專利名稱：基于加工機床的自由曲面原位測量測量方法
技術領域：
本發(fā)明屬于機械加工、檢測技術領域，涉及一種自由曲面原位測量方法。
背景技術：
隨著航空、航天、通訊等行業(yè)的飛速發(fā)展，自由曲面零件在現(xiàn)代工業(yè)中的應用越來 越廣泛，隨著應用的逐漸深入，各種應用領域?qū)ψ杂汕婷嫘尉燃凹庸ば侍岢隽烁?的要求。 在機械加工中，為了提高被加工工件的面形精度，一般需要借助測量技術進行面形 誤差循環(huán)修正。目前，工件測量大都采用離線方式，因需將被測工件從機床上取下來，而自 由曲面具有非回轉對稱、形狀不規(guī)則、構造無規(guī)律等特點，很難確定定位基準實現(xiàn)再裝卡時 的精確復位，加工精度難以保證，所以自由曲面原位測量一直是測量領域的難題。開發(fā)原位 測量系統(tǒng)對于光學自由曲面超精密加工具有非常重要的意義。對于提高加工效率、實現(xiàn)加 工過程自動化具有重要的意義。光學自由曲面是國防、航空航天等領域的核心關鍵零件，隨著應用的深入對其面 形精度提出了更高的要求。原位測量是提高光學自由曲面面形精度的重要手段，然而光學 自由曲面原位測量一直是一個難題。此外，測量數(shù)據(jù)和設計數(shù)據(jù)的比較得到面形誤差也是 一個難題，由于數(shù)據(jù)量巨大，在數(shù)據(jù)比較調(diào)整中會存在耗時、效率低的問題。因此，需要深入 開展自由曲面原位測量研究，很有必要提出一種新型直接可以得到面形偏差的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術的不足，提出一種實現(xiàn)面形誤差分布的直接測量， 提高其測量和分析效率的自由曲面原位測量方法。本發(fā)明采用如下的技術方案。一種基于加工機床的自由曲面原位測量測量方法，包括下列步驟(1)將測頭和加工刀具刀架一并放置于加工機床上，并進行測量控制點和刀具控 制點的位置對正；(2)按照加工機床的運動學規(guī)律，進行加工路徑設計，并對工件進行加工；(3)，將測頭模擬成加工刀具，根據(jù)已經(jīng)設計的加工路徑，設計測量路徑；(4)按照測量路徑進行逐點控制測量；(5)實時采集測頭在測量控制點位置(X，C，Z)處所測得的面形誤差Δ Z數(shù)據(jù)，得 到所測點的面形偏差數(shù)據(jù)(X，c，△ ζ)，當測頭遍歷整個測量路徑時，實現(xiàn)整個工件表面的面 形誤差數(shù)據(jù)的獲取。本發(fā)明的自由曲面原位測量測量方法，所述的測頭為氣浮式探針或光學測頭。步 驟(1)中提到的測量控制點和刀具控制點的位置對正，主要是指將測量控制點位置原點調(diào) 整至X原點，且調(diào)整其Y坐標位于加工坐標系原點，所述的位置對正方法可以包括下列步 驟(1)將標準球固定在車床主軸上；(2)通過目測，將測頭調(diào)到標準球X軸中心附近，然后沿X軸負方向移動距離a，并使測頭接觸標準球表面，記錄此點的面形誤差ΔΖ以及坐標值(X1, Z)，而后將探針退出， 沿X軸向正方向移動，并將探針調(diào)整到ζ值，尋找Δ Ζ、Z值都與上一點相同的點，記錄此點 的坐標為(Χ2，ζ)，若兩點X向坐標差為2a，則說明測頭已經(jīng)位于X軸中心處，否則根據(jù)差值
