机床测量探针轴向的可行图构建方法

机床测量探针轴向的可行图构建方法

叶片和叶片板块的零件广泛应用于航空、船舶和其他领域。叶片设计通常是自由曲线的，扭曲度高，曲线窄。因此，在保证精度和效率的前提下，褶皱测量被提出为一个挑战。工业界中传统的测量方法是使用三坐标测量机，但由于其需要二次定位、离线装夹，导致测量过程繁琐、耗时过长对于触发式测头，预行程误差是影响最终测量误差的主要影响因素在机床几何误差项的辨识方面：田文杰等上述方法大都先标定红宝石球上一组位置的误差，再拟合其他位置的误差用于补偿测量结果。这造成补偿结果不准确，标定时间过长；另一方面，忽略了由于机床旋转轴引入的误差，缺少对探针轴向控制机床转台旋转以减小测量误差的思考。因此，本文提出了一种基于构建可行图的探针轴向优化方法。在探针无干涉的前提下，使得测量路径中红宝石球上触碰点个数最少。并且，通过在机床旋转轴可行图中优化探针轴向，用以减少旋转轴的旋转方向变化。最后通过三组离心式叶轮的测量对比实验，证明本文方法的有效性和正确性。1探针探测的安全距离在进行曲面测量前，根据工件形状需要人为设定一些安全位置与参数，因此先给出工件坐标系O测量点理论曲面模型上规划的待测点，用P定位点在探针探测某个测量点之前，先运动到定位点再进行探测。对于第i个测量点P式中：k为人为设定的测量点与定位点之间的安全距离。探测点红宝石球在接触测量点时，沿着法矢方向偏置红宝石球半径r距离处的球心点，用H探测方向当探针运动到定位点时，沿测量点理论外法矢的反方向去触碰工件，第i个测量点P1.1为了计算测量点的方向，可以假设达到方向锥测量点处可达方向锥是探针与工件不发生干涉的可行范围，每个探针轴向矢量可以映射为以探测点H1.2主轴复位时的旋转以在BC轴机床上进行在机测量为例，为了防止旋转轴发生突变定义探针坐标系位于机床主轴复位时红宝石球心处，如图3所示，记为O则由探针坐标系到工件坐标系的变换矩阵为式中：R为旋转矩阵。对于测量点P则探针坐标系下触碰点为m进一步，依据红宝石球上触碰点的参数，把可行的探针轴向区域转化为红宝石球上触碰点的可行图通过后置处理1.3探针轴向集合式在建立红宝石球上触碰点可行图和机床旋转轴可行图后，若选定一个探针轴向，则在红宝石球上触碰点可行图Ω目前，多数先进数控机床都具有主轴定向功能，在测量时它能够允许主轴旋转任意角度，此时若在红宝石球上触碰点可行图Ω式中：ω探针轴向集合Λ式中：θ若机床没有主轴定向功能，则ω2轴向规划2.1探针安装过程控制在测量过程中，触碰点个数的减少有利于提高补偿精度、缩短标定时间；此外，控制旋转轴的旋转方向能减小引入旋转轴的误差。从上述分析考虑，为了提高测量精度和效率，提出了五轴在机测量探针轴向规划准则：准则1在机测量时，探针在运动和测量过程中不能与工件和工作台干涉碰撞。准则2为了提高预行程误差补偿的精度、缩短标定的时间，在测量路径中应尽量选择红宝石球上相同的触碰点。准则3在保证准则2的前提下，应尽量减少机床旋转轴的旋转方向变化。基于上述提出的规划准则，下面以离心式叶轮为例阐述规划探针轴向的具体步骤：步骤1在叶片上规划n个测量点，记为{P步骤2通过包围盒算法计算各个测量点处可达方向锥，记为{Γ步骤3由式（4）～式（7）计算得到红宝石球上触碰点参数化表示的集合，记为{Ω步骤4根据步骤2中得到的可达方向锥{Γ步骤5对于不同的主轴结构，选择不同的探针轴向规划方法：若机床没有主轴定向功能，则可保证触碰点可行图Ω2.2局部坐标系在测量前，为了确保测量结果的准确，必须先标定红宝石球上的触碰点。