CN114777670A - 一种基于接触式测头的曲面在机测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于接触式测头的曲面在机测量方法，先对在机测量系统进行误差分析，对测头系统误差采取补偿；再进行测点提取与轨迹规划，完成五轴无干涉检测路径的规划；然后采用双三次非均匀B样条曲面重构技术，得到重构曲面；最后通过比较上述重构曲面与原始CAD模型的偏移量，进而调整数控NC代码实现零件的加工误差补偿；本发明采用在机测量，提高了曲面工件测量的精度与生产效率。

Description

一种基于接触式测头的曲面在机测量方法

技术领域

本发明属于曲面在机测量技术领域，具体说涉及一种基于接触式测头的曲面在机测量方法。

背景技术

随着航空、航天等行业的飞速发展，复杂曲面零件得到了越来越广泛的应用。如何既能提升曲面零件的加工精度，又能提高生产效率，这也是曲面零件生产中的重要课题。目前，曲面零件测量仍以离线测量为主要测量方式，即将被测曲面零件从机床上取下来待测量完成再安装回去，这也带来了二次装夹的重新定位问题，既影响加工精度有降低生产效率，所以自由曲面原位测量一直是测量领域的难题。自由曲面原位测量系统对于高精度曲面零件加工具有非常重要的意义，对于提高加工效率、实现加工过程自动化具有重要的意义。

目前，国外在机测量领域发展较为成熟，典型代表为英国公司研发的OMV在机测量软件，该软件可以根据工件CAD模型的几何特征点，生成测量路径并进行软件仿真，进而生成测量程序并完成对简单工件或复杂曲面件的高精度在机测量。相比之下国内仍处于研发阶段，距离市场较远，主要缺点为测量的稳定性与精度差。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出了一种基于接触式测头的曲面在机测量方法，具有效率高、稳定性高且精度高的特点，可用于机床上曲面工件的在机误差评定与补偿。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于接触式测头的曲面在机测量方法，包括以下步骤：

1)对在机测量系统进行误差分析，对测头系统误差采取补偿；

2)测点提取与轨迹规划，完成五轴无干涉检测路径的规划；

3)采用双三次非均匀B样条曲面重构技术，得到重构曲面；

4)通过比较上述重构曲面与原始CAD模型的偏移量，进而调整数控NC代码实现零件的加工误差补偿。

所述的步骤1)中测头系统误差为因测头导致的测头预行程误差与测头半径误差；针对测头预形程误差，采用25点测球法获取测点数据，使用最小二乘法构造方程并采用LM算法进行迭代；针对测头半径误差补偿，采用“微平面法"，首先获取工件曲面的曲面法矢，再使测头沿曲面法矢方向对曲面进行测量，从而获得测点的测头中心坐标值。

所述的步骤2)中的测点提取与轨迹规划，按“弓”字型扫描工件曲面，并采用等弦高采样法进行测点采集。

所述的步骤3)中的曲面重构技术的具体步骤为：首先求解节点矢量，进而反求控制点，最后采用非均匀三次B样条插值技术实现曲面重构。

所述的步骤4)具体为：沿着实际加工曲面上一点法矢方向上的最小距离作为理想曲面与实际加工曲面的误差，并采用DE算法计算加工误差，将加工误差作为偏移量调整NC代码补偿加工误差。

本发明的有益效果为：本发明使用微平面法对测头半径进行补偿，并采用双三次非均匀B样条法进行曲面重构，精度得到了提升；同时，本发明采用的测点路径规划方法较为稳定可靠。

本发明采用在机测量，提高了曲面工件测量的精度与生产效率。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明测头半径误差补偿示意图。

图3为本发明三次非均匀B样条基函数的节点矢量图。

图4为本发明的误差模型图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，一种基于接触式测头的曲面在机测量方法，包括以下步骤：

