CN105841658A - 一种探针式轮廓仪形貌测量动态误差的控制方法 - Google Patents

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许斌
刘乾乾
赵世平
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B21/00—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant
    • G01B21/20—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring contours or curvatures, e.g. determining profile
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
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    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation

Abstract

本发明公开了一种探针式轮廓仪形貌测量动态误差的控制方法，涉及探针式轮廓仪形貌测量领域，以下步骤，(1)、确定轮廓仪形貌测量基本参数；(2)、构建测量力模型以及测量力分析；(3)、构建探针跳动的动力学模型；(4)、被测工件形貌测量的仿真；(5)、根据测量要求，优化选择测量速度与工件装夹高度。本发明不需要修改轮廓仪的硬件结构，针对具体的被测工件和测量要求设置扫描速度与工件的装夹高度，实现对测量动态误差和测量力的优化控制。

Description

一种探针式轮廓仪形貌测量动态误差的控制方法
技术领域
本发明涉探针式轮廓仪形貌测量领域，特别涉及一种探针式轮廓仪形貌测量动态误差的控制方法。
背景技术
探针式轮廓仪是机械加工中用于工件几何形貌精度测量的重要工具。使用探针式轮廓仪测量工件表面形貌时，要求探针时刻与工件表面保持接触，这样轮廓仪的输出就能真实地呈现工件表面的形貌变化，否则将引入测量的动态误差，同时还要求探针与工件表面的接触力不能超过工件表面被探针划破或者刺透的预警力。
测量的动态误差和测量力是一对相互制约的关键参数。通常的方法是：研究探针式轮廓仪机械结构本身的动力学特性，通过修改轮廓仪硬件的方法来增加等效刚度，减小等效质量或者修改阻尼系数的方法来控制测量的动态误差。
然而，等效刚度与减小等效质量会导致测量的加大，增加工件被损坏的风险；修改轮廓仪的硬件结构会增加经济层本与技术层本；轮廓仪的动力学行为不仅和自身的机械结构有关系，还和被测工件的几何形貌特征以及测量的测速和样品的初始高度有关联，在没有具体形貌测量条件约束的情况下，单一的修改轮廓仪的机械结构来控制测量的动态误差的方法可能会失效。
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种探针式轮廓仪形貌测量动态误差的控制方法。
本发明所采用的技术方案是：一种探针式轮廓仪形貌测量动态误差的控制方法，包括以下步骤，(1)、确定轮廓仪形貌测量基本参数；(2)、构建测量力模型以及测量力分析；(3)、构建探针跳动的动力学模型；(4)、被测工件形貌测量的仿真；(5)、根据测量要求，优化选择测量速度与工件装夹高度。
所述步骤(1)所确定轮廓仪形貌测量基本参数包括被测工件名义几何特征ys＝f(x)、轮廓仪等效刚度k、轮廓仪阻尼系数c、轮廓仪等效质量m、最低测量速度v_low、最大测量力F_max和最大动态误差s_max；所述步骤(1)中被测工件名义几何特征的数学描述ys＝f(x)可通过工件装夹高度h进行修改。
所述步骤(2)中构建测量力模型所引入的参数有轮廓仪等效刚度k、轮廓仪阻尼系数c、轮廓仪等效质量m、测量速度v、重力加速度g和被测工件几何特征ys；所述步骤(2)测量力分析中，当测量力F<0时，轮廓仪探针与被测工件表面分离，发生探针跳动， 引入测量动态误差s。
所述步骤(3)中构建探针跳动的动力学模型所引入的参数有轮廓仪等效刚度k、轮廓仪阻尼系数c、轮廓仪等效质量m、测量速度v、重力加速度g以及探针跳动时的初始高度y_P0和初始速度v_P0；所述步骤(3)中探针跳动时的初始高度y_P0和初始速度v_P0由步骤(2)测量力模型中在测量力从大于零到小于零的变化时刻分析得到。
所述步骤(4)被测工件形貌测量的仿真中，根据步骤(2)测量力的分析结果，当测量力F≥0时，轮廓仪探针与被测工件表面接触，轮廓仪输出y＝ys，当测量力F<0时，轮廓仪输出y由步骤(3)分析得到；所述步骤(4)所引入的变量是测量速度v和工件装夹高度h；所述步骤(4)的输出结果是在不同测量速度v和工件装夹高度h情况下的动态误差谱和测量力谱。
本发明的有益效果：
本发明不需要修改轮廓仪的硬件结构，针对具体的被测工件和测量要求设置扫描速度与工件的装夹高度，实现对测量动态误差和测量力的优化控制。
附图说明
图1是本发明一种探针式轮廓仪形貌测量动态误差的控制方法的流程图。
图2是探针式轮廓仪与工件表面形貌接触时的动力学模型示意图。
图3是轮廓仪探针跳动时的动力学模型示意图。
具体实施方式
本发明的特征及优点将通过实施例结合的附图进行详细说明。
如图1所示，一种探针式轮廓仪形貌测量动态误差的控制方法，包括以下步骤，(1)、确定轮廓仪形貌测量基本参数；(2)、构建测量力模型以及测量力分析；(3)、构建探针跳动的动力学模型；(4)、被测工件形貌测量的仿真；(5)、根据测量要求，优化选择测量速度与工件装夹高度。
步骤(1)首先确定轮廓仪形貌测量基本参数，分别包括被测工件名义几何特征ys＝f(x)、轮廓仪等效刚度k、轮廓仪阻尼系数c、轮廓仪等效质量m、最低测量速度v_low、最大测量力F_max和最大动态误差s_max；步骤(1)中被测工件名义几何特征的数学描述ys＝f(x)可通过工件装夹高度h进行修改。
步骤(2)引入相关参数构建测量力的数学模型，测量力的数学模型由探针式轮廓仪与工件表面形貌相互耦合的动力学模型推导获得。
探针式轮廓仪与工件表面形貌相互耦合的动力学模型如图2所示；该动力学模型引 入的参数有轮廓仪等效刚度k、轮廓仪阻尼系数c、轮廓仪等效质量m、测量速度v、重力加速度g和被测工件几何特征ys；该动力学模型的数学描述为假设探针与工件表面时刻保持接触，那么探针的输出y将等于工件表面形貌ys；所得到的测量力的数学描述为F＝mv2f″(x)+cvf′(x)+ky+mg；利用测量力的数学模型进行数值分析，测量力F≥0时，轮廓仪探针与被测工件表面接触，当测量力F<0时，轮廓仪探针与被测工件表面分离，发生探针跳动，引入测量动态误差s。
步骤(3)构建探针跳动的动力学模型，如图3所示；所引入的参数有轮廓仪等效刚度k、轮廓仪阻尼系数c、轮廓仪等效质量m、测量速度v、重力加速度g以及探针跳动时的初始高度y_P0和初始速度v_P0；点P0为探针跳动与工件表面的分离点，点Pj为探针的实际位置，点Pi为探针实际位置所对应的工件表面的位置，点Pj与点Pi的高度差为探针跳动所引入的动态误差s；探针发生跳动时的动力学模型的数学描述为探针跳动时的初始高度y_P0和初始速度v_P0由步骤(2)测量力模型中在测量力从大于零到小于零的变化时刻分析得到。
步骤(4)被测工件形貌测量的仿真中，根据步骤(2)测量力的分析结果，当测量力F≥0时，轮廓仪探针与被测工件表面接触，轮廓仪输出y＝ys，当测量力F<0时，轮廓仪输出y由步骤(3)分析得到；所述步骤(4)所引入的变量是测量速度v和工件装夹高度h；所述步骤(4)的输出结果是在不同测量速度v和工件装夹高度h情况下的动态误差谱和测量力谱。
步骤(5)分析步骤(4)所得的动态误差谱和测量力谱，方法是利用测量速度v和工件装夹高度h分别为X,Y坐标，利用动态误差s为Z坐标构建动态误差s关于测量速度v和工件装夹高度的三维图形，然后根据测量力谱在不同动态误差数据点上赋予不同的颜色变化，最后根据关于最低测量速度v_low、最大测量力F_max和最大动态误差s_max的要求选择最优化的测量速度v和工件装夹高度h。

