CN104808581A - 一种复杂面型曲面制造的补偿加工方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种复杂面型曲面制造的补偿加工方法

所属技术领域

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

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***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***置身于加工***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

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：

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。

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：

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p_i；

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q_i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。

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。

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。

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

图1本发明的处理流程图

图2(a)归位后测量点与理想模型对应关系

图2(b)归位后测量点与理想模型的偏差值

具体实施方式

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。

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***。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***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p′_i＝Rp_i+T与理想模型数据q_i的距离最小，

$F_{\mathrm{obj}}=\min \underset{R,T}{\mathrm{\Σ}}{\left|\right|{\mathrm{Rp}}_i+T-q_i\left|\right|}^2=\min \underset{R,T}{\mathrm{\Σ}}{\left|\right|p_i^{\′}-q_i\left|\right|}^2---\left(1\right)$

解决该类问题的方法很多，可以采用Gauss–Newton或Levenberg–Marquardt最优化算法等。

目前，大部分高精度数控机床都配备原位测量***，一般均为接触式测量头，可实现对测量部件面型进行逐点测量操作，是本专利技术中的重要工具。

在具体实施过程中，对一个马鞍形复杂面型曲面器件(面型方程z＝(x/51.3736)²-(y/51.3736)²)进行加工补偿实验，曲面口径为40mm。第一次加工后，对面型利用离线测量设备测量，其面形误差峰谷值为4.047μm，之后使用加工机床自带的原位测量头进行测量，测量时均匀采集了49个测量点，借助Levenberg–Marquardt最优化算法求解确定其位置关系。然后重新对曲面进行再次测量，采样点数增大至309个，对这些测量点按照位置关系进行转换后直接和理想模型进行比较，比较结果如图2所示，可以看出测量点和理想模型一致性很好，并且误差偏差约为4.495μm，和离线测量的面形误差在一个数量级。验证了重新归位的算法具有很好的精度和效果。再次加工后其面形误差补偿后达到1.482μm。

Claims (3)

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p_i；

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q_i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。