加工工件位置和姿态的自动检测、识别与校正方法.pdf

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1、第2 6 卷第2 期 仪器仪表学报 2 0 0 5 年2 月 An Au t o ma t i c M e a s u r e me n t，I d e n t i f i c a t i 0 n a n d A d j u s t me n t Me t h o d t o P o s i t i o n o f Wo r k-p i e c e M a c h i n e d Fa n Z e mi n g Hu a n g Yu me i Ch e n g Xi a n g Z h a n g Hu i (X，U n i v e r s i t y o fT e c h n o l o

2、g y，Xi a n 7 1 0 0 4 8，C h i n a)Ab s t r a c t I t i s v e r y i mp o r t a n t t o t h e s t u d y o f C NC s y s t e m o f t h e po s i t i o n o f wo r k p i e c e ma c h i n e d o n t h e wo r k t a b l e o f t h e C N C ma c h i n e t o o l s B a s e d o n t h e o b j e c t o f C N C ma c h i

3、n e t ool s，a n e w me t h o d t o o b t a i n t h e p r e c i s i o n p o s i t i o n a n d g e s t u r e o f t h e wo r k p i e c e t h a t h a s l o c a t i n g p l a n e s o r ma c h i n i n g d a t u m p l a n e s i s p r o po s e d，a n d t h e wo r k p ri n c i p l e a n d e x p e r i me n t a

4、 l v e r i f i c a t i o n o f t h e me a s u r i n g s e n s o r t o b e u sed a r e d i s s e r t e dTh e me t h od ma y r e a l i z e t h e a u t o ma t i c me a s u r e me n t，i d e n t i f i c a t i o n a n d a d j u s t me n t o f t h e pos i t i o n a n d g e s t u r e o f t h e wo r k p i e

5、c e ma c h i n ed b y u s i n g t h e h i g h p r e c i s i o n me a s u r i n g s e n s o r a n d v a l i d a l g o ri t h m wi t h o u t t h e p r e c i s i o n p o s i t i o n i n g u s i ng t h e f i x t u r e，f u r t h e r mo r e t h e a u t o ma t i c d e c e l c r a t e u n i t i s s e t o n

6、t h e me a s u r i n g s y s t e m t o i mp r o v e t h e me a s u ri n g e f f i c i e n c y Th e e x p e r i me n t a l r e s u l t s p r o v e t h e me t h od i s r i g h t a n d p r a c t i c a b l e K e y w o r d s Wo r k p i e c e ma c h i n e d P o s i t i o n a n d g e s t u r e Me a s u ri

7、n g s e n sor A d j u s t me n t me t h od 加工工件位置和姿态的自动检测、识别与校正方法 樊泽 明 黄玉 美程祥张辉(西安理工大学机仪学院西安7 1 0 0 4 8)摘要加工工件在数控机床工作台上位置的精确确定是数控系统研究 中必须仔细考虑的问题。以数控机床为对象，提 出了 一种对有定位基准平面或工艺基准平面类工件位置和姿态精确确定 的新方法，并论述了测量所用传感器 的工作原理 和实验 考核。该方法可实现将工件粗略安装在工作台的合适位置上，使用 自行研制的高精度检测传感器和有效 的算法进行加工工 件位置和姿态的自动测量、识别和校正，而无需 夹具 的精确

8、定位，而且在测量系统上设置有 自动减速单元以提高测量效率。通过实验证明了该方法是正确的、可行的。关键词 加工工件位置和姿态 检测传感器 校正方法 1 I nt r o du c t i o n Th e a d v a n t a g e o f CNC ma c h i n e t ool s o r CNC ma c h i n e c e n t e r i s t o ma c h i n e t h e c o mp l e x wo r k p i e c e s，t h e g r e a t ma s s o f ma c h i n i n g s e q u e n c e

9、 s o f t h e wo r k p i e c e a r e f i n i s h e d i n a ma c h i n e t oo 1 W h e r e a s t h e t y p e o f WO r k p i e c e s h a s t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f mo r e v a r i e t y，l i t t l e b a t c h a n d c o mp l e x ma c h i n i n g t e c h n o l o g y Th e t r a d i t i o n a l

