CN106247927B - 一种负曲率直纹曲面表面粗糙度测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种负曲率直纹曲面表面粗糙度测量装置，包括安装部件、平动单元、工作平台、转动单元和测量单元，平动单元用于实现测量单元相对于工作平台的三轴向位移；工作平台用于放置待测工件；转动单元用于实现测量单元的姿态的调整，测量单元安装在转动单元的转动端上，该装置可实现具有大曲率特征的负曲率直纹曲面工件的表面粗糙度的测量，且测量过程中的扫描方式符合国家标准。本发明还公开了一种负曲率直纹曲面表面粗糙度测量方法，通过输入坐标的方式设定待测点，可实现待测工件表面任一点的重复定点定位测量，使用户操作更为便捷。

Description

一种负曲率直纹曲面表面粗糙度测量装置及方法
技术领域
本发明属于复杂曲面表面粗糙度测量技术领域，具体涉及一种基于标准扫描方式的负曲率直纹曲面表面粗糙度测量装置及方法。
背景技术
表面粗糙度是机械加工中用来描述表面微观形貌非常重要的一个参数，表面粗糙度测量技术是现代精密测试计量技术的一个重要组成部分。
现有的粗糙度测量仪从测量使用方便性，主要分为手持便捷式和台式两种，前者体积小巧便捷，姿态可任意调整，但需手动调整，无法实现重复定点定位；后者体积较大，操作复杂，但能够精确定位到待测区域，可实现重复定点定位测量，且测量结果精准。从测量原理上，主要分为接触式和非接触式两种，其中接触式粗糙度仪发展较为成熟、测量精度更高、测量范围广、工作稳定，因而市场上大多采用触针式的测量方法。
当前，测头可沿空间三坐标自由移动的台式接触式粗糙度测量仪能够很好的完成曲率相对较小曲面的表面粗糙度测量。然而，如图1所示，直纹曲面作为曲面中具有大曲率特征的负曲率曲面的典型代表，一般的三轴台式接触式粗糙度测量仪因其测头只具备伸缩扫描功能，使得在测量这类工件表面粗糙度时，无法通过调整工件的安装姿态，以保证粗糙度测量探针的扫描方向垂直于直纹曲面的加工纹理方向。根据《GB 10610-89触针式仪器测量表面粗糙度的规则和方法》，这种测量结果是不符合要求的，测量结果也是不准确的。
近几年出现的REVO五轴测量系统，该系统通过结合三坐标测量机、雷尼绍Revo测座以及SFP1粗糙度测头，能够实现复杂空间曲面表面粗糙度的接触式测量。然而，在测量上述直纹曲面表面粗糙度时，由于SFP1粗糙度测头也只具备伸缩扫描功能，因而为了使探针的扫描方向符合垂直于加工纹理方向的要求，在测量过程中REVO五轴测量系统需借助三坐标测量机各平动轴的联动运动来满足这一要求。该测量方式虽可以实现复杂空间曲面表面粗糙度的测量且探针的扫描方向符合GB 10610-89的要求，但测量过程中三坐标机各平动轴的运动误差势必会使得测量结果产生偏差。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供一种结构合理，测量准确度高的负曲率直纹曲面表面粗糙度测量装置。
本发明的另一目的是提供一种负曲率直纹曲面表面粗糙度测量方法，以实现具有大曲率特征的负曲率直纹曲面上任一点表面粗糙度的重复定点定位测量，且确保测量过程中的扫描方式符合国家标准。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种负曲率直纹曲面表面粗糙度测量装置，包括：
安装部件，用于安装各单元，包括基座以及位于基座上方的横梁；
平动单元，用于实现测量单元相对于工作平台的三轴向位移，包括沿X轴方向安装在基座上的X向滑台，沿Y轴方向安装在横梁上的Y向滑台，沿Z轴方向安装在Y向滑台的移动端上的Z向滑台；
工作平台，用于放置待测工件，安装在X向滑台的移动端上；
转动单元，用于实现测量单元的姿态的调整，安装在Z向滑台的移动端上，测量单元安装在转动单元的转动端上。
优选地，所述转动单元包括A轴电机、B轴电机和C轴电机，C轴电机沿Z轴方向安装在Z向滑台的移动端上，B轴电机安装在C轴电机的转动端上，B轴电机轴线与C轴电机轴线正交；A轴电机安装在B轴电机的转动端上，A轴电机轴线与B轴电机轴线正交。
优选地，所述A轴电机、B轴电机和C轴电机的轴线交于一点。
优选地，所述A轴电机通过A轴电机安装座安装在B轴电机的转动端上，B轴电机通过B轴电机安装座安装在C轴电机的转动端上，C轴电机通过C轴电机安装座安装在Z向滑台的移动端上。
优选地，所述测量单元包括粗糙度测头以及用于固定粗糙度测头的夹头，夹头安装在A轴电机的转动端上，粗糙度测头的探针位于A轴电机的轴线上。
