CN103481122A - 面向自由曲面的接触式测量误差补偿方法及补偿系统 - Google Patents

面向自由曲面的接触式测量误差补偿方法及补偿系统 Download PDF

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CN103481122A CN201310342502.8A CN201310342502A CN103481122A CN 103481122 A CN103481122 A CN 103481122A CN 201310342502 A CN201310342502 A CN 201310342502A CN 103481122 A CN103481122 A CN 103481122A
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q17/00—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools
    • B23Q17/20—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring workpiece characteristics, e.g. contour, dimension, hardness

Abstract

面向自由曲面的接触式测量误差补偿方法及补偿系统 。对于小型工件，检测完成后，如果不合格还需要重新装在加工中心上进行二次修整加工，这样就会造成二次装卡误差；对于大型工件，会造成二次装卡误差等问题。 本发明的组成包括:红宝石测头（1），红宝石测头与陶瓷测杆（2）连接，陶瓷测杆与压力传感器（3）连接，压力传感器与信号发射器（4）连接，压力传感器与刀柄（5）连接，刀柄与三轴机床（6）连接，信号发射器与信号接收器（7）通过无线信号连接，信号接收器安装在三轴机床上，信号接收器与三轴机床的JA40接口电连接，三轴机床与电脑主机（8）电连接。本发明用于普通平面及自由曲面的测量误差。

Description

面向自由曲面的接触式测量误差补偿方法及补偿系统
技术领域：
本发明涉及一种面向自由曲面的接触式测量误差补偿方法及补偿系统。
背景技术：
随着工业的发展，对加工提出越来越高的精度要求，传统的测量方式一般是离线测量，即在加工中心加工完成后，卸下工件，放在三坐标测量机或者其他检测设备上进行检测。对于小型工件，离线测量搬运比较方便，但检测完成后，如果不合格还需要重新装在加工中心上进行二次修整加工，这样就会造成二次装卡误差。对于大型工件，不仅会造成二次装卡误差，而且搬运不方便，浪费工时。由此，在线测量变得尤为重要。
在机测量一般使用的是接触式测头，测头顶端是一个标准的球体。测量时测头与工件表面接触，测针产生偏移触发测头内部信号，信号接收器收到信号后，配合机床等设备记录出测头的坐标位置，将坐标储存在机床内存里，测量完成后将数据传输回软件。与工件接触的测头部分是测针顶部的球形外表面，一般这个顶端球是一个半径固定的标准球。由于测头的特性，决定了记录的数值只能是测头球心的坐标，在测量水平面时，此时只需要在某方向加上减去测头的球心半径即可，如图2所示。而进行自由曲面测量时，由于测针顶端球有一定的半径，会造成待测点附近的其他点先接触到测针的顶端球，如图3所示，图3中二维曲线表示曲面，该接触位置放大效果如图4所示。此时以点
Figure 2013103425028100002DEST_PATH_IMAGE001
为引导点进行测量，测头顶端与曲面上的理论测量点
Figure DEST_PATH_IMAGE002
首先接触，测头由于压力产生信号，记录了此时测头球心的位置坐标，如果这时在垂直方向单纯地增加或减去一个球心半径值作为补偿，显然针对
Figure 178097DEST_PATH_IMAGE001
点的测量误差较大。
一般情况下，工件实体存在着加工误差等，工件理论模型的理论测量点和实际测量点不重合。本发明主要针对测头球心半径补偿、理论测量点和实际测量点不重合等问题，提出了一种面向自由曲面接触式测量的加工误差补偿方法。
发明内容：
本发明的目的是提供一种面向自由曲面的接触式测量误差补偿方法及补偿系统。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
一种面向自由曲面的接触式测量误差补偿系统，其组成包括: 红宝石测头，所述的红宝石测头与陶瓷测杆连接，所述的陶瓷测杆与压力传感器连接，所述的压力传感器与信号发射器连接，所述的压力传感器与刀柄连接，所述的刀柄与三轴机床连接，所述的信号发射器与信号接收器通过无线信号连接，所述的信号接收器安装在所述的三轴机床上，所述的信号接收器与所述的三轴机床的JA40接口电连接，所述的三轴机床与电脑主机电连接。
一种面向自由曲面的接触式测量误差补偿系统的补偿方法，
（1）二维曲面加工误差补偿方法：
对于二维曲线表示的曲面，首先选择一个测量引导点
Figure 656089DEST_PATH_IMAGE001
，引导点
Figure 435827DEST_PATH_IMAGE001
在模型中的作用是利用引导点的Z轴与偏置面相交得到理论测量点的测头球心；在实际测量中，引导红宝石侧头在实际工件上寻找相应的模型上的匹配点进行测量；
然后用对工件理想曲面δ进行偏移，得到测头球心的偏移曲面
Figure 2013103425028100002DEST_PATH_IMAGE003
，此时偏移面
Figure 831036DEST_PATH_IMAGE003
和引导点
Figure 707725DEST_PATH_IMAGE001
的垂直方向有个交点
Figure DEST_PATH_IMAGE004
（
Figure 2013103425028100002DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 2013103425028100002DEST_PATH_IMAGE007
），也就是理论测头球心，点为理论测量点，如果是理想工件，实际测量点和理论测量点重合。引导点
Figure 654821DEST_PATH_IMAGE001