10、 ma c h i n i n g me t h od i s t o ma k e t h e s p e c i a l f i x t u r e I t n o t o n l y wa s t e s t h e t i me a n d i n c r e a ses t h e f i n a l c o s t，b u t a l s o d e c r e a s e s t h e p r e c i s i o n a n d i n c r e a s e s wo r k l o a d S o i t i s a c h a l l e n g e i s s u

11、e s f o r t h e r e sea r c h e r s t o a u t o ma t i c a l l y me a s u r e，i d e n t i f y a n d a d j u s t t h e pos i t i o n o f wo r k p i e c e wi t h n o f i x t u r e s i mp l y，q u i c k l y，c o n v e n i e n t l y a n d h i g h p r e c i se l y T h o u g h R e f 1 a d o p t ed a m e t h

12、 od t h a t a s e n s o r i n s e r t e d i n t o t h e p ri n c i p a l a x i s o f t h e ma c h i n e t o o l u sed t o me a s u r e t h e p o s i t i o n o f wo r k p i e c e ma c h i n e d，i t h a s t h e T h i s w o r k w a s c o n t r i b u t e d b y t h e N a t i o n a l S c i e n c e F o u n

13、 d a t i o n(5 0 0 7 5 0 6 9)维普资讯 http:/ l l 2 仪器仪表学报 第 2 6卷 i n s u f f i c i e n i e s a s f o l l o w s：(1)T h e s e n s o r mu s t b e r e mo u n t e d e v e r y t i me wh i l e a n e w wo r k p i e c e i s f i x e d o n t h e wo r k t a b l e，so a s t o i n c r e a s i n g t h e a s s i s t a n

14、 c e t i me；(2)T h e s e n sor h a s t h e r e s e t t i n g p r e c i s i o n a n d p e r son a l e r r o r，so a s t o d e c r e a s i n g t h e d e t e c t i o n a c c u r a c y；(3)D u e t o t h e pos i t i o n o f t h e wo r k p i e c e p l a c e d o n t h e wo r k t a b l e i s r a n d o m a n d

15、 i t s p r e c i se p o s i t i o n i s u n k n o wn，a n d t h e wo r k ma n n e r o f t h e sen s o r i s c o n t a c t i n g me a s u r e，i t s c o n t r a c t i n g b a l l i s v e r y h a r d，i f t h e s p e e d i s t o o f a s t，t h e c o n t r a c t i n g h i t wi l l d a mn i f y t h e p o s

16、i t i o n i n g p l a n e o f t h e wo r k-p i e c e s me a -s u r e dI n o r d e r t h a t t h e p l a n e o f t h e wo r k p i e c e s me a s u r e d i s n o t d a ma g e d，t h e s p e e d d u r i n g t h e me a s u r i n g c a n n o t be t oo f a s t 2。，so a s t o a f f e c t i n g t h e d e t e

17、c t i n g e f f i c i e n c y R e f 3 e x p l o r e d t h e a d j u s t m e n t me t h o d o f p o s i t i o n o f t h e wo r k p i e c e ma c h i n e d o n t h e g e n e r a l C NC ma c h i n e t ool s，u s i n g t h e me t h od，i t i s n e c e s s a r y t o mod i f y t h e CNC p r o g r a m a n d i

18、 t d i d n o t d i s s e r t a b o u t t h e me a s u ri n g a n d i d e n t i f y i ng me t h od s F o r t h e o c c a s i o n，t h i s p a p e r p r o p o ses a h i g h-p r e c i s i o n me t h od t o me a s u r e，i d e n t i f y a n d a d j u s t t h e p o s i t i o n o f t h e w o r k -p i e c e

19、ma c h i n e d a u t o ma t i-c a l l y。i e t h e wo r k p i e c e i s f i x e d o n t h e wo r k t a b l e r o u g h l y a n d d o n o t n e e d t o po s i t i o n p r e c i sel y wi t h t h e f i x t u r e，a n d i t s p r e c i s i o n pos i t i o n i s me a s u r e d u s i ng t h e s e n-sor wh i

