加工机探针测量系统及方法.pdf

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摘要
申请专利号:

CN201310042430.5

申请日:

2013.02.04

公开号:

CN103962889A

公开日:

2014.08.06

当前法律状态:

撤回

有效性:

无权

法律详情:

发明专利申请公布后的视为撤回IPC(主分类):B23Q 17/20申请公布日:20140806|||公开

IPC分类号:

B23Q17/20

主分类号:

B23Q17/20

申请人:

鸿富锦精密工业(深圳)有限公司; 鸿海精密工业股份有限公司

发明人:

张旨光; 吴新元; 刘义

地址:

518109 广东省深圳市宝安区龙华镇油松第十工业区东环二路2号

优先权:

专利代理机构:

代理人:

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内容摘要

一种加工机探针测量方法,其包括:控制CNC加工主轴到换针架中的探针的上方并吸取探针再放入,并记录更换探针时的三维机械坐标和吸盘的吸取力道;控制CNC加工主轴根据用户选择的工件类型按照记录的更换探针的三维机械坐标及吸取力道,通过吸盘从换针架中吸取相应的探针;在三维机械坐标系下,接触各个接触点并测量其三维机械坐标;根据测量的多个接触点的实际三维机械坐标和用户选择的元素类型创建三维工件坐标系;在三维工件坐标系下,计算所有接触点的实际工件坐标;计算所有接触点的实际工件坐标与理论工件坐标的偏差值;将所述工件坐标系下的偏差值转换成三维机械坐标系下的偏差值,并补偿给CNC加工机来校正工件的尺寸。

权利要求书

权利要求书
1.  一种加工机探针测量系统,用于在数控机床CNC加工机内,取点测量工件的尺寸,其特征在于,该系统包括:
控制模块一,用于控制CNC加工主轴到换针架中的探针的上方并吸取探针再放入换针架中,记录更换探针时的三维机械坐标及吸盘的吸取力道;
控制模块二,用于控制CNC加工主轴根据用户选择的工件类型按照记录的更换探针的三维机械坐标及吸取力道,通过吸盘从换针架中吸取相应的探针;
取点测量模块,用于探针被吸取后,在三维机械坐标系下,接触各个接触点并测量其三维机械坐标,所述接触点是工件上探针待测量的目标点;
创建工件坐标系模块,用于当所有接触点测量完毕后,根据测量的多个接触点的实际三维机械坐标和用户根据工件所选择的元素类型创建三维工件坐标系;
计算模块,用于在三维工件坐标系下,计算所有接触点的实际三维工件坐标;
所述计算模块,还用于计算所有接触点的实际三维工件坐标与理论三维工件坐标的偏差值,所述接触点的理论三维工件坐标是由接触点的理论三维机械坐标转换得到的;
校正模块,用于将所述三维工件坐标系下的偏差值转换成三维机械坐标系下的偏差值,并补偿给CNC加工机来校正工件的尺寸。

2.  如权利要求1所述的加工机探针测量系统,其特征在于,所述取点测量模块接触各个接触点并测量其三维机械坐标包括步骤:
点计算步骤一,在三维机械坐标系下,根据当前点的三维机械坐标计算第一安全面点,根据待测的接触点的理论三维机械坐标计算第二安全面点、接近点的三维机械坐标,所述当前点是探针准备测量接触点时所在的某个任意位置,所述安全面是预设的一个平面,该平面平行于CNC工作台并与其有预设距离,所述第一安全面点是当前点 在安全面上的投影点,所述接近点是与要测量的接触点的距离很小的一个指定点,所述第二安全面点是接近点在安全面上的投影点;
驱动步骤,驱动CNC加工主轴使探针在安全面上从第一安全面点高速移动到第二安全面点,再减速移动到接近点;
测量步骤,当探针上的测力感应元件感应到工件时,利用CNC加工机的X、Y、Z轴上的光学尺测量接触点的实际三维机械坐标;
点计算步骤二,根据接触点的实际三维机械坐标计算所述接触点对应的回弹点和第三安全面点的实际三维机械坐标,所述回弹点是测量完毕后,从接触点回弹一定距离的指定点,所述第三安全面点是回弹点在安全面上的投影点;
返回步骤,利用三轴的线性马达使探针从接触点到回弹点,最后回到第三安全面点。

3.  如权利要求2所述的加工机探针测量系统,其特征在于,当探针上的测力感应元件没有感应到工件时,使探针沿着接触点所在面的法线的负方向移动预设距离,所述法线的负方向是指从接近点指向接触点方向;
当探针上的测力感应元件感应到工件时,进入测量步骤;
当探针上的测力感应元件没有感应到工件时,不再测量该接触点,进行下一个接触点的测量。

4.  如权利要求1所述的加工机探针测量系统,其特征在于,所述创建工件坐标系模块创建三维工件坐标系包括步骤:
拟合步骤,利用所测的所有接触点并结合拟合算法拟合用户所选的元素类型;
投影步骤,将所拟合的元素类型投影到第二基准面上,并记录每个投影点,所述第二基准面是根据所测的接触点拟合得到的面且与基准面的误差最小,所述基准面是预设面;
创建步骤,利用所述第二基准面上的所述投影点拟合两条相互垂直并相交的直线,其中一条直线作为X轴,另一条直线Y轴,相交点为原点,在垂直所述第二基准面的法线方向上拟合一条直线作为Z轴。

5.  如权利要求4所述的加工机探针测量系统,其特征在于,在投影 步骤之前还包括:
当所拟合的元素类型中没有第二基准面时,从所测的接触点中选取至少三个不共线的接触点来拟合一个平面;
校正所拟合的平面直至为所述第二基准面。

