CN104697478B

CN104697478B - 基于恒定接触力的直纹面自适应测量方法

Info

Publication number: CN104697478B
Application number: CN201510114726.2A
Authority: CN
Inventors: 姚斌; 孙维方; 向明新; 周斌; 冯伟; 沈志煌; 张祥雷
Original assignee: Shaanxi Han Ji Precision Optical Machinery Ltd Co; Xiamen University
Current assignee: Shaanxi Hanji Precision Machinery Co ltd; Xiamen University
Priority date: 2015-03-16
Filing date: 2015-03-16
Publication date: 2016-12-28
Anticipated expiration: 2035-03-16
Also published as: CN104697478A

Abstract

基于恒定接触力的直纹面自适应测量方法，涉及曲面零件测量。首先对被测表面进行网格划分，对被测复杂曲面单元节点进行接触力和测头坐标的获取，通过次梯度的大小和方向变化对其恒定接触力的探针位移变化进行预测；在进行表面测量时重复利用平行测量路径上单元节点的位置坐标，有效提高测量效率；无需更换测量硬件设备即可自适应完成由直纹面构成的复杂曲面测量，实用性强，可有效提高测量效率减少操作流程。能够实现基于恒定接触力的直纹面自适应的测量方法，同时，使用单元法对测点进行直接半径补偿，使用次梯度法预测第二个接触点的调节位移，在路径规划中，对单元交叉节点测量数据进行重复使用，有效提高了测量的效率。

Description

基于恒定接触力的直纹面自适应测量方法

技术领域

本发明涉及曲面零件测量，尤其是涉及一种基于恒定接触力的直纹面自适应测量方法。

背景技术

坐标测量仪是集机械、控制、计算机技术为一体的大型的精密测量仪器被广泛应用于工业领域中，特别适用于测量曲面等比较难以评定加工形位质量的零件上。测量系统作为测量仪的最重要组成部分对测量精度有着重要的影响。测头部分一般由接触式测头11和探针12固连组成(见图1所示，图中标记P为被测曲面)，利用导轨实现沿相应方向上的运动并使用光栅尺对其进行移动位置测量，通过测头对被测件进行探测，实现测量任务。

国内坐标测量仪多应用微平面法修正半径，然而这种方法采用“3+2”进行修正，测点太多，测量速度比较慢。深圳大学的全荣等(全荣等.三坐标测量机测头半径对测量数据的影响及其消除方法[J].计量学报,1993,14(4):251一255)提出了一种用函数修正测头半径的方法，这种方法可以更好的补偿精度。武汉理工大学的卢红等(卢红等.测头半径补偿的方法[J].组合机床与自动化加工技术,2001,9:39一41)提出了一种类似于求测头球心等距曲面的方法实现测头半径的补偿。自适应测量方面，王平江(王平江.曲面测量、建模及数控加工集成研究[博士学位论文].武汉:华中理工大学,1996)提出了等弧长均匀网格划分技术然而需要大量的人机交互方法对其进行规划；Y.F.Zhang(YF.Zhang,A.Y.C.Nee,J.YH.Fuh.et al.A Neural Network Approach to Determining Optimal InspectionSampling Size for CMM[J].Computer Integrated Manufaeturing System,1996,3(9))提出了采用神经网络的方法对其采样点计算，然而需要进行大量加工实验来形成样本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于恒定接触力的直纹面自适应测量方法。

本发明包括以下步骤：

1)对被测表面进行x、z方向等间隔网格划分；

2)移动测头至被测表面零件起始位置；

3)沿着被测表面法向方向施加一个微小位移，通过探针刚度和位移量获取接触力大小，具体算法为：

F_y＝(y₁-y₀)×k_y

其中，F_y为探针和被测表面接触力在坐标轴y轴方向上的分量；k_y为探针在测量坐标系y方向上的刚度；y₀为探头初始位置的y轴方向坐标值；y₁为施加微小位移后的探头y轴方向坐标值；

4)根据零件装夹方式和其几何特征指定其沿着测量坐标系的大致运动路径方向；

5)沿着指定路径方向移动探针到第二测量点附近区域，其位置为起始位置沿测量方向上位移长度为ε，调节接触力与起始位置处F_y相等，沿着指定路径垂直方向移动探针到第三测量点附近区域，其位置为起始位置沿测量方向垂直方向上位移长度为ε，调节接触力与起始位置处F_y相等；

