CN117516438B - 一种增材制造设备的制备精度评价方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增材制造设备的制备精度评价方法及系统，属于设备校准技术领域，通过计算被计量的增材制造设备的工作空间尺寸的长宽比，确定制备测试件的数量，确定测试件的结构和尺寸，并通过被计量的增材制造设备制备测试件；利用三维计量设备建立工件坐标系，测量制备的测试件盘型底座的底面及外圆柱面、定位孔内圆柱面相应的长度尺寸和角度，获得测量尺寸数据，计算示值误差E和RMS，对被计量的增材制造设备的制备精度进行评价。该方法仅用一种测试件，便可以对增材制造设备工作空间的至少7个不同位置或方向进行同时检验，同时可以保证计量与增材制造设备实际工作中的坐标系重合，能够对设备进行综合评价同时可以实现更高精度的计量。
Description
技术领域
本发明涉及设备校准技术领域，更具体的涉及一种用于评价微纳米量级的高精度增材制造设备的综合制造精度实施计量校准的方法及系统。
背景技术
增材制造技术又称为3D打印技术，是一种快速成型技术，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状、颗粒状等多种形态的金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来制备工件的技术。与传统的冷加工切削工艺相比，由于增材制造技术为逐层打印，因而可以避免传统加工工艺中刀具无法到达的缺陷，使该技术更加适用于形状不规则、结构复杂的工件。近年来，随着增材制造技术的迅猛发展，该技术越来越多的应用于航空航天、生物医疗、工业设计、汽车制造等领域。与此同时，增材制造技术的制造精度也在逐步提升中。
目前，较为先进的增材制造设备的加工精度已经可以到达微纳米量级，使得高精度增材制造设备的精度问题开始受到关注。为保证增材制造设备所制备的工件其尺寸参数能够满足质量控制要求，保证增材制造设备的综合精度可以与国家计量溯源体系建立联系，亟需提出针对高精度增材制造设备的综合精度计量方法。
对于用于评价增材制造设备综合精度的计量方法，现阶段国内对此方面的研究较少，现有技术中针对常规精度增材制造设备，主要是利用通用量具对测试件几何尺寸进行测量，无法达到综合评价目的。虽然增材制造设备属于三维加工设备，其三轴运动使得整个机器理论上可以具有至少21项系统误差来源，但现有技术在测量过程中无法建立与增材制造设备重合的坐标系，导致测量精度不高，且目前已公布的方法需要利用多达5种以上的不同测试件实现对设备精度的评价，无法对设备进行综合评价。
发明内容
针对上述领域中存在的问题，本发明提出了一种增材制造设备的制备精度评价方法，能够解决现有技术在测量过程中无法建立与增材制造设备重合的坐标系，导致测量精度不高，且目前已公布的方法需要利用多达5种以上的不同测试件实现对设备精度的评价，无法对设备进行综合评价的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明公开了一种增材制造设备的制备精度评价方法，包括以下步骤：
根据被计量的增材制造设备的工作空间尺寸的长、宽和高，计算长宽比；当长宽比小于2时，确定制备一个测试件，否则沿工作空间长边方向均匀制备两件同种类型的测试件；
确定测试件的结构和尺寸，并通过被计量的增材制造设备制备测试件；其中，所述测试件包括盘型底座，所述盘型底座的底面开设有定位孔和多个角度标定孔，所述盘型底座的底面向上固定设置有半球体和多个尺寸依次减小的长度标定圆柱；所述盘型底座、定位孔、半球体、多个角度标定孔和长度标定圆柱与被计量的增材制造设备的工作空间的三维尺寸呈现相应的函数关系；
利用三维计量设备建立工件坐标系，测量制备的测试件的盘型底座的底面及外圆柱面、定位孔内圆柱面相应的长度尺寸和角度，获得测量尺寸数据；
根据获得的测量尺寸数据与测试件在制备时的理论尺寸数据，计算示值误差E和均方根值RMS，根据示值误差E和均方根值RMS，对被计量的增材制造设备的制备精度进行评价。
优选地，所述计算长宽比，包括以下步骤：
获取被计量的增材制造设备的工作空间的三维尺寸的长、宽和高；
定义A为被计量的增材制造设备工作空间的长，B为被计量的增材制造设备工作空间的宽，且A＞B；定义预设值为2，测试件在制备时，测试件的数量与位置应满足以下条件：