6.  如权利要求4所述的加工机探针测量系统,其特征在于,所述的拟合算法是最小二乘法及牛顿迭代法。

7.  如权利要求1所述的加工机探针测量系统,其特征在于,所述的元素类型是圆、线、面及圆柱。

8.  如权利要求1所述的加工机探针测量系统,其特征在于,根据用户选择的工件类型,CNC加工主轴自动更换所需的探针及刀具。

9.  一种加工机探针测量方法,用于在数控机床CNC加工机内,取点测量工件的尺寸,其特征在于,该方法包括:
控制步骤一,控制CNC加工主轴到换针架中的探针的上方并吸取探针再放入换针架中,记录更换探针时的三维机械坐标及吸盘的吸取力道;
控制步骤二,控制CNC加工主轴根据用户选择的工件类型按照记录的更换探针的三维机械坐标及吸取力道,通过吸盘从换针架中吸取相应的探针;
取点测量步骤,探针被吸取后,在三维机械坐标系下,接触各个接触点并测量其三维机械坐标,所述接触点是工件上探针待测量的目标点;
创建工件坐标系步骤,当所有接触点测量完毕后,根据测量的多个接触点的实际三维机械坐标和用户根据工件所选择的元素类型创建三维工件坐标系;
计算步骤一,在三维工件坐标系下,计算所有接触点的实际三维工件坐标;
计算步骤二,计算所有接触点的实际三维工件坐标与理论三维工件坐标的偏差值,所述接触点的理论三维工件坐标是由接触点的理论三维机械坐标转换得到的,所述理论三维机械坐标是用户输入的;
校正步骤,将所述三维工件坐标系下的偏差值转换成三维机械坐 标系下的偏差值,并补偿给CNC加工机来校正工件的尺寸。

10.  如权利要求9所述的加工机探针测量方法,其特征在于,所述取点测量步骤包括:
点计算步骤一,在三维机械坐标系下,根据当前点的三维机械坐标计算第一安全面点,根据待测的接触点的理论三维机械坐标计算第二安全面点、接近点的三维机械坐标,所述当前点是探针准备测量接触点时所在的某个任意位置,所述安全面是预设的一个平面,该平面平行于CNC工作台并与其有预设距离,所述第一安全面点是当前点在安全面上的投影点,所述接近点是与要测量的接触点的距离很小的一个指定点,所述第二安全面点是接近点在安全面上的投影点;
驱动步骤,驱动CNC加工主轴使探针在安全面上从第一安全面点高速移动到第二安全面点,再减速移动到接近点;
测量步骤,当探针上的测力感应元件感应到工件时,利用CNC加工机的X、Y、Z轴上的光学尺测量接触点的实际三维机械坐标;
点计算步骤二,根据接触点的实际三维机械坐标计算所述接触点对应的回弹点和第三安全面点的实际三维机械坐标,所述回弹点是测量完毕后,从接触点回弹一定距离的指定点,所述第三安全面点是回弹点在安全面上的投影点;
返回步骤,利用三轴的线性马达使探针从接触点到回弹点,最后回到第三安全面点。

11.  如权利要求10所述的加工机探针测量方法,其特征在于,当探针上的测力感应元件没有感应到工件时,使探针沿着接触点所在面的法线的负方向移动预设距离,所述法线的负方向是指从接近点指向接触点方向;
当探针上的测力感应元件感应到工件时,进入测量步骤;
当探针上的测力感应元件没有感应到工件时,不再测量该接触点,进行下一个接触点的测量。

12.  如权利要求9所述的加工机探针测量方法,其特征在于,所述创建工件坐标系步骤中创建三维工件坐标系包括步骤:
拟合步骤,利用所测的所有接触点并结合拟合算法拟合用户所选 的元素类型;
投影步骤,将所拟合的元素类型投影到第二基准面上,并记录每个投影点,所述第二基准面是根据所测的接触点拟合得到的面且与基准面的误差最小,所述基准面是预设面;
创建步骤,利用所述第二基准面上的所述投影点拟合两条相互垂直并相交的直线,其中一条直线作为X轴,另一条直线Y轴,相交点为原点,在垂直所述第二基准面的法线方向上拟合一条直线作为Z轴。

13.  如权利要求12所述的加工机探针测量方法,其特征在于,在投影步骤之前还包括:
当所拟合的元素类型中没有第二基准面时,从所测的接触点中选取至少三个不共线的接触点来拟合一个平面;
校正所拟合的平面直至为所述第二基准面。

