本发明专利涉及一种现场加工镗床自动定位加工与检测技术，涉及到机床装备安装调试过程中主轴的自动检测、调节、定位，被加工零件操作加工过程中表面的尺寸、形状、位置检测和加工工艺评估，包括设计自动定位加工与检测技术系统，设计表面重构与评估系统，设计主轴及主轴驱动系统，并结合主轴及主轴驱动系统设计可进行轴向进给和径向进给以及沿内孔表面扫描的操作、加工、检测机构，提出采用标准环确立机床主轴基准轴线的方法以及实现机床主轴轴线位置的自动检测方法，提出被加工内孔表面自动检测、工艺操作和评估的技术和方法。本发明可应用于水电站、核电站、舰艇、船舶，采矿等领域的大型机床装备和零部件的安装、使用、调试、维护、加工、修理、检测等作业，也可扩展应用于一般孔类零件加工和各种操作过程中的主轴自动定位、加工过程自动检测。
1.现场加工镗床自动定位加工与检测装置，机床由主轴及主轴驱动系统、主轴定心调整系统、主轴位置检测系统、刀架进给系统，控制系统等组成，机床初步吊装固定于被加工零件后，能完成机床主轴轴线与所要求轴线相对位置检测，计算出轴线偏差并自动调整机床主轴轴线位置并紧固；能进行被加工孔表面形状、位置检测，构建被加工表面三维形貌和进行零件表面加工评估；其特征在于：包括一个被加工表面重构与评估系统，用于对机床定位，对被加工零件进行正确操作以及加工和检测，对操作加工效果进行评估；
被加工表面重构与评估系统由位置检测与数据采集装置、数据处理与三维形貌重构装置、机械扫描机构组成，实现表面三维形貌检测、扫描与重构；
主轴两端分别安装有主轴定心调整机构，当机床主轴轴线与所要求基准轴线产生偏差时，由控制系统驱动相应定心调整机构，使机床主轴在一定空间范围移动或者偏转，实现机床主轴定位；定心调整机构均配置有轴承和轴承座，轴承座径向端配置有不少于3套可以伸缩的调节顶杆，根据主轴轴线与所要求基准轴线的偏差大小和方向由控制系统给出相应调节顶杆驱动指令，实现主轴轴线的移动或偏转。
2.根据权利要求1所述的现场加工镗床自动定位加工与检测装置，其特征在于：被加工表面重构与评估系统的被加工孔表面可以是具有尺寸、形状、位置误差的复杂表面，被加工表面重构与评估系统通过采用激光或其他位置传感器扫描检测被加工孔，检测和采集数据，重构被加工表面三维形貌，计算被检测加工表面理想轮廓以及尺寸、形状、位置误差，判断加工余量、加工工艺，或给出合理工艺评估。
3.根据权利要求1所述的现场加工镗床自动定位加工与检测装置，其特征在于：被加工表面重构与评估系统的机械扫描机构，利用刀架进给系统中的轴向进给机构、径向进给机构以及主轴及主轴驱动系统的旋转运动，实现对被检测表面的扫描。
4.根据权利要求1所述的现场加工镗床自动定位加工与检测装置，其特征在于：主轴本体一侧有凹槽，凹槽内安装传动丝杆，主轴驱动系统由驱动马达，减速器和传动箱组成，其中传动箱套在主轴上，传动箱通过其内套上的键与主轴上的凹槽配合传递扭矩，带动主轴旋转的同时，传动丝杆可以驱动刀架进给系统产生轴向进给运动。
5.根据权利要求1所述的现场加工镗床自动定位加工与检测装置，其特征在于：所述刀架进给系统包括轴向进给机构和径向进给机构，轴向进给机构的驱动装置安装于主轴一端，通过主轴一侧的丝杆，带动安装在主轴上的滑套以及安装在滑套上的刀架进给系统一起，实现轴向进给；刀架进给系统内的径向进给，由独立的马达驱动和控制，通过传动丝杆螺母副，带动刀架沿径向移动，实现径向进给。
6.根据权利要求1所述的现场加工镗床自动定位加工与检测装置，其特征在于：所述主轴位置检测系统的机床主轴轴线与所要求轴线的相对位置是通过检测标准环实现；标准环可以是预先制造的各种精密工艺圆环，也可以是预先加工的作为定位基准轴线的其他工艺基准表面；标准环或工艺基准表面可以是一个、两个或多个，安装固定的位置，可以是被加工孔轴两端，也可以安装于被加工孔中间部位；采用激光或其他位置传感器扫描检测标准环，计算机床主轴轴线与标准环所确定的基准轴线位置偏差，从而获得机床主轴位置。