如图9所示，在标准球球心处建立局部坐标系O式中：R为标准球半径。机床主轴带动红宝石球从O利用机床运动学链得到机床坐标系到工件坐标系的变换矩阵M′，将标定补偿量转化到工件坐标系下，则补偿方法3实验与分析3.1实验2:不考虑4个点和未标定3个点以离心式叶轮为例，为了获取叶轮加工后待测点的实际坐标，需要先用三坐标测量机对规划的24个待测点进行测量，由于测量机的精度很高，故可以把测量结果当作评判的标准。实验中使用的主要设备有英国RenishawOMP40-2型触发式测头和北京精雕JDGR200-A10SH型五轴机床。3组实验均测量相同的24个待测点，待测点分布在叶盆相邻的3条样条曲线上，每条曲线上按照等参数采样8个点，如图10所示。工件坐标系下待测点坐标见表1。3组实验分别重复了10次，实验结果证明了本文方法重复性好。实验1在不考虑红宝石球上触碰点异同的情况下，规划一组只保证旋转轴运动平稳的探针轴向，因此对于24个探针轴向，红宝石球上的触碰点都是不同的。本实验通过标定标准球上48个点构造预行程误差图，通过线性插值方法确定24个触碰点的标定补偿量如图11所示。实验2若机床没有主轴定向功能，根据1.3节内容规划探针轴向，通过在红宝石球上触碰点可行图Ω实验3若机床具有主轴定向功能，同样根据1.3节内容规划探针轴向，在图12(a）中选择红宝石球上公共的触碰点，在测量前也仅需标定红宝石球上3个触碰点。24个测量点对应的探针轴向绕法矢旋转一周后在BC轴可行图Θ由图11可以看出，实验1中，传统方法在规划探针轴向时，未考虑红宝石球上触碰点位置异同，因此需要先标定标准球上48个点构造预行程误差图，再通过线性插值得到24个红宝石球上触碰点补偿量，在整个测量过程中BC轴旋转方向共变化了12次；如图12所示，实验2中，机床无主轴定向功能，由可行图规划的探针轴向减少了红宝石球上触碰点个数和旋转轴的方向变化次数；而实验3中，机床具有主轴定向功能，既减少了红宝石球上触碰点个数又保证了旋转轴单向旋转。同时标定、测量时间也大幅减少，3个实验时间对比如图15所示。3.2探针轴向对bc轴旋转方向的影响为证明本文方法的通用性，按3.1节中采样方法在同一个流道中叶背上取两列共16个待测点，待测点位置如图16(a）所示。根据1.3节内容规划探针轴向，分别进行3组实验。测量结果如图17所示。由图14和图17可知，传统方法在规划探针轴向时红宝石球上触碰点均不同且BC轴旋转方向共变化了8次，产生的误差最大；本文在规划探针轴向时根据机床有无主轴定向功能选择不同的优化方法，16个待测点可共用红宝石球上2个触碰点。机床无主轴定向功能时，测量过程中BC轴方向变化次数减小了4次，各个待测点的误差减小了约0.01mm；机床具有主轴定向功能时，BC轴可保持单向旋转，产生的误差最小。4改善在机测量精度的方法需要应用至也1）提出减少测量路径中红宝石球触碰工件位置的方法。若相邻几个触碰点可行图有交集，探针在探测对应待测点时可共用红宝石球上的同一个触碰点。在可行图交集中选择公共触碰点能够缩短在机测量时间、提高在机测量效率，同时对于测量结果补偿更加准确，有助于提升在机测量精度。2）根据机床结构，若没有主轴定向功能，所提出的基于旋转轴可行图规划探针轴向的方法可以有效的减少旋转轴的旋转方向变化次数。3）若机床具有主轴定向功能，所提出的基于旋转轴可行图规划探针轴向的方法可以把旋转轴的旋转方向变化次数降到最低。4）本文提出的优化方法通