CN109202539B - 一种复合材料弱刚度异形结构在线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合材料弱刚度异形结构在线检测方法，该检测方法首先对待测产品的测量点坐标进行采样；其次对采样后的测量点坐标进行优化，然后利用C空间理论对测量路径进行干涉碰撞检测，得到无干涉在在位检测路径；最后通过非线性最小二乘法进行误差溯源和分离，消除位姿误差对评定精度的影响。本发明能够完成检测路径的规划和生成测量点云、获得高效无干涉的在线检测路径，消除位姿误差对评定精度的影响。

Description

一种复合材料弱刚度异形结构在线检测方法

技术领域

本发明涉及一种面向异形零件的加工精度在线检测方法，尤其是针对复合材料弱刚度结构的精密零件的加工变形进行快速在线检测，属于面向复合材料高精密零件在线检测技术。

背景技术

随着材料科学和精密加工技术的不断发展，C-SiC等复合材料零件具有质量轻、寿命长和良好的热力学性能等优点被广泛应用于航空、航天等领域，其中许多高精度关键零件为了满足各类空间约束和特殊使用功能(高温、高压和剧烈摩擦)，通常具有几何结构复杂、测量可达性差、薄壁和弱刚度等特点，在加工和测量过程中此类零件易受环境因素干扰，给精度质量等检测带来较大困难。

目前数控精密加工中应用的检测手段主要是基于三坐标测量机和专用测量仪器的离线检测，其主要局限为：(1)测量完成后，工件在机床进行二次装夹，导致原有定位信息丢失、弱刚度精密零件受力变形，难以保证后续加工精度，且增加工序辅助时间；(2)对于几何特征较多的复杂轮廓精密零件，检测量大，检测效率低；(3)对于空间几何结构复杂的精密零件，难以消除检测过程的系统误差，缺少适用的误差评定方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种复合材料弱刚度异形结构在线检测方法，该方法能够完成检测路径的规划和生成测量点云、获得高效无干涉的在线检测路径，消除位姿误差对评定精度的影响。

一种复合材料弱刚度异形结构在线检测方法，该检测方法的实现步骤如下：

步骤一：对待测产品的测量点坐标进行采样；

步骤二：对采样后的测量点坐标进行优化，使坐标更加准确；

步骤三：利用C空间理论对测量路径进行干涉碰撞检测，得到无干涉在位检测路径；

步骤四：通过非线性最小二乘法进行误差溯源和分离，消除位姿误差对评定精度的影响。

进一步地，所述步骤一中采样的过程如下：

第一步：对被测表面曲线进行参数化规范，使相邻两测量点间参数之差为常数；

第二步：在曲线上选取n个测量点，计算各点曲率半径；

第三步：计算相邻测量点之间弦差，

其中，R表示相邻两测量点的曲率半径的平均值，L表示圆心O到弦A_iA_i+1的距离；

第四步：对测量点进行第一次筛选，如果弦差h不小于H，则将该采样点纳入测量点集；反之，则舍去该采样点，并对下一个采样点以同样方法进行判断；

第五步：对测量点进行第二次筛选，如果最大容许步长S大于初始设定值，将采样点纳入到测量点集；反之，则舍去该采样点，并对下一个采样点进行同样方法进行判断。

进一步地，所述步骤二通过齐次坐标变换生成测量点，得到可直接用于数控编程的测量位置数据，包括以下步骤：

第一步：根据设定的测量步长和步骤一中求得的弦差，得到测头触点MC；

第二步：将测头触点沿测量轴半径方向偏置一个位置矢量，得到测量位置点ML，即ML＝MC+U；

其中，

测量位置点坐标可以表示为：

进一步地，所述步骤三中得到无干涉在在位检测路径的过程如下：

第一步：测头B的任一形位q可用坐标系{B}相对于{A}的位置和姿态来表示，因此B的任一形位由位置矢量

和旋转矩阵R两个参数表示，记为B(

R)；同时，将测头B在运动过程中所有不与其他刚体产生接触的形位称为其C空间模型；取单位球为参考空间，建立待测零件A与测头B在参考空间中的C空间模型，通过布尔求交运算，进行干涉碰撞检验；将待测零件表面分解为n个三角形面块，记为F_i，i∈[1，n]。面块F_i的形心记为P_i，i∈[1，n]；