7.根据权利要求6所述的现场加工镗床自动定位加工与检测装置，其特征在于：所述基准轴线是由预先安装和设置的两个标准环所确立的轴线作为基准轴线或者是由一个标准环配合一个水平仪所确立的轴线作为基准轴线。
8.根据权利要求6所述的现场加工镗床自动定位加工与检测装置，其特征在于：所述主轴位置检测系统安装在刀架进给系统上，控制系统可以驱动其沿径向调整检测位置，沿轴向产生进给移动，结合主轴旋转实现对标准环和工件内孔表面的扫描检测。
9.根据权利要求1所述的现场加工镗床自动定位加工与检测装置，其特征在于：所述被加工表面重构与评估系统的被加工零件操作完成后，可以通过激光或其他位置传感器的再次扫描检测，给出安装、定位、修复、各种操作和加工结果评估。
现场加工镗床自动定位加工与检测装置
技术领域
[0001] 本发明专利涉及一种现场加工镗床自动定位加工与检测装置，涉及到机床装备安装调试过程中主轴的自动检测、调节、定位，被加工零件操作加工过程中表面的尺寸、形状、位置检测和加工工艺评估，可应用于水电站、核电站、舰艇、船舶，采矿等领域的大型机床装备和零部件的安装、使用、调试、维护、加工、修理、检测等作业，也可扩展应用于一般孔类零件加工和各种操作过程中的主轴自动定位、加工过程自动检测。
背景技术
[0002] 大型水电站、核电站、舰艇、船舶，采矿等领域，零部件的安装、维护、修复、调试等操作，由于生产制造厂商远离使用地，或不便于拆卸、移动等原因，采用传统处理方法使用大型机床或者制作专机完成零部件的操作加工后运输到指定地点安装，经常产生难于克服的困难，如运输困难、加工周期长、成本昂贵、远离制造或维修基地的现场安装调试或检测修复不易实施，工程费时、费力、费财、协调困难等等。为了适应社会发展的需求，人们发展了现场加工技术，即直接在被加工大尺寸零部件上安装操作加工机床，完成加工任务。现场加工技术是一种适应各种复杂工作条件下零部件的加工、检测、维护、修复等作业的良好方法，但其中大型装备和零部件的安装、使用、调试、维护、加工、修理、检测等作业，经常遇到机床在指定位置的正确安装、定位，大尺寸深孔零部件表面位置、形状、尺寸的检测以及加工或操作过程中工艺评估问题。能自动完成机床装备安装调试过程中主轴的自动检测、调节、定位，被加工零件表面的尺寸、形状、位置检测和加工工艺评估，成为现场加工技术关键核心问题。
发明内容
[0003] 本发明要解决的问题是提供一种能够在现场加工条件下，集机床的自动定位、被加工零件的操作、加工、检测为一体的技术和方法。采用该方法，初步安装加工机床于被加工孔零件后，能够自动检测加工机床主轴轴线位置，自动调整、定位和紧固机床主轴轴线于正确位置，检测被加工零件孔的尺寸、形状、位置，可以构建被加工内孔表面三维形貌，进行加工工艺参数分析并进行计算、评估，操作加工完成后，可以重新检测并给出结果。
[0004] 发明内容一是现场加工镗床自动定位加工与检测装置的实现方法，包括机床的构成；
[0005] 发明内容二是孔表面尺寸、形状、位置检测及工艺评估方法；
[0006] 发明内容三是孔表面尺寸、形状、位置检测及工艺评估的自动扫描检测机构设计；
[0007] 发明内容四是机床主轴基准轴线的确立方法；
[0008] 发明内容五是机床主轴位置的自动检测和调整定位；
[0009] 发明内容六是被加工孔操作加工结果评估。
[0010] 所实施的一种现场加工镗床自动定位加工与检测装置，其方法如下，如图1所示。发明内容一，现场加工镗床自动定位加工与检测装置由主轴及主轴驱动系统S100、主轴定心调整系统S201和S202、主轴位置检测系统S300、刀架进给系统S500，控制系统S600等组成，机床初步吊装固定于被加工零件后，能完成机床主轴轴线与所要求轴线相对位置检测，计算出轴线偏差并自动调整机床主轴轴线位置，自动紧固；能进行被加工孔表面形状、位置、检测，构建被加工表面三维形貌和进行零件表面加工评估。发明内容二，孔表面尺寸、形状、位置检测及工艺评估所采用的方法是包括一个表面重构与评估系统S400，用于对机床定位，对被加工零件进行正确操作、加工和检测，以及对操作加工效果进行评估。被加工孔表面可以是具有尺寸、形状、位置误差的复杂表面，被加工表面重构与评估系统通过采用激光或其他位置传感器扫描检测被加工孔，检测和采集数据，重构被加工表面三维形貌，如图
