一种复杂面型曲面制造的补偿加工方法

文档序号:8487255阅读:557来源:国知局
一种复杂面型曲面制造的补偿加工方法
【专利说明】一种复杂面型曲面制造的补偿加工方法 所属技术领域
[0001] 本发明属于先进制造领域的复杂面型零件数控加工、光学表面自由曲面零件制 造,涉及复杂面型器件的高精度制造。
【背景技术】
[0002] 复杂面型曲面是指具有特定功能的任意复杂曲面,它一般不具有回转对称特点, 比传统回转曲面具有更多的面形变化,因此,能够为设计者提供更多的设计自由度和创新 思路。但是复杂面型为制造过程带来了一定困难。例如,在加工过程中为了控制更高的加 工精度,需要对器件进行测量,并依据测量数据进行加工误差的补偿加工。但由于复杂面型 曲面没有对称轴和基准面,离线测量后很难靠机械调整重新归位到已有加工坐标系中。并 且由于面型复杂,微小的归位误差会引起较大的加工偏差量。一般需要设计专用夹具或额 外的参考点来辅助重新归位的调整。另外,还有一种方法是采用原位测量方法,也就是将测 量系统安装于加工机床上,在加工结束后在不卸载器件的情况下实现面形误差的测量,从 而避免了重新归位的难题。但由于原位测量系统置身于加工系统中,机床自身的误差反应 不出来,从而不能完整反应加工误差,不利于加工精度控制。因此,亟需提出一种简单可行 的高精度归位方法,实现复杂面型曲面器件离线测量后重新归位进而进行补偿加工。

