基于加工机床的自由曲面原位测量测量方法技术

本发明专利技术属于机械加工、检测技术领域，涉及一种基于加工机床的自由曲面原位测量测量方法，包括下列步骤：（１）将测头和加工刀具刀架一并放置于加工机床上，并进行测量控制点和刀具控制点的位置对正；（２）进行加工路径设计，并对工件进行加工；（３）将测头模拟成加工刀具，根据已经设计的加工路径，设计测量路径；（４）按照测量路径进行逐点控制测量；（５）实时采集测头在测量控制点位置处所测得的面形误差数据，得到所测点的面形偏差数据实现整个工件表面的面形误差数据的获取。采用本发明专利技术的测量方法可直接获取面形误差数据，避免了海量测量数据的后期数据处理和误差分析；可以提高测量效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机械加工、检测
，涉及一种自由曲面原位测量方法。
技术介绍
随着航空、航天、通讯等行业的飞速发展，自由曲面零件在现代工业中的应用越来 越广泛，随着应用的逐渐深入，各种应用领域对自由曲面面形精度及加工效率提出了更高 的要求。 在机械加工中，为了提高被加工工件的面形精度，一般需要借助测量技术进行面形 误差循环修正。目前，工件测量大都采用离线方式，因需将被测工件从机床上取下来，而自 由曲面具有非回转对称、形状不规则、构造无规律等特点，很难确定定位基准实现再装卡时 的精确复位，加工精度难以保证，所以自由曲面原位测量一直是测量领域的难题。开发原位 测量系统对于光学自由曲面超精密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。光学自由曲面是国防、航空航天等领域的核心关键零件，随着应用的深入对其面 形精度提出了更高的要求。原位测量是提高光学自由曲面面形精度的重要手段，然而光学 自由曲面原位测量一直是一个难题。此外，测量数据和设计数据的比较得到面形误差也是 一个难题，由于数据量巨大，在数据比较调整中会存在耗时、效率低的问题。因此，需要深入 开展自由曲面原位测量研究，很有必要提出一种新型直接可以得到面形偏差的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的不足，提出一种实现面形误差分布的直接测量， 提高其测量和分析效率的自由曲面原位测量方法。本专利技术采用如下的技术方案。一种，包括下列步骤(1)将测头和加工刀具刀架一并放置于加工机床上，并进行测量控制点和刀具控 制点的位置对正；(2)按照加工机床的运动学规律，进行加工路径设计，并对工件进行加工；(3)，将测头模拟成加工刀具，根据已经设计的加工路径，设计测量路径；(4)按照测量路径进行逐点控制测量；(5)实时采集测头在测量控制点位置(X，C，Z)处所测得的面形误差Δ Z数据，得 到所测点的面形偏差数据(X，c，△ ζ)，当测头遍历整个测量路径时，实现整个工件表面的面 形误差数据的获取。本专利技术的自由曲面原位测量测量方法，所述的测头为气浮式探针或光学测头。步 骤(1)中提到的测量控制点和刀具控制点的位置对正，主要是指将测量控制点位置原点调 整至X原点，且调整其Y坐标位于加工坐标系原点，所述的位置对正方法可以包括下列步 骤(1)将标准球固定在车床主轴上；(2)通过目测，将测头调到标准球X轴中心附近，然后沿X轴负方向移动距离a，并使测头接触标准球表面，记录此点的面形误差ΔΖ以及坐标值(X1, Z)，而后将探针退出， 沿X轴向正方向移动，并将探针调整到ζ值，寻找Δ Ζ、Z值都与上一点相同的点，记录此点 的坐标为(Χ2，ζ)，若两点X向坐标差为2a，则说明测头已经位于X轴中心处，否则根据差值d = fc^l-Cl，调整测头位置，重复以上操作直至测头调到X轴中心处； 2(2)X方向调整完成后，控制测头沿X方向移动一段距离，并在移动过程中测量三 个点，并记录其坐标，然后对三点进行圆弧拟合，若拟合圆弧半径r与标准球半径R相等，则 说明测头位于Y轴中心，否则根据拟合半径计算偏差位置d，调整测头在Y轴的位置，重复上 述操作直至满足要求。采用本专利技术的测量方法可直接获取面形误差数据，避免了海量测量数据的后期数 据处理和误差分析；由于不在采用传统上的主动探测测量，因此，可以提高测量效率；且可 通过测量路径设计的疏密程度控制测量数据的多少，测量较灵活；同时，本专利技术提出的测量 思路不局限于气浮式接触测头，对于绝大数的光学测头也适用，因为，专利技术中的测量方式对 测量量程要求小，即形状偏差量程内，约为IOum之内，而对于光学测头，如激光聚焦方式、 白光测量方法等，均能在该范围内进行有效的△ Z数据的测量。