的坐标（
Figure 2013103425028100002DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 2013103425028100002DEST_PATH_IMAGE011
）从工件理论模型中读取，如果理论测量点
Figure 485636DEST_PATH_IMAGE002
点的法线方向
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，对于二维曲线表示的曲面，则理论测量点
Figure 746853DEST_PATH_IMAGE002
点的坐标（
Figure 2013103425028100002DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 2013103425028100002DEST_PATH_IMAGE015
）为：
Figure DEST_PATH_IMAGE016
         （1）
在实际测量中，由于加工中存在各种误差因素的影响，理论模型上的理论测量点和实际工件上测得的测量点不完全重合；
Figure 2013103425028100002DEST_PATH_IMAGE017
为工件的实际加工曲面，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为工件的实际偏移曲面；
记实际测头球心
Figure 2013103425028100002DEST_PATH_IMAGE019
（
Figure DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 2013103425028100002DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
），在对距离
Figure 163535DEST_PATH_IMAGE019
点的
Figure 2013103425028100002DEST_PATH_IMAGE023
方向正负方向0.5mm各取一个点
Figure DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 2013103425028100002DEST_PATH_IMAGE025
，此时过
Figure DEST_PATH_IMAGE026
点
Figure 2013103425028100002DEST_PATH_IMAGE027
的垂直方向与
Figure 281532DEST_PATH_IMAGE023
轴的夹角为
Figure DEST_PATH_IMAGE028
：
Figure 2013103425028100002DEST_PATH_IMAGE029
Figure DEST_PATH_IMAGE030
Figure 599644DEST_PATH_IMAGE029
                            （2）
经过实际测头球心的实际偏置曲面的垂线与实际加工曲线相交与
Figure 2013103425028100002DEST_PATH_IMAGE031
点，
Figure 922357DEST_PATH_IMAGE031
（
Figure DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure 2013103425028100002DEST_PATH_IMAGE033
，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
）为实际测量点，其坐标如下：
                   （3）
这样实际测量点
Figure 476836DEST_PATH_IMAGE031
和理论测量点
Figure 718461DEST_PATH_IMAGE002
误差为：
Figure DEST_PATH_IMAGE036
                （4）
现将这种利用实际测头球心
Figure 390374DEST_PATH_IMAGE019
、理论测头球心
Figure 2013103425028100002DEST_PATH_IMAGE037
，以及过实际测头球心
Figure 96162DEST_PATH_IMAGE019
的实际偏置曲面的垂线与
Figure 431328DEST_PATH_IMAGE023
轴夹角对实际测量点进行修正的方法对推广到三维自由曲面的接触测量补偿。
（2）三维曲面加工误差补偿方法：
在三维曲面里，各方向曲率变化不一致，接触式测量时理论测量点
Figure 301381DEST_PATH_IMAGE002
和实际测量点
Figure 799359DEST_PATH_IMAGE031
会随引导点
Figure 571006DEST_PATH_IMAGE001
位置和工件曲率变化而不同；首先根据工件理论模型曲面产生一个偏置距离是测头半径的偏置曲面，该偏置曲面和引导点的
Figure DEST_PATH_IMAGE038
向有一个交点，这个交点就是理论测量点的测头球心，
Figure 30248DEST_PATH_IMAGE037
点通过工件理论模型读取出来；而曲面上理论测量点
Figure 382732DEST_PATH_IMAGE002
的法线与
Figure 325280DEST_PATH_IMAGE023
，，轴均会有一个角度对应关系；
根据UG中的工件理论模型，确定引导点
Figure 246149DEST_PATH_IMAGE001
点坐标（
Figure 718718DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 894485DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure DEST_PATH_IMAGE040
），偏置曲面与引导点
Figure 819716DEST_PATH_IMAGE001
的
Figure 106340DEST_PATH_IMAGE038