当时，在工作空间中心制备一件测试件；
当时，沿工作空间长边方向均匀制备两件同种类型的测试件；
令：
计算测试件的特征尺寸，并进行尺寸换算。
优选地，所述确定测试件的结构和尺寸，并通过被计量的增材制造设备制备测试件，包括以下步骤：
通过计算第一几何特征尺寸、第二几何特征尺寸和第三几何特征尺寸；
其中，多个所述角度标定孔分别为第一角度标定孔、第二角度标定孔、第三角度标定孔和第四角度标定孔；多个所述长度标定圆柱分别为第一长度标定圆柱、第二长度标定圆柱、第三长度标定圆柱和第四长度标定圆柱；
所述第一几何特征尺寸包括：盘型底座的外径为D、盘型底座的壁厚为l、盘型底座的底厚为、盘型底座的总高为h；定位孔的直径为/>；第一角度标定孔的直径为/>、第二角度标定孔的直径为/>、第三角度标定孔的直径为/>、第四角度标定孔的直径为/>；第一长度标定圆柱的直径为/>和高度为/>、第二长度标定圆柱的直径为/>和高度为/>、第三长度标定圆柱的直径为/>和高度为/>、第四长度标定圆柱的直径为/>和高度为/>，所述半球体的球半径为SR，单位均为mm；
根据该测试件的第一几何特征尺寸与被计量的增材制造设备工作空间的三维尺寸的关系符合式(1)：
(1)
式中，增材制造设备工作空间的三维尺寸的长宽高为A×B×C，其中，A＞B；
所述第二几何特征尺寸包括：定位孔与盘型底座的圆心距、第一角度标定孔与第三角度标定孔的孔心距/>、第二角度标定孔与第四角度标定孔的孔心距/>、第一长度标定圆柱与第三长度标定圆柱的圆心距/>、第二长度标定圆柱与第四长度标定圆柱的圆心距，单位均为mm；
其中，圆心距、/>、/>、/>和/>分别为投影在测试件底座的底面平面上的尺寸；
所述第二几何特征尺寸与测试件的盘型底座外径D之间的关系符合式(2)：
(2)
所述第三几何特征尺寸包括夹角、/>、/>和/>的角度尺寸；
以盘型底座的外圆圆心指向定位孔的圆心的连线为X轴正方向，以盘型底座的底面为XY平面，指向实体的方向为Z轴正方向，以盘型底座的外圆圆心在XY平面的投影作为坐标原点；
在该坐标系下，将测试件所有组成部分投影在XY平面上，获得第一长度标定圆柱与第三长度标定圆柱的圆心连线与X轴正方向的夹角为；第二长度标定圆柱与第四长度标定圆柱的圆心连线与X轴正方向的夹角为/>；第一角度标定孔与第三角度标定孔的圆心连线与X轴正方向的夹角为/>；第二角度标定孔与第四角度标定孔的圆心连线与X轴正方向的夹角为/>；
所述第三几何特征尺寸与被计量的增材制造设备工作空间的三维尺寸的关系符合式(3)：
(3)。
优选地，还包括对制备的测试件进行预处理，包括以下步骤：
对测试件进行表面清洁，去除表面残留的材料粉末、灰尘、油脂；
将测试件放置于计量室的工作台上，至少进行4h以上的温度平衡，获得处理后的制备的测试件。
优选地，所述获得测量尺寸数据，包括以下步骤：
利用高精度三坐标测量机，建立工件坐标系对处理后的制备的测试件的几何特征尺寸进行测量；
测量时建立的工件坐标系，以测试件盘型底座平面找正+Z平面，其平面指向材料实体的方向为+Z向；以测试件盘型底座外圆柱投影在+Z平面的投影圆的圆心的X，Y坐标值为坐标原点，以+Z平面置心点/>的Z坐标值作为坐标原点的Z值，即工件坐标系的坐标原点的坐标值为/>；以/>点指向定位孔的圆心在+Z平面的投影直线为+X方向。
优选地，所述建立工件坐标系，包括以下步骤：
将测试件妥善装夹于高精度三坐标测量机的工作台上，选择合适的测针，并对测针进行校正，并根据测试件的材料进行温度补偿；
分别对测试件盘型底座的底面及外圆柱面、定位孔内圆柱面进行测量，建立工件坐标系；
编写测量程序，对盘型底座的外圆柱面、内圆柱面、底面、上表面，第一角度标定孔、第二角度标定孔、第三角度标定孔和第四角度标定孔的内圆柱面，第一长度标定圆柱、第二长度标定圆柱、第三长度标定圆柱和第四长度标定圆柱的外圆柱面及上表面，半球体的上半球面实施自动测量；
测量时，盘型底座的外圆柱面、内圆柱面以及第一角度标定孔、第二角度标定孔、第三角度标定孔和第四角度标定孔的内圆柱面的测量点策略为每层12个点，共2层；盘型底座的底面、上表面以及第一长度标定圆柱、第二长度标定圆柱、第三长度标定圆柱和第四长度标定圆柱的上表面的测量点策略为，环形分布的20个测量点；第一长度标定圆柱、第二长度标定圆柱、第三长度标定圆柱和第四长度标定圆柱的外圆柱面测量点策略为每层12个点，共4层；半球体的上半球面测量点策略为顶端极点1点，极点下22.5°环形均匀分布4点，极点下45°环形均匀分布8点，极点下67.5°环形均匀分布4点，极点下90°环形均匀分布8点；