另外，该想法也并不仅限于 超精密加工领域，只要选取不同的测量手段，都可应用于其他精密加工及不同加工领域。附图说明图1本专利技术采用的加工和测量系统示意图。图2面形误差测量示意图。附图标记说明如下1 主轴2 刀具3测头，即气浮式探针具体实施例方式图1本专利技术的系统示意图。测头3采用气浮式探针测量系统，与加工刀具一并安 装在超精密加工车床上。在进行位置对正后，测头3的测量控制点坐标和刀具加工控制点 Y坐标一致，而两者的X轴向偏差为确定量。在对被加工工件表面进行测量的过程中，将测 头3模拟成加工刀具2，并采用类似加工路径的设计方式进行测量路径设计。当测头3按照 设定好的理想测量路径运动，测头被控制运动于理想的坐标点(X，C，Z)，在测量过程中由于 采用了气浮式探针，在测量气压推动下测头会几乎无摩擦地在测量方向保持向前，测头位 于理想位置时受测量力推动和表面测点偏差量的控制而前后运动，如图2所示，导致测头3 当前Z位置偏离理想位置，形成了 ΔΖ，正反映了该测量位置处的面形偏差，该量值可由测 量传感系统测得。在整个测量过程中，所有控制点坐标位置均可以和Z位置偏差同时采集 至IJ，因此，得到了被测面的面形误差数据(X，C，ΔΖ)。本专利技术的具体实施步骤为 (1)将测头和加工刀具刀架一并放置于加工机床上，并进行测量控制点和刀具控 制点的位置对正；(2)按照加工机床的运动学规律，进行加工路径设计，并对工件进行加工；(3)进行测量路径设计，并对测头按照测量路径中进行逐点控制测量(X，C，Z)；(4)实时采集当前测量系统所在的位置(X，C，Z)和测头测得的面形误差ΔΖ数据， 得到所测点的面形偏差数据(X，C, ΔΖ)；(5)采用测量路径对整体表面进行测量，从而实现整个表面面形误差数据的获取。在其中提到的两个系统的位置对正，主要是将测量控制点位置原点调整至X原 点，且调整其Y坐标位于加工坐标系原点，具体调整过程如下(1)首先通过目测，将测头调到标准球X轴中心附近，然后沿X轴负方向移动距离 a，并使测头接触标准球表面，记录此点的激光干涉仪显示值ΔΖ以及坐标值(X1,Z)，而后将 探针退出，沿X轴向正方向移动，并将探针调整到Z值，寻找ΔΖ、Ζ值都与上一点相同的点， 记录此点的坐标为(Χ2，Ζ)，若两点X向坐标差为2a，则说明测头已经位于X轴中心处，否则 根据差值d，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于加工机床的自由曲面原位测量测量方法，包括下列步骤：（１）将测头和加工刀具刀架一并放置于加工机床上，并进行测量控制点和刀具控制点的位置对正；（２）按照加工机床的运动学规律，进行加工路径设计，并对工件进行加工；（３）将测头模拟成加工刀具，根据已经设计的加工路径，设计测量路径；（４）按照测量路径进行逐点控制测量；（５）实时采集测头在测量控制点位置（Ｘ，Ｃ，Ｚ）处所测得的面形误差ΔＺ数据，得到所测点的面形偏差数据（Ｘ，Ｃ，ΔＺ），当测头遍历整个测量路径时，实现整个工件表面的面形误差数据的获取。

【技术特征摘要】
1.一种基于加工机床的自由曲面原位测量测量方法，包括下列步骤(1)将测头和加工刀具刀架一并放置于加工机床上，并进行测量控制点和刀具控制点 的位置对正；(2)按照加工机床的运动学规律，进行加工路径设计，并对工件进行加工；(3)将测头模拟成加工刀具，根据已经设计的加工路径，设计测量路径；(4)按照测量路径进行逐点控制测量；(5)实时采集测头在测量控制点位置(X，C，Z)处所测得的面形误差△Z数据，得到所 测点的面形偏差数据(X，C，△ Ζ)，当测头遍历整个测量路径时，实现整个工件表面的面形误 差数据的获取。2.根据权利要求1所述的自由曲面原位测量测量方法，其特征在于，所述的测头为气 浮式探针或光学测头。3.根据权利要求1所述的自由曲面原位测量测量方法，其特征在于，步骤(1)中提到的 测量控制点和刀具控制点的位置对正，是指将测量控制点位置原点调整至X原点，且调整 其Y坐标位于加工坐标系原点。4.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：房丰洲，张效栋，卢永斌，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]