本发明涉及组合机床设备领域，特别涉及一种高精度铣削组合机床及其加工方法。
背景技术：
1、铣削机床主要指用铣刀对工件多种表面进行加工的机床。通常以铣刀的旋转运动为主运动，工件和铣刀的移动为进给运动。它可以加工平面、沟槽，也可以加工各种曲面、齿轮等，在机械制造和修理部门得到广泛应用。
2、影响机床加工精度的主要因素之一是热误差，通过对热误差进行测量，然后进行补充，是降低热误差的有效方法。例如专利cn113857936b公开的一种基于视觉检测的机床立柱热补偿方法、系统和机床、专利cn114310485b 公开的一种机床进给轴的热误差预测方法、装置及存储介质、专利cn103567815b公开的基于铣削小孔的数控机床切削热误差测试和评价方法等，但上述方案存在方法复杂的缺陷，限制了其实际应用。
3、另一方面，对于铣削机床而言，铣刀要在旋转轴的带动下进行旋转运动，旋转轴在高速旋转过程中，转轴的轴心位置容易发生变化，表现为径向跳动，其会对铣刀的加工精度造成影响，而目前的铣削机床通常无法对转轴的轴心位置偏移进行补偿。另外，铣刀在工作过程中，容易出现过度磨损、变形甚至是缺损或崩裂等现象，在此情况下若继续加工，会导致工件加工精度收到严重影响，甚至损坏工件或其他部件，所以需要对铣刀的状态进行监测。但由于加工过程中通常需要对铣刀施加冷却液，且铣刀上容易粘附残屑，所以通常无法直接对铣刀进行监测。专利cn114453630a公开了一种控制机床铣削不粘刀的方法装置电子设备和存储介质，其采用间接方式检测铣刀状态，但其方法复杂，限制了其实际应用。
4、所以，现在有必要对现有技术进行改进，以提供更可靠的方案。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种高精度铣削组合机床及其加工方法。
2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高精度铣削组合机床，包括：
3、机座；
4、铣削平台，其可沿x轴方向滑动设置在所述机座上，用于承载待加工的工件；
5、进给驱动机构，其用于驱动铣削平台沿x轴方向进行线性移动；
6、龙门机架，其跨设在所述机座上；
7、yz二维驱动机构，其设置在所述龙门机架的横梁上，用以提供y轴方向和z轴方向的线性移动功能；
8、铣削机构，其设置在所述yz二维驱动机构上，所述铣削机构包括可转动设置在所述yz二维驱动机构上的刀具转轴、连接在所述刀具转轴底部的夹具、安装在所述夹具上的铣刀以及用于驱动所述刀具转轴绕z轴旋转的旋转驱动机构；
9、热误差检测与补偿机构，其采用基于图像处理的方法获取进给驱动机构在x轴方向、yz二维驱动机构在y轴与z轴方向上以及旋转驱动机构在z轴方向上的热误差比例系数，并相应进行热补偿；
10、以及刀具转轴与铣刀监测分析机构，其采用基于图像处理的方法对刀具转轴的轴心轨迹进行监测，并根据监测结果分析获得铣刀的破损状态。
11、优选的是，所述进给驱动机构为丝杆电机驱动机构，包括沿x轴方向设置在所述机座上的x丝杆和x滑轨、配合设置在所述x丝杆上的x丝杆螺母、配合设置在所述x滑轨上的x滑块以及用于驱动所述x丝杆旋转的x电机；所述铣削平台设置在所述x滑块上并与所述x丝杆螺母连接；
12、所述yz二维驱动机构为丝杆电机驱动机构，包括沿y轴方向设置在所述龙门机架的横梁上的y丝杆和y滑轨、配合设置在所述y丝杆上的y丝杆螺母、配合设置在所述y滑轨上的y滑块、用于驱动所述y丝杆旋转的y电机、设置在所述y滑块上并与所述y丝杆螺母连接的y安装板、沿z轴方向设置在所述y安装板上的z丝杆和z滑轨、配合设置在所述z丝杆上的z丝杆螺母、配合设置在所述z滑轨上的z滑块、用于驱动所述z丝杆旋转的z电机以及设置在所述z滑块上并与所述z丝杆螺母连接的z安装板；
