一種復(fù)雜面型曲面制造的補(bǔ)償加工方法
【專利說明】一種復(fù)雜面型曲面制造的補(bǔ)償加工方法 所屬技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于先進(jìn)制造領(lǐng)域的復(fù)雜面型零件數(shù)控加工、光學(xué)表面自由曲面零件制 造，涉及復(fù)雜面型器件的高精度制造。
【背景技術(shù)】
[0002] 復(fù)雜面型曲面是指具有特定功能的任意復(fù)雜曲面，它一般不具有回轉(zhuǎn)對稱特點(diǎn)， 比傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)曲面具有更多的面形變化，因此，能夠?yàn)樵O(shè)計者提供更多的設(shè)計自由度和創(chuàng)新 思路。但是復(fù)雜面型為制造過程帶來了一定困難。例如，在加工過程中為了控制更高的加 工精度，需要對器件進(jìn)行測量，并依據(jù)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行加工誤差的補(bǔ)償加工。但由于復(fù)雜面型 曲面沒有對稱軸和基準(zhǔn)面，離線測量后很難靠機(jī)械調(diào)整重新歸位到已有加工坐標(biāo)系中。并 且由于面型復(fù)雜，微小的歸位誤差會引起較大的加工偏差量。一般需要設(shè)計專用夾具或額 外的參考點(diǎn)來輔助重新歸位的調(diào)整。另外，還有一種方法是采用原位測量方法，也就是將測 量系統(tǒng)安裝于加工機(jī)床上，在加工結(jié)束后在不卸載器件的情況下實(shí)現(xiàn)面形誤差的測量，從 而避免了重新歸位的難題。但由于原位測量系統(tǒng)置身于加工系統(tǒng)中，機(jī)床自身的誤差反應(yīng) 不出來，從而不能完整反應(yīng)加工誤差，不利于加工精度控制。因此，亟需提出一種簡單可行 的高精度歸位方法，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜面型曲面器件離線測量后重新歸位進(jìn)而進(jìn)行補(bǔ)償加工。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明旨在設(shè)計一種復(fù)雜面型曲面加工中的歸位方法，保證復(fù)雜面型曲面器件在 機(jī)床卸載后，能夠高精度的重新安裝于機(jī)床，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜面型曲面離線測量后的誤差補(bǔ) 償加工。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0004] -種復(fù)雜面型曲面制造的補(bǔ)償加工方法，該方法采用的加工機(jī)床配備有原位測量 頭，方法如下：
[0005] (1)對被加工工件理想模型進(jìn)行加工路徑設(shè)計；
[0006] (2)對被加工工件進(jìn)行加工，加工后將工件卸載后進(jìn)行離線面形測量，得到被加工 器件的面形誤差；
[0007] (3)將被加工工件重新安裝于加工機(jī)床，并借助原位測量方式得到被加工工件與 機(jī)床加工坐標(biāo)系之間的位置關(guān)系，即旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T ;
[0008] (4)使用得到的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T對被加工工件理想模型進(jìn)行坐標(biāo)變換，并 疊加被加工器件的面形誤差后得到新加工模型，對新加工模型進(jìn)行加工路徑設(shè)計；
[0009] (5)再次進(jìn)行加工，重復(fù)（2)-(5)步驟直至面形誤差滿足要求。
[0010] 作為優(yōu)選實(shí)施方式，步驟（3)所述的借助原位測量方式得到被加工工件與機(jī)床加 工坐標(biāo)系之間的位置關(guān)系的過程如下：
[0011] 1)借助原位測量頭對被加工工件表面進(jìn)行逐點(diǎn)測量，得到一系列測量點(diǎn)Pi;
[0012] 2)設(shè)定初始的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T，將測量點(diǎn)進(jìn)行六自由度的變換，建立調(diào)整 后的測量數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)^的距離最小的評價函數(shù)，使用最優(yōu)化算法進(jìn)行旋轉(zhuǎn)矩陣R和平 移矩陣T變換的最優(yōu)求解；
[0013] 3)求解后得到的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T變換的最優(yōu)解即為被加工工件與機(jī)床加 工坐標(biāo)系之間的位置關(guān)系。
[0014] 其中的步驟2)，采用的最優(yōu)化算法可以為Gauss - Newton最優(yōu)化算法或 Levenberg - Marquardt 最優(yōu)化算法。
[0015] 本發(fā)明針對復(fù)雜面型高精度加工問題，提出了結(jié)合離線測量和原位測量方法的集 成補(bǔ)償加工方法。借助原位測量頭實(shí)現(xiàn)了重新裝配器件高精度位置定位，并借助對加工模 型的位置變換直接生成補(bǔ)償加工路徑，從而避免了需要復(fù)雜定位夾具和裝配調(diào)整的繁瑣過 程。
[0016] 本發(fā)明所提出的復(fù)雜面型器件的高精度重新歸位裝配的方法還被用于更多方面。 比如，對于大矢高差值的曲面來說，考慮到加工效率的因素，需要考慮分步在不同加工機(jī)床 上分別進(jìn)行粗加工和精加工，而將粗加工的器件較高精度的歸位到高精密加工機(jī)床上，以 有效控制多余加工量，就需要對復(fù)雜面型器件進(jìn)行重新裝卡定位。
【附圖說明】
[0017] 圖1本發(fā)明的處理流程圖
[0018] 圖2(a)歸位后測量點(diǎn)與理想模型對應(yīng)關(guān)系
[0019] 圖2(b)歸位后測量點(diǎn)與理想模型的偏差值
【具體實(shí)施方式】
