射频四极场电极极头三维空间曲面的测量方法
【专利摘要】本发明涉及三坐标测量机测量复杂三维空间曲面【技术领域】，尤其是涉及一种利用三坐标测量射频四极场电极极头三维空间曲面的测量方法。其对RFQ电极建立三维空间数学模型，将数学模型导入到测量软件中编制测量程序。将RFQ电极放到三坐标测量机，先手动找正，之后利用程序找正，编制测量程序，利用扫描测头测量RFQ电极极头曲线，测量极头曲线最高点，采用矢量点的方法测量极头曲面点。其采用三坐标测量机，不仅能够完成对复杂三维空间曲面的测量，而且测量精度高，测量效率快，大大提高RFQ电极极头的加工检测水平。其保证了产品加工精度，提高工作效率，直观形象的反应出加工误差。
【专利说明】射频四极场电极极头三维空间曲面的测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及三坐标测量机测量复杂三维空间曲面【技术领域】，尤其是涉及一种利用三坐标测量射频四极场电极极头三维空间曲面的测量方法。
【背景技术】
[0002]射频四极场(RFQ)电极的制造水平是影响RFQ腔体性能参数的关键之一。极头承载着射频高电压，其稳定可靠性对RFQ腔体非常重要，因此，能否通过良好的测量技术保证RFQ电极极头加工质量，关系RFQ腔体品质因数的高低及谐振频率的稳定性。目前，用常规测量手段时，由于RFQ电极极头是一个三维空间曲面，所以很难实现测量，是极头加工检测的难点所在。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于避免现有技术的不足提供一种射频四极场电极极头三维空间曲面的测量方法，从而有效解决现有技术的问题。
[0004]为实现上述目的，本发明采取的技术方案为:所述的射频四极场电极极头三维空间曲面的测量方法，采用三坐标测量机，其特点是包括如下步骤:
[0005](I)、单翼形位公差及极头波浪线测量采用红宝石球型测针，每次在测量前要进行测针的校准，结果形状误差小于0.015mm，名义直径与理论值的差值小于I %为接受范围；
[0006](2)、测量室温度应控制在20°C ±2°C，测量室湿度控制在40%?65% RH ;
[0007](3)、采用UG制图软件建立射频四极场电极三维数学CAD模型，选用右手直角坐标系，以底面长度方向中心线为X轴，底面宽度方向为Y轴方向，高度方向为Z轴，坐标原点位于底平面X方向中心线和极头Z轴方向中心线在单翼端面的交点处；
[0008](4)、通过测量软件对比极头数学模型曲线与理论曲线是否一致，确保数学模型的准确性；理论曲线是通过束流动力学程序计算的一组数据，类似一条谐振曲线，呈波浪线形状，测量人员通过三坐标测量软件在三维CAD数学模型上截取出测量点，测量数据的拟合曲线和理论曲线之间的对比通过三坐标测量软件中的曲线对比功能来实现，测量曲线和原始理论曲线误差控制在1.Ομπ?以内；
[0009](5)、将射频四极场电极放置到三坐标测量机平台上，为了能够准确测量将射频四极场电极放置在测量工装上；工装与工件接触面要保证平整，无受力变形，工装表面磨加工，平面度为0.02mm ；
[0010](6)、产品在进入测量室后要放置24小时以上才能开始测量工作；
[0011](7)、在测量软件中采用右手直角坐标系，采用确定两个坐标系方向和一个坐标系原点的方法建立工件坐标系，手动模式下，在左右两端基准面A上采集4点，构建基准面AM，在基准面B上采集4点构建基准面BM，在基准面B和C上各采集一点:点-BM，点-CM，根据工艺在基准面D或者E上采集4点建基准面DM或者EM，用平面AM法向定义坐标系空间第一方向z+，用平面BM法向的反向定义坐标系平面第二旋转方向X+，做点-BM，点-CM的对称中心点M置坐标系X零点，平面AM延Z+方向偏移至曲线坐标系原点置坐标系Z零点，平面DM延Y+方向偏移至曲线坐标系原点置坐标系Y零点平面EM延Y-方向偏移至曲线坐标系原点置坐标系Y零点，测量坐标系建立完成；AL, AR, B, C为基准要素，Al, A2, A3, A4,B2，B3等为主要测量尺寸，根据这些要求编制测量机程序，测量每个元素的点数，运行的最优化路径，自动整理计算和评价结果；