1)机床粗加工完自由曲面工件后，停止激光加工，更换使用接触式测头；

在机检测系统的系统误差有机床本体误差和测头系统误差；机床的本体误差取决于机床本身的定位与重复定位精度，测头系统误差来源于测头预形程误差以及测头半径误差；由于在机测量系统的主要误差为测头系统误差，事先采用补偿算法标定测头，提高数据精度；然后对测头系统误差做相应补偿；具体为：

1.1)首先，测头预行程误差是指在接触式测头的工作过程中，由于测头的机械滞后效应，使测头测量值是主轴移动一段距离后的坐标值而导致了的误差；因此，在测头首次使用、长期使用以及测头更换的情况下需要进行测头标定以减小预行程误差；具体是通过标定球采用25点测球法获取测点数据，使用最小二乘法构造方程：

其中，(X0,Y0,Z0)为标定球球心坐标，(X,Y,Z)为实测的测头球心坐标，R为球面半径，由球面参数方程可以构建最小二乘目标函数F，对F求偏导构造形如ATAX＝ATb的方程，求解方程便可得到球心坐标与球半径；为提高精度，再使用LM算法对标定球心坐标与球面半径进行迭代：

其中，xi表示触碰时测头球心的坐标值，x表示标定球中心坐标，r0表示标定球半径值；求出球心坐标与球半径后易获得测量点到标定球心的距离D，计算D的最大值与最小值的差值就可以得到测头预行程误差；

1.2)采用“微平面法"进行测头半径补偿，先获取工件曲面的曲面法矢，再使测头沿曲面法矢方向对曲面进行测量，从而获得测点的测头中心坐标值；原理如图2所示，在矢量三角形ΔOPQ中，Q为测头中心，P为实际接触点，O为坐标系原点，有数学关系：

故测头半径补偿时，不能在原法矢方向上直接减去一个半径，而应该利用所有测点的测头中心坐标值对测点数据进行曲面重构，并反求出各测点的法矢，进而进行测头半径补偿；由测点构成的含有(n+1)×(m+1)个控制点的非均匀B样条曲面分别对u、v方向求偏导可得：

其中Ni,2(u),Ni,3(u),Nj,2(v),Nj,3(v)为B样条基函数，Pi,j为控制点，Su(u,v),Sv(u,v)分别为曲面上的点沿u向和y向的切矢量，且满足Su×v＝Su(u,v)×Sv(u,v)；由此可推导出曲面任意点的法向单位矢量与补偿公式：

其中r为测头半径值，P(u,v)为补偿公式；

2)测量前规划测量轨迹并确定测点数量，然后利用接触式测头对曲面的规划点进行检测，曲面的规划点实际测量坐标由机床实时反馈到计算机中；

在对工件曲面测量前需要对测点轨迹与采样方法进行优化，依据测量轨迹应尽量与加工轨迹一致的原则，可对工件曲面进行扫描式测量；具体地，可以按“弓”字型扫描曲面，待测头沿x轴方向测完一行后再测下一行；曲面上采样点的选取至少需要满足逆向造型的最低要求，但实际上却很难计算确定某曲面所需最少测量点数，因此应在曲面曲率有突变处布置较多测点，平滑处布置较少测点；

针对自由曲面的采样采取等弦高采样法，具体步骤为：

2.1)对曲面上的一条测量轨迹等步长布置采样点，要求采样点数n在平滑处仍然满足采样密度要求；

2.2)连接相邻的测点，则测量轨迹可连接得到n-1条弦，每条弦与曲线轨迹的最大距离定义为弦高Di(i＝1,2,...,n)，设置阈值δ，比较最大弦弦高Di与阈值δ；

2.3)当Di<δ时，表示该段采样精度满足要求，反之则未满足要求，须在弧中点增加采样点；P0i(i＝1,2…,n)为等步长均匀布置采样点，Pji(i＝1,2…,n)为在第i段弧上进行的第j次增加采样密度；重复步骤2.2)，直到测量轨迹上所有的弦高都小于阈值δ，则测量轨迹的采集点分布满足测量精度要求；最后，测点个数的确定可依据经验公式：

