CN109794856A - 基于多轴联动精密测量系统的成型模砂轮修整数据获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多轴联动精密测量系统的成型模砂轮修整数据获取方法，该方法将复杂型线零件的试制件安装于多轴联动精密测量系统，并将基本数据输入多轴联动精密测量系统的配套软件中后，采用分段两轴联动的测量路径规划运动控制方案，对测量数据采用等弧长微分采样方式实施采集，然后拟合理论设计点确定各点法矢，以各理论设计点为移动窗插值中心，采用移动窗拉个朗日插值多项式，确定测得数据在设计点处局部曲线函数，根据各设计点、法矢、局部曲线计算理论设计点到局部曲线的距离，该距离即为砂轮各理论设计点的法向误差值，即砂轮的二次修整参考数据。本发明通过对成形磨加工获得的复杂型线零件轮廓误差结果的检测，即可获得砂轮的二次修整数据。

Description

基于多轴联动精密测量系统的成型模砂轮修整数据获取方法

技术领域

本发明属于精密超精密加工领域，具体涉及一种基于多轴联动精密测量系统的成型模砂轮修整数据获取方法。

背景技术

成型磨削是指工件成品需依赖研磨将之加工为特定形状，成型磨削加工而不同於一般的平面、外圆、无心、内径研磨，成型磨削工艺是先将砂轮用洗石笔或直接制造成所需的特定形状，即是把砂轮修整成与工件型面完全吻合的反型面，然后再以此砂轮进行对工件磨削，使其获得所需的形状，这种磨法也叫“仿型研磨”。当砂轮使用过一段时间，出现磨损或磨钝现象后，需要对砂轮进行修整。对于需要进行角度、圆弧直径等简单修整的砂轮，可通过直接测量砂轮尺寸进行修整。但对于一些用于曲面精加工的成形磨砂轮，其加工零件一般是具有特殊回转面的复杂工件，例如螺旋转子、摆线齿轮等复杂型线型面零件，其砂轮修整数据很大程度上依赖于操作人员的工程经验，难以实现定量的修整数据，从而只能进行定性的生产加工指导。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多轴联动精密测量系统的成型模砂轮修整数据获取方法，为复杂型线型面零件成形磨砂轮修整数据的快速、精确提取提供了解决方案。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案来实现的：

基于多轴联动精密测量系统的成型模砂轮修整数据获取方法，该方法将复杂型线零件的试制件安装于多轴联动精密测量系统，并将基本数据输入多轴联动精密测量系统的配套软件中后，采用分段两轴联动的测量路径规划运动控制方案，对测量数据采用等弧长微分采样方式实施采集，然后拟合理论设计点确定各点法矢，以各理论设计点为移动窗插值中心，采用移动窗拉个朗日插值多项式，确定测得数据在设计点处局部曲线函数，根据各设计点、法矢、局部曲线计算理论设计点到局部曲线的距离，该距离即为砂轮各理论设计点的法向误差值，即砂轮的二次修整参考数据。

本发明进一步的改进在于，具体包括以下步骤：

步骤1：试加工

使用按照设计参数生产砂轮进行成形磨加工，获得复杂型线零件的试制加工件；

步骤2：基本数据输入多轴联动精密测量系统

将试制加工件安装于多轴联动精密测量系统，并将试制加工件的基本数据输入多轴联动精密测量系统的配套软件中，这些基本数据包括型线或型面的离散数据点；

步骤3：测量数据采集方式

测量数据采集方式采用等弧长微分采样方式；

步骤4：测量路径规划

测量过程中为了实现测头遍历转子齿形表面，根据转子的理论设计值规划多轴联动精密测量系统各轴联动控制的方案，并采用分段两轴联动的测量路径规划运动控制方案；

步骤5：测量数据处理

拟合理论设计点确定各点法矢，以各理论设计点为移动窗插值中心，采用移动窗拉个朗日插值多项式，确定测得数据在设计点处局部曲线函数，根据各设计点、法矢、局部曲线计算理论设计点到局部曲线的距离。

本发明进一步的改进在于，步骤3中，采用等弧长微分采样方式的测点分布根据工件外形曲率的变化而变化，自适应分布测点的疏密；具体方法如下：在极角为α处，该曲线的极径值为ρ；当dθ足够小时，即dθ趋近于0时，极角为α+dθ的相位处，极径值的变化极小能够忽略，从而这两点近似为同一圆弧上的两点；该微圆弧长度dl＝ρ·dθ，在[0,θ]积分，即可得到[0,θ]极角范围内曲线的弧长l，