20、 c h wa s d e v e l o p e d b y t h e a u t h o r a n d i s i d e n t i f i e d wi t h a m a t h a l g o r i t h m，t h e n t o a d j u s t t h e wo r k p i e c e t o t h e C NC p r o g r a mmi n g c o 0 r d i n a t e s y s t e m b y mo v i n g t h e wo r k t a b l e a c c o r d i n g t o t h e c a l

21、 c u l a t i n g v a l u e，wh e r e b y ma k e t h e wo r k -p i e c e ma c h i n e d a d o p t t h e ma c h i n i n g r e-q u i r e me n t o f t h e CNC ma c h i n e t oo l s o r C NC ma c h i n e c e n t e r Th e me t h od p r o v i d e s t h e c o n d i t i o n s f o r t h e ma c h i n i n g wo r

22、 k s h o p t h a t n o ma n i s i n 2 Th e Au t o ma t i e M e a s u r e me n t，I d e n t i f i e a-t i o n a n d Ad j u s t me n t Me t h o d t o P o s i t i o n o f W o r k-pi e c e M a c hi ne d 2 1 Th e Pr i n c i p l e Ma c h i n i n g c o mp l e x wo r k p i e c e s，g e n e r a l l y i t i s n

23、 o t n e c e s s a r y t o u n i f o r m t h e c oo r d i n a t e s y s t e m b e t we e n t h e wo r k-p i e c e a n d t h e d a t u m c oo r d i n a t e s y s t e m o f t h e ma c h i n e t oo l s Th e wo r k p i e c e s wi t h l o c a t i n g p l a n es o r ma c h i n i n g d a t u m p l a n e s

24、a r e p r e t t y p r o po r t i o n o n t h e C NC ma c h i n e Ma c h i n i n g t h i s k i n d o f t h e wo r k p i e c e u s i n g ma c h i n e t o o l s，we ma y ma k e t h e wo r k p i e c e c oo r d i n a t e s y s t e m b e p a r a l l e l wi t h t h e d a t u m c oo r d i n a t e s y s t e m

25、I n o r d e r t o r e a l i z e t h e p u r p o se，t h e p o s i t i o n a n d g e s t u r e o f t h e l oca t i n g p l a n es o r ma c h i n i ng d a t u m p l a n e s v e r s u s t h e d a t u m c oo r d i n a t e s y s t e m o f t h e ma c h i n e t oo l s wi l l be me a s u r e d Th e n i n t e

26、 rm s o f t h e me a s u r i ng v a l u e，r o t a t i n g t h e wo r k t a b l e s u r r o u n d i n g t h e Z a x i s t o ma k e t h e wo r k p i e c e c oo r d i n a t e s y s t e m be p a r a l l e l wi t h t h e d a t u m c oo r d i n a t e s y s t e m，s t ri p p i ng t h e s p a c e e r r o r a

27、 n d g e o me t r i c p a r a me t e r e r r o r s i d e o f t h e wo r k t a b l e t h e pos i t i o n o f t h e wo r k p i e c e ma c h i n e d c a n b e i d e n t i f i e d 2 2 The Pr i n c i pl e o f M e a s u r e me n t S e n s o r I n o r d e r t o i mp r o v e t h e wo r k e f f i de n c y 0

28、t h e C NC ma c h i n e t oo l s，t h e h i g h me a s u r i n g p r e c i s i o n a n d f a s t me a s u r i n g s p e e d a r e r e q u i r e d Th e sen s o r i n t h e me a s u ri ng s y s t e m i s comp o s e d o f t h e u n i t t h a t p r o c r eat es t h e s pee d-d o wn s i g n a l(t ri g g e

29、 r bal l，c o n t a c t o r e t c )，t h e c e l l t h a t g e n e r a t e s t h e l a s t h a l t s i g n a l(pos i t i o n i ng b a l l e t c )，a n d t h e e l e me n t t h a t y i e l d s t h e p r o t e c t i ng s i g n a l(e l a s t i c e l e-me n t e t c )a n d so f o r t h a s F i g 1Th e wo r

30、k ma n n e r o f t h e sen sor i s e l e c t r i c s wi t c h，t h e s e n s o r a n d t h e wo r k p i e c e s ma c h i n e d f o rm t h e o n o f f e l e c t ri c s i g n a l，s u c h a s t h e s t a t e t h a t t h e t ri g g e r b a l l o r po s i t i o n i n g bal l c o n t a c t s wi t h t h e w