2所示，根据检测和重构的表面三维形貌，计算被检测加工表面理想轮廓以及尺寸、形状、位置误差，判断加工余量、加工工艺，或给出合理工艺评估。发明内容三，表面尺寸、形状、位置检测及工艺评估，由主轴及主轴驱动系统S100、主轴位置检测系统S300、刀架进给系统S500组合实现，主轴位置检测系统S300的激光位置检测传感器或其他位置检测传感器是安装在刀架进给系统上，由主轴的旋转运动以及轴向进给运动配合径向进给运动，实现对零件表面的扫描检测。其中，主轴(10)本体一侧有凹槽，凹槽内安装传动丝杆(6)，主轴驱动装置(1)由驱动马达，减速器和传动箱组成，其中传动箱套在主轴上，传动箱通过其内套上的键与主轴上的凹槽配合传递扭矩，带动主轴旋转的同时，传动丝杆可以驱动刀架进给系统S500产生轴向进给运动；刀架进给装置，包括轴向进给装置(8)和径向进给装置(9)，径向进给装置(9)由独立的马达驱动和控制，通过传动丝杆螺母副，带动刀架沿径向移动，实现径向进给。控制系统可以驱动位置检测装置(7)沿径向调整检测位置，沿轴向产生旋转进给移动，实现对标准环和工件内孔的扫描检测。发明内容四，机床主轴基准轴线的确立方法，是由预先安装和设置在轴端的两个标准环(5)、标准环(13)所确立的轴线作为基准轴线，也可以是由一个标准环配合一个水平仪所确立的轴线作为基准轴线；所述的标准环，可以是预先制造的各种精密工艺圆环，也可以是预先加工的作为定位基准轴线的其他工艺基准表面；标准环或工艺基准表面可以是一个、两个或多个，安装固定的位置，可以是被加工孔轴两端，也可以安装于被加工孔中间部位。发明内容五，机床主轴位置的自动检测和调整定位，是通过检测标准环实现，采用激光或其他位置传感器扫描检测标准环，计算机床主轴轴线与标准环所确定的基准轴线位置偏差，或与一个标准环配合一个水平仪所确立的轴线偏差，从而获得机床主轴位置；机床主轴位置的自动调整和定位，是通过主轴定心调整系统完成；主轴定心调整系统分别由主轴定心调整系统S201和主轴定心调整系统S202、定心驱动装置(2)和定心驱动装置(14)以及支架(4)和支架(15)组成，主轴定心调整系统S201和S202均配置有轴承及轴承座(3)和轴承座(12)，当机床主轴轴线与所要求基准轴线的相对位置产生偏差时，由控制系统S600驱动主轴定心调整系统S201和主轴定心调整系统S202，使机床主轴在一定空间范围移动或者偏转，实现机床主轴定位；其中，轴承及轴承座径向端配置有不少于3套由可伸缩的调节顶杆构成的定心驱动装置，当机床主轴轴线与所要求基准轴线的相对位置产生偏差时，根据偏差大小和方向由控制系统S600给出修正指令，分别驱动定心驱动装置调节顶杆，修正加工轴线位置，实现加工轴线自动定心。发明内容六，被加工孔操作加工结果评估，由表面重构与评估系统S400完成；通过激光或其他位置传感器对操作加工的孔表面再次扫描检测，给出安装、定位、修复、各种操作和加工结果评估。
附图说明
[0011] 图1自动定位加工与检测技术示意图
[0012] S100：主轴及主轴驱动系统
[0013] S201、S202：主轴定心调整系统
[0014] S300：主轴位置检测系统
[0015] S400：表面重构与评估系统
[0016] S500：刀架进给系统
[0017] S600：控制系统
[0018] (1)主轴驱动装置 (2)定心驱动装置 (3)主轴轴承 (4)支架
[0019] (5)标准环 (6)轴向进给丝杆 (7)位置检测装置 (8)轴向进给装置
[0020] (9)径向进给装置 (10)主轴 (11)零件 (12)主轴轴承