14.  如权利要求12所述的加工机探针测量方法,其特征在于,所述的拟合算法是最小二乘法及牛顿迭代法。

15.  如权利要求9所述的加工机探针测量方法,其特征在于,所述的元素类型是圆、线、面及圆柱。

16.  如权利要求9所述的加工机探针测量方法,其特征在于,根据用户选择的工件类型,CNC加工主轴自动更换所需的探针及刀具。

说明书

说明书加工机探针测量系统及方法
技术领域
本发明涉及一种探针测量系统及方法。
背景技术
数控机床(Computer numerical control,CNC)加工机加工产品因为加工来料、加工环境等因素造成加工精度不高且精度变化很大。一般通过CNC加工机加工产品毛坯,得到实际的加工产品,再通过检测实际产品的重点尺寸来校正CNC加工程序,该方法会浪费大量的人力物力。而且由于产品的毛刺和Z方向的尺寸被遮挡的部分等原因,即使通过把机器视觉检测模块安装到CNC加工主轴上的方式也无法做到百分百尺寸测量。
发明内容
鉴于以上内容,有必要提供一种加工机探针测量系统及方法,其可通过在CNC加工机内,探针高精度的接触工件,并取点测量来校正工件的尺寸。
一种加工机探针测量系统,用于在数控机床CNC加工机内,取点测量工件的尺寸,其包括:控制模块一,用于控制CNC加工主轴到换针架中的探针的上方并吸取探针再放入换针架中,记录更换探针时的三维机械坐标及吸盘的吸取力道;控制模块二,用于控制CNC加工主轴根据用户选择的工件类型按照记录的更换探针的三维机械坐标及吸取力道,通过吸盘从换针架中吸取相应的探针;取点测量模块,用于探针被吸取后,在三维机械坐标系下,接触各个接触点并测量其三维机械坐标,所述接触点是工件上探针待测量的目标点;创建工件坐标系模块,用于当所有接触点测量完毕后,根据测量的多个接触点的实际三维机械坐标和用户根据工件所选择的元素类型创建三维工件坐标系;计算模块,用于在三维工件坐标系下,计算所有接触点的实际三维工件坐标;所述计算模块,还用于计算所 有接触点的实际三维工件坐标与理论三维工件坐标的偏差值,所述接触点的理论三维工件坐标是由接触点的理论三维机械坐标转换得到的;校正模块,用于将所述三维工件坐标系下的偏差值转换成三维机械坐标系下的偏差值,并补偿给CNC加工机来校正工件的尺寸。
一种加工机探针测量方法,用于在数控机床CNC加工机内,取点测量工件的尺寸,该方法包括:控制步骤一,控制CNC加工主轴到换针架中的探针的上方并吸取探针再放入换针架中,记录更换探针时的三维机械坐标及吸盘的吸取力道;控制步骤二,控制CNC加工主轴根据用户选择的工件类型按照记录的更换探针的三维机械坐标及吸取力道,通过吸盘从换针架中吸取相应的探针;取点测量步骤,探针被吸取后,在三维机械坐标系下,接触各个接触点并测量其三维机械坐标,所述接触点是工件上探针待测量的目标点;创建工件坐标系步骤,当所有接触点测量完毕后,根据测量的多个接触点的实际三维机械坐标和用户根据工件所选择的元素类型创建三维工件坐标系;计算步骤一,在三维工件坐标系下,计算所有接触点的实际三维工件坐标;计算步骤二,计算所有接触点的实际三维工件坐标与理论三维工件坐标的偏差值,所述接触点的理论三维工件坐标是由接触点的理论三维机械坐标转换得到的,所述理论三维机械坐标是用户输入的;校正步骤,将所述三维工件坐标系下的偏差值转换成三维机械坐标系下的偏差值,并补偿给CNC加工机来校正工件的尺寸。
相较于现有技术,所述加工机探针测量系统及方法,不受产品毛刺和加工铁屑的影响,加工精度很高,且被遮挡的部分也能够通过星形测针进行侧面测量。
附图说明
图1是CNC加工机的硬件架构平面图。
图2是本发明加工机探针测量系统的模块图。
图3是本发明加工机探针测量方法的较佳实施例的流程图。
图4是测量一个接触点的探针移动步骤图。
图5是图3的步骤S13的细化流程图。
图6是工件坐标系的XY轴面的示意图。
图7是图3的步骤S14的细化流程图。
主要元件符号说明
CNC加工机1工件9计算机7存储器75微处理器76显示设备74换针架11Z轴线性马达12Z轴光学尺13CNC加工主轴14吸盘140探针141X轴线性马达17X轴光学尺18CNC工作台19加工机探针测量系统10控制模块一100控制模块二101取点测量模块102创建工件坐标系模块103计算模块104校正模块105
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
如图1所示,是CNC加工机的硬件架构平面图。在本实施例中,所 述加工机探针测量系统10安装于计算机7中,该计算机7与CNC加工机1进行通讯连接。所述计算机7包括存储器75、微处理器76及显示设备74。所述CNC加工机1包括换针架11、Z轴线性马达12、Z轴光学尺13、CNC加工主轴14、X轴线性马达17、X轴光学尺18及CNC工作台19及探针141。所述的CNC加工机1还包括Y轴光学尺、Y轴线性马达及固定工件的装夹治具等。所述CNC加工主轴14还包括吸盘140。所述CNC工作台19上放有一工件9,通过加工机探针测量系统10来校正工件9的尺寸。
所述光学尺是利用光栅的莫尔条纹和光电转换技术,通过光折射或透射反馈到感应器中进行计量。在本实施例中,所述Z轴光学尺13贴附在CNC加工主轴14上,所述X轴光学尺18平行于CNC工作台19,并垂直于Z轴光学尺13,Y轴光学尺垂直于X轴光学尺18及Z轴光学尺13。当X、Y、Z轴光学尺安装并校准后就会形成一个三维机械坐标系。所述X、Y、Z轴光学尺用于测量目标点在三维机械坐标系下的X、Y、Z坐标,并且每个光学尺各对应一个线性马达,所述线性马达利用光学尺测量的坐标点驱动CNC加工主轴14的探针141运动到指定的位置进行测量。
所述CNC加工主轴14通过吸盘140从所述换针架11中吸取所需的探针141。所述换针架11中放置了多个探针和刀具。所述探针141放置的位置还可以放置加工所需的刀具,所述CNC加工主轴14可以根据用户选择的工件类型自动更换所需的探针141及刀具。所述工件类型可以是长方体、立方体及带有一定曲面的三维工件。
所述显示设备74是一种LED显示屏或者其它显示器,用于显示测量数据、提供用户选择待测量的工件类型、选择所需创建的元素类型、提供用户根据工件选择接触点的点数及输入接触点对应的理论三维机械坐标。所述接触点是工件上探针141待测量的目标点。所述元素类型是指用户根据工件选择的圆、线、面及圆柱等。