优选地，所述粗糙度测头为触针式，探针扫描方式为横向移动式。
本发明进一步提供了一种负曲率直纹曲面表面粗糙度测量方法，包括如下步骤：
S1、将待测工件装夹在工作平台上，并确定机床原点和工件原点，将工件原点设定为基准坐标系原点；
S2、给定粗糙度测头的探针沿待测点法向方向移动的搜索距离L，以确定定位点；
S3、给定粗糙度测头向定位点移动的定位速度V1，以及从定位点向待测点移动的测量速度V2；
S4、使定粗糙度测头首先以给定的定位速度V1从基准坐标系原点移动至定位点，且到达的姿态为：探针的法线方向为待测点的法向方向、探针的扫描方向为沿直纹曲面基线方向的切向方向；然后以测量速度V2从定位点沿待测点的法向方向移动，直至到达待测点；
优选地，所述直纹曲面基线方向的切向量垂直于刀具的加工纹理方向。
本发明的有益效果是：本发明所提供的负曲率直纹曲面表面粗糙度测量装置及方法，可实现具有大曲率特征的负曲率直纹曲面工件的表面粗糙度的测量，且测量过程中的扫描方式符合国家标准。此外，通过输入坐标的方式设定待测点，可实现待测工件表面任一点的重复定点定位测量，使用户操作更为便捷。
附图说明
图1是现有技术中具有大曲率特征的负曲率直纹曲面的工件；
图2是本发明负曲率直纹曲面表面粗糙度测量装置的结构示意图；
图3是本发明安装部件和平动单元的结构示意图；
图4是本发明转动单元的结构示意图；
图5是本发明测量单元的结构示意图；
图6是本发明测量单元的同轴安装示意图；
图7是本发明粗糙度测头探针的横向扫描示意图；
图8是本发明负曲率直纹曲面表面粗糙度测量方法的定位及测量过程示意图。
附图标记说明：1、安装部件；11、基座；12、横梁；13、立柱；2、平动单元；21、X向滑台；22、Y向滑台；221、Y向移动件；23、Z向滑台；3、转动单元；31、A轴电机；32、A轴电机安装座；33、B轴电机；34、B轴电机安装座；35、C轴电机；36、C轴电机安装座；4、测量单元；41、粗糙度测头；411、探针；42、夹头；5、工作平台。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：
如图2至图7所示，本发明的一种负曲率直纹曲面表面粗糙度测量装置，包括安装部件1、平动单元2、转动单元3、测量单元4和工作平台5，安装部件1用于安装各单元，包括基座11、横梁12和立柱13；立柱13对称安装于基座11上，横梁12采用双端支撑的方式安装于所述的立柱13上。
工作平台5用于放置待测工件，如图3所示，基座和工作平台都优选为长方体，工作平台的长边、短边、高度方向分别平行于基座的长边、短边、高度方向。并将工作平台的长边方向设为该装置基准坐标系的X轴方向，工作台的短边方向设为该装置基准坐标系的Y轴方向，工作台的高度方向设为该装置基准坐标系的Z轴方向。
平动单元2用于实现测量单元4相对于工作平台5的三轴向位移，包括X向滑台21、Y向滑台22和Z向滑台23。X向滑台21沿X轴方向安装在基座11中间位置上，工作平台5安装在X向滑台21的移动端上。Y向滑台22沿Y轴方向安装在横梁12上，Z向滑台23沿Z轴方向安装在Y向滑台22的移动端Y向移动件221上。X向滑台、Y向滑台和Z向滑台均采用伺服电机驱动。
转动单元3用于实现测量单元4的姿态的调整，转动单元3安装在Z向滑台23的移动端上，测量单元4安装在转动单元3的转动端上。
转动单元3包括A轴电机31、B轴电机33和C轴电机35，C轴电机35沿Z轴方向安装在Z向滑台23的移动端上，B轴电机33安装在C轴电机35的转动端上，B轴电机33轴线与C轴电机35轴线正交。A轴电机31安装在B轴电机33的转动端上，A轴电机31轴线与B轴电机33轴线正交。且A轴电机31、B轴电机33和C轴电机35的轴线交于一点。在本实施例中，A轴电机31、B轴电机33和C轴电机35为DD直驱马达。
如图4所示，A轴电机31通过A轴电机安装座32安装在B轴电机33的转动端上，B轴电机33通过B轴电机安装座34安装在C轴电机35的转动端上，C轴电机35通过C轴电机安装座36安装在Z向滑台23的移动端上。A轴电机安装座32，B轴电机安装座34和C轴电机安装座36的具体结构可根据实际需要设置。
如图5和图6所示，测量单元4包括粗糙度测头41以及用于固定粗糙度测头41的夹头42，夹头42安装在A轴电机31的转动端上，粗糙度测头41的探针411位于A轴电机31的轴线上。在本实施例中，夹头42通过松紧螺栓实现对粗糙度测头的夹持功能。