【发明内容】

[0003] 本发明旨在设计一种复杂面型曲面加工中的归位方法,保证复杂面型曲面器件在 机床卸载后,能够高精度的重新安装于机床,从而实现复杂面型曲面离线测量后的误差补 偿加工。本发明的技术方案如下:
[0004] -种复杂面型曲面制造的补偿加工方法,该方法采用的加工机床配备有原位测量 头,方法如下:
[0005] (1)对被加工工件理想模型进行加工路径设计;
[0006] (2)对被加工工件进行加工,加工后将工件卸载后进行离线面形测量,得到被加工 器件的面形误差;
[0007] (3)将被加工工件重新安装于加工机床,并借助原位测量方式得到被加工工件与 机床加工坐标系之间的位置关系,即旋转矩阵R和平移矩阵T ;
[0008] (4)使用得到的旋转矩阵R和平移矩阵T对被加工工件理想模型进行坐标变换,并 叠加被加工器件的面形误差后得到新加工模型,对新加工模型进行加工路径设计;
[0009] (5)再次进行加工,重复(2)-(5)步骤直至面形误差满足要求。
[0010] 作为优选实施方式,步骤(3)所述的借助原位测量方式得到被加工工件与机床加 工坐标系之间的位置关系的过程如下:
[0011] 1)借助原位测量头对被加工工件表面进行逐点测量,得到一系列测量点Pi;
[0012] 2)设定初始的旋转矩阵R和平移矩阵T,将测量点进行六自由度的变换,建立调整 后的测量数据与模型数据^的距离最小的评价函数,使用最优化算法进行旋转矩阵R和平 移矩阵T变换的最优求解;
[0013] 3)求解后得到的旋转矩阵R和平移矩阵T变换的最优解即为被加工工件与机床加 工坐标系之间的位置关系。
[0014] 其中的步骤2),采用的最优化算法可以为Gauss - Newton最优化算法或 Levenberg - Marquardt 最优化算法。
[0015] 本发明针对复杂面型高精度加工问题,提出了结合离线测量和原位测量方法的集 成补偿加工方法。借助原位测量头实现了重新装配器件高精度位置定位,并借助对加工模 型的位置变换直接生成补偿加工路径,从而避免了需要复杂定位夹具和装配调整的繁琐过 程。
[0016] 本发明所提出的复杂面型器件的高精度重新归位装配的方法还被用于更多方面。 比如,对于大矢高差值的曲面来说,考虑到加工效率的因素,需要考虑分步在不同加工机床 上分别进行粗加工和精加工,而将粗加工的器件较高精度的归位到高精密加工机床上,以 有效控制多余加工量,就需要对复杂面型器件进行重新装卡定位。
【附图说明】
[0017] 图1本发明的处理流程图
[0018] 图2(a)归位后测量点与理想模型对应关系
[0019] 图2(b)归位后测量点与理想模型的偏差值
【具体实施方式】
[0020] 图1是本发明的流程图。根据复杂面型曲面器件模型进行加工路径设计,器件加 工后从机床上卸载下来进行离线测量,获取面形误差。然后将器件重新装配于机床上,这个 过程的安装是随意的,不必关注是否和卸载前的位置是否一致。利用原位测量头对重新安 装后的器件进行测量,通过测量数据和理想模型的匹配确定前后两者的位置关系。这里的 位置关系采用刚体变换矩阵来描述,即旋转矩阵R和平移矩阵T。一般被加工曲面坐标系与 加工坐标系一致。只要确定重新装卡后曲面和标准面型的偏差关系,就能确定和加工坐标 系之间的位置关系。然后对复杂面型曲面模型进行相同的位置变换(即旋转矩阵R和平移 矩阵T)后,并添加面形误差后,进行加工路径的重新设计,从而进行补偿加工。
[0021] 以上处理步骤中,被加工器件和加工坐标系之间的位置关系是一个刚体的六自由 度运动,即旋转矩阵R和平移矩阵T。而确定重新装卡后曲面和理想模型的偏差关系的工 具是可进行面形测量的原位测量系统。以三轴超精密车削加工为例,典型的光学复杂面型 曲面加工方式中,原位测量系统置于加工机床上,在进行加工前,其测量坐标系和加工坐标 系之间已通过调整确保一致。对重新装卡后曲面进行测量,得到一系列曲面测量点P i,通过 求解曲面测量点和理想模型的匹配关系,确定在测量坐标系下重新装卡后曲面和理想模型 的关系R和T。曲面测量点和理想模型的匹配关系的求解是至关重要的一步,它是一个最 优化求解过程。测量数据P i被认为是刚体,在整个优化调整过程中进行旋转R和平移T变 换。在最优化调整中的评价函数设置原则为调整后的测量数据V i= Rp i+T与理想模型 数据qi的距离最小,
【主权项】
1. 一种复杂面型曲面制造的补偿加工方法,该方法采用的加工机床配备有原位测量 头,方法如下: (1) 对被加工工件理想模型进行加工路径设计; (2) 对被加工工件进行加工,加工后将工件卸载后进行离线面形测量,得到被加工器件 的面形误差; (3) 将被加工工件重新安装于加工机床,并借助原位测量方式得到被加工工件与机床 加工坐标系之间的位置关系,即旋转矩阵R和平移矩阵T ; (4) 使用得到的旋转矩阵R和平移矩阵T对被加工工件理想模型进行坐标变换,并叠加 被加工器件的面形误差后得到新加工模型,对新加工模型进行加工路径设计; (5) 再次进行加工,重复(2)-(5)步骤直至面形误差满足要求。
2. 根据权利要求1所述的补偿加工方法,其特征在于,步骤(3)所述的借助原位测量方 式得到被加工工件与机床加工坐标系之间的位置关系的过程如下: 1) 借助原位测量头对被加工工件表面进行逐点测量,得到一系列测量点Pi; 2) 设定初始的旋转矩阵R和平移矩阵T,将测量点进行六自由度的变换,建立调整后的 测量数据与模型数据^的距离最小的评价函数,使用最优化算法进行旋转矩阵R和平移矩 阵T变换的最优求解; 3) 求解后得到的旋转矩阵R和平移矩阵T变换的最优解即为被加工工件与机床加工坐 标系之间的位置关系。
3. 根据权利要求2所述的补偿加工方法,其特征在于,步骤2)中,采用的最优化算法可 以为Gauss - Newton最优化算法或Levenberg - Marquardt最优化算法。
【专利摘要】本发明提供一种复杂面型曲面制造的补偿加工方法,该方法采用的加工机床配备有原位测量头,方法如下:对被加工工件理想模型进行加工路径设计;对被加工工件进行加工,加工后将工件卸载后进行离线面形测量,得到被加工器件的面形误差;将被加工工件重新安装于加工机床,并借助原位测量方式得到被加工工件与机床加工坐标系之间的位置关系,即旋转矩阵R和平移矩阵T;使用得到的旋转矩阵R和平移矩阵T对被加工工件理想模型进行坐标变换,并叠加被加工器件的面形误差后得到新加工模型,对新加工模型进行加工路径设计;再次进行加工。本发明可以实现复杂面型曲面离线测量后的误差补偿加工。
【IPC分类】G05B19-404
【公开号】CN104808581
【申请号】CN201510188812
【发明人】张效栋, 房丰洲, 曾臻
【申请人】天津大学
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2015年4月20日
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