別；對釬身喉部幾何特征進行重構(gòu)，計算銑削刀位，采用立銑刀對零件進行銑削加工；其特征在于，步驟如下：

(1)零件臥式安裝

首先將釬身喉部(3)安裝到夾具(2)上；尾噴管底部(d)與定位盤(c)接觸，旋轉(zhuǎn)螺帽(f)使撐環(huán)(e)外撐，實現(xiàn)脹緊安裝；專用夾具拉桿(g)通過三爪卡盤(10)加緊方式，連接到回轉(zhuǎn)工作臺(11)；專用夾具堵頭(b)與頂針(1)連接，實現(xiàn)支撐；頂針(1)和回轉(zhuǎn)工作臺(11)通過底部螺紋連接與機床工作臺(9)固定；旋轉(zhuǎn)搖桿(a)頂緊堵頭(b)，完成釬身喉部(3)臥式安裝；

(2)線激光掃描測量

通過四個螺釘將一級轉(zhuǎn)接板(7)與機床z向主軸連接，旋緊螺釘固定一級轉(zhuǎn)接板(7)位置；將兩自由度旋轉(zhuǎn)臺(6)安裝到一級轉(zhuǎn)接板(7)上，通過底部四個安裝孔的螺紋連接實現(xiàn)固定；將二級轉(zhuǎn)接板(5)安裝到兩自由度旋轉(zhuǎn)臺(6)上，通過四個螺釘擰緊；將線激光傳感器(4)安裝到二級轉(zhuǎn)接板(5)上，通過三個螺栓連接實現(xiàn)固定；

線激光傳感器(4)裝夾完成后，將專用標(biāo)定件(12)安裝到機床工作臺(9)上，底部通過螺紋連接固定；移動機床x向主軸、y向主軸及z向主軸，使刀具(8)觸碰三個標(biāo)定平面，測量標(biāo)定平面在機床坐標(biāo)系下的位置為：

A_ix+B_iy+C_iz+D_i＝0(i＝1,2,3)??(1)

線激光傳感器(4)測量坐標(biāo)(x_S,y_S,z_S)與機床坐標(biāo)(x_M,y_M,z_M)之間關(guān)系為：

通過主軸帶動線激光傳感器(4)在最少兩個位置對平面上的點進行測量，記錄主軸平移量(x_機床,y_機床,z_機床)和對應(yīng)返回的測量值(x_Si,0,z_Si)；由于測量點位于式(1)所述平面上，結(jié)合式(2)整理得到：

(Ar₁₁+Br₂₁+Cr₃₁)x_Si+(Ar₁₃+Br₂₃+Cr₃₃)z_Si+(At_x+Bt_y+Ct_z)＝-(Ax_機床+By_機床+Cz_機床+D)??(3)

表示為擬合方程式形式：

y_i＝k₀+k₁x_Si+k₂z_Si??(4)

其中，

采用三組平面，平面方程系數(shù)(A₁,B₁,C₁)、(A₂,B₂,C₂)和(A₃,B₃,C₃)線性無關(guān)時，得到式(2)中的9個參數(shù)(r₁₁,r₂₁,r₃₁,r₁₃,r₂₃,r₃₃,t_x,t_y,t_z)；

根據(jù)旋轉(zhuǎn)矩陣的正交性：

令r₁＝(r₁₁,r₁₂,r₁₃)^T，r₂＝(r₂₁,r₂₂,r₂₃)^T，r₃＝(r₃₁,r₃₂,r₃₃)^T，對三組向量進行施密特正交化得到：

再進行單位化得到：

至此求解出所有的12個未知參數(shù)，線激光傳感器(4)測量坐標(biāo)系相對于機床坐標(biāo)系的三個偏角通過以下等式進行計算：

其中，atan2(x,y)為反正切函數(shù)；

通過兩自由度旋轉(zhuǎn)臺(6)調(diào)整偏角，保證線激光傳感器(4)垂直工件表面測量；調(diào)整機床主軸，使線激光傳感器(4)對準(zhǔn)釬身喉部(3)；數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動回轉(zhuǎn)工作臺(11)旋轉(zhuǎn)，對工件廓形進行掃描測量；

(3)測量數(shù)據(jù)預(yù)處理

將工件廓形掃描測量數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，包括高頻濾波、尖峰去噪和精簡處理；

①采用高斯濾波抑制高頻波動；由于測量數(shù)據(jù)是離散數(shù)據(jù)，對一維零均值高斯權(quán)函數(shù)做離散化處理：

其中，λ表示截止波長；λ越大，高斯濾波處理的頻帶越寬，處理后數(shù)據(jù)的平滑程度越好；a與線激光掃描數(shù)據(jù)在截止波長處的輸出通過率有關(guān)，根據(jù)測量需求進行設(shè)置；