所述探针141包括柱形探针、球形探针及星形探针。当工件9的Z方向被遮挡时,可以使用星形探针进行侧面测量。当工件9的待测面有一定的斜度时,可以用柱形探针测量。当工件9的待测面是平整而且要求测量精度较高时,可以用球形探针测量。所述探针141包括测力感应元件,所 述测力感应元件位于所述探针141的针头上,可以感应到探针是否接触到工件9。
如图2所示,是本发明加工机探针测量系统的模块图。在本实施例中,所述加工机探针测量系统10包括控制模块一100、控制模块二101、取点测量模块102、创建工件坐标系模块103、计算模块104及校正模块105。本发明所称的模块是指一种能够被微处理器76所执行并且能够完成固定功能的一系列计算机程序段,其存储在存储器75中。在本实施例中,关于各模块的功能将在图3的流程图中具体描述。
如图3所示,是本发明加工机探针测量方法的较佳实施例的流程图。
步骤S10,初始化CNC加工机1,即将换针架11固定到CNC工作台19上,将探针和加工刀具放置到换针架11中。
步骤S11,控制模块一100控制CNC加工主轴14到换针架11上的探针或者刀具上方并吸取探针或刀具后再放入换针架11中,记录更换探针或刀具时的三维机械坐标和吸盘140的吸取力道,便于CNC加工主轴14下次可以自动更换探针或刀具。
步骤S12,控制模块二101控制CNC加工主轴14根据用户选择的工件类型,按照S11记录的三维机械坐标及吸取力道通过吸盘140从换针架11中吸取相应的探针。
步骤S13,探针141被吸取后,在三维机械坐标系下,取点测量模块102接触各个接触点并测量其三维机械坐标。该步骤S13将在图5中作详细描述。
步骤S14,当所有接触点测量完毕后,创建工件坐标系模块103根据测量的多个接触点的实际三维机械坐标和用户根据工件9选择的元素类型创建三维工件坐标系。该步骤S14将在图7中作详细描述。
步骤S15,在三维工件坐标系下,计算模块104计算所有接触点的实际三维工件坐标。即在三维工件坐标系下,计算接触点到X、Y及Z轴的距离即为其实际三维工件坐标。
步骤S16,计算模块104计算所有接触点的实际三维工件坐标与理论三维工件坐标的偏差值。所述理论三维工件坐标是把接触点在三维机械坐标系下的理论坐标转换成三维工件坐标下的理论坐标。
步骤S17,所有的偏差值计算完毕后,校正模块105将所述三维工件坐 标系下的偏差值转换成三维机械坐标系下的偏差值,并补偿给CNC加工机1来校正工件的尺寸,使加工路径采用校正后的实际三维机械坐标测量值。
如图5所示,是图3的步骤S13的细化流程图。
如图4所示,是测量一个接触点的探针移动步骤图。取点测量模块102使CNC加工主轴14上的探针141从当前点20垂直提起到第一安全面点21,然后在安全面27上高速运行到第二安全面点23,减速运行到接近点24,再减速运行到接触点26,接触到接触点完成测量后,到回弹点25,最后回到第三安全面点22,完成一个工件9上的接触点26的取点测量过程。所述当前点是探针141准备测量接触点时所在的某个任意位置。所述安全面27是预设的一个平面,该平面平行于CNC工作台19并与其有一定的距离。所述第一安全面点21是当前点20在安全面27上的投影点。所述第三安全面点22是回弹点25在安全面27上的投影点。所述接近点24是与接触点26距离很小(比如2mm)的一个指定点。所述第二安全面点23是接近点24在安全面27上的投影点。所述回弹点25是测量完毕后,从接触点26回弹一定距离的指定点。
步骤S130,在三维机械坐标系下,取点测量模块102根据当前点20的三维机械坐标计算第一安全面点21、根据待测的接触点26的理论三维机械坐标计算第二安全面点23、接近点24的三维机械坐标。
步骤S131,取点测量模块102利用三轴的线性马达驱动CNC加工主轴14使探针141按照图4所示的移动步骤先在安全面27上高速移动再减速移动到接近点24。
步骤S132,取点测量模块102判断探针141上的测力感应元件是否感应到CNC工作台19上的工件9。当测力感应元件感应到CNC工作台19上的工件9时,执行步骤S135;当测力感应元件没有感应到工件时,执行步骤S133。
步骤S133,取点测量模块102使探针沿着接触点26所在面的法线的负方向移动预设距离。如图4所示,法线的负方向是指从接近点24指向接触点26方向。
步骤S134,取点测量模块102再次判断测力感应元件是否感应到CNC工作台19上的工件。当测力感应元件感应到工件时,执行步骤S135;当测力感应元件没有感应到工件时,系统报错,结束该接触点的测量流程,进行下一个接触点的测量。
步骤S135,使探针141减速运行到接触点26,取点测量模块102利用X、Y、Z的光学尺测量接触点26的实际三维机械坐标。
步骤S136,取点测量模块102根据接触点26的实际三维机械坐标计算所述接触点26对应的回弹点25和第三安全面点22的实际三维机械坐标。
步骤S137,计算回弹点25及第三安全面点22的位置后,取点测量模块102利用三轴的线性马达使探针141从接触点26到回弹点25,最后回到第三安全面点22。
如图7所示,是图3的步骤S14的细化流程图。
步骤S140,创建工件坐标系模块103利用所测的所有接触点并结合拟合算法迭代拟合用户所选的元素类型。本实施例中,所选的元素类型可以是一个或者多个圆、线、面、圆柱及其组合。所述拟合算法包括最小二乘法及牛顿迭代法。
步骤S141,创建工件坐标系模块103判断所拟合的元素类型中是否有第二基准面。当所拟合的元素类型中没有第二基准面时,执行步骤S142;当所拟合的元素类型中有第二基准面时,执行步骤S144。所述第二基准面是根据所测的所有接触点拟合得到的面且与基准面的误差最小。所述基准面是预设面。
步骤S142,创建工件坐标系模块103从所测的接触点中选取至少三个不共线的接触点来拟合一个平面。
步骤S143,创建工件坐标系模块103校正所拟合的平面直至为第二基准面。
步骤S144,创建工件坐标系模块103将所拟合的元素类型投影到所述第二基准面上,并记录每个投影点。
步骤S145,创建工件坐标系模块103利用所述第二基准面上的所述投影点拟合两条相互垂直并相交的直线。如图6所示,在所述第二基准面上拟合两条垂直的直线,两线相交的点为原点,其中一条直线作为如图6所示的X轴,另一条直线作为如图6所示的Y轴。
步骤S146,创建工件坐标系模块103在垂直所述第二基准面的法线方向上拟合一条直线作为Z轴。
通过本发明,即可实现在CNC加工机内,探针高精度的接触工件,并 取点测量来校正工件的尺寸,且不受产品毛刺和加工铁屑的影响,加工精度很高。
最后应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