[0012](8)、坐标系建立完成后在CNC模式下重新测量各基准平面:
[0013]a)平面AL，均匀分布采集20点；平面AR、均匀分布采集20点；平面B、均匀分布采集20点；平面C、均匀分布采集20点；平面D、均匀分布采集6点；平面E、均匀分布采集6点；极头两侧平面，均匀分布采集12点；
[0014]b)在平面B、平面C的前中后:前后离端面5mm，高度在平面B、C的中心的位置各采集三个矢量点，评价这三组对称点相互之间的距离；
[0015]c)在极头左侧平面和极头右侧平面的前中后:前后离端面5mm，高度在极头侧面的中心位置各采集三组对称点，评价这三组对称点相互之间的距离A2前，A2中，A2后的点到点距离，评价极头左侧面前中后点与平面B前中后对应点之间沿坐标系X方向的点到点距离A3前，A3中，A3后，评价极头右侧面前中后点与平面C前中后对应点之间沿坐标系X方向的点到点距离A4前，A4中，A4后；
[0016]d)在平面AL、平面AR的前中后中心位置:前后离端面5mm，左右位于AL、AR的中心各采集三个矢量点，在左右圆弧底平面前中后位置:左右离圆弧与底面切点向中心偏5mm各采集三个矢量点，评价左右两侧单点之间的Z向距离；
[0017]e)在平面D、平面E上离任意侧面偏移5mm按上下左右均分采集左上、左下、中上、右上、右下五个位置的对称点，评价前后两侧面单点之间的Y向距离；
[0018](9)、在数模上抽取射频四极场极头波浪线，包括分圆弧端部分和调制线端部分，按步距< 0.25mm间距采点测量点坐标，通过扫描模式采集曲线点坐标，在曲线评定模块下得出轮廓度结果；
[0019](10)、射频四极场电极检测过程由设备根据编制好的程序:测量软件AC-DMS编写，通过在CAD模型上抽取元素，得到元素的理论值，输入测量参数，点数，路径参数，生成程序字节，由专门的DMS语言来控制运行，设备运行原理类似于数控机床CNC，自动计算和评价图纸要求尺寸和形位公差结果；
[0020](11)、将三维CAD模型里的坐标系和实际测量时建立的坐标系模型对应起来，测量时建立的坐标系模型原点偏移到CAD模型中曲线原点的位置，通过测量软件截取出极头部分曲线上的点坐标，根据步距小于0.25mm的要求，等距离在曲线上取出测量点，三坐标测量机根据测量点在工件表面进行扫描测量，得到实际工件上点的空间坐标(X，Y，Z)，将实测点和理论测量点一一对比，得到测量结果:负偏差最大的点和正偏差最大的点；
[0021](12)、测量极头曲面上最高点，根据设计人员提供的点坐标，找出其中Z坐标数值最大的点为最高点，得到这个点的坐标值；实际测量出的点和这个点比较空间距离，即为最高点的实际偏差；
[0022](13)、测量极头空间三维曲面截面线，此截面线是一条三维空间曲线，截面线在CAD模型上射频四极场工件两端面25mm左右的位置和射频四极场中心的位置上截取，点数为63个，曲线测量结束后将所有的点采用最小二乘法拟合成一个圆弧，实测圆心坐标值与理论圆圆心坐标值的差值来评价极头的曲面是否相对于基准对称；
[0023](14)、对测量结果数据保存备份。
[0024]本发明的有益效果是:所述的射频四极场电极极头三维空间曲面的测量方法，采用三坐标测量机，不仅能够完成对复杂三维空间曲面的测量，而且测量精度高，测量效率快，大大提高RFQ电极极头的加工检测水平。其保证了产品加工精度，运用了多种CAD/CAM技术，以及计量检测知识，提高工作效率，直观形象的反映出加工误差。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是本发明的RFQ射频四极场电极三维数学CAD模型；