如图7所示，粗糙度测头41为触针式，探针411扫描方式为横向移动式，因而可将较长的粗糙度测头探入狭小或受限的测量区间内进行测量。
如图8所示，本发明还提供一种基于上述测量装置的负曲率直纹曲面表面粗糙度测量方法，包括以下步骤：
S1、将待测工件装夹在工作平台上，并确定机床原点和工件原点，将工件原点设定为基准坐标系原点。
S2、给定粗糙度测头的探针沿待测点法向方向移动的搜索距离L，以确定定位点。
S3、给定粗糙度测头向定位点移动的定位速度V1，以及从定位点向待测点移动的测量速度V2。
S4、使定粗糙度测头首先以给定的定位速度V1从基准坐标系原点移动至定位点，且到达的姿态为：探针的法线方向为待测点的法向方向、探针的扫描方向为沿直纹曲面基线方向的切向方向；然后以测量速度V2从定位点沿待测点的法向方向移动，直至到达待测点；如图1所示，根据直纹面的加工工艺可知，直纹曲面基线方向的切向量垂直于刀具的加工纹理方向。此时，粗糙度测头定位成功。
S5、启动粗糙度测头，探针开始横向扫描，存储该点粗糙度测量数据，打印测量结果报表，完成粗糙度测量。
上述测量方法首先设定基准坐标系原点，然后给定搜索距离L、定位速度V1以及测量速度V2，通过粗糙度测头的移动时间可计算出定位点和待测点的坐标，从而实现对定位点和待测点的定位，可实现待测工件表面任一点的重复定点定位测量。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种负曲率直纹曲面表面粗糙度测量方法，其特征在于包括如下步骤：
S1、将待测工件装夹在工作平台上，并确定机床原点和工件原点，将工件原点设定为基准坐标系原点；
S2、给定粗糙度测头的探针沿待测点法向方向移动的搜索距离L，以确定定位点；
S3、给定粗糙度测头向定位点移动的定位速度V1，以及从定位点向待测点移动的测量速度V2；
S4、使定粗糙度测头首先以给定的定位速度V1从基准坐标系原点移动至定位点，且到达的姿态为：探针的法线方向为待测点的法向方向、探针的扫描方向为沿直纹曲面基线方向的切向方向；然后以测量速度V2从定位点沿待测点的法向方向移动，直至到达待测点；
S5、启动粗糙度测头，探针开始横向扫描，存储该点粗糙度测量数据，打印测量结果报表；
应用上述方法的负曲率直纹曲面表面粗糙度测量装置，包括：
安装部件(1)，用于安装各单元，包括基座(11)以及位于基座(11)上方的横梁(12)；
平动单元(2)，用于实现测量单元(4)相对于工作平台(5)的三轴向位移，包括沿X轴方向安装在基座(11)上的X向滑台(21)，沿Y轴方向安装在横梁(12)上的Y向滑台(22)，沿Z轴方向安装在Y向滑台(22)的移动端上的Z向滑台(23)；
工作平台(5)，用于放置待测工件，安装在X向滑台(21)的移动端上；
转动单元(3)，用于实现测量单元(4)的姿态的调整，安装在Z向滑台(23)的移动端上，测量单元(4)安装在转动单元(3)的转动端上；
所述转动单元(3)包括A轴电机(31)、B轴电机(33)和C轴电机(35)，C轴电机(35)沿Z轴方向安装在Z向滑台(23)的移动端上，B轴电机(33)安装在C轴电机(35)的转动端上，B轴电机(33)轴线与C轴电机(35)轴线正交；A轴电机(31)安装在B轴电机(33)的转动端上，A轴电机(31)轴线与B轴电机(33)轴线正交；
所述A轴电机(31)、B轴电机(33)和C轴电机(35)的轴线交于一点；A轴电机(31)、B轴电机(33)和C轴电机(35)为DD直驱马达；
所述A轴电机(31)通过A轴电机安装座(32)安装在B轴电机(33)的转动端上，B轴电机(33)通过B轴电机安装座(34)安装在C轴电机(35)的转动端上，C轴电机(35)通过C轴电机安装座(36)安装在Z向滑台(23)的移动端上；A轴电机安装座(32)，B轴电机安装座(34)和C轴电机安装座(36)的具体结构可根据实际需要设置；
所述测量单元(4)包括粗糙度测头(41)以及用于固定粗糙度测头(41)的夹头(42)，夹头(42)安装在A轴电机(31)的转动端上，粗糙度测头(41)的探针(411)位于A轴电机(31)的轴线上；
所述粗糙度测头(41)为触针式，探针(411)扫描方式为横向移动式。
2.根据权利要求1所述的负曲率直纹曲面表面粗糙度测量方法，其特征在于：所述直纹曲面基线方向的切向量垂直于刀具的加工纹理方向。
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