[0021] (13)标准环 (14)定心驱动装置 (15)支架 (16)可调节支撑脚
[0022] 图2表面重构和表面质量评估
具体实施方式
[0023] 如图1所示，首先将机床主体结构初步吊装并固定于被加工零件孔内，安装包括主轴及主轴驱动系统S100、主轴定心调整系统S201和S202、主轴位置检测系统S300、刀架进给系统S500，控制系统S600以及表面重构与评估系统S400等。
[0024] 完成机床结构和各功能系统安装和固定于被加工零件后，进行机床主轴轴线与所要求轴线相对位置的自动检测。机床主轴基准轴线的确立方法，是由预先安装和设置在轴端的两个标准环(5)、标准环(13)所确立的轴线作为基准轴线，基准轴线也可以是由一个标准环配合一个水平仪所确立的轴线作为基准轴线；所述的标准环，可以是预先制造的各种精密工艺圆环，也可以是预先加工的作为定位基准轴线的其他工艺基准表面；标准环或工艺基准表面可以是一个、两个或多个，安装固定的位置，可以是被加工孔轴两端，也可以安装于被加工孔中间部位。自动检测是由控制系统S600、主轴及主轴驱动系统S100、主轴位置检测系统S300、刀架进给系统S500组合实现，控制系统S600给出机床主轴轴线检测指令，驱动主轴及主轴驱动系统S100、刀架进给系统S500和主轴位置检测系统S300，分别对标准环(5)和标准环(13)内孔表面扫描检测并采集数据，主轴位置检测系统S300将计算出由标准环内孔表面所确立的基准轴线与机床主轴轴线偏差其大小和方向。
[0025] 获得机床主轴轴线与基准轴线偏差后，由控制系统S600给出指令，自动调整机床主轴轴线位置。机床主轴位置的自动调整和定位是通过主轴定心调整系统S201和主轴定心调整系统S202完成：根据自动扫描检测和计算获得的主轴轴线与基准轴线偏差的大小和方向，控制系统S600驱动主轴定心调整系统S201和主轴定心调整系统S202中的定心驱动装置(2)和定心驱动装置(14)，定心驱动装置通过驱动调节顶杆使主轴轴承座产生位移，从而对主轴轴线位置进行调整。主轴两端的主轴轴承座径向端均配置有不少于3套可伸缩调节顶杆构成的定心驱动装置，因此，可根据机床主轴轴线与基准轴线偏差大小和方向，由控制系统S600给出修正指令，分别驱动相应主轴轴承座上的各定心驱动装置产生所要求方向的径向位移，同时在轴向上，根据需要分别控制主轴两端的主轴轴承座位移，从而使机床主轴在一定空间范围内移动或者偏转，实现机床主轴定位修正、轴线位置调整。
[0026] 自动调整和确立机床主轴轴线位置后，可对被加工内孔表面进行检测、加工、修复等操作和评估。被加工孔表面可以是具有尺寸、形状、位置误差的复杂表面，所要进行的操作或加工，首先需要进行表面的扫描检测，然后进行适当的工艺评估。表面尺寸、形状、位置检测及工艺评估是由控制系统S600、主轴及主轴驱动系统S100、主轴位置检测系统S300、刀架进给系统S500，表面重构与评估系统S400组合完成。首先，控制系统S600给出内孔表面检测、评估指令，驱动主轴及主轴驱动系统S100、刀架进给系统S500和主轴位置检测系统S300，对被加工内孔表面进行扫描检测并采集数据，表面重构与评估系统S400将根据所采集的数据重构被加工内孔表面三维形貌，如图2所示，根据检测和重构的表面三维形貌，计算被检测加工表面理想轮廓以及尺寸、形状、位置误差，判断加工余量、加工工艺，或给出合理工艺评估。
[0027] 完成对被加工内孔表面尺寸、形状、位置检测及工艺评估后，可进行安装、修复、加工等具体操作，并可在各种工艺操作完成后，进行工艺效果评估。即控制系统S600给出内孔表面工艺操作过程检测、评估指令，驱动主轴及主轴驱动系统S100、刀架进给系统S500和主轴位置检测系统S300，对被加工内孔工艺操作后的表面进行扫描检测并采集数据，表面重构与评估系统S400将根据所采集的数据重构被加工内孔表面三维形貌，根据检测和重构的表面三维形貌，给出工艺结果评估。