测量时保持高精度三坐标测量机的运行速度恒定，被测特征的拟合策略使用最小二乘；
利用高精度三维计量标准的测量软件，计算相应的长度尺寸或角度的测量值，获得实际测量尺寸数据。
优选地，所述对被计量的增材制造设备的制备精度进行评价，包括以下步骤：
定义，/>、/>、/>分别为测试件在制备时的n个几何特征尺寸的理论尺寸的设计值；/>，/>、/>、/>分别为第一个测试件的n个几何特征尺寸的实际测量尺寸数据的测得值，/>、/>、/>分别为第二个测试件的n个几何特征尺寸的实际测量尺寸数据的测得值；
根据实际测量尺寸数据的测得值与测试件在制备时的理论尺寸的设计值/>数据，计算示值误差E：
(4)
式中，,/>、/>、/>分别为n个几何特征尺寸的示值误差；示值误差E数值越小，增材制造设备的制备精度越高；
根据示值误差E，计算RMS值：
(5)
RMS值越小，增材制造设备的制备精度越高。
优选地，还包括一种增材制造设备的制备精度评价系统，包括：
制备件数量确定模块，用于根据被计量的增材制造设备的工作空间尺寸的长、宽和高，计算长宽比；当长宽比小于2时，确定制备一个测试件，否则沿工作空间长边方向均匀制备两件同种类型的测试件；
测试件制备模块，用于确定测试件的结构和尺寸，并通过被计量的增材制造设备制备测试件；其中，所述测试件包括盘型底座，所述盘型底座的底面开设有定位孔和多个角度标定孔，所述盘型底座的底面向上固定设置有半球体和多个尺寸依次减小的长度标定圆柱；所述盘型底座、定位孔、半球体、多个角度标定孔和长度标定圆柱与被计量的增材制造设备的工作空间的三维尺寸呈现相应的函数关系；
测量数据获取模块，用于利用三维计量设备建立工件坐标系，测量制备的测试件盘型底座的底面及外圆柱面、定位孔内圆柱面相应的长度尺寸和角度，获得测量尺寸数据；
测量数据处理模块，用于根据获得的测量尺寸数据与测试件在制备时的理论尺寸数据，计算示值误差E和均方根值RMS；根据示值误差E和均方根值RMS，对被计量的增材制造设备的制备精度进行评价。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明根据被计量的增材制造设备的工作空间尺寸的长和宽，计算长宽比，确定测试件数量，进而确定测试件的结构和尺寸制备测试件，通过设置仅用一种类型的测试件，便可以实现对被计量的增材制造设备工作空间的至少7个不同位置或方向进行同时检验，同时也可以保证计量时的坐标系与被计量的增材制造设备实际工作中的坐标系重合；制备的测试件的几何尺寸特征与被计量的增材制造设备工作空间的三维尺寸呈现相应的函数关系，通过相应的函数关系可以保证对被计量的增材制造设备的综合检验；利用三维计量设备建立工件坐标系能够实现更高精度的计量，获得测量尺寸数据，通过计算获得的测量尺寸数据与测试件在制备时的理论尺寸数据的示值误差E和均方根值RMS，对设备综合精度进行评价，示值误差E和均方根值RMS取值越小，增材制造设备的制备精度越高。
附图说明
图1为本发明的测试件结构示意图；
图2为本发明的测试件结构俯视图；
图3为本发明的测试件结构在三维空间的结构示意图；
图4为本发明的整体方法流程图；
图中：1、盘型底座；2、定位孔；3、第一角度标定孔；4、第二角度标定孔；5、第三角度标定孔；6、第四角度标定孔；7第一长度标定圆柱；8、第二长度标定圆柱；9、第三长度标定圆柱；10、第四长度标定圆柱；11、半球体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图1-4，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。
如图4所示，为本申请提供的一种增材制造设备的制备精度评价方法流程图，该方法具体包括以下步骤：
S1：根据被计量的增材制造设备的工作空间尺寸的长、宽和高，计算长宽比；当长宽比小于2时，确定制备一个测试件，否则沿工作空间长边方向均匀制备两件同种类型的测试件；
S2：确定测试件的结构和尺寸，并通过被计量的增材制造设备制备测试件；
其中，所述测试件包括盘型底座1，所述盘型底座1的底面开设有定位孔2和多个角度标定孔，所述盘型底座1的底面向上固定设置有半球体11和多个尺寸依次减小的长度标定圆柱；所述盘型底座1、定位孔2、半球体11、多个角度标定孔和长度标定圆柱与被计量的增材制造设备的工作空间的三维尺寸呈现相应的函数关系；