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2、 放入,并记录更换探针时的三维机械坐标和吸盘 的吸取力道;控制CNC加工主轴根据用户选择的 工件类型按照记录的更换探针的三维机械坐标及 吸取力道,通过吸盘从换针架中吸取相应的探针; 在三维机械坐标系下,接触各个接触点并测量其 三维机械坐标;根据测量的多个接触点的实际三 维机械坐标和用户选择的元素类型创建三维工件 坐标系;在三维工件坐标系下,计算所有接触点 的实际工件坐标;计算所有接触点的实际工件坐 标与理论工件坐标的偏差值;将所述工件坐标系 下的偏差值转换成三维机械坐标系下的偏差值, 并补偿给CNC加工机来校正工件的尺寸。 (51)Int.Cl. 权利要求书3页 说明书6页 附图7页 (19)。

3、中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书3页 说明书6页 附图7页 (10)申请公布号 CN 103962889 A CN 103962889 A 1/3页 2 1.一种加工机探针测量系统,用于在数控机床CNC加工机内,取点测量工件的尺寸,其 特征在于,该系统包括: 控制模块一,用于控制CNC加工主轴到换针架中的探针的上方并吸取探针再放入换针 架中,记录更换探针时的三维机械坐标及吸盘的吸取力道; 控制模块二,用于控制CNC加工主轴根据用户选择的工件类型按照记录的更换探针的 三维机械坐标及吸取力道,通过吸盘从换针架中吸取相应的探针; 取点测量模块,用于探针被吸取后,在三维机。

4、械坐标系下,接触各个接触点并测量其三 维机械坐标,所述接触点是工件上探针待测量的目标点; 创建工件坐标系模块,用于当所有接触点测量完毕后,根据测量的多个接触点的实际 三维机械坐标和用户根据工件所选择的元素类型创建三维工件坐标系; 计算模块,用于在三维工件坐标系下,计算所有接触点的实际三维工件坐标; 所述计算模块,还用于计算所有接触点的实际三维工件坐标与理论三维工件坐标的偏 差值,所述接触点的理论三维工件坐标是由接触点的理论三维机械坐标转换得到的; 校正模块,用于将所述三维工件坐标系下的偏差值转换成三维机械坐标系下的偏差 值,并补偿给CNC加工机来校正工件的尺寸。 2.如权利要求1所述的加工机探。

5、针测量系统,其特征在于,所述取点测量模块接触各 个接触点并测量其三维机械坐标包括步骤: 点计算步骤一,在三维机械坐标系下,根据当前点的三维机械坐标计算第一安全面点, 根据待测的接触点的理论三维机械坐标计算第二安全面点、接近点的三维机械坐标,所述 当前点是探针准备测量接触点时所在的某个任意位置,所述安全面是预设的一个平面,该 平面平行于CNC工作台并与其有预设距离,所述第一安全面点是当前点在安全面上的投影 点,所述接近点是与要测量的接触点的距离很小的一个指定点,所述第二安全面点是接近 点在安全面上的投影点; 驱动步骤,驱动CNC加工主轴使探针在安全面上从第一安全面点高速移动到第二安全 面点,再减。

6、速移动到接近点; 测量步骤,当探针上的测力感应元件感应到工件时,利用CNC加工机的X、Y、Z轴上的光 学尺测量接触点的实际三维机械坐标; 点计算步骤二,根据接触点的实际三维机械坐标计算所述接触点对应的回弹点和第三 安全面点的实际三维机械坐标,所述回弹点是测量完毕后,从接触点回弹一定距离的指定 点,所述第三安全面点是回弹点在安全面上的投影点; 返回步骤,利用三轴的线性马达使探针从接触点到回弹点,最后回到第三安全面点。 3.如权利要求2所述的加工机探针测量系统,其特征在于,当探针上的测力感应元件 没有感应到工件时,使探针沿着接触点所在面的法线的负方向移动预设距离,所述法线的 负方向是指从接近点指向。

7、接触点方向; 当探针上的测力感应元件感应到工件时,进入测量步骤; 当探针上的测力感应元件没有感应到工件时,不再测量该接触点,进行下一个接触点 的测量。 4.如权利要求1所述的加工机探针测量系统,其特征在于,所述创建工件坐标系模块 创建三维工件坐标系包括步骤: 权 利 要 求 书CN 103962889 A 2/3页 3 拟合步骤,利用所测的所有接触点并结合拟合算法拟合用户所选的元素类型; 投影步骤,将所拟合的元素类型投影到第二基准面上,并记录每个投影点,所述第二基 准面是根据所测的接触点拟合得到的面且与基准面的误差最小,所述基准面是预设面; 创建步骤,利用所述第二基准面上的所述投影点拟合两条相。

8、互垂直并相交的直线,其 中一条直线作为X轴,另一条直线Y轴,相交点为原点,在垂直所述第二基准面的法线方向 上拟合一条直线作为Z轴。 5.如权利要求4所述的加工机探针测量系统,其特征在于,在投影步骤之前还包括: 当所拟合的元素类型中没有第二基准面时,从所测的接触点中选取至少三个不共线的 接触点来拟合一个平面; 校正所拟合的平面直至为所述第二基准面。 6.如权利要求4所述的加工机探针测量系统,其特征在于,所述的拟合算法是最小二 乘法及牛顿迭代法。 7.如权利要求1所述的加工机探针测量系统,其特征在于,所述的元素类型是圆、线、 面及圆柱。 8.如权利要求1所述的加工机探针测量系统,其特征在于,根据用。

9、户选择的工件类型, CNC加工主轴自动更换所需的探针及刀具。 9.一种加工机探针测量方法,用于在数控机床CNC加工机内,取点测量工件的尺寸,其 特征在于,该方法包括: 控制步骤一,控制CNC加工主轴到换针架中的探针的上方并吸取探针再放入换针架 中,记录更换探针时的三维机械坐标及吸盘的吸取力道; 控制步骤二,控制CNC加工主轴根据用户选择的工件类型按照记录的更换探针的三维 机械坐标及吸取力道,通过吸盘从换针架中吸取相应的探针; 取点测量步骤,探针被吸取后,在三维机械坐标系下,接触各个接触点并测量其三维机 械坐标,所述接触点是工件上探针待测量的目标点; 创建工件坐标系步骤,当所有接触点测量完毕后,。

10、根据测量的多个接触点的实际三维 机械坐标和用户根据工件所选择的元素类型创建三维工件坐标系; 计算步骤一,在三维工件坐标系下,计算所有接触点的实际三维工件坐标; 计算步骤二,计算所有接触点的实际三维工件坐标与理论三维工件坐标的偏差值,所 述接触点的理论三维工件坐标是由接触点的理论三维机械坐标转换得到的,所述理论三维 机械坐标是用户输入的; 校正步骤,将所述三维工件坐标系下的偏差值转换成三维机械坐标系下的偏差值,并 补偿给CNC加工机来校正工件的尺寸。 10.如权利要求9所述的加工机探针测量方法,其特征在于,所述取点测量步骤包括: 点计算步骤一,在三维机械坐标系下,根据当前点的三维机械坐标计算第一。

