一种基于接触式测头的曲面在机测量方法技术

一种基于接触式测头的曲面在机测量方法，先对在机测量系统进行误差分析，对测头系统误差采取补偿；再进行测点提取与轨迹规划，完成五轴无干涉检测路径的规划；然后采用双三次非均匀B样条曲面重构技术，得到重构曲面；最后通过比较上述重构曲面与原始CAD模型的偏移量，进而调整数控NC代码实现零件的加工误差补偿；本发明专利技术采用在机测量，提高了曲面工件测量的精度与生产效率。度与生产效率。度与生产效率。

An on-machine measurement method of curved surface based on contact probe

【技术实现步骤摘要】
一种基于接触式测头的曲面在机测量方法


[0001]本专利技术属于曲面在机测量
，具体说涉及一种基于接触式测头的曲面在机测量方法。

技术介绍

[0002]随着航空、航天等行业的飞速发展，复杂曲面零件得到了越来越广泛的应用。如何既能提升曲面零件的加工精度，又能提高生产效率，这也是曲面零件生产中的重要课题。目前，曲面零件测量仍以离线测量为主要测量方式，即将被测曲面零件从机床上取下来待测量完成再安装回去，这也带来了二次装夹的重新定位问题，既影响加工精度有降低生产效率，所以自由曲面原位测量一直是测量领域的难题。自由曲面原位测量系统对于高精度曲面零件加工具有非常重要的意义，对于提高加工效率、实现加工过程自动化具有重要的意义。
[0003]目前，国外在机测量领域发展较为成熟，典型代表为英国公司研发的OMV在机测量软件，该软件可以根据工件CAD模型的几何特征点，生成测量路径并进行软件仿真，进而生成测量程序并完成对简单工件或复杂曲面件的高精度在机测量。相比之下国内仍处于研发阶段，距离市场较远，主要缺点为测量的稳定性与精度差。