S3：利用三维计量设备建立工件坐标系，测量制备的测试件盘型底座1的底面及外圆柱面、定位孔内圆柱面相应的长度尺寸和角度，获得测量尺寸数据；
S4：根据获得的测量尺寸数据与测试件在制备时的理论尺寸数据，计算示值误差E和RMS值；根据示值误差E和均方根值RMS，对被计量的增材制造设备的制备精度进行评价。
具体的，在步骤S1中，确定测试件数量，包括以下步骤：
获取被计量的增材制造设备的工作空间的三维尺寸；
根据被计量的增材制造设备的工作空间的三维尺寸的长、宽和高，定义A为被计量的增材制造设备工作空间的长，B为被计量的增材制造设备工作空间的宽，且A＞B；定义预设值为2，测试件在制备时，测试件的数量与位置应满足以下条件：
当时，在工作空间中心制备一件测试件；
当时，沿工作空间长边方向均匀制备2件同种类型的测试件；
令：
计算测试件的特征尺寸，并进行尺寸换算。
在步骤S2中，确定测试件的结构和尺寸，计算第一几何特征尺寸、第二几何特征尺寸和第三几何特征尺寸；
其中，制备的测试件包括盘型底座1、定位孔2、第一角度标定孔3、第二角度标定孔4、第三角度标定孔5、第四角度标定孔6，第一长度标定圆柱7、第二长度标定圆柱8、第三长度标定圆柱9、第四长度标定圆柱10和半球体11，如图1所示，为该测试件的结构图，如图2所示，为该测试件的俯视图。
第一几何特征尺寸包括：盘型底座1的外径为D、盘型底座1的壁厚为l、盘型底座1的底厚为、盘型底座1的总高为h；定位孔2的直径为/>；第一角度标定孔3的直径/>、第二角度标定孔4的直径/>、第三角度标定孔5的直径/>、第四角度标定孔6的直径/>；第一长度标定圆柱7的直径/>和高度/>、第二长度标定圆柱8的直径/>和高度/>、第三长度标定圆柱9的直径/>和高度/>、第四长度标定圆柱10的直径/>和高度/>；半球体11的球半径SR，单位均为mm；
根据该测试件的第一几何特征尺寸与被计量的增材制造设备工作空间的三维尺寸的关系符合式(1)：
(1)
式中，增材制造设备工作空间的三维尺寸的长宽高为A×B×C，其中，A＞B。
其中，该测试件的定位孔2的直径；第一角度标定孔3的直径/>、第二角度标定孔4的直径/>、第三角度标定孔5的直径/>、第四角度标定孔6的直径/>的大小可相同也可不同。
测试件的第二几何特征尺寸包括：定位孔2与盘型底座1的圆心距、第一角度标定孔3与第三角度标定孔5的孔心距/>、第二角度标定孔4与第四角度标定孔6的孔心距/>、第一长度标定圆柱7与第三长度标定圆柱9的圆心距/>、第二长度标定圆柱8与第四长度标定圆柱10的圆心距/>，单位均为mm；
其中，圆心距、/>、/>、/>和/>分别为投影在测试件底座的底面平面上的尺寸；
所述第二几何特征尺寸与测试件的盘型底座外径D之间的关系符合式(2)：
(2)
第三几何特征尺寸包括夹角、/>、/>和/>的角度尺寸；
以盘型底座1的外圆圆心指向定位孔2的圆心的连线为X轴正方向，以盘型底座1的底面为XY平面，指向实体的方向为Z轴正方向，以盘型底座1的外圆圆心在XY平面的投影作为坐标原点；
在该坐标系下，将测试件所有组成部分投影在XY平面上，获得第一长度标定圆柱7与第三长度标定圆柱9的圆心连线与X轴正方向的夹角为；第二长度标定圆柱8与第四长度标定圆柱10的圆心连线与X轴正方向的夹角为/>；第一角度标定孔3与第三角度标定孔5的圆心连线与X轴正方向的夹角为/>；第二角度标定孔4与第四角度标定孔6的圆心连线与X轴正方向的夹角为/>；
所述第三几何特征尺寸与被计量的增材制造设备工作空间的三维尺寸的关系符合式(3)：
(3)
在步骤S2中，还包括对制备的测试件进行预处理，包括以下步骤：
对测试件进行表面清洁，去除表面残留的材料粉末、灰尘、油脂；
将测试件放置于计量室的工作台上，至少进行4h以上的温度平衡。
在步骤S3中，利用的三维计量设备为高精度三坐标测量机，建立工件坐标系对测试件的几何特征尺寸进行测量；测量时建立的工件坐标系，以测试件盘型底座平面找正+Z平面，其平面指向材料实体的方向为+Z向；以测试件盘型底座外圆柱投影在+Z平面的投影圆的圆心的X，Y坐标值为坐标原点，以+Z平面置心点/>的Z坐标值作为坐标原点的Z值，即工件坐标系的坐标原点的坐标值为/>；以/>点指向定位孔的圆心在+Z平面的投影直线为+X方向，如图3所示。