13、所述铣削机构设置在所述z安装板上，所述z安装板上设置有转轴安装块，所述刀具转轴可转动安装在所述转轴安装块上，所述旋转驱动机构设置在所述转轴安装块上并与所述刀具转轴驱动连接。
14、优选的是，所述x丝杆、y丝杆和z丝杆的末端均设置有光轴部，所述光轴部的轴体和刀具转轴的轴体上均设置有热误差检测图形，所述热误差检测图形包括沿长度方向间隔设置在轴体周向表面上的两个检测圆以及位于两个检测圆之间的填充区域，该填充区域的颜色异于轴体的颜色；
15、所述热误差检测与补偿机构包括分别设置在所述x丝杆、y丝杆、z丝杆和刀具转轴上的热误差检测图形侧部的四个第一ccd相机、与四个第一ccd相机均连接的热误差分析模块以及与所述热误差分析模块连接的第一控制模块，所述第一控制模块与所述进给驱动机构、yz二维驱动机构、旋转驱动机构均连接；
16、四个第一ccd相机用于分别采集对应位置处的热误差检测图形的平面图像，所述热误差分析模块将采集的平面图像与标准工作温度下热误差检测图形对应的平面图像进行对比分析，从而得到热误差比例系数，所述第一控制模块根据热误差比例系数对所述进给驱动机构、yz二维驱动机构进行热补偿。
17、优选的是，所述热误差检测与补偿机构的工作方法包括以下步骤：
18、s1-1、通过第一ccd相机采集得到热误差检测图形的平面图像；
19、s1-2、所述热误差分析模块获取平面图像内n条平行于该平面图像所在轴体的轴心的线段，作为长度线段，计算n条长度线段的平均长度作为平面图像的长度；获取平面图像内m条垂直于长度线段的线段，作为宽度线段，计算m条宽度线段的平均长度作为平面图像的宽度；
20、s1-3、当时，判断当前的平面图像有效，并计算热误差比例系数k，；否则，判断当前的平面图像无效，控制通过第一ccd相机重新采集热误差检测图形的平面图像，直至平面图像被判断为有效；
21、其中，εk为预先设定的热误差比阈值；lb和db分别为标准工作温度下热误差检测图形对应的平面图像的长度和宽度；
22、s1-4、第一控制模块根据热误差比例系数k对当前的平面图像所在的轴体对应的驱动机构进行控制，以对沿该轴体的轴向方向的位置进行热补偿。
23、优选的是，所述刀具转轴与铣刀监测分析机构还根据刀具转轴的轴心轨迹的监测结果对刀具转轴轴心的径向位置进行补偿。
24、优选的是，所述z安装板上连接有水平设置的检测板，所述检测板上开设有检测孔，所述检测孔的直径大于刀具转轴的直径，且所述检测孔的圆心与刀具转轴的轴心的理论位置重合。
25、优选的是，刀具转轴与铣刀监测分析机构包括设置在所述检测板上方的第二ccd相机、与所述第二ccd相机连接的图像分析与生成模块、与所述图像分析与生成模块连接的刀具破损分析模块以及与所述图像分析与生成模块连接的轴心偏移补充模块；
26、所述轴心偏移补充模块与所述进给驱动机构、yz二维驱动机构均连接，
27、所述图像分析与生成模块与旋转驱动机构连接，所述刀具破损分析模块与所述进给驱动机构、yz二维驱动机构、旋转驱动机构均连接；
28、所述检测板上处于外检测圆的外周采用颜色1绘制x轴线和y轴线，x轴线和y轴线垂直，x轴线和y轴线的延长线的交点o0与检测孔的圆心重合，以交点o0为原点，x轴线、y轴线分别作为x轴和y轴，建立检测坐标系xo0y；
29、所述刀具转轴的外周轮廓采用颜色2绘制有内检测圆，所述刀具转轴的中心采用颜色3绘制有中心圆点，所述中心圆点的圆心oz与刀具转轴的轴心重合；
30、颜色1与检测板的颜色相异，颜色2和颜色3均与刀具转轴本体的颜色相异，以使得由所述外检测圆、x轴线、y轴线、内检测圆和中心圆点组成的所述转轴检测图形能够被第二ccd相机采集到。
31、优选的是，所述刀具转轴与铣刀监测分析机构的工作方法包括以下步骤：
32、s2-1、所述第二ccd相机每隔时间δt采集一张转轴检测图形的图像p，记当前时刻ti采集的转轴检测图形的图像为pi，则前一个时刻ti-1采集的转轴检测图形的图像为pi-1，δt=ti-ti-1；