向交点为理论测针球中心
Figure 167837DEST_PATH_IMAGE037
（，
Figure 425567DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 453566DEST_PATH_IMAGE007
），
Figure 2013103425028100002DEST_PATH_IMAGE041
长度
Figure DEST_PATH_IMAGE042
；红宝石测头直径为6mm，经过理论测量点
Figure 697465DEST_PATH_IMAGE002
的曲面法线与
Figure 887138DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure 786961DEST_PATH_IMAGE039
，
Figure 415389DEST_PATH_IMAGE038
轴线夹角、、
Figure 2013103425028100002DEST_PATH_IMAGE045
，由工件理论模型得出；三维曲面理论测量点
Figure 343156DEST_PATH_IMAGE002
的坐标为：
Figure DEST_PATH_IMAGE046
                           （5）
同样，由于加工过程中的各种误差的存在，实际测量点和理论测量点就不会重合，现对三维曲面实际测量点
Figure 766047DEST_PATH_IMAGE031
进行误差补偿；首先确定经过实际测量点
Figure 153166DEST_PATH_IMAGE031
的实际加工曲面的法向向量，该法向向量基于微平面法求得，以测量点为中心半径为0.05-0.5mm的圆上取三点，确定一个微平面，微平面的法线方向即是经过测量点的曲面法线方向；微平面的法向方向和在实际测量时通过测头取的三个球心坐标确定的微平面法向量重合，记通过测头取的三个球心坐标依次为
Figure 2013103425028100002DEST_PATH_IMAGE047
、、
Figure 2013103425028100002DEST_PATH_IMAGE049
；
设微平面法向量
Figure DEST_PATH_IMAGE050
（
Figure 2013103425028100002DEST_PATH_IMAGE051
，
Figure DEST_PATH_IMAGE052
，
Figure 2013103425028100002DEST_PATH_IMAGE053
），则：
，
Figure 2013103425028100002DEST_PATH_IMAGE055
             （6）
由此算出法向量
Figure 208453DEST_PATH_IMAGE050
（
Figure 99049DEST_PATH_IMAGE051
，
Figure 958420DEST_PATH_IMAGE052
，
Figure 567256DEST_PATH_IMAGE053
）与
Figure 740748DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure 751430DEST_PATH_IMAGE039
，
Figure 781703DEST_PATH_IMAGE038
轴的夹角，即使法向量与向量
Figure DEST_PATH_IMAGE056
（1，0，0）、
Figure 2013103425028100002DEST_PATH_IMAGE057
（0，1，0）、
Figure DEST_PATH_IMAGE058
（0，0，1）的夹角
Figure 2013103425028100002DEST_PATH_IMAGE059
、
Figure DEST_PATH_IMAGE060
、
Figure 2013103425028100002DEST_PATH_IMAGE061
；
Figure DEST_PATH_IMAGE062
                        （7）
根据经过实际测量点
Figure 277854DEST_PATH_IMAGE031
加工曲面的法线方向及
Figure 143042DEST_PATH_IMAGE059
、
Figure 281899DEST_PATH_IMAGE060
、
Figure 927644DEST_PATH_IMAGE061
，计算出实际测量点
Figure 177360DEST_PATH_IMAGE031
的坐标；
三维曲面实测的测头测量点
Figure 162634DEST_PATH_IMAGE031
的坐标为：
                  （8）
那么，实际测量点
Figure 534709DEST_PATH_IMAGE031
和理论测量点
Figure 605433DEST_PATH_IMAGE002
的误差为：
           （9）
这样，通过实际测量点和理论测量点的误差补偿，来修正测量过程中由测头半径带来的误差；
所述的面向自由曲面的接触式测量误差补偿系统的补偿方法，将上述的算法编入在测量系统的后处理模块，在后处理模块中实现误差补偿；测量完成后，打开在机测量系统的生成测量报告模块，点击导出测量报告菜单，导出点信息及点误差信息；首先，通过分析点信息及点误差信息，查看测量误差（ΔX、ΔY、ΔZ）是否在可接受范围内，如果在可接受范围内工件合格，否则不合格；其次通过对点信息及点误差的分析，确定误差是由测量误差产生还是由机床本体误差产生，或者由工件加工误差产生；通过工件的加工误差产生原因分析，得出工件型面的刚度场分布，推出型面的加工难易程度，然后在下次加工的时候改变工件刚度场或者改变加工方法来指导实际生产；最后通过对点信息及点误差的分析，针对性的编写机床加工程序，对误差过大的工件进行二次加工修整，直到工件合格。
有益效果：
1.本发明把刀具直接换成测头进行测量，不需要二次装卡，避免了二次装卡的误差，节省工时；不需要购买昂贵的三坐标测量机等检测设备，只需要一个测头即可完成工件的测量，操作简单，测量速度快、精度高。