[0026]图2是本发明对测量基准示意图。
【具体实施方式】
[0027]以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0028]如图1和2所示，所述的射频四极场电极极头三维空间曲面的测量方法，采用三坐标测量机，其特点是包括如下步骤:
[0029](I)、单翼形位公差及极头波浪线测量采用SP25测量模块接Φ5χ21红宝石球型测针组合，翼板装配后及焊接前后尺寸采用SP25测头模块加M2螺纹转接器加Φ 5x50红宝石球型测针，每次在测量前要进行测针的校准，结果形状误差小于0.015mm，名义直径与理论值的差值小于1%为接受范围；
[0030](2)、测量室温度应控制在20°C ±2°C，测量室湿度控制在40%?65% RH ;
[0031 ] (3)、采用UG制图软件建立射频四极场电极三维数学CAD模型，选用右手直角坐标系，以底面长度方向中心线为X轴，底面宽度方向为Y轴方向，高度方向为Z轴，坐标原点位于底平面X方向中心线和极头Z轴方向中心线在单翼端面的交点处；
[0032](4)、通过测量软件对比极头数学模型曲线与理论曲线是否一致，确保数学模型的准确性；理论曲线是通过束流动力学程序计算的一组数据，类似一条谐振曲线，呈波浪线形状，测量人员通过三坐标测量软件AC-DMS在三维CAD数学模型上截取出测量点，测量数据的拟合曲线和理论曲线之间的对比通过三坐标测量软件AC-DMS中的曲线对比功能来实现，测量曲线和原始理论曲线误差控制在1.0μ m以内；
[0033](5)、将射频四极场电极放置到三坐标测量机平台上，为了能够准确测量将射频四极场电极放置在测量工装上；工装与工件接触面要保证平整，无受力变形，工装表面磨加工，平面度为0.02mm ；
[0034](6)、产品在进入测量室后要放置24小时以上才能开始测量工作；
[0035](7)、在测量软件中采用右手直角坐标系，采用确定两个坐标系方向和一个坐标系原点的方法建立工件坐标系，手动模式下，在左右两端基准面A上采集4点，构建基准面AM，在基准面B上采集4点构建基准面BM，在基准面B和C上各采集一点:点-BM，点-CM，根据工艺在基准面D或者E上采集4点建基准面DM或者EM，用平面AM法向定义坐标系空间第一方向Z+，用平面BM法向的反向定义坐标系平面第二旋转方向X+，做点-BM，点-CM的对称中心点M置坐标系X零点，平面AM延Z+方向偏移至曲线坐标系原点置坐标系Z零点，平面DM延Y+方向偏移至曲线坐标系原点置坐标系Y零点平面EM延Y-方向偏移至曲线坐标系原点置坐标系Y零点，测量坐标系建立完成；AL, AR, B, C为基准要素，Al, A2, A3, A4,B2，B3等为主要测量尺寸，根据这些要求编制测量机程序，测量每个元素的点数，运行的最优化路径，自动整理计算和评价结果；
[0036](8)、坐标系建立完成后在CNC模式下重新测量各基准平面:
[0037]a)平面AL，均匀分布采集20点；平面AR、均匀分布采集20点；平面B、均匀分布采集20点；平面C、均匀分布采集20点；平面D、均匀分布采集6点；平面E、均匀分布采集6点；极头两侧平面，均匀分布采集12点；
[0038]b)在平面B、平面C的前中后:前后离端面5mm，高度在平面B、C的中心的位置各采集三个矢量点，评价这三组对称点相互之间的距离；
[0039]c)在极头左侧平面和极头右侧平面的前中后:前后离端面5mm，高度在极头侧面的中心位置各采集三组对称点，评价这三组对称点相互之间的距离A2前，A2中，A2后的点到点距离，评价极头左侧面前中后点与平面B前中后对应点之间沿坐标系X方向的点到点距离A3前，A3中，A3后，评价极头右侧面前中后点与平面C前中后对应点之间沿坐标系X方向的点到点距离A4前，A4中，A4后；