33、s2-2、所述图像分析与生成模块将pi进行灰度处理后获取圆心oz在检测坐标系xo0y中的位置，记为ozi（xi,yi）,则xi、yi分别表示刀具转轴的轴心在x方向和y方向的偏移位置，即ozi表示刀具转轴轴心的径向位置；所述轴心偏移补充模块根据xi对进给驱动机构进行控制以在下一个时刻ti+1内进行x方向的位置补偿，根据yi对yz二维驱动机构进行控制以在下一个时刻ti+1内进行y方向的位置补偿；
34、s2-3、所述图像分析与生成模块获取pi中外检测圆和内检测圆之间的间距δd的最大值δdmax和最小值δdmin，当δdmax-δdmin＞εd时，判断刀具转轴存在径向异常形变，发出报警信息并控制所述铣削机构停止工作，以进行停机检查；否则，进入下一步骤；其中，εd为预先设定的间距阈值；
35、其中，外检测圆和内检测圆之间的间距δd的获取方法为：过圆心oz作直线，依次与内检测圆和外检测圆相交，两个交点之间的距离作为间距δd；
36、s2-4、所述图像分析与生成模块获取当前时刻ti圆心oz的位置ozi，该位置ozi即为当前刀具转轴的轴心位置，所述图像分析与生成模块获取时刻ti前所有时刻下圆心oz的位置，用时刻t替换xyz三维坐标系中的z轴，建立txy三维坐标系，将每个时刻t对应的圆心位置oz置于txy三维坐标系中，从而得到不同时刻下刀具转轴的轴心轨迹图形si；其中，对于任意一个时刻ti时的圆心位置ozi表示为（ti，xi，yi），ti对应于t轴的值，xi、yi分别对应x轴和y轴的值；
37、s2-5、刀具破损分析模块获取当前时刻ti下的轴心轨迹图形si，然后判断铣刀是否存在破损状态，在存在破损状态时输出破损类型的判断结果，且当判断结果为刀具缺损或崩裂或是刀具变形时，控制所述铣削机构停止工作，同时发出报警信息；
38、其中，破损类型包括：刀具缺损或崩裂、刀具磨损、刀具变形。
39、优选的是，所述刀具破损分析模块包括特征提取子模块和基于机器学习算法的破损判别子模型，所述破损判别子模型通过以下方法构建得到：
40、s3-1、构建训练数据集：
41、s3-1-1、采用相同批次的铣刀对相同批次的工件进行加工，加工相同的时间后，统计每个铣刀的破损状态，破损状态包括：无破损、刀具缺损或崩裂、刀具磨损、刀具变形，统计的所有铣刀中，每种破损状态的铣刀的数量均至少包括n个；其中，n≥50；
42、s3-1-2、获取每个铣刀的轴心轨迹图形，并将铣刀对应的破损状态作为轴心轨迹图形的标签；
43、s3-1-3、所述特征提取子模块对每个铣刀的轴心轨迹图形进行如下判别特征提取，所述判别特征包括：轴心轨迹图形的相位和振幅、轴心轨迹图形上每个圆心位置oz的斜率、峰峰距；其中，峰峰距为轴心轨迹图形上相邻两个波峰之间的直线距离；
44、s3-1-4、将一个铣刀的轴心轨迹图形、对应的标签和判别特征组合为一条训练数据，将获得的所有铣刀的训练数据组合，得到训练数据集；
45、s3-2、以铣刀的轴心轨迹图形及其判别特征为输入，对应的破损状态标签作为输出，采用训练数据集对cnn卷积神经网络进行训练，完成训练后得到破损判别子模型；
46、所述刀具破损分析模块工作时，所述特征提取子模块获得当前时刻ti下的轴心轨迹图形si后分析得到判别特征，然后将判别特征和轴心轨迹图形si一起输入到破损判别子模型中，通过所述破损判别子模型分析得到破损状态的判断结果；
47、本发明还提供一种如上所述的高精度铣削组合机床的加工方法，包括以下步骤：
48、步骤一、进给驱动机构工作，将铣削平台上待加工的工件输送至加工工位上；
49、步骤二、yz二维驱动机构工作，使铣削机构上的铣刀移动至工件上的待加工位置上方，旋转驱动机构驱动铣刀旋转，配合进给驱动机构和yz二维驱动机构对工件进行铣削加工；
50、步骤三、在整个加工过程中：