其中，建立工件坐标系，包括以下步骤：
将测试件妥善装夹于高精度三坐标测量机的工作台上，选择合适的测针，并对测针进行校正，并根据测试件的材料进行温度补偿；
分别对测试件盘型底座1的底面及外圆柱面、定位孔内圆柱面进行测量，建立工件坐标系；
编写测量程序，对盘型底座1的外圆柱面、内圆柱面、底面、上表面，定位孔2、第一角度标定孔3、第二角度标定孔4、第三角度标定孔5和第四角度标定孔6的内圆柱面，第一长度标定圆柱7、第二长度标定圆柱8、第三长度标定圆柱9和第四长度标定圆柱10的外圆柱面及上表面，半球体11的上半球面实施自动测量；
测量时，盘型底座1的外圆柱面、内圆柱面以及第一角度标定孔3、第二角度标定孔4、第三角度标定孔5和第四角度标定孔6的内圆柱面的测量点策略为每层12个点，共2层；盘型底座1的底面、上表面以及第一长度标定圆柱7、第二长度标定圆柱8、第三长度标定圆柱9和第四长度标定圆柱10的上表面的测量点策略为，环形分布的20个测量点；第一长度标定圆柱7、第二长度标定圆柱8、第三长度标定圆柱9和第四长度标定圆柱10的外圆柱面测量点策略为每层12个点，共4层；半球体11的上半球面测量点策略为顶端极点1点，极点下22.5°环形均匀分布4点，极点下45°环形均匀分布8点，极点下67.5°环形均匀分布4点，极点下90°环形均匀分布8点；
测量时，需要保持高精度三坐标测量机的运行速度恒定，被测特征的拟合策略使用最小二乘；利用高精度三维计量标准的测量软件，计算相应的长度尺寸或角度的测量值，获得实际测量尺寸数据。
在步骤S4中，计算被计量的增材制造设备的综合精度为计算示值误差E和RMS值，包括以下步骤：
定义，/>、/>、/>分别为测试件在制备时的n个几何特征尺寸的理论尺寸的设计值；/>，/>、/>、/>分别为第一个测试件的n个几何特征尺寸的实际测量尺寸数据的测得值，/>、/>、/>分别为第二个测试件的n个几何特征尺寸的实际测量尺寸数据的测得值；
根据实际测量尺寸数据的测得值与测试件在制备时的理论尺寸的设计值/>数据，计算示值误差E：
(4)
式中，,/>、/>、/>分别为n个几何特征尺寸的示值误差；示值误差E数值越小，增材制造设备的制备精度越高；
根据示值误差E，计算均方根值RMS：
(5)
均方根值RMS越小，增材制造设备的制备精度越高。
本申请提供的测试件，其几何尺寸特征与增材制造设备工作空间的三维尺寸呈现函数关系，可保证对增材制造设备的综合检验。
本申请仅用同一种类型的测试件，便可以对被计量的增材制造设备的工作空间内的至少7个不同位置或方向进行同时检验，同时也可以保证计量时的坐标系与被计量的增材制造设备实际工作中的坐标系重合，从而实现对设备综合精度的评价，且成本低、效率高。这7个位置包括了增材制造设备工作空间的三个边长的方向、两个以上的面对角线、一个以上的体对角线方向。
本申请还可以保证计量与增材制造设备实际工作中的坐标系重合，利用高精度三维计量技术，有利于实现高精度的计量。
实施例
本实施例中，对一台工作范围为400mm×400mm×400mm的激光烧结原理的增材制造设备实施计量。
如图4所示，根据该设备的工作范围，确定在工作范围内只需制备1件测试件。
如图1、图2和图3所示，计算并确定测试件的几何特征尺寸包括：盘型底座1的外径270mm、盘型底座1的壁厚l0mm、盘型底座1的底厚20mm、盘型底座1的总高40mm、定位孔2的直径20mm、第一角度标定孔3、第二角度标定孔4、第三角度标定孔5和第四角度标定孔6的直径均为20mm、第一长度标定圆柱7的直径54mm、第二长度标定圆柱8的直径45mm、第三长度标定圆柱9的直径34mm、第四长度标定圆柱10的直径27mm、第一长度标定圆柱7的高度270mm、第二长度标定圆柱8的高度180mm、第三长度标定圆柱9的高度90mm、第四长度标定圆柱10的高度67mm、半球体11的球半径15mm。
以盘型底座1的外圆圆心在其底面的投影为坐标原点，以坐标原点指向定位孔圆心在盘型底座1的底面投影的方向为+X向，以盘型底座1的底面指向材料实体的方向为+Z方向。在此坐标系下，第一长度标定圆柱7和第三长度标定圆柱9在+Z平面投影的圆心连线与+X方向的夹角45°、第二长度标定圆柱8和第四长度标定圆柱10在+Z平面投影的圆心连线与+X方向的夹角135°、第一角度标定孔3和第三角度标定孔5在+Z平面投影的圆心连线与+X方向的夹角65°、第二角度标定孔4和第四角度标定孔6在+Z平面投影的圆心连线与+X方向的夹角115°、坐标原点至定位孔圆心在+Z平面投影距离为101.5mm；第一角度标定孔3、第二角度标定孔4、第三角度标定孔5和第四角度标定孔6的圆心与坐标原点在+Z平面投影距离为67.5mm；第一长度标定圆柱7、第二长度标定圆柱8、第三长度标定圆柱9、第四长度标定圆柱10的圆心与坐标原点在+Z平面投影距离81mm。