[0020] 圖1是本發(fā)明的流程圖。根據(jù)復(fù)雜面型曲面器件模型進(jìn)行加工路徑設(shè)計，器件加 工后從機(jī)床上卸載下來進(jìn)行離線測量，獲取面形誤差。然后將器件重新裝配于機(jī)床上，這個 過程的安裝是隨意的，不必關(guān)注是否和卸載前的位置是否一致。利用原位測量頭對重新安 裝后的器件進(jìn)行測量，通過測量數(shù)據(jù)和理想模型的匹配確定前后兩者的位置關(guān)系。這里的 位置關(guān)系采用剛體變換矩陣來描述，即旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T。一般被加工曲面坐標(biāo)系與 加工坐標(biāo)系一致。只要確定重新裝卡后曲面和標(biāo)準(zhǔn)面型的偏差關(guān)系，就能確定和加工坐標(biāo) 系之間的位置關(guān)系。然后對復(fù)雜面型曲面模型進(jìn)行相同的位置變換（即旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移 矩陣T)后，并添加面形誤差后，進(jìn)行加工路徑的重新設(shè)計，從而進(jìn)行補(bǔ)償加工。
[0021] 以上處理步驟中，被加工器件和加工坐標(biāo)系之間的位置關(guān)系是一個剛體的六自由 度運(yùn)動，即旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T。而確定重新裝卡后曲面和理想模型的偏差關(guān)系的工 具是可進(jìn)行面形測量的原位測量系統(tǒng)。以三軸超精密車削加工為例，典型的光學(xué)復(fù)雜面型 曲面加工方式中，原位測量系統(tǒng)置于加工機(jī)床上，在進(jìn)行加工前，其測量坐標(biāo)系和加工坐標(biāo) 系之間已通過調(diào)整確保一致。對重新裝卡后曲面進(jìn)行測量，得到一系列曲面測量點(diǎn)P i，通過 求解曲面測量點(diǎn)和理想模型的匹配關(guān)系，確定在測量坐標(biāo)系下重新裝卡后曲面和理想模型 的關(guān)系R和T。曲面測量點(diǎn)和理想模型的匹配關(guān)系的求解是至關(guān)重要的一步，它是一個最 優(yōu)化求解過程。測量數(shù)據(jù)P i被認(rèn)為是剛體，在整個優(yōu)化調(diào)整過程中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)R和平移T變 換。在最優(yōu)化調(diào)整中的評價函數(shù)設(shè)置原則為調(diào)整后的測量數(shù)據(jù)V i= Rp i+T與理想模型 數(shù)據(jù)qi的距離最小，
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種復(fù)雜面型曲面制造的補(bǔ)償加工方法，該方法采用的加工機(jī)床配備有原位測量 頭，方法如下： (1) 對被加工工件理想模型進(jìn)行加工路徑設(shè)計； (2) 對被加工工件進(jìn)行加工，加工后將工件卸載后進(jìn)行離線面形測量，得到被加工器件 的面形誤差； (3) 將被加工工件重新安裝于加工機(jī)床，并借助原位測量方式得到被加工工件與機(jī)床 加工坐標(biāo)系之間的位置關(guān)系，即旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T ; (4) 使用得到的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T對被加工工件理想模型進(jìn)行坐標(biāo)變換，并疊加 被加工器件的面形誤差后得到新加工模型，對新加工模型進(jìn)行加工路徑設(shè)計； (5) 再次進(jìn)行加工，重復(fù)（2)-(5)步驟直至面形誤差滿足要求。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的補(bǔ)償加工方法，其特征在于，步驟（3)所述的借助原位測量方 式得到被加工工件與機(jī)床加工坐標(biāo)系之間的位置關(guān)系的過程如下： 1) 借助原位測量頭對被加工工件表面進(jìn)行逐點(diǎn)測量，得到一系列測量點(diǎn)Pi; 2) 設(shè)定初始的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T，將測量點(diǎn)進(jìn)行六自由度的變換，建立調(diào)整后的 測量數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)^的距離最小的評價函數(shù)，使用最優(yōu)化算法進(jìn)行旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩 陣T變換的最優(yōu)求解； 3) 求解后得到的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T變換的最優(yōu)解即為被加工工件與機(jī)床加工坐 標(biāo)系之間的位置關(guān)系。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的補(bǔ)償加工方法，其特征在于，步驟2)中，采用的最優(yōu)化算法可 以為Gauss - Newton最優(yōu)化算法或Levenberg - Marquardt最優(yōu)化算法。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種復(fù)雜面型曲面制造的補(bǔ)償加工方法，該方法采用的加工機(jī)床配備有原位測量頭，方法如下：對被加工工件理想模型進(jìn)行加工路徑設(shè)計；對被加工工件進(jìn)行加工，加工后將工件卸載后進(jìn)行離線面形測量，得到被加工器件的面形誤差；將被加工工件重新安裝于加工機(jī)床，并借助原位測量方式得到被加工工件與機(jī)床加工坐標(biāo)系之間的位置關(guān)系，即旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T；使用得到的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T對被加工工件理想模型進(jìn)行坐標(biāo)變換，并疊加被加工器件的面形誤差后得到新加工模型，對新加工模型進(jìn)行加工路徑設(shè)計；再次進(jìn)行加工。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜面型曲面離線測量后的誤差補(bǔ)償加工。
【IPC分類】G05B19-404
【公開號】CN104808581
【申請?zhí)枴緾N201510188812
【發(fā)明人】張效棟, 房豐洲, 曾臻
【申請人】天津大學(xué)
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年4月20日