[发明专利]面向自由曲面的接触式测量误差补偿方法及补偿系统

权利要求书

1.一种面向自由曲面的接触式测量误差补偿系统，其组成包括: 红宝石测头，其特征是: 所述的红宝石测头与陶瓷测杆连接，所述的陶瓷测杆与压力传感器连接，所述的压力传感器与信号发射器连接，所述的压力传感器与刀柄连接，所述的刀柄与三轴机床连接，所述的信号发射器与信号接收器通过无线信号连接，所述的信号接收器安装在所述的三轴机床上，所述的信号接收器与所述的三轴机床的JA40接口电连接，所述的三轴机床与电脑主机电连接。

2.一种面向自由曲面的接触式测量误差补偿系统的补偿方法，其特征是:

（1）二维曲面加工误差补偿方法：

对于二维曲线表示的曲面，首先选择一个测量引导点                                                ，引导点在模型中的作用是利用引导点的Z轴与偏置面相交得到理论测量点的测头球心；在实际测量中，引导红宝石侧头在实际工件上寻找相应的模型上的匹配点进行测量；

然后用对工件理想曲面δ进行偏移，得到测头球心的偏移曲面，此时偏移面和引导点的垂直方向有个交点（，，），也就是理论测头球心，点为理论测量点，如果是理想工件，实际测量点和理论测量点重合；引导点的坐标（，，）从工件理论模型中读取，如果理论测量点点的法线方向，对于二维曲线表示的曲面，则理论测量点点的坐标（，，）为：

         （1）

在实际测量中，由于加工中存在各种误差因素的影响，理论模型上的理论测量点和实际工件上测得的测量点不完全重合；为工件的实际加工曲面，为工件的实际偏移曲面；

记实际测头球心（，，），在对距离点的方向正负方向0.5mm各取一个点、，此时过点的垂直方向与轴的夹角为：

                            （2）

经过实际测头球心的实际偏置曲面的垂线与实际加工曲线相交与点，（，，）为实际测量点，其坐标如下：

                   （3）

这样实际测量点和理论测量点误差为：

        （4）

现将这种利用实际测头球心、理论测头球心，以及过实际测头球心的实际偏置曲面的垂线与轴夹角对实际测量点进行修正的方法对推广到三维自由曲面的接触测量补偿；（2）三维曲面加工误差补偿方法：

在三维曲面里，各方向曲率变化不一致，接触式测量时理论测量点和实际测量点会随引导点位置和工件曲率变化而不同；首先根据工件理论模型曲面产生一个偏置距离是测头半径的偏置曲面，该偏置曲面和引导点的向有一个交点，这个交点就是理论测量点的测头球心，点通过工件理论模型读取出来；而曲面上理论测量点的法线与，，轴均会有一个角度对应关系； 

根据UG中的工件理论模型，确定引导点点坐标（，，），偏置曲面与引导点的向交点为理论测针球中心（，，），长度；红宝石测头直径为6mm，经过理论测量点的曲面法线与，，轴线夹角、、，由工件理论模型得出；三维曲面理论测量点的坐标为：

                           （5）

同样，由于加工过程中的各种误差的存在，实际测量点和理论测量点就不会重合，现对三维曲面实际测量点进行误差补偿；首先确定经过实际测量点的实际加工曲面的法向向量，该法向向量基于微平面法求得，以测量点为中心半径为0.05-0.5mm的圆上取三点，确定一个微平面，微平面的法线方向即是经过测量点的曲面法线方向；微平面的法向方向和在实际测量时通过测头取的三个球心坐标确定的微平面法向量重合，记通过测头取的三个球心坐标依次为、、；

设微平面法向量（，，），则：

，

             （6）

由此算出法向量（，，）与，，轴的夹角，即使法向量与向量（1，0，0）、（0，1，0）、（0，0，1）的夹角、、；

                        （7）

根据经过实际测量点加工曲面的法线方向及、、，计算出实际测量点的坐标；

三维曲面实测的测头测量点的坐标为：

                  （8）

那么，实际测量点和理论测量点的误差为：

           （9）

这样，通过实际测量点和理论测量点的误差补偿，来修正测量过程中由测头半径带来的误差。

3.根据权利要求2所述的面向自由曲面的接触式测量误差补偿系统的补偿方法，其特征是：将上述的算法编入在测量系统的后处理模块，在后处理模块中实现误差补偿；测量完成后，打开在机测量系统的生成测量报告模块，点击导出测量报告菜单，导出点信息及点误差信息；首先，通过分析点信息及点误差信息，查看测量误差（ΔX、ΔY、ΔZ）是否在可接受范围内，如果在可接受范围内工件合格，否则不合格；其次通过对点信息及点误差的分析，确定误差是由测量误差产生还是由机床本体误差产生，或者由工件加工误差产生；通过工件的加工误差产生原因分析，得出工件型面的刚度场分布，推出型面的加工难易程度，然后在下次加工的时候改变工件刚度场或者改变加工方法来指导实际生产；最后通过对点信息及点误差的分析，针对性的编写机床加工程序，对误差过大的工件进行二次加工修整，直到工件合格。