本发明与COMET—L3D光学测量仪进行对比，在保证测量精度不明显降低的情况下，大大降低成本，COMET—L3D光学测量仪的价格大约是40-50万元，本发明的成本在三四万左右。
附图说明：
附图1是本发明面向自由曲面的接触式测量误差补偿系统的结构示意图。图中，1为红宝石测头，2为陶瓷测杆，3为压力传感器，4为信号发射器，5为刀柄，6为三轴机床，7为信号接收器，8为电脑主机，9为工件。
附图2是接触式测头对水平和垂直面的测量示意图。
附图3是接触式测头对自由曲面的测量示意图。
附图4是测量自由曲面时接触点的放大示意图。
附图5是本发明的实际测量位置放大效果图。
附图6是本发明的理论测量点
Figure 219692DEST_PATH_IMAGE002
的法线与
Figure 59472DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure 602449DEST_PATH_IMAGE039
，
Figure 894890DEST_PATH_IMAGE038
轴的夹角图。
附图7是基于微平面求法向量原理图。
附图8是本发明的实际测量点数学模型图。
附图9是凹模在UG模型中的测量位置及测量点的分布示意图。
附图10是平缓区x方向的测量误差对比图。
附图11是平缓区y方向的测量误差对比图。
附图12是平缓区z方向的测量误差对比图。
附图13是陡峭区x方向的测量误差对比图。
附图14是陡峭区y方向的测量误差对比图。
附图15是陡峭区z方向的测量误差对比图。
附图16是凹模在实际测量时的实测图。
具体实施方式：
实施例1：
一种面向自由曲面的接触式测量误差补偿系统，其组成包括: 红宝石测头1，所述的红宝石测头与陶瓷测杆2连接，所述的陶瓷测杆与压力传感器3连接，所述的压力传感器与信号发射器4连接，所述的压力传感器与刀柄5连接，所述的刀柄与三轴机床6连接，所述的信号发射器与信号接收器7通过无线信号连接，所述的信号接收器安装在所述的三轴机床上，所述的信号接收器与所述的三轴机床的JA40接口电连接，所述的三轴机床与电脑主机8电连接。
实施例2：
上述的面向自由曲面的接触式测量误差补偿系统的补偿方法，
（1）二维曲面加工误差补偿方法：
对于二维曲线表示的曲面，首先选择一个测量引导点
Figure 751987DEST_PATH_IMAGE001
，引导点
Figure 446274DEST_PATH_IMAGE001
在模型中的作用是利用引导点的Z轴与偏置面相交得到理论测量点的测头球心；在实际测量中，引导红宝石侧头在实际工件上寻找相应的模型上的匹配点进行测量；
然后用对工件理想曲面δ进行偏移，得到测头球心的偏移曲面
Figure 160152DEST_PATH_IMAGE003
，此时偏移面
Figure 205468DEST_PATH_IMAGE003
和引导点
Figure 600678DEST_PATH_IMAGE001
的垂直方向有个交点
Figure 211788DEST_PATH_IMAGE004
（，
Figure 566863DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 329545DEST_PATH_IMAGE007
），也就是理论测头球心，点为理论测量点，如果是理想工件，实际测量点和理论测量点重合。引导点
Figure 991787DEST_PATH_IMAGE001
的坐标（
Figure 808433DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 545445DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 68830DEST_PATH_IMAGE011
）从工件理论模型中读取，如果理论测量点
Figure 498675DEST_PATH_IMAGE002
点的法线方向
Figure 537038DEST_PATH_IMAGE012
，对于二维曲线表示的曲面，则理论测量点
Figure 77741DEST_PATH_IMAGE002
点的坐标（
Figure 721212DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 118695DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 847616DEST_PATH_IMAGE015
）为：
Figure 926431DEST_PATH_IMAGE016
         （1）
在实际测量中，由于加工中存在各种误差因素的影响，理论模型上的理论测量点和实际工件上测得的测量点不完全重合；
Figure 985260DEST_PATH_IMAGE017
为工件的实际加工曲面，
Figure 491328DEST_PATH_IMAGE018
为工件的实际偏移曲面；
记实际测头球心
Figure 707546DEST_PATH_IMAGE019
（，
Figure 4852DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 947400DEST_PATH_IMAGE022
），在对距离
Figure 447652DEST_PATH_IMAGE019
点的方向正负方向0.5mm各取一个点
Figure 340838DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 188709DEST_PATH_IMAGE025
，此时过
Figure 176256DEST_PATH_IMAGE026
点
Figure 400564DEST_PATH_IMAGE027
的垂直方向与
Figure 291422DEST_PATH_IMAGE023
轴的夹角为
Figure 575773DEST_PATH_IMAGE028
：
Figure 988300DEST_PATH_IMAGE029
Figure 750719DEST_PATH_IMAGE030
                            （2）
经过实际测头球心
Figure 449871DEST_PATH_IMAGE019