[0040]d)在平面AL、平面AR的前中后中心位置:前后离端面5mm，左右位于AL、AR的中心各采集三个矢量点，在左右圆弧底平面前中后位置:左右离圆弧与底面切点向中心偏5mm各采集三个矢量点，评价左右两侧单点之间的Z向距离；
[0041]e)在平面D、平面E上离任意侧面偏移5mm按上下左右均分采集左上、左下、中上、右上、右下五个位置的对称点，评价前后两侧面单点之间的Y向距离；
[0042](9)、在数模上抽取射频四极场极头波浪线，包括分圆弧端部分和调制线端部分，按步距< 0.25mm间距采点测量点坐标，通过扫描模式采集曲线点坐标，在曲线评定模块下得出轮廓度结果；
[0043](10)、射频四极场电极检测过程由设备根据编制好的程序:测量软件AC-DMS编写，通过在CAD模型上抽取元素，得到元素的理论值，输入测量参数，点数，路径参数，生成程序字节，由专门的DMS语言来控制运行，设备运行原理类似于数控机床CNC，自动计算和评价图纸要求尺寸和形位公差结果；
[0044](11)、将三维CAD模型里的坐标系和实际测量时建立的坐标系模型对应起来，测量时建立的坐标系模型原点偏移到CAD模型中曲线原点的位置，通过测量软件截取出极头部分曲线上的点坐标，根据步距小于0.25mm的要求，等距离在曲线上取出测量点，三坐标测量机根据测量点在工件表面进行扫描测量，得到实际工件上点的空间坐标(X，Y，Z)，将实测点和理论测量点一一对比，得到测量结果:负偏差最大的点和正偏差最大的点；
[0045](12)、测量极头曲面上最高点，根据设计人员提供的点坐标，找出其中Z坐标数值最大的点为最高点，得到这个点的坐标值；实际测量出的点和这个点比较空间距离，即为最高点的实际偏差；
[0046](13)、测量极头空间三维曲面截面线，此截面线是一条三维空间曲线，截面线在CAD模型上射频四极场工件两端面25mm左右的位置和射频四极场中心的位置上截取，点数为63个，曲线测量结束后将所有的点采用最小二乘法拟合成一个圆弧，实测圆心坐标值与理论圆圆心坐标值的差值来评价极头的曲面是否相对于基准对称；
[0047](14)、对测量结果数据保存备份。
[0048]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种射频四极场电极极头三维空间曲面的测量方法，采用三坐标测量机，其特点是包括如下步骤: (1)、单翼形位公差及极头波浪线测量采用红宝石球型测针，每次在测量前要进行测针的校准，结果形状误差小于0.015_，名义直径与理论值的差值小于1%为接受范围； (2)、测量室温度应控制在20°C±2°C，测量室湿度控制在40%?65% RH ; (3)、采用UG制图软件建立射频四极场电极三维数学CAD模型，选用右手直角坐标系，以底面长度方向中心线为X轴，底面宽度方向为Y轴方向，高度方向为Z轴，坐标原点位于底平面X方向中心线和极头Z轴方向中心线在单翼端面的交点处； (4)、通过测量软件对比极头数学模型曲线与理论曲线是否一致，确保数学模型的准确性；理论曲线是通过束流动力学程序计算的一组数据，类似一条谐振曲线，呈波浪线形状，测量人员通过三坐标测量软件在三维CAD数学模型上截取出测量点，测量数据的拟合曲线和理论曲线之间的对比通过三坐标测量软件中的曲线对比功能来实现，测量曲线和原始理论曲线误差控制在Ι.Ομπι以内； (5)、将射频四极场电极放置到三坐标测量机平台上，为了能够准确测量将射频四极场电极放置在测量工装上；工装与工件接触面要保证平整，无受力变形，工装表面磨加工，平面度为0.02mm ； (6)、产品在进入测量室后要放置24小时以上才能开始测量工作； (7)、在测量软件中米用右手直角坐标系,米用确定两个坐标系方向和一个坐标系原点的方法建立工件坐标系，手动模式下，在左右两端基准面A上采集4点，构建基准面AM，在基准面B上采集4点构建基准面BM，在基准面B和C上各采集一点:点-BM，点-CM，根据工艺在基准面D或者E上采集4点建基准面DM或者EM，用平面AM法向定义坐标系空间第一方向Z+，用平面BM法向的反向定义坐标系平面第二旋转方向X+，做点-BM，点-CM的对称中心点M置坐标系X零点，平面AM延Z+方向偏移至曲线坐标系原点置坐标系Z零点，平面DM延Y+方向偏移至曲线坐标系原点置坐标系Y零点平面EM延Y-方向偏移至曲线坐标系原点置坐标系Y零点，测量坐标系建立完成41^^1?