一种含回转体微结构金刚石压砧的同轴度误差计算方法技术

本发明专利技术公开一种含回转体微结构金刚石压砧的同轴度误差计算方法，该方法适用于具有复杂回转对称微结构的压砧，该方法首先获取压砧的三维点云数据，之后提取三维有效点云数据与压砧不同表面对应的三维点云数据，然后将压砧有效三维点云数据与各表面对应的三维点云数据进行坐标变换后，最后求取同轴度误差。本发明专利技术公开的压砧同轴度误差计算方法可以高效实现金刚石压砧的同轴度检测，填补了现有测量设备无配套计算方法的空白，该方法填补了现有测量设备无配套计算方法的空白，在考虑压砧结构的几何特点和形貌特点的基础上，实现了压砧无人工干涉的无接触式测量与计算。人工干涉的无接触式测量与计算。人工干涉的无接触式测量与计算。

【技术实现步骤摘要】
一种含回转体微结构金刚石压砧的同轴度误差计算方法


[0001]本专利技术属于超精密机械加工
，具体涉及一种含回转体微结构金刚石压砧的同轴度误差计算方法。

技术介绍

[0002]近年来，含有复杂回转对称微结构的压砧因具有优越的性能，而被广泛应用于航空航天等对超精密加工需求较高的领域。被加工工件的精度取决于压砧的精度，因此用于超精密加工领域的压砧具有极高的品控要求，要求作为压砧重要指标之一的同轴度的测量精度达到nm量级。
[0003]传统测量压砧同轴度误差的方法主要是打表测量法，该方法首先将准备好的刃口状V形块放置在平板上，并将其调整水平；然后将被测压砧基准轮廓要素的中截面放置在两个等高的刃口状V形块上；紧接安装好百分表、表座和表架，并调节百分表，使得百分表测头与压砧被测外表面接触，并有1～2圈的压缩量；然后，缓慢而均匀地转动压砧一周，并观察百分表指针的波动，记录读数；最终，取最大读数与最小读数的差值，作为该截面的同轴度误差。这种测量方法通过人工进行测量，操作复杂，不仅会对压砧存在一定的损伤，而且人在此过程中的加持、观测等操作都会带来误差，导致压砧同轴度测量容易存在错检、漏检和标准不一致的情况，且传统测量方法很难达到nm级的检测精度，因此无法满足压砧的检测需求。此外也有利用三坐标测量仪测量仪器的压砧同轴度误差测量方法，比如公共轴线法和直线度法。公共轴线法是通过在被测元素和基准元素上测量多个横截面的圆，再将这些圆的圆心构造一条3D直线作为公共轴线，然后分别计算基准圆柱和被测圆柱对公共轴线的同轴度，取其最大值作为该零件的同轴度。直线度法是在被测元素和基准元素上测量多个横截面的圆，然后选择这几个圆构造一条直线，同轴度近似为此直线的直线度两倍。以上两种方法，所用的三坐标测量仪为接触式测量，一般使用多方向探针接触零件表面来实现三维坐标的测量，此种测量仍为接触式测量，对压砧表面会造成伤害，并且很难达到nm级的测量精度。此外，上述算法多通过求截面圆圆心的连线来构造公共轴线，运算复杂，且不准确。
[0004]近年来，随着三维成像技术的发展，原子力显微镜、共聚焦显微镜和结构光测量仪等三维成像检测设备实现了压砧的无接触测量，且该类仪器的检测精度较高，能够达到nm量级，但这类设备往往只能得到压砧高精度的点云信息，由于缺乏与此类仪器匹配的针对点云数据同轴度误差的计算方法，所以无法精准获取用于实际切削加工的压砧的轮廓精度。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供含回转体微结构金刚石压砧的同轴度误差计算方法，该计算方法通过对显微镜获取的金刚石压砧的三维点云数据进行处理，得到金刚石压砧的同轴度误差计算方法。本专利技术公开的方法相比传统人工检测方法，检测精度高，对金刚石压砧的同轴度误差计算精度可达到nm量级，且本方法也适用于其他具有回转微结构的金刚石压砧
的同轴度误差计算。
[0006]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：一种含回转体微结构金刚石压砧的同轴度误差计算方法，所述金刚石压砧包括：圆形的切削平面、圆环状的基底面以及连接加工切削平面和基底面的回转曲面，所述方法包括：
[0007]1.1：获取仪器坐标系下压砧的三维点云数据P0；
[0008]1.2：去除三维点云数据P0中的无效点云数据，得到有效三维点云数据P
f
，并将有效三维点云数据P
f
进行分割，得到切削平面的有效三维点云数据P
f1
、回转曲面的有效三维点云数据P
f2
和基底面的有效三维点云数据P
f3
；
[0009]1.3：将上述测量仪器坐标下的有效三维点云数据P
f
、切削平面的有效三维点云数据P
f1
、回转曲面的有效三维点云数据P
f2
和基底面的有效三维点云数据P
f3
均进行坐标变换，变换到新坐标系，得到新坐标系下的切削平面有效三维点云数据P1，回转曲面有效三维点云数据P2和基底面有效三维点云数据P3，所述新坐标系的z轴与压砧回转轴l的方向向量一致；
[0010]1.4：分别求解切削平面有效三维点云数据P1，回转曲面有效三维点云数据P2和圆环基底面有效三维点云数据P3的回转中心，计算压砧的同轴度误差。