用上述尺寸制作测试件，允许尺寸略作调整以避免干涉及便于后续对测试件的测量。将制备好的测试件取出，用无水乙醇或航空汽油进行表面清洗，取出浮于表面的粉尘。将测试件放置于计量实验室的工作台进行至少4h的温度平衡。
将测试件妥善装夹于高精度三坐标测量机的工作台上，选择合适的测针，并对测针进行校正，并根据测试件的材料进行温度补偿。
分别对测试件盘型底座1的底面及外圆柱面、定位孔内圆柱面进行测量，建立工件坐标系。
编写测量程序，对盘型底座1的外圆柱面、内圆柱面、底面、上表面，4个角度标定孔的内圆柱面，4个长度标定圆柱的外圆柱面及上表面，半球体11的上半球面实施自动测量。
测量时，盘型底座1的外圆柱面、内圆柱面以及4个角度标定孔的内圆柱面的测量点策略为每层12个点，共2层；盘型底座1的底面、上表面以及4个长度标定圆柱的上表面的测量点策略为，环形分布的20个测量点；4个长度标定圆柱的外圆柱面测量点策略为每层12个点，共4层；半球体11的上半球面测量点策略为顶端极点1点，极点下22.5°环形均匀分布4点，极点下45°环形均匀分布8点，极点下67.5°环形均匀分布4点，极点下90°(赤道线)环形均匀分布8点。
应注意，本实施例采用的高精度三坐标测量机，测量精度最高可达到0.3μm，机型为LeitzPMM-C，测量时保持高精度三坐标测量机的运行速度恒定，被测特征的拟合策略使用最小二乘。
利用高精度三维计量标准的测量软件，计算相应长度尺寸和角度，并根据式(4)和式(5)计算示值误差E与RMS值，所得数据见下表1和表2。
表1 长度尺寸测量值
表2角度尺寸测量值
通过计算得到，长度尺寸项目的RMS值为0.037μm，角度尺寸项目的RMS值为0.041°。示值误差E数值越小，增材制造设备的制备精度越高；均方根值RMS越小，增材制造设备的制备精度越高。
本申请制备的测试件的几何尺寸特征与被计量的增材制造设备工作空间的三维尺寸呈现相应的函数关系，通过相应的函数关系可以保证对被计量的增材制造设备的综合检验；利用三维计量设备建立工件坐标系能够实现更高精度的计量，获得测量尺寸数据，通过计算获得的测量尺寸数据与测试件在制备时的理论尺寸数据的示值误差E和RMS值，对设备综合精度的评价。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
另外，除非另有说明，否则本发明使用的所有技术和科学术语具有本发明所属领域的常规技术人员通常理解的相同含义。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
Claims (8)
1.一种增材制造设备的制备精度评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据被计量的增材制造设备的工作空间尺寸的长、宽和高，计算长宽比；当长宽比小于2时，确定制备一个测试件，否则沿工作空间长边方向均匀制备两件同种类型的测试件；
确定测试件的结构和尺寸，并通过被计量的增材制造设备制备测试件；其中，所述测试件包括盘型底座(1)，所述盘型底座(1)的底面开设有定位孔(2)和多个角度标定孔，所述盘型底座(1)的底面向上固定设置有半球体(11)和多个尺寸依次减小的长度标定圆柱；所述盘型底座(1)、定位孔(2)、半球体(11)、多个角度标定孔和长度标定圆柱与被计量的增材制造设备的工作空间的三维尺寸呈现相应的函数关系；
利用三维计量设备建立工件坐标系，测量制备的测试件的盘型底座(1)的底面及外圆柱面、定位孔(2)和角度标定孔的直径、长度标定圆柱的直径和高度、半球体(11)的球半径、定位孔(2)和盘型底座(1)的圆心距、角度标定孔之间的孔心距、长度标定圆柱之间的圆心距，及以盘型底座(1)的外圆圆心指向定位孔(2)的圆心的连线为X轴正方向，长度标定圆柱连线与X轴之间的夹角、角度标定孔之间连线与X轴的夹角，获得测量尺寸数据；