本发明进一步的改进在于，等弧长微分采样的具体方法为：在测量中，测量设备时刻监测测头所处位置，并及时传送至计算机；计算机根据当前测头位置与前一个已得测点位置，分析计算测头已运动的弧长L；当该弧长L超过或等于给定的采样弧长步距ΔL，计算机记录测头当前坐标信息，并将该点作为下一次计算弧长的起点；如此反复不断的运算，即可将连续曲线按等弧长的方式离散，从而获得所有离散数据。

本发明进一步的改进在于，步骤5的具体实现方法如下：

(1)理论离散点曲线拟合

为了计算理论离散点{(X_j,Y_j),j＝0,1,...,N}各点对应的误差，确定各离散点的法矢方向；根据理论离散点拟合一条理论曲线Y＝F(X)，可得每点的切线方向向量为(1,F′(X_j))，而该点的法矢方向向量满足关系：从而确定

(2)实测数据分析

采用微分包络原理进行型线建模，确定复杂型线零件轮廓上的实际离散点集{(x_j,y_j),i＝0,1,...,n}，并采用移动窗多项式插值的方式拟合离散数据，处理方法如下：

公式中：k点为大于待插值X_m处且距离待插值处最近的已知点；n为k点两侧选取的已测点数；

(3)理论离散点法向误差

计算各理论点法向误差时，以理论已知点(X_j,Y_j)为移动窗插值的中心，在实际离散点集中选取X_j附近若干点进行拉格朗日多项式插值；通过理论已知点(X_j,Y_j)及其对应的法矢方向向量计算理论已知点沿法矢方向距离多项式L_j(x)曲线的距离，该距离即是理论点沿曲线法矢方向的误差值δ_j；

按照上述方法进行数据处理，即可得出复杂型线零件轮廓上各理论点法矢方向的误差，该误差值便是砂轮二次修型的参考数据。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明提供的基于多轴联动精密测量系统的成形磨砂轮修整数据获取方法，该方法通过对成形磨加工获得的复杂转子齿形误差结果描述了转子端面的实际截形，并定量出每一理论设计点在法矢方向上对应的具体误差数值，为砂轮的二次修整提供了参考数据。砂轮通过二次修整后，砂轮的外形精度得到提高，其轮廓与转子目标型线轮廓可以更好的吻合，从而提高转子成形加工的精度，最终实现误差信息对制造过程的反调控制。

附图说明

图1为多轴联动精密测量系统外观示意图。

图2为螺旋转子零件的成形磨加工图。

图3为螺旋转子试制加工件在多轴联动精密测量系统上的装夹图。

图4为等弧长微分采样的采样方式理论示意图。

图5为等弧长微分采样实现流程图

图6为分段两轴联动测量路径规划运动控制方法示意图，图6(a)为WX联动，图6(b)为XY联动，图6(c)为WX联动。

图7为一件螺旋转子零件齿部分理论点对应的法向误差数值示意图。

具体实施方式

下面结合附图对发明做进一步详细说明。

本发明提供的基于多轴联动精密测量系统的成型模砂轮修整数据获取方法，是基于多轴联动系统实现的一种新型测量实施及数据处理方法。应用该方法，结合高精度测量系统、数控技术、计算机信息处理技术，可使多轴联动系统实现复杂零件的高精度数控测量。该多轴联动精密测量系统是由三悬臂梁和回转主轴组成的四轴测量装置，可配备用于空间三维微动测量的精密扫描传感器，构成一套七轴四联动测量系统。该多轴联动精密测量系统采用CNC控制技术，实现C轴(极角)、X轴(切向)、Y轴(极径)、Z轴(垂直)的驱动控制，并对四轴的位置信息和三维传感器微动数据进行采集。测量时，开发的应用软件可根据设定的工件数据进行多轴联动自动路径规划，同时完成测量规划动作。然后基于采集的各轴位置信息与传感器数据进行数据合成与数学建模，实现数控全自动测量。多轴联动精密测量系统外形示意图如图1所示。