第二步：计算点P_i坐标，i∈[1，n]，并计算该点处的法向

第三步：以参考坐标原点为球心建立单位球，对点P_i的法向量

进行平移，使其延长方向通过单位球球心O，并与单位球表面交于点Q_i,i∈[1，n]；

第四步：在单位球表面以Q_i为极点，得到n个半球面S_i，i∈[1，n]；

第五步：对半球面区域求交，得到零件的C空间模型A；

第六步：记测头轴线矢量为

对所有形位q重复第三、四、五步，得到测头的C空间模型B；

第七步：通过A和B的布尔求交运算，进行干涉碰撞检验：如果

则此测量路径中无干涉碰撞；否则，对重新规划测量路径并重复上述步骤，进而得到无干涉的测量路径。

进一步地，所述步骤四的误差溯源和分离过程如下：

第一步：被测线轮廓度误差与相应的被测曲线名义尺寸相比是微量，评定点N至理论曲线的距离

其中f_ix，f_iy为f(x，y)在点N处对x和y的一阶导数；

第二步：建立最小二乘法评定模；

n为测量点数目；

第三步：引入位姿误差u＝[d_x，d_y，θ]^T，测量基准与理想基准之间的偏差和相应的曲线名义尺寸相比是微量，得出齐次坐标变换表达式，

第四步：根据误差评定模型优化目标函数，

采用非线性最小二乘法表示，

第五步：进行优化求解，在迭代点x^(k)取目标函数f(x)二次近

δ^(k)为f(x)在点x^(k)处的一个下降方向，在该搜索方向进行线性搜索，x^(k+1)＝x^(k)+α_kδ^(k),并循环迭代，位姿误差逐渐趋向于0。

有益效果：

1、本发明针对检测过程中采样点之间的过大弦差，通过几何关系分析，综合考虑测头的尺寸参数和模型尺寸参数，进行检测路径规划，提高测量效率。

2、本发明能够有效避免在线检测过程中测头与零件的干涉碰撞问题，提高路径检测的效率和精度，得到无干涉碰撞的检测路径。

3、本发明在评定精密微小型零件的轮廓误差过程中，通过位姿误差溯源和分离，消除位姿误差对评定精度的影响。

附图说明

图1为本发明的在线检测方法流程图；

图2为对测量点坐标进行采样的示意图；

图3为对测量点坐标进行采样的流程图；

图4为零件干涉检验示意图；

图5为弱刚度零件在线检测结构图；

图6为零件干涉检验过程示意图

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种复合材料弱刚度异形结构在线检测方法，该方法的检测步骤如附图1所示，

步骤一：对待测产品的测量点坐标进行采样，以测量精度为前提，综合考虑测量步长、测头矢量等参数进行采样，包括以下内容：

1)对被测表面曲线进行参数化规范，使相邻两测量点间参数之差为常数；

2)在曲线上选取n个测量点，计算各点曲率半径；

3)计算相邻测量点之间弦差，

其中，R表示相邻两测量点的曲率半径的平均值，L表示圆心O到弦A_iA_i+1的距离，如图2所示；

4)对测量点进行第一次筛选。如果弦差h不小于H，则将该采样点纳入测量点集；反之，则舍去该采样点，并对下一个采样点以同样方法进行判断；

5)对测量点进行第二次筛选。如果最大容许步长S大于初始设定值，将采样点纳入到测量点集；反之，则舍去该采样点，并对下一个采样点进行同样方法进行判断；完整的测量点采样流程如图3所示。

步骤二：通过齐次坐标变换生成测量点，得到可直接用于数控编程的测量位置数据。包括以下内容：

(1)根据设定的测量步长和步骤一中求得的弦差，得到测头触点MC；

(2)将测头触点沿测量轴半径方向偏置一个位置矢量，得到测量位置点ML，即ML＝MC+U；

其中，

测量位置点坐标可以表示为：

步骤三：基于C空间理论的对测量路径进行干涉碰撞检测，得到无干涉的在位检测路径，包括以下内容：

建立C空间模型C空间理论通常用于工程机构、切削刀具以及测量头等刚体位置和姿态的数学表达。在C空间中，刚体结构被映射成一个点，干涉物体映射成C障碍物。通过建立刚体结构C空间模型，可以大大简化其运动规划的计算过程。

测头B的任一形位q可用坐标系{B}相对于{A}的位置和姿态来表示，因此B的任一形位由位置矢量

和旋转矩阵R两个参数表示，记为B(

R)。同时，将测头B在运动过程中所有不与其他刚体产生接触的形位称为其C空间模型。取单位球为参考空间，建立待测零件A与测头B在参考空间中的C空间模型，通过布尔求交运算，进行干涉碰撞检验。具体方法如下:

1)将待测零件表面分解为n个三角形面块，记为F_i，i∈[1，n]。面块F_i的形心记为P_i，i∈[1，n]；

2)计算点P_i坐标，i∈[1，n]，并计算该点处的法向

3)以参考坐标原点为球心建立单位球，对点P_i的法向量

进行平移，使其延长方向通过单位球球心O，并与单位球表面交于点Q_i,i∈[1，n]；

4)在单位球表面以Q_i为极点，得到n个半球面S_i，i∈[1，n]；

5)对半球面区域求交，得到零件的C空间模型A；

6)记测头轴线矢量为

对所有形位q重复步骤3)、4)、5)，得到测头的C空间模型B；

7)通过A和B的布尔求交运算，进行干涉碰撞检验：如果

则此测量路径中无干涉碰撞；否则，对重新规划测量路径并重复上述步骤，进而得到无干涉的测量路径，干涉检测实例图如图4所示。

步骤四：通过非线性最小二乘法进行误差溯源和分离，消除位姿误差对评定精度的影响。

1)被测线轮廓度误差与相应的被测曲线名义尺寸相比是微量，评定点N至理论曲线的距离

其中f_ix，f_iy为f(x，y)在点N处对x和y的一阶导数；

2)建立最小二乘法评定模型，

n为测量点数目；

3)引入位姿误差u＝[d_x，d_y，θ]^T，测量基准与理想基准之间的偏差和相应的曲线名义尺寸相比是微量，得出齐次坐标变换表达式，

4)根据误差评定模型优化目标函数，

采用非线性最小二乘法表示，

5)进行优化求解，在迭代点x^(k)取目标函数f(x)二次近

δ^(k)为f(x)在点x^(k)处的一个下降方向，在该搜索方向进行线性搜索，x^(k+1)＝x^(k)+α_kδ^(k),并循环迭代，位姿误差逐渐趋向于0。

如附图5所示，弱刚度环类零件在线检测系统包括数控机床、接触式测头、信号接受和处理装置(数控系统、电脑及相应软件)，在线检测系统包括NC程序编写、干涉检验、测头测量、数据分析校验、加工变形误差分析和误差补偿(确定补偿量和建构零件模型)等过程，其流程图如图6所示。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种复合材料弱刚度异形结构在线检测方法，其特征在于，该检测方法的实现步骤如下：

步骤一：对待测产品的测量点坐标进行采样；采样的过程如下：

第一步：对被测表面曲线进行参数化规范，使相邻两测量点间参数之差为常数；

第二步：在曲线上选取n个测量点，计算各点曲率半径；

第三步：计算相邻测量点之间弦差，

其中，R表示相邻两测量点的曲率半径的平均值，L表示圆心O到弦A_iA_i+1的距离；

第四步：对测量点进行第一次筛选，如果弦差h不小于H，则将该采样点纳入测量点集；反之，则舍去该采样点，并对下一个采样点以同样方法进行判断；

第五步：对测量点进行第二次筛选，如果最大容许步长S大于初始设定值，将采样点纳入到测量点集；反之，则舍去该采样点，并对下一个采样点进行同样方法进行判断；

步骤二：对采样后的测量点坐标进行优化，使坐标更加准确；通过齐次坐标变换生成测量点，得到可直接用于数控编程的测量位置数据，包括以下步骤：

第一步：根据设定的测量步长和步骤一中求得的弦差，得到测头触点MC；

第二步：将测头触点沿测量轴半径方向偏置一个位置矢量，得到测量位置点ML，即ML＝MC+U；

其中，

测量位置点坐标可以表示为：

步骤三：利用C空间理论对测量路径进行干涉碰撞检测，得到无干涉在在位检测路径；所述步骤三中得到无干涉在在位检测路径的过程如下：

第一步：测头B的任一形位q可用坐标系{B}相对于{A}的位置和姿态来表示，因此B的任一形位由位置矢量

和旋转矩阵R两个参数表示，记为

同时，将测头B在运动过程中所有不与其他刚体产生接触的形位称为其C空间模型；取单位球为参考空间，建立待测零件A与测头B在参考空间中的C空间模型，通过布尔求交运算，进行干涉碰撞检验；将待测零件表面分解为n个三角形面块，记为F_i，i∈[1，n]，面块F_i的形心记为P_i，i∈[1，n]；

第二步：计算点P_i坐标，i∈[1，n]，并计算该点处的法向

第三步：以参考坐标原点为球心建立单位球，对点P_i的法向量

进行平移，使其延长方向通过单位球球心O，并与单位球表面交于点Q_i,i∈[1，n]；

第四步：在单位球表面以Q_i为极点，得到n个半球面S_i，i∈[1，n]；

第五步：对半球面区域求交，得到零件的C空间模型A；

第六步：记测头轴线矢量为

对所有形位q重复第三、四、五步，得到测头的C空间模型B；

第七步：通过A和B的布尔求交运算，进行干涉碰撞检验：如果

则此测量路径中无干涉碰撞；否则，对重新规划测量路径并重复上述步骤，进而得到无干涉的测量路径；

步骤四：通过非线性最小二乘法进行误差溯源和分离，消除位姿误差对评定精度的影响。

2.如权利要求1所述的在线检测方法，其特征在于，所述步骤四的误差溯源和分离过程如下：

第一步：被测线轮廓度误差与相应的被测曲线名义尺寸相比是微量，评定点N至理论曲线的距离

其中f_ix，f_iy为f(x，y)在点N处对x和y的一阶导数；

第二步：建立最小二乘法评定模；

n为测量点数目；

第三步：引入位姿误差u＝[d_x，d_y，θ]^T，测量基准与理想基准之间的偏差和相应的曲线名义尺寸相比是微量，得出齐次坐标变换表达式，

第四步：根据误差评定模型优化目标函数，

采用非线性最小二乘法表示，

第五步：进行优化求解，在迭代点x^(k)取目标函数f(x)二次近

δ^(k)为f(x)在点x^(k)处的一个下降方向，在该方向进行线性搜索，x^(k+1)＝x^(k)+α_kδ^(k),并循环迭代，位姿误差逐渐趋向于0。

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