11、安全面点, 根据待测的接触点的理论三维机械坐标计算第二安全面点、接近点的三维机械坐标,所述 当前点是探针准备测量接触点时所在的某个任意位置,所述安全面是预设的一个平面,该 平面平行于CNC工作台并与其有预设距离,所述第一安全面点是当前点在安全面上的投影 点,所述接近点是与要测量的接触点的距离很小的一个指定点,所述第二安全面点是接近 点在安全面上的投影点; 权 利 要 求 书CN 103962889 A 3/3页 4 驱动步骤,驱动CNC加工主轴使探针在安全面上从第一安全面点高速移动到第二安全 面点,再减速移动到接近点; 测量步骤,当探针上的测力感应元件感应到工件时,利用CNC加工机的X、Y、Z。

12、轴上的光 学尺测量接触点的实际三维机械坐标; 点计算步骤二,根据接触点的实际三维机械坐标计算所述接触点对应的回弹点和第三 安全面点的实际三维机械坐标,所述回弹点是测量完毕后,从接触点回弹一定距离的指定 点,所述第三安全面点是回弹点在安全面上的投影点; 返回步骤,利用三轴的线性马达使探针从接触点到回弹点,最后回到第三安全面点。 11.如权利要求10所述的加工机探针测量方法,其特征在于,当探针上的测力感应元 件没有感应到工件时,使探针沿着接触点所在面的法线的负方向移动预设距离,所述法线 的负方向是指从接近点指向接触点方向; 当探针上的测力感应元件感应到工件时,进入测量步骤; 当探针上的测力感应元件。

13、没有感应到工件时,不再测量该接触点,进行下一个接触点 的测量。 12.如权利要求9所述的加工机探针测量方法,其特征在于,所述创建工件坐标系步骤 中创建三维工件坐标系包括步骤: 拟合步骤,利用所测的所有接触点并结合拟合算法拟合用户所选的元素类型; 投影步骤,将所拟合的元素类型投影到第二基准面上,并记录每个投影点,所述第二基 准面是根据所测的接触点拟合得到的面且与基准面的误差最小,所述基准面是预设面; 创建步骤,利用所述第二基准面上的所述投影点拟合两条相互垂直并相交的直线,其 中一条直线作为X轴,另一条直线Y轴,相交点为原点,在垂直所述第二基准面的法线方向 上拟合一条直线作为Z轴。 13.如权利要。

14、求12所述的加工机探针测量方法,其特征在于,在投影步骤之前还包括: 当所拟合的元素类型中没有第二基准面时,从所测的接触点中选取至少三个不共线的 接触点来拟合一个平面; 校正所拟合的平面直至为所述第二基准面。 14.如权利要求12所述的加工机探针测量方法,其特征在于,所述的拟合算法是最小 二乘法及牛顿迭代法。 15.如权利要求9所述的加工机探针测量方法,其特征在于,所述的元素类型是圆、线、 面及圆柱。 16.如权利要求9所述的加工机探针测量方法,其特征在于,根据用户选择的工件类 型,CNC加工主轴自动更换所需的探针及刀具。 权 利 要 求 书CN 103962889 A 1/6页 5 加工机探针。

15、测量系统及方法 技术领域 0001 本发明涉及一种探针测量系统及方法。 背景技术 0002 数控机床(Computer numerical control,CNC)加工机加工产品因为加工来料、加 工环境等因素造成加工精度不高且精度变化很大。一般通过CNC加工机加工产品毛坯,得 到实际的加工产品,再通过检测实际产品的重点尺寸来校正CNC加工程序,该方法会浪费 大量的人力物力。而且由于产品的毛刺和Z方向的尺寸被遮挡的部分等原因,即使通过把 机器视觉检测模块安装到CNC加工主轴上的方式也无法做到百分百尺寸测量。 发明内容 0003 鉴于以上内容,有必要提供一种加工机探针测量系统及方法,其可通过在CN。

16、C加 工机内,探针高精度的接触工件,并取点测量来校正工件的尺寸。 0004 一种加工机探针测量系统,用于在数控机床CNC加工机内,取点测量工件的尺寸, 其包括:控制模块一,用于控制CNC加工主轴到换针架中的探针的上方并吸取探针再放入 换针架中,记录更换探针时的三维机械坐标及吸盘的吸取力道;控制模块二,用于控制CNC 加工主轴根据用户选择的工件类型按照记录的更换探针的三维机械坐标及吸取力道,通过 吸盘从换针架中吸取相应的探针;取点测量模块,用于探针被吸取后,在三维机械坐标系 下,接触各个接触点并测量其三维机械坐标,所述接触点是工件上探针待测量的目标点;创 建工件坐标系模块,用于当所有接触点测量完。

17、毕后,根据测量的多个接触点的实际三维机 械坐标和用户根据工件所选择的元素类型创建三维工件坐标系;计算模块,用于在三维工 件坐标系下,计算所有接触点的实际三维工件坐标;所述计算模块,还用于计算所有接触点 的实际三维工件坐标与理论三维工件坐标的偏差值,所述接触点的理论三维工件坐标是由 接触点的理论三维机械坐标转换得到的;校正模块,用于将所述三维工件坐标系下的偏差 值转换成三维机械坐标系下的偏差值,并补偿给CNC加工机来校正工件的尺寸。 0005 一种加工机探针测量方法,用于在数控机床CNC加工机内,取点测量工件的尺寸, 该方法包括:控制步骤一,控制CNC加工主轴到换针架中的探针的上方并吸取探针再放。

18、入 换针架中,记录更换探针时的三维机械坐标及吸盘的吸取力道;控制步骤二,控制CNC加工 主轴根据用户选择的工件类型按照记录的更换探针的三维机械坐标及吸取力道,通过吸盘 从换针架中吸取相应的探针;取点测量步骤,探针被吸取后,在三维机械坐标系下,接触各 个接触点并测量其三维机械坐标,所述接触点是工件上探针待测量的目标点;创建工件坐 标系步骤,当所有接触点测量完毕后,根据测量的多个接触点的实际三维机械坐标和用户 根据工件所选择的元素类型创建三维工件坐标系;计算步骤一,在三维工件坐标系下,计算 所有接触点的实际三维工件坐标;计算步骤二,计算所有接触点的实际三维工件坐标与理 论三维工件坐标的偏差值,所述。

