[发明专利]一种三维几何形状误差自动评定方法

说明书

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，具体涉及一种三维几何形状误差自动评定方法。

背景技术

产品几何精度的控制是精密机械制造中十分重要的过程，几何误差检测是保证工件的加工质量且满足设计要求的重要手段。其中形状误差测量是最基本的检测环节，误差评定结果直接决定产品质量是否合格。目前形状误差测量主要通过专用测量仪器和通用测量仪器如三坐标测量机实现，利用测量软件计算出误差评定结果。传统的测量方法需要已知被测对象的形状参数或CAD模型指导测量过程，按一定规则对工件表面测量后，需要专业技术人员选择具体的误差评定项目来获得测量计算结果，且测量结果受测量点选择的影响较大。例如平面度误差检测常用的方法主要有直接测量法和间接测量法。直接测量法是通过调整被测提取表面使评定基面与测量基准平行，获得相对测量基准测得的最大与最小测量值的代数差为平面度误差，该方法多用于测量较小的表面且很难符合最小区域评定条件，例如指示表法测平面度误差(图1)，将被测工件1置于基准平台2上，用指示表3例如千分表在被测件表面测量出被测面与基准面的偏差量，然后计算出平面度误差。间接测量法则是在被测提取表面上选择某些截面按测量直线度误差的方法进行，通过数据处理统一测量基准后进一步得到平面度误差值，该方法则多用于大平面的测量且可实现最小区域评定，例如使用自准直仪测量平面度误差(图2)，将反射镜4置于被测工件1上，按对角线布点形式移动反射镜，用自准直仪5测出被测面上相邻两点的高度差，再经数据处理求出平面度误差。这两类方法的测量评定过程比较繁琐，只能提取被测工件表面上少量测点，不能全面反映被测工件的真实形状信息。使用坐标测量机测量平面度误差操作相对简单(图3)，坐标测量机6可以在被测工件1上快速采集大量数据点，而且坐标测量软件可以直接计算出误差评定结果，但测量过程中仍需要测量操作人员构建平面特征后才能进行误差评定。

发明内容

本发明针对坐标测量方式测量工件形状误差，提出了一种三维几何形状误差自动评定方法，该方法可以不需要人工参与误差评定过程，根据识别结果自动计算出形状误差评定结果。

本发明所采用的方法包括如下步骤：

1)使用坐标测量机提取被测工件表面完整形状信息，可以使用接触式测量或非接触式测量，获取测量点在机器直角坐标系O-XYZ下的三维空间坐标值；

2)对采集到的点集坐标值进行分析识别，得到测量点集对应的形状类型和特征。本方法可以识别的形状类型包括球面C_S、平面C_P、圆柱面C_C、螺旋面C_H、回转面C_R、柱面C_T和复合面C_X，识别结果为七种类型之一；

通常曲面的生成与刚体运动有很密切的联系，曲面的部分特征可以通过刚体运动特征反映出来。对刚体上任意一点p的瞬时速度矢量可以表示为

v(p)＝α+ω×p

式中α表示移动速度矢量，ω表示转动角速度矢量；当移动为线性平移运动时α为常量，运动生成的曲面具有空间平移不变性，转速矢量ω代表刚体绕ω方向做旋转运动，其为常量时对应生成曲面具有空间旋转不变性，在空间直角坐标系中，上述七种类型曲面各自具有不同数目和性质的位移不变性，所以这些类型曲面的几何形状可根据α、ω及其位移不变数目来判断；理想情况下，曲面上点p处的法矢量n与v(p)正交，则v(p)·n＝0，通过这个等式在已知测量点坐标和对应法矢的情况下便可以计算出测量点集对应曲面的α、ω及其位移不变数目；实际测量中，由于测量点坐标值与法矢都存在误差，所以可以通过求解测量点集对应速度矢量与法矢量内积的平方和最小的优化问题来判断几何形状类型，该优化问题为