[0011]优选的，所述步骤1.1中所述仪器为原子力显微镜、白光干涉仪和结构光测量仪中任意一种。
[0012]优选的，所述步骤1.2包括：
[0013]1.2.1：将三维点云数据P0转化为二值图像I0，在二值图像I0中分别提取切削平面外轮廓线O1和回转曲面外轮廓线O2围成的区域T
r
；
[0014]1.2.2：使用随机采样一致方法从三维点云数据P0中提取基底面的三维点云数据P
B
，将三维点云数据P
B
转化为二值图像I
B
，并去除二值图像I
B
与区域T
r
的交集部分，得到区域T1；
[0015]1.2.3：对区域T1进行“填洞”处理，去除误差点造成的小洞，之后进行膨胀处理，得到包含基底面内外轮廓的二值图像I
e
；
[0016]1.2.4：在二值图像I
e
上提取基底面内轮廓线O4以外的区域T
s
和外轮廓线O5以外的区域T
e
；
[0017]1.2.5：用区域T
s
减去区域T
e
之后，得到基底面对应的二值图像I3，以I3中的二值坐标点(x,y)作为索引坐标，在三维点云数据P0中搜索所有(x,y)点对应的三维点云数据点，所有三维点云数据点组成基底面有效三维点云数据P
f3
；
[0018]1.2.6：以步骤1.2.4得到的区域T
e
中的二值坐标点(x,y)作为索引坐标，在三维点云数据P0中搜索所有(x,y)点对应的三维点云数据点，并对搜索的所有三维点云数据点进行删除，留下的三维点云数据即为压砧有效三维点云数据P
f
；
[0019]1.2.7：采用随机采样一致方法从压砧有效三维点云数据P
f
中，提取切削平面的三维点云数据P
A
，并对P
A
进行二值化处理，得到二值图像I
A
；
[0020]1.2.8：对二值图像I
A
进行“填洞”和去除误差点造成的小洞处理后，以I
A
中的二值数据坐标点为索引坐标，在压砧有效三维点云数据P
f
中搜索对应的三维点云数据，得到切削平面有效三维点云数据P
f1
；
[0021]1.2.9：在二值图像I
A
中提取切削平面的外边缘线O3，由切削平面的外边缘线O3和
基底面内边缘线O4围成的区域为S2，以S2中的二值数据坐标点为索引坐标，在压砧有效三维点云数据本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含回转体微结构金刚石压砧的同轴度误差计算方法，所述金刚石压砧包括：圆形的切削平面、圆环状的基底面以及连接加工切削平面和基底面的回转曲面，其特征在于，所述方法包括：1.1：获取仪器坐标系下压砧的三维点云数据P0；1.2：去除三维点云数据P0中的无效点云数据，得到压砧有效三维点云数据P
f
，并将有效三维点云数据P
f
进行分割，得到切削平面的有效三维点云数据P
f1
、回转曲面的有效三维点云数据P
f2
和基底面的有效三维点云数据P
f3
；1.3：将上述测量仪器坐标下的压砧有效三维点云数据P
f
、切削平面的有效三维点云数据P
f1
、回转曲面的有效三维点云数据P
f2
和基底面的有效三维点云数据P
f3
均进行坐标变换，变换到新坐标系，得到新坐标系下的切削平面有效三维点云数据P1，回转曲面有效三维点云数据P2和基底面有效三维点云数据P3，所述新坐标系的z轴与压砧回转轴l的方向向量一致；1.4：分别求解切削平面有效三维点云数据P1，回转曲面有效三维点云数据P2和圆环基底面有效三维点云数据P3的回转中心，计算压砧的同轴度误差。2.根据权利要求1所述含回转体微结构金刚石压砧的同轴度误差计算方法，其特征在于，所述步骤1.1中所述仪器为原子力显微镜、白光干涉仪和结构光测量仪中任意一种。3.根据权利要求1所述含回转体微结构金刚石压砧的同轴度误差计算方法，其特征在于，所述步骤1.2包括：1.2.1：将三维点云数据P0转化为二值图像I0，在二值图像I0中分别提取切削平面外轮廓线O1和回转曲面外轮廓线O2围成的区域T
r
；1.2.2：使用随机采样一致方法从三维点云数据P0中提取基底面的三维点云数据P
B
，将三维点云数据P
B
转化为二值图像I
B
，并去除二值图像I
B
与区域T
r
的交集部分，得到区域T1；1.2.3：对区域T1进行“填洞”处理，去除误差点造成的小洞，之后进行膨胀处理，得到包含基底面内外轮廓的二值图像I
e
；1.2.4：在二值图像I
e
上提取基底面内轮廓线O4以外的区域T
s
和外轮廓线O5以外的区域T
e
；1.2.5：用区域T
s
减去区域T
e
之后，得到基底面对应的二值图像I3，以I3中的二值坐标点(x,y)作为索引坐标，在三维点云数据P0中搜索所有(x,y)点对应的三...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺立丹，杨宁，汪兴均，雷大江，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，
类型：发明
国别省市：