基于曲面基准要素建立基准特征的测量方法与流程

1.本发明涉及机械设计技术领域，尤其是涉及一种基于曲面基准要素建立基准特征的测量方法。


背景技术：

2.曲面基准一般分为特征曲面和非特征曲面，特征曲面是理想的单一特征元素，具有唯一的质心，例如，圆柱面、圆锥面。非特征曲面是由多个几何特征元素或是不规则自由曲面组成。在测量复杂零件时，通常采用三坐标测量机测量几何公差和尺寸公差，在三坐标测量机软件中，可以被应用为基准要素的有点、线、面、特征组等。但是，曲面作为基准在三坐标测量软件中无法直接引用参与评价尺寸。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种基于曲面基准要素建立基准特征的测量方法，以解决现有技术中曲面作为基准在三坐标测量软件中无法直接引用参与评价尺寸的技术问题。
4.本发明提供的一种基于曲面基准要素建立基准特征的测量方法，包括如下步骤：
5.建立数模坐标系，在所述数模坐标系内，将零件的测量基准要素与理论基准数模进行虚拟装配，然后确定曲面的模拟基准，在该模拟基准下对零件进行测量。
6.进一步的，所述模拟基准包括特征曲面的模拟基准和非特征曲面的模拟基准。
7.进一步的，建立特征曲面的数模坐标系包括：
8.根据半径为rx的曲面，将所述数模坐标系的原点建立在理论rx的中心轴线上，并使其所述中心轴线与所述数模坐标系的z轴重合，然后将所述数模坐标系的原点向x轴方向分别沿正负方向向外延伸l至曲面的边界，并朝向所述曲面做垂直距离d。
9.进一步的，根据曲面基准位置和零件自由度确定特征曲面的模拟基准包括：
10.利用所述数模坐标系的x轴和z轴构造平面xz，并利用所述数模坐标系的z轴构造直线z，然后根据所述平面xz和所述直线z构造所述曲面的模拟基准。
11.进一步的，建立非特征曲面的数模坐标系包括：
12.将曲面在x轴方向的中点确定为所述数模坐标系的原点，然后利用x轴和z轴构成二维平面xz，并保证所述曲面上的点至所述二维平面xz的垂直距离的平方和为最小值。
13.进一步的，根据曲面基准位置和零件自由度确定非特征曲面的模拟基准包括：
14.利用所述数模坐标系的x轴和z轴构造平面xz，利用所述数模坐标系的z轴和y轴构造平面yz，然后根据所述平面xz和所述平面yz构造所述曲面的模拟基准。
15.进一步的，在每个所述数模坐标系中，所述模拟基准的构造数量为多个，然后根据曲面基准位置、零件自由度、大小和/或重要程度确定所述模拟基准。
16.进一步的，将所述零件的测量基准要素与理论基准数模在测量软件中进行拟合，以此完成所述虚拟装配。
17.进一步的，利用最佳拟合算法、最大内切拟合算法、最小外接拟合算法和/或切比
雪夫法拟合算法将所述零件的测量基准要素与理论基准数模进行虚拟装配。
18.在上述技术方案中，对零件进行虚拟装配后，可以通过区分曲面类型计算理论坐标系的位置，进而根据坐标系原理构造点、线、面特征，进而确定曲面的模拟基准，通过这个算法，既模拟了曲面基准在装配时的作用，又通过模拟基准代替了曲面基准参与尺寸评价，保证了尺寸评价的真实性和重复稳定性，能够有效解决因曲面基准要素导出中心要素的测量误差较大问题。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明一个实施例提供的小弧长拟合圆心的示意图；
21.图2为本发明一个实施例提供的产品结构示意图；
22.图3为本发明一个实施例提供的特征曲面坐标系建立示意图；
23.图4为本发明一个实施例提供的非特征曲面坐标系建立示意图；
24.图5为本发明一个实施例提供的坐标系建立示意图。
具体实施方式
25.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
27.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