19、接触点的理论三维工件坐标是由接触点的理论三维机械坐 标转换得到的,所述理论三维机械坐标是用户输入的;校正步骤,将所述三维工件坐标系下 说 明 书CN 103962889 A 2/6页 6 的偏差值转换成三维机械坐标系下的偏差值,并补偿给CNC加工机来校正工件的尺寸。 0006 相较于现有技术,所述加工机探针测量系统及方法,不受产品毛刺和加工铁屑的 影响,加工精度很高,且被遮挡的部分也能够通过星形测针进行侧面测量。 附图说明 0007 图1是CNC加工机的硬件架构平面图。 0008 图2是本发明加工机探针测量系统的模块图。 0009 图3是本发明加工机探针测量方法的较佳实施例的流程图。 0010。

20、 图4是测量一个接触点的探针移动步骤图。 0011 图5是图3的步骤S13的细化流程图。 0012 图6是工件坐标系的XY轴面的示意图。 0013 图7是图3的步骤S14的细化流程图。 0014 主要元件符号说明 0015 CNC加工机1 工件9 计算机7 存储器75 微处理器76 显示设备74 换针架11 Z轴线性马达12 Z轴光学尺13 CNC加工主轴14 吸盘140 探针141 X轴线性马达17 X轴光学尺18 CNC工作台19 说 明 书CN 103962889 A 3/6页 7 加工机探针测量系统10 控制模块一100 控制模块二101 取点测量模块102 创建工件坐标系模块103 。

21、计算模块104 校正模块105 0016 如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。 具体实施方式 0017 如图1所示,是CNC加工机的硬件架构平面图。在本实施例中,所述加工机探针测 量系统10安装于计算机7中,该计算机7与CNC加工机1进行通讯连接。所述计算机7包 括存储器75、微处理器76及显示设备74。所述CNC加工机1包括换针架11、Z轴线性马达 12、Z轴光学尺13、CNC加工主轴14、X轴线性马达17、X轴光学尺18及CNC工作台19及探 针141。所述的CNC加工机1还包括Y轴光学尺、Y轴线性马达及固定工件的装夹治具等。 所述CNC加工主轴14还包括吸盘140。所述CNC。

22、工作台19上放有一工件9,通过加工机探 针测量系统10来校正工件9的尺寸。 0018 所述光学尺是利用光栅的莫尔条纹和光电转换技术,通过光折射或透射反馈到感 应器中进行计量。在本实施例中,所述Z轴光学尺13贴附在CNC加工主轴14上,所述X轴 光学尺18平行于CNC工作台19,并垂直于Z轴光学尺13,Y轴光学尺垂直于X轴光学尺18 及Z轴光学尺13。当X、Y、Z轴光学尺安装并校准后就会形成一个三维机械坐标系。所述 X、Y、Z轴光学尺用于测量目标点在三维机械坐标系下的X、Y、Z坐标,并且每个光学尺各对 应一个线性马达,所述线性马达利用光学尺测量的坐标点驱动CNC加工主轴14的探针141 运动到指。

23、定的位置进行测量。 0019 所述CNC加工主轴14通过吸盘140从所述换针架11中吸取所需的探针141。所 述换针架11中放置了多个探针和刀具。所述探针141放置的位置还可以放置加工所需的刀 具,所述CNC加工主轴14可以根据用户选择的工件类型自动更换所需的探针141及刀具。 所述工件类型可以是长方体、立方体及带有一定曲面的三维工件。 0020 所述显示设备74是一种LED显示屏或者其它显示器,用于显示测量数据、提供用 户选择待测量的工件类型、选择所需创建的元素类型、提供用户根据工件选择接触点的点 数及输入接触点对应的理论三维机械坐标。所述接触点是工件上探针141待测量的目标 点。所述元素类。

24、型是指用户根据工件选择的圆、线、面及圆柱等。 0021 所述探针141包括柱形探针、球形探针及星形探针。当工件9的Z方向被遮挡时, 可以使用星形探针进行侧面测量。当工件9的待测面有一定的斜度时,可以用柱形探针测 量。当工件9的待测面是平整而且要求测量精度较高时,可以用球形探针测量。所述探针 说 明 书CN 103962889 A 4/6页 8 141包括测力感应元件,所述测力感应元件位于所述探针141的针头上,可以感应到探针是 否接触到工件9。 0022 如图2所示,是本发明加工机探针测量系统的模块图。在本实施例中,所述加工机 探针测量系统10包括控制模块一100、控制模块二101、取点测量模。

25、块102、创建工件坐标系 模块103、计算模块104及校正模块105。本发明所称的模块是指一种能够被微处理器76 所执行并且能够完成固定功能的一系列计算机程序段,其存储在存储器75中。在本实施例 中,关于各模块的功能将在图3的流程图中具体描述。 0023 如图3所示,是本发明加工机探针测量方法的较佳实施例的流程图。 0024 步骤S10,初始化CNC加工机1,即将换针架11固定到CNC工作台19上,将探针和 加工刀具放置到换针架11中。 0025 步骤S11,控制模块一100控制CNC加工主轴14到换针架11上的探针或者刀具上 方并吸取探针或刀具后再放入换针架11中,记录更换探针或刀具时的三维。

26、机械坐标和吸 盘140的吸取力道,便于CNC加工主轴14下次可以自动更换探针或刀具。 0026 步骤S12,控制模块二101控制CNC加工主轴14根据用户选择的工件类型,按照 S11记录的三维机械坐标及吸取力道通过吸盘140从换针架11中吸取相应的探针。 0027 步骤S13,探针141被吸取后,在三维机械坐标系下,取点测量模块102接触各个接 触点并测量其三维机械坐标。该步骤S13将在图5中作详细描述。 0028 步骤S14,当所有接触点测量完毕后,创建工件坐标系模块103根据测量的多个接 触点的实际三维机械坐标和用户根据工件9选择的元素类型创建三维工件坐标系。该步骤 S14将在图7中作详细。