根据获得的测量尺寸数据与测试件在制备时的理论尺寸数据，计算示值误差E和均方根值RMS；根据示值误差E和均方根值RMS，对被计量的增材制造设备的制备精度进行评价。
2.根据权利要求1所述的增材制造设备的制备精度评价方法，其特征在于，所述计算长宽比，包括以下步骤：
获取被计量的增材制造设备的工作空间的三维尺寸的长、宽和高；
定义A为被计量的增材制造设备工作空间的长，B为被计量的增材制造设备工作空间的宽，且A＞B；定义预设值为2，测试件在制备时，测试件的数量与位置应满足以下条件：
当时，在工作空间中心制备一件测试件；
当时，沿工作空间长边方向均匀制备两件测试件；
令：
A＝MAX(A/2,B)
B＝MIN(A/2,B)
计算测试件的特征尺寸，并进行尺寸换算。
3.根据权利要求2所述的增材制造设备的制备精度评价方法，其特征在于，所述确定测试件的结构和尺寸，并通过被计量的增材制造设备制备测试件，包括以下步骤：
通过计算第一几何特征尺寸、第二几何特征尺寸和第三几何特征尺寸；
其中，多个所述角度标定孔分别为第一角度标定孔(3)、第二角度标定孔(4)、第三角度标定孔(5)和第四角度标定孔(6)；多个所述长度标定圆柱分别为第一长度标定圆柱(7)、第二长度标定圆柱(8)、第三长度标定圆柱(9)和第四长度标定圆柱(10)；
所述第一几何特征尺寸包括：盘型底座(1)的外径为D、盘型底座(1)的壁厚为l、盘型底座(1)的底厚为h0、盘型底座(1)的总高为h；定位孔(2)的直径为d0；第一角度标定孔(3)的直径为d1、第二角度标定孔(4)的直径为d2、第三角度标定孔(5)的直径为d3、第四角度标定孔(6)的直径为d4；第一长度标定圆柱(7)的直径为D1和高度为H1、第二长度标定圆柱(8)的直径为D2和高度为H2、第三长度标定圆柱(9)的直径为D3和高度为H3、第四长度标定圆柱(10)的直径为D4和高度为H4，所述半球体(11)的球半径为SR，单位均为mm；
根据该测试件的第一几何特征尺寸与被计量的增材制造设备工作空间的三维尺寸的关系符合式(1)：
式中，增材制造设备工作空间的三维尺寸的长宽高为A×B×C，其中，A＞B；
所述第二几何特征尺寸包括：定位孔(2)与盘型底座(1)的圆心距L0、第一角度标定孔(3)与第三角度标定孔(5)的孔心距L1、第二角度标定孔(4)与第四角度标定孔(6)的孔心距L2、第一长度标定圆柱(7)与第三长度标定圆柱(9)的圆心距L3、第二长度标定圆柱(8)与第四长度标定圆柱(10)的圆心距L4，单位均为mm；
其中，圆心距L0、L1、L2、L3和L4分别为投影在测试件底座的底面平面上的尺寸；
所述第二几何特征尺寸与测试件的盘型底座外径D之间的关系符合式(2)：
所述第三几何特征尺寸包括夹角α1、α2、α3和α4的角度尺寸；
以盘型底座(1)的外圆圆心指向定位孔(2)的圆心的连线为X轴正方向，以盘型底座(1)的底面为XY平面，指向实体的方向为Z轴正方向，以盘型底座(1)的外圆圆心在XY平面的投影作为坐标原点；
在该坐标系下，将测试件所有组成部分投影在XY平面上，获得第一长度标定圆柱(7)与第三长度标定圆柱(9)的圆心连线与X轴正方向的夹角为α1；第二长度标定圆柱(8)与第四长度标定圆柱(10)的圆心连线与X轴正方向的夹角为α2；第一角度标定孔(3)与第三角度标定孔(5)的圆心连线与X轴正方向的夹角为α3；第二角度标定孔(4)与第四角度标定孔(6)的圆心连线与X轴正方向的夹角为α4；
所述第三几何特征尺寸与被计量的增材制造设备工作空间的三维尺寸的关系符合式(3)：
4.根据权利要求3所述的增材制造设备的制备精度评价方法，其特征在于，还包括对制备的测试件进行预处理，包括以下步骤：
对测试件进行表面清洁，去除表面残留的材料粉末、灰尘、油脂；
将测试件放置于计量室的工作台上，至少进行4h以上的温度平衡，获得处理后的制备的测试件。
5.根据权利要求4所述的增材制造设备的制备精度评价方法，其特征在于，所述获得测量尺寸数据，包括以下步骤：
利用高精度三坐标测量机，建立工件坐标系对处理后的制备的测试件的几何特征尺寸进行测量；
测量时建立的工件坐标系，以测试件盘型底座平面找正+Z平面，其平面指向材料实体的方向为+Z向；以测试件盘型底座外圆柱投影在+Z平面的投影圆的圆心O0(x0，y0，z0)的X，Y坐标值为坐标原点，以+Z平面置心点O1(x1，y1，z1)的Z坐标值作为坐标原点的Z值，即工件坐标系的坐标原点的坐标值为O(x0，y0，z1)；以O0点指向定位孔的圆心在+Z平面的投影直线为+X方向。