28.在现有技术中测量复杂零件时，曲面作为基准在三坐标测量软件中并不能够直接引用参与评价尺寸。以图1所示为例，当在小弧长和小圆心角的圆柱面在实际测量过程中，由于被测曲面不是理想的，所以回存在形状误差，此时如果通过实际曲面要素直接拟合构造轴线，那么轴线的实际中心可能会严重偏离理论中心，且重复性和稳定性差。继续参考图2所示，基准d非连续曲面且半径大弧长小，所以为了能够通过这些圆柱表面测量出精准的实际圆柱轴线，可以进行实验，选用3个零件分别测量5次，共15件次，对r1029.8的圆柱进行不同方法的测量并得出实际坐标偏差的平均值，测试数据见下表。
[0029][0030]
由上表可以看出，在三坐标使用小弧度的测量要素拟合时，圆柱的中心轴线在x轴和y轴方向上的偏差大多超过0.1，然而这并不能够满足精密零件测量的需求。
[0031]
为了解决上述技术问题，本技术提供了如下的技术方案：
[0032]
如图3至图5所示，本实施例提供的一种基于曲面基准要素建立基准特征的测量方法，包括如下步骤：建立数模坐标系，在所述数模坐标系内，将零件的测量基准要素与理论基准数模进行虚拟装配，然后确定曲面的模拟基准，在该模拟基准下对零件进行测量。在该测量方法中，首先可以将零件的全部测量基准要素与理论基准数模通过基本的拟合算法将零件进行虚拟装配，例如，可以将所述零件的测量基准要素与理论基准数模在测量软件中进行拟合，以此完成所述虚拟装配，并且，在虚拟装配的过程中，可以根据需求利用最佳拟合算法、最大内切拟合算法、最小外接拟合算法和切比雪夫法拟合算法将所述零件的测量基准要素与理论基准数模进行虚拟装配，其中，最佳拟合算法、最大内切拟合算法、最小外接拟合算法和切比雪夫法拟合算法可以根据零件的自身刚性、结构、使用工况的不同，按需选择或任意组合采用。
[0033]
由于通常基准的定义来源于装配的要求，因此在三坐标测量时，在建立测量坐标系后，如果在测量软件中将cad数模基准与实际零件的全部基准要素进行拟合，可以首先模拟零件在真实装配过程的位置状态。当对零件进行虚拟装配后，就可以通过区分曲面类型计算理论坐标系的位置，进而根据坐标系原理构造点、线、面特征，这些特征就是曲面的模拟基准。通过这个算法，既模拟了曲面基准在装配时的作用，又通过模拟基准代替了曲面基准参与尺寸评价，保证了尺寸评价的真实性和重复稳定性，能够有效解决因曲面基准要素导出中心要素的测量误差较大问题。
[0034]
需要说明的是，所述模拟基准包括特征曲面的模拟基准和非特征曲面的模拟基准，本发明中对于曲面的模拟基准和非特征曲面的模拟基准，可以通过不同的方式进行数模坐标系的建立以及模拟基准的确定，具体如下。
[0035]
在一个实施例中，建立特征曲面的数模坐标系的方式为，根据半径为rx的曲面，将所述数模坐标系的原点建立在理论rx的中心轴线上，并使其所述中心轴线与所述数模坐标系的z轴重合，然后将所述数模坐标系的原点向x轴方向分别沿正负方向向外延伸l至曲面的边界，并朝向所述曲面做垂直距离d。因为数模的坐标系是三维制图的空间坐标的基准，也是产品尺寸测量的图纸基准建立的依据。例如，在图3所示的实施例中，基准a是半径为rx的圆柱面，数模坐标系的原点建立在理论rx的中心轴线上且轴线与坐标z轴重合，此时可以通过将数模坐标系的原点向x轴的两侧方向向外延伸l至理论曲面的边界，并保持l1＝l2，然后做垂直距离d，并使d1＝d2。其中，z轴零位可以根据图纸中其他基准的位置确定，进而
建立数模坐标系。
[0036]
同时，根据曲面基准位置和零件自由度确定特征曲面的模拟基准为，利用所述数模坐标系的x轴和z轴构造平面xz，并利用所述数模坐标系的z轴构造直线z，然后根据所述平面xz和所述直线z构造所述曲面的模拟基准。因为基准一般是理想的点、线、面，而在实际的零件测量中零件被定义的基准特征一定不是理想的，其大多存在形状误差，因此通过基本的拟合算法可以将基准要素拟合成理想的基准。在曲面基准要素构造基准时，因为使用传统的拟合方式存在较大误差，所以可以使零件上的基准要素和cad数模基准在同一坐标系下，通过最小区域法则实现零件与数模的虚拟装配。此时，数模坐标系与实际零件的坐标系是同一坐标系，可以利用数模坐标系的x轴和z轴构造平面xz，利用数模坐标系的z轴线构造直线z，使直线z和平面xz构造出曲面的模拟基准。