图1所述结构中下顶尖回转轴部件(C轴)与上顶尖回转轴同轴安装，用于工件旋转测量安装。G轴带动上顶尖部件上下移动，实现不同高度中心孔工件的快速装夹，故G轴部件简称安装立柱部件，对应的G轴立柱零件简称安装立柱。X轴、Y轴、Z轴构成三轴悬臂梁结构，分别称为切向部件、径向部件与测量立柱部件。

本发明提供的基于多轴联动精密测量系统的成型模砂轮修整数据获取方法，包括以下步骤：

步骤1：试加工

使用按照设计参数生产砂轮进行成形磨加工，获得复杂型线零件的试制加工件。如图2所示为螺旋转子零件的成形磨加工。

步骤2：基本数据输入多轴联动精密测量系统

将试制加工件安装于多轴联动精密测量系统，如图3所示。并将试制加工件的基本数据输入多轴联动精密测量系统的配套软件中，这些基本数据包括型线或型面的离散数据点(例如螺旋转子、摆线齿轮)。

步骤3：测量数据采集方式

测量数据采集方式采用等弧长微分采样方式。该方式的测点分布会根据工件外形曲率的变化而变化，自适应分布测点的疏密。具体方法如下：如图4所示，在极角为α处，该曲线的极径值为ρ。当dθ足够小时，即dθ趋近于0时，极角为α+dθ的相位处，极径值的变化极小能够忽略，从而这两点近似为同一圆弧上的两点。该微圆弧长度dl＝ρ·dθ，在[0,θ]积分，即可得到[0,θ]极角范围内曲线的弧长l，当下高分辨率的圆光栅编码器、高精度的直线光栅尺以及高速运算数据的计算机为解决该问题提供了可能。

等弧长微分采样的具体方法为：在测量中，测量设备时刻监测测头所处位置，并及时传送至计算机。计算机根据当前测头位置与前一个已得测点位置，分析计算测头已运动的弧长L。当该弧长L超过或等于给定的采样弧长步距ΔL，计算机记录测头当前坐标信息，并将该点作为下一次计算弧长的起点。如此反复不断的运算，即可将连续曲线按等弧长的方式离散，从而获得所有离散数据。等弧长微分采样实现流程图如图5所示。

步骤4：测量路径规划

测量过程中为了实现测头遍历转子齿形表面，根据转子的理论设计值规划多轴联动精密测量系统各轴联动控制的方案。采用分段两轴联动的测量路径规划运动控制方案。以螺旋转子测量过程为例。将转子一个齿形的测量以节圆为界限分为三段，分别采用WX、XY、WX联动进行运动控制，如图6所示。

分段联动中，关键是在中间段采用XY轴联动，此联动保持测头与转子的接触时测头姿态不变，使得XY联动后，测杆和齿顶间仍有足够的空隙，使得后续WX联动在避免测量干涉同时又可密布测点。

步骤5：测量数据处理

(1)理论离散点曲线拟合

为了计算理论离散点{(X_j,Y_j),j＝0,1,...,N}各点对应的误差，确定各离散点的法矢方向。根据理论离散点拟合一条理论曲线Y＝F(X)，可得每点的切线方向向量为(1,F′(X_j))，而该点的法矢方向向量满足关系：从而确定

(2)实测数据分析

采用微分包络原理进行型线建模，确定复杂型线零件轮廓上的实际离散点集{(x_j,y_j),i＝0,1,...,n}，并采用移动窗多项式插值的方式拟合离散数据，处理方法如下：

公式中：k点为大于待插值X_m处且距离待插值处最近的已知点；n为k点两侧选取的已测点数。

(3)理论离散点法向误差

计算各理论点法向误差时，以理论已知点(X_j,Y_j)为移动窗插值的中心，在实际离散点集中选取X_j附近若干点进行拉格朗日多项式插值。通过理论已知点(X_j,Y_j)及其对应的法矢方向向量计算理论已知点沿法矢方向距离多项式L_j(x)曲线的距离，该距离即是理论点沿曲线法矢方向的误差值δ_j。

按照上述方法进行数据处理，即可得出复杂型线零件轮廓上各理论点法矢方向的误差，该误差值便是砂轮二次修型的参考数据。图7为一件螺旋转子零件齿部分理论点对应的法向误差数值。

Claims (5)