其中K为加工系统的工艺能力系数(K＝T/6σ)，T为系统公差范围，Z_1-δ为标准正态分布的1-δ分位点，Z_γ为标准正态分布的γ分位点；

3)采用双三次非均匀B样条曲面重构技术，对离散点云数据进行曲面重构，完整表达工件曲面；

得到大量测点数据后，对所得测点进行曲面拟合以尽可能准确完整地表达所测曲面；采用非均匀三次B样条插值技术以实现曲面重构，首先求解节点矢量，如图3所示，根据B样条曲面的定义，此三次B样条曲线的基函数的节点矢量为：

其中，

得到各节点矢量后便可反求控制点，将n+1个数据点用于三次B样条插值曲线方程可得：

定义域

内的节点值均应该满足插值条件：

再增加边界条件V1＝(V0+V2)/2，Vn+1＝(Vn+Vn+2)/2；将方程组(8)联立为n+2大小的方程组便可得到控制点坐标vi；最后用所得到的控制点坐标求解重构曲面，

其中Vi,j为控制点坐标，Ni,p(u),Ni,p(v)为节点矢量上p次的基函数；

4)对比曲面重构所获得的重构曲面和原始CAD模型曲面的偏移量，进而获得曲面误差并调整数控NC代码补偿加工误差；

如图4所示，理想曲面与实际加工曲面的误差是沿着实际加工曲面上一点法矢方向上的最小距离PP’，因此可设目标函数为：

Pi为实际加工曲面上的点即重构曲面上的点，Qi为理想面上的点，u、v为曲面参数，策略是求目标函数最小时u、v的值；采用DE算法寻找最优解，DE算法主要用于求解连续变量的全局优化问题，主要包括变异、交叉、选择三种操作，算法的基本思想是首先初始化种群，用目标函数(10)计算每个个体对应的值；对所有个体进行变异与交叉，并计算候选个体的目标函数值进行选择与更新种群；当迭代至满足条件时，迭代终止，目标函数逼近最小值，由此计算出加工误差。

Claims (5)

1.一种基于接触式测头的曲面在机测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对在机测量系统进行误差分析，对测头系统误差采取补偿；

2)测点提取与轨迹规划，完成五轴无干涉检测路径的规划；

3)测点测量并误差补偿后，采用双三次非均匀B样条曲面重构技术，得到重构曲面；

4)通过比较上述重构曲面与原始CAD模型的偏移量，进而调整数控NC代码实现零件的加工误差补偿。

2.根据权利要求1所述的一种基于接触式测头的曲面在机测量方法，其特征在于：所述的步骤1)中测头系统误差为因测头导致的测头预行程误差与测头半径误差；针对测头预形程误差，采用25点测球法获取测点数据，使用最小二乘法构造方程并采用LM算法进行迭代；针对测头半径误差补偿，采用“微平面法"，首先获取工件曲面的曲面法矢，再使测头沿曲面法矢方向对曲面进行测量，从而获得测点的测头中心坐标值。

3.根据权利要求1所述的一种基于接触式测头的曲面在机测量方法，其特征在于：所述的步骤2)中的测点提取与轨迹规划，按“弓”字型扫描工件曲面，并采用等弦高采样法进行测点采集。

4.根据权利要求1所述的一种基于接触式测头的曲面在机测量方法，其特征在于，所述的步骤3)中的曲面重构技术的具体步骤为：首先求解节点矢量，进而反求控制点，最后采用非均匀三次B样条插值技术实现曲面重构。

5.根据权利要求1所述的一种基于接触式测头的曲面在机测量方法，其特征在于，所述的步骤4)具体为：沿着实际加工曲面上一点法矢方向上的最小距离作为理想曲面与实际加工曲面的误差，并采用DE算法计算加工误差，将加工误差作为偏移量调整NC代码补偿加工误差。

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