對線激光掃描測量數(shù)據(jù)進行高斯濾波，即將掃描測量數(shù)據(jù)與一維離散零均值高斯權(quán)函數(shù)進行卷積處理：

其中，z'_i表示高斯濾波后某測量點的數(shù)據(jù)，Z_(i+j)表示測量點原始數(shù)據(jù)，s_j為高斯權(quán)函數(shù)的離散表示，m為高斯權(quán)函數(shù)的寬度，Δx為數(shù)據(jù)間隔，i＝{(m+1)/2,(m+1)/2+1,…,n-(m+1)/2}，n為數(shù)據(jù)個數(shù)；

②采用中值濾波抑制尖峰噪聲；中值濾波表示為：

g(x)＝med{f(x-k)},k＝0,1,2??(12)

其中，f(x)為原始測量數(shù)據(jù)，g(x)為濾波后的數(shù)據(jù)，W為中值濾波區(qū)間的大小，取3；

③采用弦高差精簡法對點云數(shù)據(jù)進行精簡處理；

精簡處理流程步驟如下：

1)讀取掃描線數(shù)據(jù)，設(shè)定一個角度誤差限Δα和一個弦高誤差限Δd；其中Δα根據(jù)反求精度選取，反求精度越高，取值越小；Δd根據(jù)掃描線上相鄰點間距離正態(tài)分布的均值μ值確定：

其中，Δd為弦高誤差限，Δα為角度誤差限，μ為掃描線相鄰點距離正態(tài)分布的均值，N_a為精簡前掃描線點云數(shù)量，N_b為精簡后掃描線點云數(shù)量；

2)在掃描線數(shù)據(jù)前三點構(gòu)成的三角形P₀P₁P₂內(nèi)，計算線段P₀P₁與P₀P₂的夾角α和點P₁到線段P₀P₂的弦高d；

3)比較夾角和弦高與角度誤差限和弦高誤差限的大小，若α＜Δα且d＜Δd，則去除P₁點，且令P₁＝P₂，P₂＝P₃；否則保留P₁，且令P₀＝P₁，P₁＝P₂，P₂＝P₃；

4)逐點處理直至點P₃為空，完成所有數(shù)據(jù)點精簡處理；

(4)邊緣特征檢測

利用步驟(3)中預(yù)處理得到的測量數(shù)據(jù)計算流道槽槽寬、槽深和筋寬；邊緣特征檢測步驟如下：

①給出待判斷點P(x,y,z)和最小包圍盒的半徑r，計算待判斷點與其周圍點的距離：

對比r_i和r，得到待判斷點的k鄰域點；

②根據(jù)最小二乘原理，對得到的鄰域點集進行平面擬合，其擬合方程表示為矩陣形式MX＝0，其中：

采用特征向量估值法求解該矩陣方程，矩陣M^TM的最小特征值對應(yīng)的特征向量即為方程的最小二乘解，從而得出擬合平面方程；

③將k鄰域內(nèi)的點投影到擬合平面，以待判斷點的投影點為起始點，以鄰域內(nèi)其他點的投影點為終點，得到由k個向量組成的向量集合；

④取逆時針方向為正，計算相鄰向量之間的夾角；根據(jù)傳感器參數(shù)和流道槽形狀確定合適的閾值，比較向量夾角與閾值的相對大小，當(dāng)夾角大于閾值時，待判斷點即為邊緣點；

根據(jù)提取得到的流道槽上下兩邊緣點計算流道槽幾何參數(shù)；通過最小二乘法擬合槽頂邊緣點的直線方程，計算槽底邊緣點到擬合直線的距離，取平均值即得到單個槽的平均槽深；采用同樣方法選取單個槽兩頂端邊緣點求取槽寬；選取筋頂兩邊緣點求取筋寬；

(5)目標(biāo)曲面建模

目標(biāo)曲面建模步驟如下：

①描述幾何約束下加工目標(biāo)曲面的空間位姿關(guān)系，定義可參考面S¹、再設(shè)計基準(zhǔn)面S²及加工目標(biāo)曲面S³；定義與機床或零件固聯(lián)的慣性標(biāo)架(p＝1,2,3)，與S¹固聯(lián)的參考標(biāo)架與S²固聯(lián)的再設(shè)計基準(zhǔn)標(biāo)架與S³固聯(lián)的再設(shè)計目標(biāo)曲面標(biāo)架