6)计算有限单元法向矢量：

\{\begin{matrix} n_{x} = (y_{1} - y_{0}) (z_{2} - z_{0}) - (y_{2} - y_{0}) (z_{1} - z_{0}) \\ n_{y} = (x_{1} - x_{0}) (z_{2} - z_{0}) - (x_{2} - x_{0}) (z_{1} - z_{0}) \\ n_{z} = (x_{1} - x_{0}) (y_{2} - y_{0}) - (x_{2} - x_{0}) (y_{1} - y_{0}) \end{matrix}

7)计算补偿后测量值：

\{\begin{matrix} x_{0}^{'} = Q_{x} - n_{x} \cdot x_{0} \\ y_{0}^{'} = Q_{y} - n_{y} \cdot y_{0} \\ z_{0}^{'} = Q_{z} - n_{z} \cdot z_{0} \end{matrix}

其中，(x′₀，y′₀，z′₀)为补偿后接触点测量值，(Q_x，Q_y，Q_z)为探针实测点坐标值；

8)计算沿测量方向上次梯度向量变化：

\frac{y^{(k + 1)} - y^{(k)}}{α_{y}^{k}} = g_{y}^{(k)}

其中，为x、y、z方向上的步长；

9)根据次梯度变化预测下一测量点x、y、z方向上调节位移量；

{Δy}_{k + 1} > {Δy}_{k}, (g_{y}^{(k + 1)} \cdot g_{y}^{(k)} > 0, g_{y}^{(k + 1)} > g_{y}^{(k)})

时，较上一测量点沿y轴向上倾斜；

{Δy}_{k + 1} < {Δy}_{k}, (g_{y}^{(k + 1)} \cdot g_{y}^{(k)} > 0, g_{y}^{(k + 1)} < g_{y}^{(k)})

时，较上一测量点沿y轴向下倾斜；

{Δy}_{k + 1} = {Δy}_{k}, (g_{y}^{(k + 1)} = g_{y}^{(k)})

时，与上一测量点等高；

时，形成凸点，减小测量步长重新测量；

时，形成凹点，减小测量步长重新测量；

10)测量下一单元至测量结束。

在步骤10)中，测量时，可重复利用上一单元重复单元节点，测量单元2时，可读取单元1的B1坐标值，避免重复测量；测量下一平行路径时，可读取上一条路径上重复的单元结点；在测量单元6～10时，可读取单元1～5的B2、C2、D2、E2、F2点，避免重复测量。

本发明首先由操作人员将探头移动至测量起始位置，探头将测量初始接触力，并保持恒定接触力不变沿着规定测量方向上进行网格化测量，通过对其次梯度的大小和方向的变化达到预测位移调整量的目标。

本发明属于曲面类零件测量技术领域，特别涉及一种通过直接接触式测头来进行接触力的获取并通过次梯度法对其进行探针位移控制以达到准确测量其形位表面的方法。该测量方法首先对被测表面进行网格划分，对被测复杂曲面单元节点进行接触力和测头坐标的获取，通过次梯度的大小和方向变化对其恒定接触力的探针位移变化进行预测。在进行表面测量时重复利用平行测量路径上单元节点的位置坐标，有效提高测量效率。该方法无需更换测量硬件设备即可自适应完成由直纹面构成的复杂曲面测量，实用性强，可有效提高测量效率减少操作流程。

本发明能够实现基于恒定接触力的直纹面自适应的测量方法，同时，使用单元法对测点进行直接半径补偿，使用次梯度法预测第二个接触点的调节位移，在路径规划中，对单元交叉节点测量数据进行重复使用，有效提高了测量的效率。

附图说明

图1为现有的测头组成示意图。

图2为被测直纹面表面。

图3为被测表面网格划分。

图4为单元法矢。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图2～4，本发明实施例包括以下步骤：

1)对被测表面进行x、z方向进行等间隔网格划分；

2)移动测头至被测表面零件起始位置(见图3A1点)；

F_y＝(y₁-y₀)×k_y

其中，F_y为探针和被测表面接触力在坐标轴y轴方向上的分量。k_y为探针在测量坐标系y方向上的刚度；y₀为探头初始位置的y轴方向坐标值；y₁为施加微小位移后的探头y轴方向坐标值；

4)根据零件装夹方式和其几何特征指定其沿着测量坐标系的大致运动路径方向，如图3箭头方向位置所示；

5)沿着指定路径方向移动探针到第二测量点附近区域，其位置为起始位置沿测量方向上位移长度为ε，调节接触力与起始位置处F_y相等。沿着指定路径垂直方向移动探针到第三测量点附近区域，其位置为起始位置沿测量方向垂直方向上位移长度为ε，调节接触力与起始位置处F_y相等；