的实际偏置曲面的垂线与实际加工曲线相交与
Figure 349694DEST_PATH_IMAGE031
点，
Figure 978121DEST_PATH_IMAGE031
（
Figure 14210DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure 640364DEST_PATH_IMAGE033
，）为实际测量点，其坐标如下：
Figure 194022DEST_PATH_IMAGE035
                   （3）
这样实际测量点
Figure 350197DEST_PATH_IMAGE031
和理论测量点误差为：
                 （4）
现将这种利用实际测头球心
Figure 490432DEST_PATH_IMAGE019
、理论测头球心
Figure 501113DEST_PATH_IMAGE037
，以及过实际测头球心
Figure 531386DEST_PATH_IMAGE019
的实际偏置曲面的垂线与
Figure 627518DEST_PATH_IMAGE023
轴夹角对实际测量点
Figure 73543DEST_PATH_IMAGE031
进行修正的方法对推广到三维自由曲面的接触测量补偿。
（2）三维曲面加工误差补偿方法：
在三维曲面里，各方向曲率变化不一致，接触式测量时理论测量点
Figure 266627DEST_PATH_IMAGE002
和实际测量点
Figure 405484DEST_PATH_IMAGE031
会随引导点
Figure 988912DEST_PATH_IMAGE001
位置和工件曲率变化而不同。首先根据工件理论模型曲面产生一个偏置距离是测头半径的偏置曲面，该偏置曲面和引导点的
Figure 238628DEST_PATH_IMAGE038
向有一个交点，这个交点就是理论测量点的测头球心
Figure 286218DEST_PATH_IMAGE037
，
Figure 595977DEST_PATH_IMAGE037
点通过工件理论模型读取出来。而曲面上理论测量点
Figure 230483DEST_PATH_IMAGE002
的法线与
Figure 283890DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure 123670DEST_PATH_IMAGE039
，
Figure 666646DEST_PATH_IMAGE038
轴均会有一个角度对应关系；
根据UG中的工件理论模型，确定引导点
Figure 959087DEST_PATH_IMAGE001
点坐标（
Figure 816185DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 510472DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 224350DEST_PATH_IMAGE040
），偏置曲面与引导点
Figure 269666DEST_PATH_IMAGE001
的向交点为理论测针球中心（
Figure 364027DEST_PATH_IMAGE005
，，
Figure 125233DEST_PATH_IMAGE007
），
Figure 794112DEST_PATH_IMAGE041
长度
Figure 53055DEST_PATH_IMAGE042
；红宝石测头直径为6mm，经过理论测量点的曲面法线与
Figure 606713DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure 130098DEST_PATH_IMAGE039
，
Figure 294363DEST_PATH_IMAGE038
轴线夹角
Figure 598306DEST_PATH_IMAGE043
、
Figure 201325DEST_PATH_IMAGE044
、
Figure 579217DEST_PATH_IMAGE045
，由工件理论模型得出；三维曲面理论测量点
Figure 179963DEST_PATH_IMAGE002
的坐标为：
Figure 207087DEST_PATH_IMAGE046
                           （5）
同样，由于加工过程中的各种误差的存在，实际测量点和理论测量点就不会重合，现对三维曲面实际测量点
Figure 551481DEST_PATH_IMAGE031
进行误差补偿。首先确定经过实际测量点
Figure 49458DEST_PATH_IMAGE031
的实际加工曲面的法向向量，该法向向量基于微平面法求得，以测量点为中心半径为0.05-0.5mm的圆上取三点，确定一个微平面，微平面的法线方向即是经过测量点的曲面法线方向；微平面的法向方向和在实际测量时通过测头取的三个球心坐标确定的微平面法向量重合，记通过测头取的三个球心坐标依次为
Figure 555526DEST_PATH_IMAGE047
、
Figure 834060DEST_PATH_IMAGE048
、
Figure 716566DEST_PATH_IMAGE049
；
设微平面法向量
Figure 69050DEST_PATH_IMAGE050
（，
Figure 246270DEST_PATH_IMAGE052
，
Figure 932466DEST_PATH_IMAGE053
），则：
Figure 201774DEST_PATH_IMAGE054
，
Figure 315223DEST_PATH_IMAGE055
             （6）
由此算出法向量
Figure 240454DEST_PATH_IMAGE050
（
Figure 25614DEST_PATH_IMAGE051
，，
Figure 637041DEST_PATH_IMAGE053
）与
Figure 783988DEST_PATH_IMAGE023
，，
Figure 55887DEST_PATH_IMAGE038
轴的夹角，即使法向量
Figure 511139DEST_PATH_IMAGE050