利用活動標(biāo)架理論和相伴曲面基本公式推導(dǎo)出目標(biāo)曲面S³在慣性標(biāo)架下的矩陣形式：

其中，為參考標(biāo)架矩陣，T₁²＝(a_i)_1×3為再設(shè)計基準(zhǔn)標(biāo)架原點相對于參考標(biāo)架的平移矩陣，為加工基準(zhǔn)標(biāo)架相對于參考標(biāo)架的回轉(zhuǎn)矩陣，為加工目標(biāo)曲面標(biāo)架相對于加工基準(zhǔn)標(biāo)架的平移矩陣；第1個標(biāo)架的第i個標(biāo)架軸，a_i和b_i分別表示沿標(biāo)架軸和方向的平移分量，為的第j個標(biāo)架軸在的第i個標(biāo)架軸上的旋轉(zhuǎn)分量；

對式(16)微分得到目標(biāo)曲面S³的廣義微分運動表達式：

其中，s為參考標(biāo)架的無窮小平移矩陣，ω為參考標(biāo)架的無窮小旋轉(zhuǎn)矩陣；

②根據(jù)實測參考面、加工基準(zhǔn)面與加工目標(biāo)曲面的空間位姿關(guān)系，完成精加工目標(biāo)曲面的再設(shè)計，加工目標(biāo)曲面生成算法主要步驟描述如下：

1)用雙三次B樣條曲面重建零件的可參考面S¹，并建立與該表面固聯(lián)的參考標(biāo)架族

其中，P為控制點矩陣，P＝(P_st)_(n+1)×(m+1)(s＝0,...,n,t＝0,...,m)；N₃(u¹)和N₃(u²)分別為u¹和u²方向B樣條基函數(shù)矩陣，由DeBoor-Cox公式遞推得到N₃(u¹)＝(N_i,3)_1×(n+1)，N₃(u²)＝(N_j,3)_1×(m+1)；U¹和U²分別為u¹和u²方向節(jié)點向量，利用規(guī)范向心參數(shù)化方法進行參數(shù)化處理，

2)設(shè){e_q}_q＝1,2,3為空間任意標(biāo)架，為靜標(biāo)架；由靜標(biāo)架經(jīng)空間姿態(tài)變換得到為動標(biāo)架；令動態(tài)標(biāo)架矩陣兩個標(biāo)架之間的姿態(tài)關(guān)系為：

其中，R表示標(biāo)架姿態(tài)關(guān)系矩陣；c_φ和s_φ分別表示cosφ和sinφ，c_ψ，s_ψ和依次類推；φ，ψ，分別為繞標(biāo)架軸e₁，e₂和e₃的RPY轉(zhuǎn)角；根據(jù)單位正交矩陣E和E^*求解姿態(tài)矩陣R：

R＝E^*·E^T??(20)

再設(shè)計基準(zhǔn)面S²是可參考面S¹的法向映射面，法向映射函數(shù)為目標(biāo)曲面S³是基準(zhǔn)面S²的法向映射面，法向映射函數(shù)為平移矩陣表示為：

假設(shè)精加工目標(biāo)曲面的面形隨機誤差相對于零件基本尺寸非常小，因此面形隨機誤差對相伴曲面上對應(yīng)標(biāo)架姿態(tài)關(guān)系的影響可被近似為高階小量，使用曲面設(shè)計模型的標(biāo)架姿態(tài)關(guān)系矩陣和估計實際曲面的標(biāo)架姿態(tài)關(guān)系矩陣和根據(jù)可測參考面對應(yīng)設(shè)計模型與加工基準(zhǔn)面對應(yīng)設(shè)計模型的空間姿態(tài)求解出位置的估計姿態(tài)矩陣并令同理，利用基準(zhǔn)面與目標(biāo)曲面對應(yīng)設(shè)計模型的空間姿態(tài)求解出位置的估計姿態(tài)并令為在設(shè)計模型中的矩陣表示；

將預(yù)估帶入式(15)計算得到加工目標(biāo)曲面上的離散點集

(6)加工軌跡規(guī)劃與數(shù)字化加工

根據(jù)加工目標(biāo)曲面上的離散點集運用幾何學(xué)原理，將測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到機床坐標(biāo)系下；在機床坐標(biāo)系下，基于測量數(shù)據(jù)，自動生成加工軌跡；整體基本加工路徑共包括四個階段：趨模、銑槽、離模以及返回參考點；根據(jù)加工軌跡驅(qū)動機床各軸移動，帶動立銑刀（8）完成單條母線方向流道槽銑削，每次銑削結(jié)束通過回轉(zhuǎn)工作臺(11)驅(qū)動釬身喉部(3)分度到下一流道槽位置，轉(zhuǎn)動角度2π/n，n為周向流道槽數(shù)量；回轉(zhuǎn)工作臺(11)旋轉(zhuǎn)角度為360°時，實現(xiàn)整個釬身喉部的銑削加工。