Claims (5)

1.一种探针式轮廓仪形貌测量动态误差的控制方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)、确定轮廓仪形貌测量基本参数；
(2)、构建测量力模型以及测量力分析；
(3)、构建探针跳动的动力学模型；
(4)、被测工件形貌测量的仿真；
(5)、根据测量要求，优化选择测量速度与工件装夹高度。
2.如权利要求1所述的一种探针式轮廓仪形貌测量动态误差的控制方法，其特征是：所述步骤（1）所确定轮廓仪形貌测量基本参数包括被测工件名义几何特征ys=f(x)、轮廓仪等效刚度k、轮廓仪阻尼系数c、轮廓仪等效质量m、最低测量速度v_low、最大测量力F_max和最大动态误差s_max；所述步骤（1）中被测工件名义几何特征的数学描述ys=f(x)可通过工件装夹高度h进行修改。
3.如权利要求1所述的一种探针式轮廓仪形貌测量动态误差的控制方法，其特征是：所述步骤（2）中构建测量力模型所引入的参数有轮廓仪等效刚度k、轮廓仪阻尼系数c、轮廓仪等效质量m、测量速度v、重力加速度g和被测工件几何特征ys；所述步骤（2）测量力分析中，当测量力F<0时，轮廓仪探针与被测工件表面分离，发生探针跳动，引入测量动态误差s。
4.如权利要求1所述的一种探针式轮廓仪形貌测量动态误差的控制方法，其特征是：所述步骤（3）中构建探针跳动的动力学模型所引入的参数有轮廓仪等效刚度k、轮廓仪阻尼系数c、轮廓仪等效质量m、测量速度v、重力加速度g以及探针跳动时的初始高度y_P0和初始速度v_P0；所述步骤（3）中探针跳动时的初始高度y_P0和初始速度v_P0由步骤（2）测量力模型中在测量力从大于零到小于零的变化时刻分析得到。
5.如权利要求1所述的一种探针式轮廓仪形貌测量动态误差的控制方法，其特征是：所述步骤（4）被测工件形貌测量的仿真中，根据步骤（2）测量力的分析结果，当测量力F≥0时，轮廓仪探针与被测工件表面接触，轮廓仪输出y=ys，当测量力F<0时，轮廓仪输出y由步骤（3）分析得到；所述步骤（4）所引入的变量是测量速度v和工件装夹高度h；所述步骤（4）的输出结果是在不同测量速度v和工件装夹高度h情况下的动态误差谱和测量力谱。
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