d = fc^l-Cl，調(diào)整測頭位置，重復以上操作直至測頭調(diào)到X軸中心處； 2(2)X方向調(diào)整完成后，控制測頭沿X方向移動一段距離，并在移動過程中測量三 個點，并記錄其坐標，然后對三點進行圓弧擬合，若擬合圓弧半徑r與標準球半徑R相等，則 說明測頭位于Y軸中心，否則根據(jù)擬合半徑計算偏差位置d，調(diào)整測頭在Y軸的位置，重復上 述操作直至滿足要求。采用本發(fā)明的測量方法可直接獲取面形誤差數(shù)據(jù)，避免了海量測量數(shù)據(jù)的后期數(shù) 據(jù)處理和誤差分析；由于不在采用傳統(tǒng)上的主動探測測量，因此，可以提高測量效率；且可 通過測量路徑設計的疏密程度控制測量數(shù)據(jù)的多少，測量較靈活；同時，本發(fā)明提出的測量 思路不局限于氣浮式接觸測頭，對于絕大數(shù)的光學測頭也適用，因為，發(fā)明中的測量方式對 測量量程要求小，即形狀偏差量程內(nèi)，約為IOum之內(nèi)，而對于光學測頭，如激光聚焦方式、 白光測量方法等，均能在該范圍內(nèi)進行有效的△ Z數(shù)據(jù)的測量。另外，該想法也并不僅限于 超精密加工領域，只要選取不同的測量手段，都可應用于其他精密加工及不同加工領域。


圖1本發(fā)明采用的加工和測量系統(tǒng)示意圖。圖2面形誤差測量示意圖。附圖標記說明如下1 主軸2 刀具3測頭，即氣浮式探針
具體實施例方式圖1本發(fā)明的系統(tǒng)示意圖。測頭3采用氣浮式探針測量系統(tǒng)，與加工刀具一并安 裝在超精密加工車床上。在進行位置對正后，測頭3的測量控制點坐標和刀具加工控制點 Y坐標一致，而兩者的X軸向偏差為確定量。在對被加工工件表面進行測量的過程中，將測 頭3模擬成加工刀具2，并采用類似加工路徑的設計方式進行測量路徑設計。當測頭3按照 設定好的理想測量路徑運動，測頭被控制運動于理想的坐標點(X，C，Z)，在測量過程中由于 采用了氣浮式探針，在測量氣壓推動下測頭會幾乎無摩擦地在測量方向保持向前，測頭位 于理想位置時受測量力推動和表面測點偏差量的控制而前后運動，如圖2所示，導致測頭3 當前Z位置偏離理想位置，形成了 ΔΖ，正反映了該測量位置處的面形偏差，該量值可由測 量傳感系統(tǒng)測得。在整個測量過程中，所有控制點坐標位置均可以和Z位置偏差同時采集 至IJ，因此，得到了被測面的面形誤差數(shù)據(jù)(X，C，ΔΖ)。本發(fā)明的具體實施步驟為 (1)將測頭和加工刀具刀架一并放置于加工機床上，并進行測量控制點和刀具控 制點的位置對正；
(2)按照加工機床的運動學規(guī)律，進行加工路徑設計，并對工件進行加工；(3)進行測量路徑設計，并對測頭按照測量路徑中進行逐點控制測量(X，C，Z)；(4)實時采集當前測量系統(tǒng)所在的位置(X，C，Z)和測頭測得的面形誤差ΔΖ數(shù)據(jù)， 得到所測點的面形偏差數(shù)據(jù)(X，C, ΔΖ)；(5)采用測量路徑對整體表面進行測量，從而實現(xiàn)整個表面面形誤差數(shù)據(jù)的獲取。在其中提到的兩個系統(tǒng)的位置對正，主要是將測量控制點位置原點調(diào)整至X原 點，且調(diào)整其Y坐標位于加工坐標系原點，具體調(diào)整過程如下(1)首先通過目測，將測頭調(diào)到標準球X軸中心附近，然后沿X軸負方向移動距離 a，并使測頭接觸標準球表面，記錄此點的激光干涉儀顯示值ΔΖ以及坐標值(X1,Z)，而后將 探針退出，沿X軸向正方向移動，并將探針調(diào)整到Z值，尋找ΔΖ、Ζ值都與上一點相同的點， 記錄此點的坐標為(Χ2，Ζ)，若兩點X向坐標差為2a，則說明測頭已經(jīng)位于X軸中心處，否則 根據(jù)差值d，