与向量（1，0，0）、
Figure 39389DEST_PATH_IMAGE057
（0，1，0）、
Figure 75478DEST_PATH_IMAGE058
（0，0，1）的夹角
Figure 763949DEST_PATH_IMAGE059
、、
Figure 255290DEST_PATH_IMAGE061
；
Figure 975246DEST_PATH_IMAGE062
                        （7）
根据经过实际测量点
Figure 772301DEST_PATH_IMAGE031
加工曲面的法线方向及
Figure 381137DEST_PATH_IMAGE059
、、
Figure 362048DEST_PATH_IMAGE061
，计算出实际测量点
Figure 330004DEST_PATH_IMAGE031
的坐标；
三维曲面实测的测头测量点
Figure 426136DEST_PATH_IMAGE031
的坐标为：
Figure 200057DEST_PATH_IMAGE063
                  （8）
那么，实际测量点
Figure 330824DEST_PATH_IMAGE031
和理论测量点
Figure 531999DEST_PATH_IMAGE002
的误差为：
           （9）
这样，通过实际测量点和理论测量点的误差补偿，来修正测量过程中由测头半径带来的误差；
实施例3：
根据实施例2所述的面向自由曲面的接触式测量误差补偿系统的补偿方法，将上述的算法编入在测量系统的后处理模块，在后处理模块中实现误差补偿；测量完成后，打开在机测量系统的生成测量报告模块，点击导出测量报告菜单，导出点信息及点误差信息；首先，通过分析点信息及点误差信息，查看测量误差（ΔX、ΔY、ΔZ）是否在可接受范围内，如果在可接受范围内工件合格，否则不合格；其次通过对点信息及点误差的分析，确定误差是由测量误差产生还是由机床本体误差产生，或者由工件加工误差产生；通过工件的加工误差产生原因分析，得出工件型面的刚度场分布，推出型面的加工难易程度，然后在下次加工的时候改变工件刚度场或者改变加工方法来指导实际生产；最后通过对点信息及点误差的分析，针对性的编写机床加工程序，对误差过大的工件进行二次加工修整，直到工件合格。
实施例4：
所述的面向自由曲面的接触式测量误差补偿系统，
系统构成与测试的试件：
本系统的三轴机床使用的是大连机床集团有限责任公司生产的VDL1000E型立式加工中心，其数控系统作为在机测量系统中测量运动的基础，是数据记录的载体，采用的FANUC 0i-MD数控系统，X、Y、Z三个方向的行程1200mm，560mm，600mm，主轴最高转速为8000r/min，刀库最大容量为20把，定位精度±0.012mm/全程，重复定位精度±0.008mm/全程，并且它提供了RS232外部控制接口。测头采用哈尔滨先锋机电技术开发有限公司的OP550三维触发式球形测头，该测头的复位精度为1.0μm，测针为陶瓷杆红宝石测球，测球直径6mm，红外传输式，在测头内部装有蓄电池以提供能源，信号接收器与数控加工中心电柜箱相连接，信号传输距离为8m。测量软件系统使用UG平台，通过grip、C++及机床宏程序进行二次开发。该算法通过编程嵌入该软件系统。本次实验对该凹模的平缓区和陡峭区这两种不同型面进行了测量，在UG模型中测量位置及测量点如图9所示。
实施例5：
所述的面向自由曲面的接触式测量误差补偿系统，
对比试验结果：
本发明效果采用对比实验进行，参照的是采用三维光学测量仪为德国Steinbichler Optotechnik公司的COMET—L3D光学测量仪进行测量，其相机像素为1600×1200，采样点间距为200um，测量精度为15um可快速便捷的对已加工出的典型模具进行质量检验。将两种方法所得的数据整理后列举平缓区域中的9个点的坐标如表1所示。
表
Figure 2013103425028100002DEST_PATH_IMAGE065
两种方法测得平缓区的9个点坐标及误差比对
 对两种测量方法其各点在X、Y、Z方向上的误差进行整理，所得结果分别如图10、图11、图12所示。由图可知在平缓区域加工误差满足精度要求，Z方向的加工误差较大，最大误差为0.0384mm，通过误差补偿，在机测量实验所得误差曲线趋势与COMET—L3D光学测量仪测量所得误差曲线趋势基本一致，误差比对接近。例举的陡峭区域9个点的坐标如表2所示。
表2两种方法测得陡峭区的9个点坐标的误差比对
Figure DEST_PATH_IMAGE068
对两种测量方法其各点在X、Y、Z方向上的误差进行整理，所得结果分别如图13、图14、图15所示，Y方向的误差较大，最大误差为0.0473mm。通过误差补偿方法，使该接触式测量的误差曲线趋势与COMET—L3D光学测量仪测量所得误差曲线趋势基本一致，误差比对接近，测量过程的误差在0.03mm左右。通过实验也证明了此在机测量系统的实际应用能力。其次通过测量得出的误差可以看出，工件的误差基本满足加工误差要求（最大处0.0473mm）,也即工件合格。但陡峭区的加工误差要稍高于平缓区的加工误差。一方面是因为陡峭区在加工时刚度场的分布原因，另一方面是由于加工陡峭区时震颤要大于平缓区，所以在加工时要适当降低进给量和背吃刀量，这样可以有效的降低加工误差。
在测量二维曲面及三维自由曲面时，经编写的具有上述偏置面加小平面半径补偿算法的哈尔滨理工大学在机测量软件实验验证，并与COMET—L3D光学测量仪进行对比，具有成本低，操作简单，测量速度快、精度高等特点，能有效地提高工件加工的精度和效率。

Claims (3)

1.一种面向自由曲面的接触式测量误差补偿系统，其组成包括: 红宝石测头，其特征是: 所述的红宝石测头与陶瓷测杆连接，所述的陶瓷测杆与压力传感器连接，所述的压力传感器与信号发射器连接，所述的压力传感器与刀柄连接，所述的刀柄与三轴机床连接，所述的信号发射器与信号接收器通过无线信号连接，所述的信号接收器安装在所述的三轴机床上，所述的信号接收器与所述的三轴机床的JA40接口电连接，所述的三轴机床与电脑主机电连接。
2.一种面向自由曲面的接触式测量误差补偿系统的补偿方法，其特征是:
（1）二维曲面加工误差补偿方法：
对于二维曲线表示的曲面，首先选择一个测量引导点                                                ，引导点
Figure 306586DEST_PATH_IMAGE001
在模型中的作用是利用引导点的Z轴与偏置面相交得到理论测量点的测头球心；在实际测量中，引导红宝石侧头在实际工件上寻找相应的模型上的匹配点进行测量；
然后用对工件理想曲面δ进行偏移，得到测头球心的偏移曲面
Figure 582847DEST_PATH_IMAGE002
，此时偏移面
Figure 144278DEST_PATH_IMAGE002
和引导点
Figure 774498DEST_PATH_IMAGE001
的垂直方向有个交点（
Figure 204211DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，），也就是理论测头球心，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
点为理论测量点，如果是理想工件，实际测量点和理论测量点重合；引导点
Figure 129628DEST_PATH_IMAGE001
的坐标（
Figure 117918DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 757846DEST_PATH_IMAGE010
）从工件理论模型中读取，如果理论测量点点的法线方向
Figure 602174DEST_PATH_IMAGE012
，对于二维曲线表示的曲面，则理论测量点
Figure 239829DEST_PATH_IMAGE011
点的坐标（
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 904029DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
）为：
Figure 84999DEST_PATH_IMAGE016
         （1）
在实际测量中，由于加工中存在各种误差因素的影响，理论模型上的理论测量点和实际工件上测得的测量点不完全重合；
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为工件的实际加工曲面，
Figure 783833DEST_PATH_IMAGE018
为工件的实际偏移曲面；
记实际测头球心
Figure DEST_PATH_IMAGE019
（
Figure 389127DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 71781DEST_PATH_IMAGE022
），在对距离
Figure 994125DEST_PATH_IMAGE019
点的
Figure DEST_PATH_IMAGE023
方向正负方向0.5mm各取一个点
Figure 547466DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure DEST_PATH_IMAGE025
，此时过
Figure 120399DEST_PATH_IMAGE026
点
Figure DEST_PATH_IMAGE027
的垂直方向与轴的夹角为
Figure 216717DEST_PATH_IMAGE028
：
Figure 371328DEST_PATH_IMAGE029
                            （2）
经过实际测头球心
Figure 966258DEST_PATH_IMAGE019
的实际偏置曲面的垂线与实际加工曲线相交与
Figure DEST_PATH_IMAGE031
点，
Figure 289792DEST_PATH_IMAGE031
（，
Figure DEST_PATH_IMAGE033
，
Figure 333458DEST_PATH_IMAGE034
）为实际测量点，其坐标如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE035
                   （3）
这样实际测量点
Figure 9159DEST_PATH_IMAGE031
和理论测量点
Figure 542908DEST_PATH_IMAGE011
误差为：
        （4）
现将这种利用实际测头球心
Figure 620772DEST_PATH_IMAGE019
、理论测头球心，以及过实际测头球心
Figure 659135DEST_PATH_IMAGE019
的实际偏置曲面的垂线与轴夹角对实际测量点进行修正的方法对推广到三维自由曲面的接触测量补偿；（2）三维曲面加工误差补偿方法：
在三维曲面里，各方向曲率变化不一致，接触式测量时理论测量点
Figure 165093DEST_PATH_IMAGE011
和实际测量点会随引导点
Figure 831884DEST_PATH_IMAGE001
位置和工件曲率变化而不同；首先根据工件理论模型曲面产生一个偏置距离是测头半径的偏置曲面，该偏置曲面和引导点的
Figure 657757DEST_PATH_IMAGE038
向有一个交点，这个交点就是理论测量点的测头球心
Figure 226142DEST_PATH_IMAGE037
，
Figure 507606DEST_PATH_IMAGE037
点通过工件理论模型读取出来；而曲面上理论测量点
Figure 780324DEST_PATH_IMAGE011
的法线与，
Figure DEST_PATH_IMAGE039
，轴均会有一个角度对应关系； 
根据UG中的工件理论模型，确定引导点
Figure 762559DEST_PATH_IMAGE001
点坐标（
Figure 511072DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 252150DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 693496DEST_PATH_IMAGE040
