基于恒定接触力的直纹面自适应测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及曲面零件测量，尤其是涉及一种基于恒定接触力的直纹面自适应测量 方法。
【背景技术】
[0002] 坐标测量仪是集机械、控制、计算机技术为一体的大型的精密测量仪器被广泛应 用于工业领域中，特别适用于测量曲面等比较难以评定加工形位质量的零件上。测量系统 作为测量仪的最重要组成部分对测量精度有着重要的影响。测头部分一般由接触式测头11 和探针12固连组成（见图1所示，图中标记P为被测曲面），利用导轨实现沿相应方向上的 运动并使用光栅尺对其进行移动位置测量，通过测头对被测件进行探测，实现测量任务。
[0003] 国内坐标测量仪多应用微平面法修正半径，然而这种方法采用"3+2"进行修正，测 点太多，测量速度比较慢。深圳大学的全荣等（全荣等.三坐标测量机测头半径对测量数 据的影响及其消除方法[J].计量学报，1993, 14(4) :251 - 255)提出了一种用函数修正 测头半径的方法，这种方法可以更好的补偿精度。武汉理工大学的卢红等（卢红等.测头 半径补偿的方法[J].组合机床与自动化加工技术，2001，9:39 - 41)提出了一种类似于 求测头球心等距曲面的方法实现测头半径的补偿。自适应测量方面，王平江（王平江.曲 面测量、建模及数控加工集成研宄[博士学位论文].武汉：华中理工大学，1996)提出 了等弧长均匀网格划分技术然而需要大量的人机交互方法对其进行规划；Y. F. Zhang(YF. Zhang,A. Y. C. Nee,J. YH.Fuh. et al. A Neural Network Approach to Determining Optimal Inspection Sampling Size for CMM[J]. Computer Integrated Manufaeturing System，1996, 3 (9))提出了采用神经网络的方法对其采样点计算，然而需要进行大量加工 实验来形成样本。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种基于恒定接触力的直纹面自适应测量方法。
[0005] 本发明包括以下步骤：
[0006] 1)对被测表面进行x、z方向等间隔网格划分；
[0007] 2)移动测头至被测表面零件起始位置；
[0008] 3)沿着被测表面法向方向施加一个微小位移，通过探针刚度和位移量获取接触力 大小，具体算法为：
[0009] Fy=(y「y0)Xky
[0010] 其中，Fy为探针和被测表面接触力在坐标轴y轴方向上的分量；ky为探针在测量坐 标系y方向上的刚度；yc)为探头初始位置的y轴方向坐标值；y i为施加微小位移后的探头y 轴方向坐标值；
[0011] 4)根据零件装夹方式和其几何特征指定其沿着测量坐标系的大致运动路径方 向；
[0012] 5)沿着指定路径方向移动探针到第二测量点附近区域，其位置为起始位置沿测量 方向上位移长度为e，调节接触力与起始位置处Fy相等，沿着指定路径垂直方向移动探针 到第三测量点附近区域，其位置为起始位置沿测量方向垂直方向上位移长度为e，调节接 触力与起始位置处Fy相等；
[0013] 6)计算有限单元法向矢量：
[0014]
【主权项】
1.基于恒定接触力的直纹面自适应测量方法，其特征在于包括以下步骤： 1) 对被测表面进行X、Z方向等间隔网格划分； 2) 移动测头至被测表面零件起始位置； 3) 沿着被测表面法向方向施加一个微小位移，通过探针刚度和位移量获取接触力大 小，具体算法为： Fy= (yry〇)xky 其中，Fy为探针和被测表面接触力在坐标轴y轴方向上的分量；ky为探针在测量坐标系y方向上的刚度；为探头初始位置的y轴方向坐标值；yi为施加微小位移后的探头y轴方 向坐标值； 4) 根据零件装夹方式和其几何特征指定其沿着测量坐标系的大致运动路径方向； 5) 沿着指定路径方向移动探针到第二测量点附近区域，其位置为起始位置沿测量方向 上位移长度为e，调节接触力与起始位置处Fy相等，沿着指定路径垂直方向移动探针到第 三测量点附近区域，其位置为起始位置沿测量方向垂直方向上位移长度为e，调节接触力 与起始位置处Fy相等； 6) 计算有限单元法向矢量：
7) 计算补偿后测量值：
其中，（x' ^y'mZ'J为补偿后接触点测量值，（Qx，Qy，Qz)为探针实测点坐标值； 8) 计算沿测量方向上次梯度向量变化：
其中，a)、a丨:、<*x、y、z方向上的步长； 9) 根据次梯度变化预测下一测量点x、y、z方向上调节位移量； 八九+1>八乃，（#+1> ?<) >0,gf+n ><>)时，较上一测量点沿y轴向上倾斜； 4vA_+1 < %, (<+1) ?# > 〇,g!i+1> <g。时，较上一测量点沿y轴向下倾斜； +i=4)^-，（g》1 =gj/1)时，与上一测量点等尚； gji+ll>〇，gf<〇时，形成凸点，减小测量步长重新测量； <0，>0时，形成凹点，减小测量步长重新测量； 10) 测量下一单元至测量结束。
2.如权利要求1所述基于恒定接触力的直纹面自适应测量方法，其特征在于在步骤10)中，测量时，重复利用上一单元重复单元节点，测量单元2时，读取单元1的B1坐标值， 避免重复测量；测量下一平行路径时，读取上一条路径上重复的单元结点；在测量单元6~ 10时，读取单元1~5的B2、C2、D2、E2、F2点，避免重复测量。
【专利摘要】基于恒定接触力的直纹面自适应测量方法，涉及曲面零件测量。首先对被测表面进行网格划分，对被测复杂曲面单元节点进行接触力和测头坐标的获取，通过次梯度的大小和方向变化对其恒定接触力的探针位移变化进行预测；在进行表面测量时重复利用平行测量路径上单元节点的位置坐标，有效提高测量效率；无需更换测量硬件设备即可自适应完成由直纹面构成的复杂曲面测量，实用性强，可有效提高测量效率减少操作流程。能够实现基于恒定接触力的直纹面自适应的测量方法，同时，使用单元法对测点进行直接半径补偿，使用次梯度法预测第二个接触点的调节位移，在路径规划中，对单元交叉节点测量数据进行重复使用，有效提高了测量的效率。
【IPC分类】G01B21-00
【公开号】CN104697478
【申请号】CN201510114726
【发明人】姚斌, 孙维方, 冯伟, 沈志煌, 张祥雷
【申请人】厦门大学
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2015年3月16日