6)计算有限单元法向矢量(如图4所示)：

\{\begin{matrix} n_{x} = (y_{1} - y_{0}) (z_{2} - z_{0}) - (y_{2} - y_{0}) (z_{1} - z_{0}) \\ n_{y} = (x_{1} - x_{0}) (z_{2} - z_{0}) - (x_{2} - x_{0}) (z_{1} - z_{0}) \\ n_{z} = (x_{1} - x_{0}) (y_{2} - y_{0}) - (x_{2} - x_{0}) (y_{1} - y_{0}) \end{matrix}

7)计算补偿后测量值：

\{\begin{matrix} x_{0}^{'} = Q_{x} - n_{x} \cdot x_{0} \\ y_{0}^{'} = Q_{y} - n_{y} \cdot y_{0} \\ z_{0}^{'} = Q_{z} - n_{z} \cdot z_{0} \end{matrix}

其中，(x′₀，y′₀，z′₀)为补偿后接触点测量值，(Q_x，Q_y，Q_z)为探针实测点坐标值。

8)计算沿测量方向上次梯度向量变化：

\frac{y^{(k + 1)} - y^{(k)}}{α_{y}^{k}} = g_{y}^{(k)}

其中，为x、y、z方向上的步长。

9)根据次梯度变化预测下一测量点x、y、z方向上调节位移量。

{Δy}_{k + 1} > {Δy}_{k}, (g_{y}^{(k + 1)} \cdot g_{y}^{(k)} > 0, g_{y}^{(k + 1)} > g_{y}^{(k)})

时较上一测量点沿y轴向上倾斜；

{Δy}_{k + 1} < {Δy}_{k}, (g_{y}^{(k + 1)} \cdot g_{y}^{(k)} > 0, g_{y}^{(k + 1)} < g_{y}^{(k)})

时较上一测量点沿y轴向下倾斜；

{Δy}_{k + 1} = {Δy}_{k}, (g_{y}^{(k + 1)} = g_{y}^{(k)})

时与上一测量点等高；

g_{y}^{(k + 1)} > 0, g_{y}^{(k)} < 0

时，形成凸点，减小测量步长重新测量；时，形成凹点，减小测量步长重新测量。

10)测量下一单元至测量结束。测量时可重复利用上一单元重复单元节点，如图3所示，测量单元2时可读取单元1的B1坐标值，避免重复测量；测量下一平行路径时可读取上一条路径上重复的单元结点；在测量单元6～10时，可读取单元1～5的B2、C2、D2、E2、F2点，避免重复测量。

Claims

1.基于恒定接触力的直纹面自适应测量方法，其特征在于包括以下步骤：

1)对被测表面进行x、z方向等间隔网格划分；

2)移动测头至被测表面零件起始位置；

F_y＝(y₁-y₀)×k_y

4)根据零件装夹方式和其几何特征指定其沿着测量坐标系的运动路径方向；

6)计算有限单元法向矢量：

\{\begin{matrix} n_{x} = (y_{1} - y_{0}) (z_{2} - z_{0}) - (y_{2} - y_{0}) (z_{1} - z_{0}) \\ n_{y} = (x_{1} - x_{0}) (z_{2} - z_{0}) - (x_{2} - x_{0}) (z_{1} - z_{0}) \\ n_{z} = (x_{1} - x_{0}) (y_{2} - y_{0}) - (x_{2} - x_{0}) (y_{1} - y_{0}) \end{matrix}

7)计算补偿后测量值：

\{\begin{matrix} x_{0}^{'} = Q_{x} - n_{x} \cdot x_{0} \\ y_{0}^{'} = Q_{y} - n_{y} \cdot y_{0} \\ z_{0}^{'} = Q_{z} - n_{z} \cdot z_{0} \end{matrix}

8)计算沿测量方向上次梯度向量变化：

\frac{y^{(k + 1)} - y^{(k)}}{α_{y}^{k}} = g_{y}^{(k)}

其中，为y方向上的步长；

时，较上一测量点沿y轴向上倾斜；

时，较上一测量点沿y轴向下倾斜；

时，与上一测量点等高；

时，形成凸点，减小测量步长重新测量；

时，形成凹点，减小测量步长重新测量；

10)测量下一单元至测量结束。

2.如权利要求1所述基于恒定接触力的直纹面自适应测量方法，其特征在于在步骤10)中，测量时，重复利用上一单元重复单元节点，测量单元2时，读取单元1的B1坐标值，避免重复测量；测量下一平行路径时，读取上一条路径上重复的单元结点；在测量单元6～10时，读取单元1～5的B2、C2、D2、E2、F2点，避免重复测量。