權利要求
1.一種基于加工機床的自由曲面原位測量測量方法，包括下列步驟(1)將測頭和加工刀具刀架一并放置于加工機床上，并進行測量控制點和刀具控制點 的位置對正；(2)按照加工機床的運動學規(guī)律，進行加工路徑設計，并對工件進行加工；(3)將測頭模擬成加工刀具，根據(jù)已經(jīng)設計的加工路徑，設計測量路徑；(4)按照測量路徑進行逐點控制測量；(5)實時采集測頭在測量控制點位置(X，C，Z)處所測得的面形誤差△Z數(shù)據(jù)，得到所 測點的面形偏差數(shù)據(jù)(X，C，△ Ζ)，當測頭遍歷整個測量路徑時，實現(xiàn)整個工件表面的面形誤 差數(shù)據(jù)的獲取。
2.根據(jù)權利要求1所述的自由曲面原位測量測量方法，其特征在于，所述的測頭為氣 浮式探針或光學測頭。
3.根據(jù)權利要求1所述的自由曲面原位測量測量方法，其特征在于，步驟(1)中提到的 測量控制點和刀具控制點的位置對正，是指將測量控制點位置原點調(diào)整至X原點，且調(diào)整 其Y坐標位于加工坐標系原點。
4.根據(jù)權利要求3所述的自由曲面原位測量測量方法，其特征在于，所述的位置對正 方法包括下列步驟(1)將標準球固定在車床主軸上；(2)通過目測，將測頭調(diào)到標準球X軸中心附近，然后沿X軸負方向移動距離a，并使 測頭接觸標準球表面，記錄此點的面形誤差ΔΖ以及坐標值(X1, Z)，而后將探針退出，沿 X軸向正方向移動，并將探針調(diào)整到Z值，尋找ΔΖ、Z值都與上一點相同的點，記錄此點的 坐標為(X2，Z)，若兩點X向坐標差為2a，則說明測頭已經(jīng)位于X軸中心處，否則根據(jù)差值d = fc^l-Cl，調(diào)整測頭位置，重復以上操作直至測頭調(diào)到X軸中心處； 2(2) X方向調(diào)整完成后，控制測頭沿X方向移動一段距離，并在移動過程中測量三個點， 并記錄其坐標，然后對三點進行圓弧擬合，若擬合圓弧半徑r與標準球半徑R相等，則說明 測頭位于Y軸中心，否則根據(jù)擬合半徑計算偏差位置d，調(diào)整測頭在Y軸的位置，重復上述操 作直至滿足要求。
全文摘要
本發(fā)明屬于機械加工、檢測技術領域，涉及一種基于加工機床的自由曲面原位測量測量方法，包括下列步驟(1)將測頭和加工刀具刀架一并放置于加工機床上，并進行測量控制點和刀具控制點的位置對正；(2)進行加工路徑設計，并對工件進行加工；(3)將測頭模擬成加工刀具，根據(jù)已經(jīng)設計的加工路徑，設計測量路徑；(4)按照測量路徑進行逐點控制測量；(5)實時采集測頭在測量控制點位置處所測得的面形誤差數(shù)據(jù)，得到所測點的面形偏差數(shù)據(jù)實現(xiàn)整個工件表面的面形誤差數(shù)據(jù)的獲取。采用本發(fā)明的測量方法可直接獲取面形誤差數(shù)據(jù)，避免了海量測量數(shù)據(jù)的后期數(shù)據(jù)處理和誤差分析；可以提高測量效率。
文檔編號B23Q17/20GK102001024SQ20101053077
公開日2011年4月6日 申請日期2010年11月3日 優(yōu)先權日2010年11月3日
發(fā)明者盧永斌, 張效棟, 房豐洲 申請人:天津大學