），偏置曲面与引导点
Figure 212202DEST_PATH_IMAGE001
的
Figure 967669DEST_PATH_IMAGE038
向交点为理论测针球中心
Figure 622641DEST_PATH_IMAGE037
（
Figure 172571DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 444152DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 737730DEST_PATH_IMAGE006
），
Figure DEST_PATH_IMAGE041
长度
Figure 58595DEST_PATH_IMAGE042
；红宝石测头直径为6mm，经过理论测量点
Figure 576164DEST_PATH_IMAGE011
的曲面法线与
Figure 866200DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure 760207DEST_PATH_IMAGE039
，轴线夹角、
Figure 15925DEST_PATH_IMAGE044
、
Figure DEST_PATH_IMAGE045
，由工件理论模型得出；三维曲面理论测量点
Figure 530607DEST_PATH_IMAGE011
的坐标为：
Figure 290622DEST_PATH_IMAGE046
                           （5）
同样，由于加工过程中的各种误差的存在，实际测量点和理论测量点就不会重合，现对三维曲面实际测量点
Figure 509113DEST_PATH_IMAGE031
进行误差补偿；首先确定经过实际测量点
Figure 837326DEST_PATH_IMAGE031
的实际加工曲面的法向向量，该法向向量基于微平面法求得，以测量点为中心半径为0.05-0.5mm的圆上取三点，确定一个微平面，微平面的法线方向即是经过测量点的曲面法线方向；微平面的法向方向和在实际测量时通过测头取的三个球心坐标确定的微平面法向量重合，记通过测头取的三个球心坐标依次为
Figure DEST_PATH_IMAGE047
、
Figure 167201DEST_PATH_IMAGE048
、
Figure DEST_PATH_IMAGE049
；
设微平面法向量
Figure DEST_PATH_IMAGE051
（
Figure 449016DEST_PATH_IMAGE052
，
Figure DEST_PATH_IMAGE053
，
Figure 56102DEST_PATH_IMAGE054
），则：
Figure DEST_PATH_IMAGE055
，
Figure 148692DEST_PATH_IMAGE056
             （6）
由此算出法向量
Figure 838299DEST_PATH_IMAGE051
（
Figure 284324DEST_PATH_IMAGE052
，
Figure 539725DEST_PATH_IMAGE053
，
Figure 6478DEST_PATH_IMAGE054
）与
Figure 386644DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure 955467DEST_PATH_IMAGE039
，
Figure 409582DEST_PATH_IMAGE038
轴的夹角，即使法向量
Figure 109553DEST_PATH_IMAGE051
与向量（1，0，0）、
Figure 304911DEST_PATH_IMAGE058
（0，1，0）、
Figure DEST_PATH_IMAGE059
（0，0，1）的夹角
Figure 482952DEST_PATH_IMAGE060
、、
Figure 119470DEST_PATH_IMAGE062
；
                        （7）
根据经过实际测量点
Figure 727693DEST_PATH_IMAGE031
加工曲面的法线方向及
Figure 816872DEST_PATH_IMAGE060
、
Figure 1865DEST_PATH_IMAGE061
、
Figure 210999DEST_PATH_IMAGE062
，计算出实际测量点
Figure 193386DEST_PATH_IMAGE031
的坐标；
三维曲面实测的测头测量点
Figure 504281DEST_PATH_IMAGE031
的坐标为：
Figure 492966DEST_PATH_IMAGE064
                  （8）
那么，实际测量点
Figure 776180DEST_PATH_IMAGE031
和理论测量点的误差为：
Figure DEST_PATH_IMAGE065
           （9）
这样，通过实际测量点和理论测量点的误差补偿，来修正测量过程中由测头半径带来的误差。
3.根据权利要求2所述的面向自由曲面的接触式测量误差补偿系统的补偿方法，其特征是：将上述的算法编入在测量系统的后处理模块，在后处理模块中实现误差补偿；测量完成后，打开在机测量系统的生成测量报告模块，点击导出测量报告菜单，导出点信息及点误差信息；首先，通过分析点信息及点误差信息，查看测量误差（ΔX、ΔY、ΔZ）是否在可接受范围内，如果在可接受范围内工件合格，否则不合格；其次通过对点信息及点误差的分析，确定误差是由测量误差产生还是由机床本体误差产生，或者由工件加工误差产生；通过工件的加工误差产生原因分析，得出工件型面的刚度场分布，推出型面的加工难易程度，然后在下次加工的时候改变工件刚度场或者改变加工方法来指导实际生产；最后通过对点信息及点误差的分析，针对性的编写机床加工程序，对误差过大的工件进行二次加工修整，直到工件合格。
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