[0037]
在另一个实施例中，建立非特征曲面的数模坐标系的方法为，将曲面在x轴方向的中点确定为所述数模坐标系的原点，然后利用x轴和z轴构成二维平面xz，并保证所述曲面上的点至所述二维平面xz的垂直距离的平方和为最小值。因为，数模的坐标系是三维制图的空间坐标的基准，也是产品尺寸测量的图纸基准建立的依据，所以，在非特征曲面作为基准建立坐标系时，如图4所示的实施例，基准a是非特征曲面，从g至h由半径为rx1、rx2等圆柱面组成，此时，理论曲面上的点至坐标系x轴和z轴构成二维平面xz的垂直距离的平方和是最小值(l12+l22+
…
ln2＝min)，坐标系的原点位于g和h在x轴方向的中点，同样，z轴零位也可以根据图纸中其他基准的位置确定。
[0038]
接着，根据曲面基准位置和零件自由度确定非特征曲面的模拟基准为，利用所述数模坐标系的x轴和z轴构造平面xz，利用所述数模坐标系的z轴和y轴构造平面yz，然后根据所述平面xz和所述平面yz构造所述曲面的模拟基准。此时，通过拟合等基本算法完成零件与数模的虚拟装配后，数模坐标系与实际零件的坐标系是同一坐标系，可以利用数模坐标系的z轴和y轴构造平面yz，x轴和z轴构造平面xz，利用平面xz和平面yz作为模拟基准。
[0039]
不管是曲面的模拟基准，还是非特征曲面的模拟基准，在每个所述数模坐标系中，所述模拟基准的构造数量均可以为多个，然后根据曲面基准位置、零件自由度、大小和/或重要程度确定所述模拟基准。例如在图2所示的实施例中，基准a是特征曲面，作为圆柱被使用，它在实际的零件装配过程中，最多限定产品的4个自由，此时可以直接引用模拟基准直线z作为基准评价使用。而在图4所示的实施例中中，基准a是非特征曲面，它在实际的零件装配过程中，当作为第一基准使用时，其限制了x轴、y轴、z轴旋转和x轴、y轴的平移，控制了产品的5个自由，此时需要引用模拟基准平面xz和平面yz作为基准评价使用。下表即表明曲面基准的顺序及控制自由度数量对应关系。
[0040][0041]
在一个具体的实施例中，继续参考图2所示，基准d是由6个非连续r1029.8组成的圆柱曲面，具有公共轴线，因此可以定义为特征曲面。此时，可以将坐标系z轴建立在基准d
的圆柱轴线上，z轴原点位于基准e上，y原点位于曲面两侧边界的中心位置，两侧边界距离y距离相等均为950mm，参见图5。通过三坐标测量软件或三维测量对比软件，将测量的基准要素与理论模型基准进行最佳拟合，达到模拟仿真下的虚拟装配状态，同时零件的6个自由度被限制，此时的坐标系即是数模坐标也是实际零件的测量坐标系。图纸中的几何公差的基准定义中，基准d作为第一基准被使用，但在零件装配时基准d具有大弧长小圆心角的特点且主要控制了零件的tx(x轴方向的移动)、ry(沿着y轴方向的旋转)、rz(沿着z轴方向的旋转)，根据曲面基准的顺序及控制自由度数量对应关系可知作为第一基准可以限制3个自由度的只有平面特征。通过坐标y和z轴构建平面yz，它作为模拟基准替代基准d被使用。
[0042]
最后，通过三坐标测量软件测量1件10次，统计了几个关键的尺寸。为了验证数据的准确性，通过光学扫描测量机逆向得到了零件的数据，并在geomagic control x和gom inspect两款三维测量对比软件中，进行了比较测量。实验数据表明，同一尺寸三坐标测量的极限偏差值与扫描测量的极限偏差值的相关性(偏差除以公差)在10％以内，符合asme y14.43-2011(量规和固定装置的尺寸规格和公差原则)中量规公差小于等于被测公差的十分之原则，同时也满足罗尔斯罗伊斯公司质量体系中as13003(测量系统分析)中的偏差相关性小于等于10％规定。
[0043]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。