1.基于多轴联动精密测量系统的成型模砂轮修整数据获取方法，其特征在于，该方法将复杂型线零件的试制件安装于多轴联动精密测量系统，并将基本数据输入多轴联动精密测量系统的配套软件中后，采用分段两轴联动的测量路径规划运动控制方案，对测量数据采用等弧长微分采样方式实施采集，然后拟合理论设计点确定各点法矢，以各理论设计点为移动窗插值中心，采用移动窗拉个朗日插值多项式，确定测得数据在设计点处局部曲线函数，根据各设计点、法矢、局部曲线计算理论设计点到局部曲线的距离，该距离即为砂轮各理论设计点的法向误差值，即砂轮的二次修整参考数据。

2.根据权利要求1所述的基于多轴联动精密测量系统的成型模砂轮修整数据获取方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：试加工

使用按照设计参数生产砂轮进行成形磨加工，获得复杂型线零件的试制加工件；

步骤2：基本数据输入多轴联动精密测量系统

将试制加工件安装于多轴联动精密测量系统，并将试制加工件的基本数据输入多轴联动精密测量系统的配套软件中，这些基本数据包括型线或型面的离散数据点；

步骤3：测量数据采集方式

测量数据采集方式采用等弧长微分采样方式；

步骤4：测量路径规划

测量过程中为了实现测头遍历转子齿形表面，根据转子的理论设计值规划多轴联动精密测量系统各轴联动控制的方案，并采用分段两轴联动的测量路径规划运动控制方案；

步骤5：测量数据处理

拟合理论设计点确定各点法矢，以各理论设计点为移动窗插值中心，采用移动窗拉个朗日插值多项式，确定测得数据在设计点处局部曲线函数，根据各设计点、法矢、局部曲线计算理论设计点到局部曲线的距离。

3.根据权利要求2所述的基于多轴联动精密测量系统的成型模砂轮修整数据获取方法，其特征在于，步骤3中，采用等弧长微分采样方式的测点分布根据工件外形曲率的变化而变化，自适应分布测点的疏密；具体方法如下：在极角为α处，该曲线的极径值为ρ；当dθ足够小时，即dθ趋近于0时，极角为α+dθ的相位处，极径值的变化极小能够忽略，从而这两点近似为同一圆弧上的两点；该微圆弧长度dl＝ρ·dθ，在[0,θ]积分，即可得到[0,θ]极角范围内曲线的弧长l，

4.根据权利要求3所述的基于多轴联动精密测量系统的成型模砂轮修整数据获取方法，其特征在于，等弧长微分采样的具体方法为：在测量中，测量设备时刻监测测头所处位置，并及时传送至计算机；计算机根据当前测头位置与前一个已得测点位置，分析计算测头已运动的弧长L；当该弧长L超过或等于给定的采样弧长步距ΔL，计算机记录测头当前坐标信息，并将该点作为下一次计算弧长的起点；如此反复不断的运算，即可将连续曲线按等弧长的方式离散，从而获得所有离散数据。

5.根据权利要求4所述的基于多轴联动精密测量系统的成型模砂轮修整数据获取方法，其特征在于，步骤5的具体实现方法如下：

(1)理论离散点曲线拟合

为了计算理论离散点{(X_j,Y_j),j＝0,1,...,N}各点对应的误差，确定各离散点的法矢方向；根据理论离散点拟合一条理论曲线Y＝F(X)，可得每点的切线方向向量为(1,F′(X_j))，而该点的法矢方向向量满足关系：从而确定

(2)实测数据分析

采用微分包络原理进行型线建模，确定复杂型线零件轮廓上的实际离散点集{(x_j,y_j),i＝0,1,...,n}，并采用移动窗多项式插值的方式拟合离散数据，处理方法如下：

公式中：k点为大于待插值X_m处且距离待插值处最近的已知点；n为k点两侧选取的已测点数；

(3)理论离散点法向误差

计算各理论点法向误差时，以理论已知点(X_j,Y_j)为移动窗插值的中心，在实际离散点集中选取X_j附近若干点进行拉格朗日多项式插值；通过理论已知点(X_j,Y_j)及其对应的法矢方向向量计算理论已知点沿法矢方向距离多项式L_j(x)曲线的距离，该距离即是理论点沿曲线法矢方向的误差值δ_j；

按照上述方法进行数据处理，即可得出复杂型线零件轮廓上各理论点法矢方向的误差，该误差值便是砂轮二次修型的参考数据。