31、o r k p i e c es ma c h i n e d i s o ncon t r a ri wi se i s o f f Fi g1 S c h e ma t i c Di a g r a m o f t he Me a s u r e me n t S e n s o r Th e wo r k p i e c e i s c o n n e c t e d t o t h e n e g a t i v e po l e o f t h e e l e c t r i c po we r，a n d t h e sen sor i s c o n n e c t e d t

32、o t h e p o s i t i v e po l e，wh i l e t h e wo r k-p i e c e c o me s i n c o n t a c t wi t h t h e t rig g e r bal l，t h e s p e e d d o wn s i g n a l i s g e n e r a t e d，also t h e c o n t a c t o r p u l l s b a c k t h e t r i g g e r b a l l a s f a s t a s p o s s i b l e，a t t h e same

33、t i me t h e s i g n a l i s i n p u t t e d i n t o t h e con t r o l l e r t o ma k e t h e wo r k p i e c e mo v e a t h i g h d e c e l e r a t i o n u n t i l t h e s pee d o f t h e wo r k p i e c e bec o me s t h e p o s i t i ng o n e，t h e n g o o n t o mo v e a t t h e c o n s t a n t s p

34、e e d，o n c e t h e p o s i t i o n i n g 维普资讯 http:/ 第 2期A n A u t o ma t i e Me a s u r e m e n t，I d e n t i f i c a t i o n a n d A d j u s t me n t Me t h o d t o P o s i t io n o f Wo r k p i e c e Ma c h i n e d 1 1 3 p l a n e o f t h e wo r k p i e c e t o u c h e s t h e p o s i t i o n i

35、n g b a l l，t h e po s i t i o n i n g s i g n a l i s g e n e r a t e d a n d i s i n p u t t e d t h e c o n t r o l l e r t o l e t t h e wo r k p i e c e s t o p，wh e r e b y r e a l i z i n g t h e po s i t i o n i n g me a s u r e me n t a u t o ma t i c a l l y I n o r d e r t o e l i mi n a

36、t e t h e c h a t t e r o f t h e c o n t a c t，t h e c o r r e l a t i o n c i r c u i t i s d e s i g n e d Owi n g t o t h e b e h a v i o r o f t h e t r i g g e r b a l l i s o n l y t o g e n e r a t e t h e d e c e l e r a t i n g s i g n a l，t h e s u r f a c e h a r d n e s s o f t h e t r

37、i g g e r-b a l l i s l o w a n d i t c a n n o t d a ma g e t h e po s i t i o n i n g p l a n e o f t h e wo r k p i e c e a t t h e f a s t s p e e d Th e s u r f a c e h a r d n e s s o f t h e po s i t i o n i n g b a l l i s v e r y h i g h，b u t t h e t o u c h i n g s p e e d i s l o w，t h e

38、 pos i t i o n i n g p l a n e c a n b e p r o t e c t e d t o o I f t h e wo r k p i e c e d o e s n o t s t o p，t h e e l e me n t t h a t y i e l d s t h e p r o t e c t i n g s i g n a l wi l l o b l i g e t h e wo r k p i e c e s t o p t h r o u g h i n p u t t i n g p r o t e c t i ng s i g n

39、i n t o t h e c o n t rol l e r He n c e i t a c t s t h e f u n c t i o n t h a t p r o t e c t s t h e s e n s o r a n d d a t u m p l ane o f t h e wo r k p i e c e f rom t h e d a ma g e B y a d o p t i n g t h e s t r a t e g y a b o v e，t h e s e n s o r c a n r e a l i z e h i g h p r e c i s

40、 i o n a n d h i g h e f f i c i e n c y o f t h e pos i t i o n i n g m e aS Ur e m e nt 2 3 Th e Ex p e r i me n t o f M e a s u r i n g S e n s o r F i r s t t h e me a s u r i n g s e n s o r i s i n s t a l l e d o n a s u i t a b l e 1 o c a t i o n o n t h e b e d o f t h e CNC，a n d d r i v