，8，(:为基准要素^1^2^3^4，82，B3等为主要测量尺寸，根据这些要求编制测量机程序，测量每个元素的点数，运行的最优化路径，自动整理计算和评价结果； (8)、坐标系建立完成后在CNC模式下重新测量各基准平面； (9)、在数模上抽取射频四极场极头波浪线，包括分圆弧端部分和调制线端部分，按步距< 0.25mm间距采点测量点坐标，通过扫描模式采集曲线点坐标，在曲线评定模块下得出轮廊度结果； (10)、射频四极场电极检测过程由设备根据编制好的程序:测量软件编写，通过在CAD模型上抽取元素，得到元素的理论值，输入测量参数，点数，路径参数，生成程序字节，自动计算和评价图纸要求尺寸和形位公差结果； (11)、将三维CAD模型里的坐标系和实际测量时建立的坐标系模型对应，测量时建立的坐标系模型原点偏移到CAD模型中曲线原点的位置，通过测量软件截取出极头部分曲线上的点坐标，根据步距小于0.25mm的要求，等距离在曲线上取出测量点，三坐标测量机根据测量点在工件表面进行扫描测量，得到实际工件上点的空间坐标(X，Y，Z)，将实测点和理论测量点一一对比，得到测量结果:负偏差最大的点和正偏差最大的点； (12)、测量极头曲面上最高点，根据设计人员提供的点坐标，找出其中Z坐标数值最大的点为最高点，得到这个点的坐标值；实际测量出的点和这个点比较空间距离，即为最高点的实际偏差； (13)、测量极头空间三维曲面截面线，此截面线是一条三维空间曲线，截面线在CAD模型上射频四极场工件两端面25mm左右的位置和射频四极场中心的位置上截取，点数为63个，曲线测量结束后将所有的点采用最小二乘法拟合成一个圆弧，实测圆心坐标值与理论圆圆心坐标值的差值来评价极头的曲面是否相对于基准对称； (14)、对测量结果数据保存备份。
2.根据权利要求1所述的射频四极场电极极头三维空间曲面的测量方法，其特征在于:所述的第八步骤包括: a)平面AL，均匀分布采集20点；平面AR、均匀分布采集20点；平面B、均匀分布采集20点；平面C、均匀分布采集20点；平面D、均匀分布采集6点；平面E、均匀分布采集6点；极头两侧平面，均匀分布采集12点； b)在平面B、平面C的前中后:前后离端面5mm，高度在平面B、C的中心的位置各采集三个矢量点，评价这三组对称点相互之间的距离； c)在极头左侧平面和极头右侧平面的前中后:前后离端面5mm，高度在极头侧面的中心位置各采集三组对称点，评价这三组对称点相互之间的距离A2前，A2中，A2后的点到点距离，评价极头左侧面前中后点与平面B前中后对应点之间沿坐标系X方向的点到点距离A3前，A3中，A3后，评价极头右侧面前中后点与平面C前中后对应点之间沿坐标系X方向的点到点距离A4前，A4中，A4后； d)在平面AL、平面AR的前中后中心位置:前后离端面5mm，左右位于AL、AR的中心各采集三个矢量点，在左右圆弧底平面前中后位置:左右离圆弧与底面切点向中心偏5_各采集三个矢量点，评价左右两侧单点之间的Z向距离； e)在平面D、平面E上离任意侧面偏移5mm按上下左右均分采集左上、左下、中上、右上、右下五个位置的对称点，评价前后两侧面单点之间的Y向距离。
【文档编号】G01B7/28GK104197823SQ201410486562
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月22日 优先权日:2014年7月17日
【发明者】孙国平, 李学敏, 孙国珍, 谢春安, 雷海亮, 张小奇, 徐大宇, 王丰, 王文进 申请人:中国科学院近代物理研究所