51、所述热误差检测与补偿机构对x丝杆、y丝杆、z丝杆和刀具转轴进行热误差比例系数分析，并相应进行热补偿；
52、所述刀具转轴与铣刀监测分析机构对刀具转轴的轴心轨迹进行监测，并根据监测结果对刀具转轴轴心的径向位置进行补偿和判断刀具转轴是否存在径向异常形变，以及根据监测结果分析获得铣刀的破损状态，并在刀具转轴存在径向异常形变、刀具缺损或崩裂或是刀具变形时，控制所述铣削机构停止工作并发出报警信息。
53、本发明的有益效果是：
54、本发明提供了一种高精度铣削组合机床及其加工方法，本发明中通过热误差检测与补偿机构，能够采用基于图像处理的方法获取进给驱动机构在x轴方向、yz二维驱动机构在y轴与z轴方向上以及旋转驱动机构在z轴方向上的热误差比例系数，从而对进给驱动机构、yz二维驱动机构进行热补偿，从而能够减小热形变对铣削加工造成的误差，提高工件的加工精度；
55、本发明通过刀具转轴与铣刀监测分析机构其采用基于图像处理的方法对刀具转轴的轴心轨迹进行监测，能够根据监测结果分析获得铣刀的破损状态，从而能够实现铣刀状态的监测，保证工件的加工质量，也能够降低因铣刀异常而对工件或其他部件造成破坏而引起的损失；
56、刀具转轴与铣刀监测分析机构还能根据监测结果够对刀具转轴轴心的径向位置进行补偿，从而可以降低刀具转轴的径向跳动引起的加工误差，进一步提高加工精度；
57、本发明采用基于图像处理的方法实现热误差检测与补偿、铣刀状态的监测以及刀具转轴轴心位置的补偿，采用的设备简单，成本低，方法的准确性高，具有很好的应用前景。
1.一种高精度铣削组合机床，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的高精度铣削组合机床，其特征在于，所述进给驱动机构为丝杆电机驱动机构，包括沿x轴方向设置在所述机座上的x丝杆和x滑轨、配合设置在所述x丝杆上的x丝杆螺母、配合设置在所述x滑轨上的x滑块以及用于驱动所述x丝杆旋转的x电机；所述铣削平台设置在所述x滑块上并与所述x丝杆螺母连接；
3.根据权利要求2所述的高精度铣削组合机床，其特征在于，所述x丝杆、y丝杆和z丝杆的末端均设置有光轴部，所述光轴部的轴体和刀具转轴的轴体上均设置有热误差检测图形，所述热误差检测图形包括沿长度方向间隔设置在轴体周向表面上的两个检测圆以及位于两个检测圆之间的填充区域，该填充区域的颜色异于轴体的颜色；
4.根据权利要求3所述的高精度铣削组合机床，其特征在于，所述热误差检测与补偿机构的工作方法包括以下步骤：
5.根据权利要求3所述的高精度铣削组合机床，其特征在于，所述刀具转轴与铣刀监测分析机构还根据刀具转轴的轴心轨迹的监测结果对刀具转轴轴心的径向位置进行补偿。
6.根据权利要求5所述的高精度铣削组合机床，其特征在于，所述z安装板上连接有水平设置的检测板，所述检测板上开设有检测孔，所述检测孔的直径大于刀具转轴的直径，且所述检测孔的圆心与刀具转轴的轴心的理论位置重合。
7.根据权利要求6所述的高精度铣削组合机床，其特征在于，刀具转轴与铣刀监测分析机构包括设置在所述检测板上方的第二ccd相机、与所述第二ccd相机连接的图像分析与生成模块、与所述图像分析与生成模块连接的刀具破损分析模块以及与所述图像分析与生成模块连接的轴心偏移补充模块；
8.根据权利要求7所述的高精度铣削组合机床，其特征在于，所述刀具转轴与铣刀监测分析机构的工作方法包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的高精度铣削组合机床，其特征在于，所述刀具破损分析模块包括特征提取子模块和基于机器学习算法的破损判别子模型，所述破损判别子模型通过以下方法构建得到：
10.一种如权利要求1-9中任意一项所述的高精度铣削组合机床的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