技术实现思路

[0004]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提出了一种基于接触式测头的曲面在机测量方法，具有效率高、稳定性高且精度高的特点，可用于机床上曲面工件的在机误差评定与补偿。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采取的技术方案为：
[0006]一种基于接触式测头的曲面在机测量方法，包括以下步骤：
[0007]1)对在机测量系统进行误差分析，对测头系统误差采取补偿；
[0008]2)测点提取与轨迹规划，完成五轴无干涉检测路径的规划；
[0009]3)采用双三次非均匀B样条曲面重构技术，得到重构曲面；
[0010]4)通过比较上述重构曲面与原始CAD模型的偏移量，进而调整数控NC代码实现零件的加工误差补偿。
[0011]所述的步骤1)中测头系统误差为因测头导致的测头预行程误差与测头半径误差；针对测头预形程误差，采用25点测球法获取测点数据，使用最小二乘法构造方程并采用LM算法进行迭代；针对测头半径误差补偿，采用“微平面法"，首先获取工件曲面的曲面法矢，再使测头沿曲面法矢方向对曲面进行测量，从而获得测点的测头中心坐标值。
[0012]所述的步骤2)中的测点提取与轨迹规划，按“弓”字型扫描工件曲面，并采用等弦高采样法进行测点采集。
[0013]所述的步骤3)中的曲面重构技术的具体步骤为：首先求解节点矢量，进而反求控制点，最后采用非均匀三次B样条插值技术实现曲面重构。
[0014]所述的步骤4)具体为：沿着实际加工曲面上一点法矢方向上的最小距离作为理想曲面与实际加工曲面的误差，并采用DE算法计算加工误差，将加工误差作为偏移量调整NC代码补偿加工误差。
[0015]本专利技术的有益效果为：本专利技术使用微平面法对测头半径进行补偿，并采用双三次非均匀B样条法进行曲面重构，精度得到了提升；同时，本专利技术采用的测点路径规划方法较为稳定可靠。
[0016]本专利技术采用在机测量，提高了曲面工件测量的精度与生产效率。
附图说明
[0017]图1为本专利技术的流程图。
[0018]图2为本专利技术测头半径误差补偿示意图。
[0019]图3为本专利技术三次非均匀B样条基函数的节点矢量图。
[0020]图4为本专利技术的误差模型图。
具体实施方式
[0021]以下结合实施例和附图对本专利技术作进一步详细描述。
[0022]如图1所示，一种基于接触式测头的曲面在机测量方法，包括以下步骤：
[0023]1)机床粗加工完自由曲面工件后，停止激光加工，更换使用接触式测头；
[0024]在机检测系统的系统误差有机床本体误差和测头系统误差；机床的本体误差取决于机床本身的定位与重复定位精度，测头系统误差来源于测头预形程误差以及测头半径误差；由于在机测量系统的主要误差为测头系统误差，事先采用补偿算法标定测头，提高数据精度；然后对测头系统误差做相应补偿；具体为：
[0025]1.1)首先，测头预行程误差是指在接触式测头的工作过程中，由于测头的机械滞后效应，使测头测量值是主轴移动一段距离后的坐标值而导致了的误差；因此，在测头首次使用、长期使用以及测头更换的情况下需要进行测头标定以减小预行程误差；具体是通过标定球采用25点测球法获取测点数据，使用最小二乘法构造方程：
[0026][0027]其中，(X0,Y0,Z0)为标定球球心坐标，(X,Y,Z)为实测的测头球心坐标，R为球面半径，由球面参数方程可以构建最小二乘目标函数F，对F求偏导构造形如ATAX＝ATb的方程，求解方程便可得到球心坐标与球半径；为提高精度，再使用LM算法对标定球心坐标与球面半径进行迭代：
[0028][0029]其中，xi表示触碰时测头球心的坐标值，x表示标定球中心坐标，r0表示标定球半径值；求出球心坐标与球半径后易获得测量点到标定球心的距离D，计算D的最大值与最小值的差值就可以得到测头预行程误差；
[0030]1.2)采用“微平面法"进行测头半径补偿，先获取工件曲面的曲面法矢，再使测头沿曲面法矢方向对曲面进行测量，从而获得测点的测头中心坐标值；原理如图2所示，在矢量三角形ΔOPQ中，Q为测头中心，P为实际接触点，O为坐标系原点，有数学关系：故测头半径补偿时，不能在原法矢方向上直接减去一个半径，而应该利用所有测点的测头中心坐标值对测点数据进行曲面重构，并反求出各测点的法矢，进而进行测头半径补偿；由测点构成的含有(n+1)
×
(m+1)个控制点的非均匀B样条曲面分别对u、v方向求偏导可得：
[0031][0032]其中Ni,2(u),Ni,3(u),Nj,2(v),Nj,3(v)为B样条基函数，Pi,j为控制点，Su(u,v),Sv(u,v)分别为曲面上的点沿u向和y向的切矢量，且满足Su
×
v＝Su(u,v)
×
Sv(u,v)；由此可推导出曲面任意点的法向单位矢量与补偿公式：
[0033][0034]其中r为测头半径值，P(u,v)为补偿公式；
[0035]2)测量前规划测量轨迹并确定测点数量，然后利用接触式测头对曲面的规划点进行检测，曲面的规划点实际测量坐标由机床实时反馈到计算机中；
[0036]在对工件曲面测量前需要对测点轨迹与采样方法进行优化，依据测量轨迹应尽量与加工轨迹一致的原则，可对工件曲面进行扫描式测量；具体地，可以按“弓”字型扫描曲面，待测头沿x轴方向测完一行后再测下一行；曲面上采样点的选取至少需要满足逆向造型
的最低要求，但实际上却很难计算确定某曲面所需最少测量点数，因此应在曲面曲率有突变处布置较多测点，平滑处布置较少测点；
[0037]针对自由曲面的采样采取等弦高采样法，具体步骤为：
[0038]2.1)对曲面上的一条测量轨迹等步长布置采样点，要求采样点数n在平滑处仍然满足采样密度要本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于接触式测头的曲面在机测量方法，其特征在于，包括以下步骤：1)对在机测量系统进行误差分析，对测头系统误差采取补偿；2)测点提取与轨迹规划，完成五轴无干涉检测路径的规划；3)测点测量并误差补偿后，采用双三次非均匀B样条曲面重构技术，得到重构曲面；4)通过比较上述重构曲面与原始CAD模型的偏移量，进而调整数控NC代码实现零件的加工误差补偿。2.根据权利要求1所述的一种基于接触式测头的曲面在机测量方法，其特征在于：所述的步骤1)中测头系统误差为因测头导致的测头预行程误差与测头半径误差；针对测头预形程误差，采用25点测球法获取测点数据，使用最小二乘法构造方程并采用LM算法进行迭代；针对测头半径误差补偿，采用“微平面法"，首先获取工件曲面的曲面法矢，再使测头沿曲面法矢...

【专利技术属性】
技术研发人员：运侠伦，董鑫亮，梅雪松，耿涛，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：