6.根据权利要求5所述的增材制造设备的制备精度评价方法，其特征在于，所述建立工件坐标系，包括以下步骤：
将测试件妥善装夹于高精度三坐标测量机的工作台上，选择合适的测针，并对测针进行校正，并根据测试件的材料进行温度补偿；
分别对测试件盘型底座(1)的底面及外圆柱面、定位孔内圆柱面进行测量，建立工件坐标系；
编写测量程序，对盘型底座(1)的外圆柱面、内圆柱面、底面、上表面，第一角度标定孔(3)、第二角度标定孔(4)、第三角度标定孔(5)和第四角度标定孔(6)的内圆柱面，第一长度标定圆柱(7)、第二长度标定圆柱(8)、第三长度标定圆柱(9)和第四长度标定圆柱(10)的外圆柱面及上表面，半球体(11)的上半球面实施自动测量；
测量时，盘型底座(1)的外圆柱面、内圆柱面以及第一角度标定孔(3)、第二角度标定孔(4)、第三角度标定孔(5)和第四角度标定孔(6)的内圆柱面的测量点策略为每层12个点，共2层；盘型底座(1)的底面、上表面以及第一长度标定圆柱(7)、第二长度标定圆柱(8)、第三长度标定圆柱(9)和第四长度标定圆柱(10)的上表面的测量点策略为，环形分布的20个测量点；第一长度标定圆柱(7)、第二长度标定圆柱(8)、第三长度标定圆柱(9)和第四长度标定圆柱(10)的外圆柱面测量点策略为每层12个点，共4层；半球体(11)的上半球面测量点策略为顶端极点1点，极点下22.5°环形均匀分布4点，极点下45°环形均匀分布8点，极点下67.5°环形均匀分布4点，极点下90°环形均匀分布8点；
测量时保持高精度三坐标测量机的运行速度恒定，被测特征的拟合策略使用最小二乘；
利用高精度三维计量标准的测量软件，计算相应的长度尺寸或角度的测量值，获得实际测量尺寸数据。
7.根据权利要求6所述的增材制造设备的制备精度评价方法，其特征在于，所述对被计量的增材制造设备的制备精度进行评价，包括以下步骤：
定义Lm＝(lm1 lm2…lmn)T，lm1、lm2、…lmn分别为测试件在制备时的n个几何特征尺寸的理论尺寸的设计值；ls11、ls12、…ls1n分别为第一个测试件的n个几何特征尺寸的实际测量尺寸数据的测得值，ls21、ls22、…ls2n分别为第二个测试件的n个几何特征尺寸的实际测量尺寸数据的测得值；
根据实际测量尺寸数据的测得值Ls与测试件在制备时的理论尺寸的设计值Lm数据，计算示值误差E：
E＝Lm-Ls (4)
式中，E＝(e1 e2…en)T,e1、e2、…en分别为n个几何特征尺寸的示值误差；示值误差E数值越小，增材制造设备的制备精度越高；
根据示值误差E，计算RMS值：
RMS值越小，增材制造设备的制备精度越高。
8.一种增材制造设备的制备精度评价系统，其特征在于，包括：
制备件数量确定模块，用于根据被计量的增材制造设备的工作空间尺寸的长、宽和高，计算长宽比；当长宽比小于2时，确定制备一个测试件，否则沿工作空间长边方向均匀制备两件同种类型的测试件；
测试件制备模块，用于确定测试件的结构和尺寸，并通过被计量的增材制造设备制备测试件；其中，所述测试件包括盘型底座(1)，所述盘型底座(1)的底面开设有定位孔(2)和多个角度标定孔，所述盘型底座(1)的底面向上固定设置有半球体(11)和多个尺寸依次减小的长度标定圆柱；所述盘型底座(1)、定位孔(2)、半球体(11)、多个角度标定孔和长度标定圆柱与被计量的增材制造设备的工作空间的三维尺寸呈现相应的函数关系；
测量数据获取模块，用于利用三维计量设备建立工件坐标系，测量制备的测试件的盘型底座(1)的底面及外圆柱面、定位孔(2)和角度标定孔的直径、长度标定圆柱的直径和高度、半球体(11)的球半径、定位孔(2)和盘型底座(1)的圆心距、角度标定孔之间的孔心距、长度标定圆柱之间的圆心距，及以盘型底座(1)的外圆圆心指向定位孔(2)的圆心的连线为X轴正方向，长度标定圆柱连线与X轴之间的夹角、角度标定孔之间连线与X轴的夹角，获得测量尺寸数据；
测量数据处理模块，用于根据获得的测量尺寸数据与测试件在制备时的理论尺寸数据，计算示值误差E和均方根值RMS；根据示值误差E和均方根值RMS，对被计量的增材制造设备的制备精度进行评价。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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