41、i n g t h e wo r k t a b l e r e c t i l i n e a r mo t i o n a n d pos i t i o n i n g，t h e n me a s u r i n g t h e pos i t i o n i n g e r r o r o f t h e s e n s o r u s i n g t h e h i g h p r e c i s i o n d u a l f r e q u e n c y l a s e r i n t e rf e r o me t e r(ML 1 0 i s ma d e b y R e

42、 n i s h a w c o mp a n y i n E n g l a n d)Th e pos i t i o n i n g e r r o r i s l e s s t h a n 0 0 0 1 mm mo r e t h a n 1 5 0 0 t i me s pos i t i o n i n g me a s u r e me n t mu l t i p h a s e Th e e x p e r i me n t d a t a i n d i c a t e s t h a t i t i s f e a s i b l e t o me a s u r e

43、t h e po s i t io n o f t h e wo r k p i e c e ma c h i n e d b y u s i n g t h e s e n s o r 2 4 Th e me a s u r e me n t，i d e n t i f i c a t i o n a n d a d j u s t me n t pr o c e s s S e t t i n g t h e d a t u m c oo r d i n a t e s y s t e m o f t h e CNC ma c h i n e t oo l s a s o-x y z，a

44、n d t h e c oo r d i n a t e s y s t e m o f t h e wo r k t a b l e a s o c x c y c z c，t h e me a s u r i n g s e n s o r i s i n s t a l l e d o n a s u i t a b l e l o c a t i o n o n t h e b e d o f t h e ma c h i n e，t h e c e n t e r c oor d i n a t e o f i t s pos i t i o n i n g b a l l i s

45、o 2(x 0 ，y lo ，h)T h e s t e p s o f t h e me a s u r e me n t a r e a s f o l l o w s(F i g 2)：，S t e p o n e：t h e wo r k p i e c e ma c h i n e d i s f i x e d o n a s u i t a b l e l o c a t i o n o n t h e wo r k t a b l e r o u g h l y S t e p t wo：t h e p l a n e A a n d t h e p l a n e B a r

46、 e t h e po s i t i o n i n g d a t u m p l a n e s o f t h e wo r k p i e c e i n F i g 2Th e po s i t i o n 0 i s t h e i n i t i a l pos i t i o n，a n d t h e n e g a t i v e pol e j o i n s t h e wo r k p i e c e Dr i v i n g t h e wo r k p i e c e t o mo v e a l o n g y d i r e c t i o n a n d

47、h a l t o n t h e po s i t i o n 1 b y u s i n g t h e pos mo n i n g s e n s o r，t h e mo t i o n v a l u e i s k As s u mi n g t h e i n t e r s e c t i o n poi n t c o o r d i n a t e o f t h e p l a n e A o f t h e w o r k p i e c e a n d t h e s u rf a c e o f t h e pos i t i o n i n g b a l l

48、i s A l l(X A Y A h)，o n t h e pos i t i o n 0，t h e c o o r d i n a t e o f t h e poi n t i s A,0(X A,。，y A h)，t h e r e f o r e t h e r e l a t i o n o f t h e c oor d i n a t e b e t we e n Al 0 a n d Al l i s：XA。，y ，h i =X。，y A。一k，h (1)厂 Ltoii u 。P 1 a n e B、l、s。f 一 7 。仉V lf ，o s it 7 、手 一 堇 0 2

49、 ，Fi g 2 M e a s u r i n g Pl a n e A S t e p t h r e e：t h e cen t e r o f t h e wo r k t a b l e i s o l an d rotat e s a r o u n d t h e z-a x i s Th e wo r k p i e c e i s p o s i t i o n e d an d s t o p p e d o n p o s i t i o n 2，t h e a n g l e o f r o tat i o n o f t h e wo r k tab l e i s

50、0，r e s e mb l i n g a b o v e，a s s u mi ng t h e i n t e r s e c t i o n po i n t c o o r d i n a t e o f t h e p l ane A o f t h e wo r k-p i ece and t h e s u r f a c e o f t h e p o s i t i o n i n g-b a l l i s A 2 2(，h)，o n the p o s i t io n0，t h e c o o r di nat e o f t h e poi n t i s A 2