27、描述。 0029 步骤S15,在三维工件坐标系下,计算模块104计算所有接触点的实际三维工件坐 标。即在三维工件坐标系下,计算接触点到X、Y及Z轴的距离即为其实际三维工件坐标。 0030 步骤S16,计算模块104计算所有接触点的实际三维工件坐标与理论三维工件坐 标的偏差值。所述理论三维工件坐标是把接触点在三维机械坐标系下的理论坐标转换成三 维工件坐标下的理论坐标。 0031 步骤S17,所有的偏差值计算完毕后,校正模块105将所述三维工件坐标系下的偏 差值转换成三维机械坐标系下的偏差值,并补偿给CNC加工机1来校正工件的尺寸,使加工 路径采用校正后的实际三维机械坐标测量值。 0032 如图5。

28、所示,是图3的步骤S13的细化流程图。 0033 如图4所示,是测量一个接触点的探针移动步骤图。取点测量模块102使CNC加 工主轴14上的探针141从当前点20垂直提起到第一安全面点21,然后在安全面27上高速 运行到第二安全面点23,减速运行到接近点24,再减速运行到接触点26,接触到接触点完 成测量后,到回弹点25,最后回到第三安全面点22,完成一个工件9上的接触点26的取点 测量过程。所述当前点是探针141准备测量接触点时所在的某个任意位置。所述安全面27 是预设的一个平面,该平面平行于CNC工作台19并与其有一定的距离。所述第一安全面点 21是当前点20在安全面27上的投影点。所述第。

29、三安全面点22是回弹点25在安全面27 上的投影点。所述接近点24是与接触点26距离很小(比如2mm)的一个指定点。所述第 二安全面点23是接近点24在安全面27上的投影点。所述回弹点25是测量完毕后,从接 触点26回弹一定距离的指定点。 说 明 书CN 103962889 A 5/6页 9 0034 步骤S130,在三维机械坐标系下,取点测量模块102根据当前点20的三维机械坐 标计算第一安全面点21、根据待测的接触点26的理论三维机械坐标计算第二安全面点23、 接近点24的三维机械坐标。 0035 步骤S131,取点测量模块102利用三轴的线性马达驱动CNC加工主轴14使探针 141按照图。

30、4所示的移动步骤先在安全面27上高速移动再减速移动到接近点24。 0036 步骤S132,取点测量模块102判断探针141上的测力感应元件是否感应到CNC工 作台19上的工件9。当测力感应元件感应到CNC工作台19上的工件9时,执行步骤S135; 当测力感应元件没有感应到工件时,执行步骤S133。 0037 步骤S133,取点测量模块102使探针沿着接触点26所在面的法线的负方向移动预 设距离。如图4所示,法线的负方向是指从接近点24指向接触点26方向。 0038 步骤S134,取点测量模块102再次判断测力感应元件是否感应到CNC工作台19上 的工件。当测力感应元件感应到工件时,执行步骤S1。

31、35;当测力感应元件没有感应到工件 时,系统报错,结束该接触点的测量流程,进行下一个接触点的测量。 0039 步骤S135,使探针141减速运行到接触点26,取点测量模块102利用X、Y、Z的光 学尺测量接触点26的实际三维机械坐标。 0040 步骤S136,取点测量模块102根据接触点26的实际三维机械坐标计算所述接触点 26对应的回弹点25和第三安全面点22的实际三维机械坐标。 0041 步骤S137,计算回弹点25及第三安全面点22的位置后,取点测量模块102利用三 轴的线性马达使探针141从接触点26到回弹点25,最后回到第三安全面点22。 0042 如图7所示,是图3的步骤S14的细。

32、化流程图。 0043 步骤S140,创建工件坐标系模块103利用所测的所有接触点并结合拟合算法迭代 拟合用户所选的元素类型。本实施例中,所选的元素类型可以是一个或者多个圆、线、面、圆 柱及其组合。所述拟合算法包括最小二乘法及牛顿迭代法。 0044 步骤S141,创建工件坐标系模块103判断所拟合的元素类型中是否有第二基准 面。当所拟合的元素类型中没有第二基准面时,执行步骤S142;当所拟合的元素类型中有 第二基准面时,执行步骤S144。所述第二基准面是根据所测的所有接触点拟合得到的面且 与基准面的误差最小。所述基准面是预设面。 0045 步骤S142,创建工件坐标系模块103从所测的接触点中选。

33、取至少三个不共线的接 触点来拟合一个平面。 0046 步骤S143,创建工件坐标系模块103校正所拟合的平面直至为第二基准面。 0047 步骤S144,创建工件坐标系模块103将所拟合的元素类型投影到所述第二基准面 上,并记录每个投影点。 0048 步骤S145,创建工件坐标系模块103利用所述第二基准面上的所述投影点拟合两 条相互垂直并相交的直线。如图6所示,在所述第二基准面上拟合两条垂直的直线,两线相 交的点为原点,其中一条直线作为如图6所示的X轴,另一条直线作为如图6所示的Y轴。 0049 步骤S146,创建工件坐标系模块103在垂直所述第二基准面的法线方向上拟合一 条直线作为Z轴。 0。

34、050 通过本发明,即可实现在CNC加工机内,探针高精度的接触工件,并取点测量来校 正工件的尺寸,且不受产品毛刺和加工铁屑的影响,加工精度很高。 说 明 书CN 103962889 A 6/6页 10 0051 最后应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照 较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的 技术方案进行修改或等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围。 说 明 书CN 103962889 A 10 1/7页 11 图1 说 明 书 附 图CN 103962889 A 11 2/7页 12 图2 说 明 书 附 图CN 103962889 A 12 3/7页 13 图3 说 明 书 附 图CN 103962889 A 13 4/7页 14 图4 说 明 书 附 图CN 103962889 A 14 5/7页 15 图5 说 明 书 附 图CN 103962889 A 15 6/7页 16 图6 说 明 书 附 图CN 103962889 A 16 7/7页 17 图7 说 明 书 附 图CN 103962889 A 17 。

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