[发明专利]一种钎身喉部线激光扫描测量-铣削一体化加工方法

权利要求书

1.一种钎身喉部线激光扫描测量-铣削一体化加工方法，该方法首先将零件卧式安装，采用线激光传感器扫描零件流道槽轮廓，获取零件实际几何廓形；对线激光点云数据进行精简，并对流道槽筋顶、槽底边缘特征进行识别；对钎身喉部几何特征进行重构，计算铣削刀位，采用立铣刀对零件进行铣削加工；其特征在于，步骤如下：

(1)零件卧式安装

首先将钎身喉部(3)安装到夹具(2)上；尾喷管底部(d)与定位盘(c)接触，旋转螺帽(f)使撑环(e)外撑，实现胀紧安装；专用夹具拉杆(g)通过三爪卡盘(10)加紧方式，连接到回转工作台(11)；专用夹具堵头(b)与顶针(1)连接，实现支撑；顶针(1)和回转工作台(11)通过底部螺纹连接与机床工作台(9)固定；旋转摇杆(a)顶紧堵头(b)，完成钎身喉部(3)卧式安装；

(2)线激光扫描测量

通过四个螺钉将一级转接板(7)与机床z向主轴连接，旋紧螺钉固定一级转接板(7)位置；将两自由度旋转台(6)安装到一级转接板(7)上，通过底部四个安装孔的螺纹连接实现固定；将二级转接板(5)安装到两自由度旋转台(6)上，通过四个螺钉拧紧；将线激光传感器(4)安装到二级转接板(5)上，通过三个螺栓连接实现固定；

线激光传感器(4)装夹完成后，将专用标定件(12)安装到机床工作台(9)上，底部通过螺纹连接固定；移动机床x向主轴、y向主轴及z向主轴，使刀具(8)触碰三个标定平面，测量标定平面在机床坐标系下的位置为：

A_ix+B_iy+C_iz+D_i＝0(i＝1,2,3)  (1)

线激光传感器(4)测量坐标(x_S,y_S,z_S)与机床坐标(x_M,y_M,z_M)之间关系为：

通过主轴带动线激光传感器(4)在最少两个位置对平面上的点进行测量，记录主轴平移量(x_机床,y_机床,z_机床)和对应返回的测量值(x_Si,0,z_Si)；由于测量点位于式(1)所述平面上，结合式(2)整理得到：

(Ar₁₁+Br₂₁+Cr₃₁)x_Si+(Ar₁₃+Br₂₃+Cr₃₃)z_Si+(At_x+Bt_y+Ct_z)＝-(Ax_机床+By_机床+Cz_机床+D)  (3)

表示为拟合方程式形式：

y_i＝k₀+k₁x_Si+k₂z_Si  (4)

其中，

采用三组平面，平面方程系数(A₁,B₁,C₁)、(A₂,B₂,C₂)和(A₃,B₃,C₃)线性无关时，得到式(2)中的9个参数(r₁₁,r₂₁,r₃₁,r₁₃,r₂₃,r₃₃,t_x,t_y,t_z)；

根据旋转矩阵的正交性：

令r₁＝(r₁₁,r₁₂,r₁₃)^T，r₂＝(r₂₁,r₂₂,r₂₃)^T，r₃＝(r₃₁,r₃₂,r₃₃)^T，对三组向量进行施密特正交化得到：

再进行单位化得到：

至此求解出所有的12个未知参数，线激光传感器(4)测量坐标系相对于机床坐标系的三个偏角通过以下等式进行计算：

其中，atan2(x,y)为反正切函数；

通过两自由度旋转台(6)调整偏角，保证线激光传感器(4)垂直工件表面测量；调整机床主轴，使线激光传感器(4)对准钎身喉部(3)；数控系统驱动回转工作台(11)旋转，对工件廓形进行扫描测量；

(3)测量数据预处理

将工件廓形扫描测量数据进行预处理，包括高频滤波、尖峰去噪和精简处理；

①采用高斯滤波抑制高频波动；由于测量数据是离散数据，对一维零均值高斯权函数做离散化处理：

其中，λ表示截止波长；λ越大，高斯滤波处理的频带越宽，处理后数据的平滑程度越好；a与线激光扫描数据在截止波长处的输出通过率有关，根据测量需求进行设置；

对线激光扫描测量数据进行高斯滤波，即将扫描测量数据与一维离散零均值高斯权函数进行卷积处理：

其中，z'_i表示高斯滤波后某测量点的数据，Z_(i+j)表示测量点原始数据，s_j为高斯权函数的离散表示，m为高斯权函数的宽度，Δx为数据间隔，i＝{(m+1)/2,(m+1)/2+1,…,n-(m+1)/2}，n为数据个数；

②采用中值滤波抑制尖峰噪声；中值滤波表示为：

g(x)＝med{f(x-k)},k＝0,1,2  (12)

其中，f(x)为原始测量数据，g(x)为滤波后的数据，W为中值滤波区间的大小，取3；

③采用弦高差精简法对点云数据进行精简处理；

精简处理流程步骤如下：

1)读取扫描线数据，设定一个角度误差限Δα和一个弦高误差限Δd；其中Δα根据反求精度选取，反求精度越高，取值越小；Δd根据扫描线上相邻点间距离正态分布的均值μ值确定：

其中，Δd为弦高误差限，Δα为角度误差限，μ为扫描线相邻点距离正态分布的均值，N_a为精简前扫描线点云数量，N_b为精简后扫描线点云数量；

2)在扫描线数据前三点构成的三角形P₀P₁P₂内，计算线段P₀P₁与P₀P₂的夹角α和点P₁到线段P₀P₂的弦高d；

3)比较夹角和弦高与角度误差限和弦高误差限的大小，若α＜Δα且d＜Δd，则去除P₁点，且令P₁＝P₂，P₂＝P₃；否则保留P₁，且令P₀＝P₁，P₁＝P₂，P₂＝P₃；

4)逐点处理直至点P₃为空，完成所有数据点精简处理；

(4)边缘特征检测

利用步骤(3)中预处理得到的测量数据计算流道槽槽宽、槽深和筋宽；边缘特征检测步骤如下：

①给出待判断点P(x,y,z)和最小包围盒的半径r，计算待判断点与其周围点的距离：

对比r_i和r，得到待判断点的k邻域点；

②根据最小二乘原理，对得到的邻域点集进行平面拟合，其拟合方程表示为矩阵形式MX＝0，其中：

采用特征向量估值法求解该矩阵方程，矩阵M^TM的最小特征值对应的特征向量即为方程的最小二乘解，从而得出拟合平面方程；

③将k邻域内的点投影到拟合平面，以待判断点的投影点为起始点，以邻域内其他点的投影点为终点，得到由k个向量组成的向量集合；

④取逆时针方向为正，计算相邻向量之间的夹角；根据传感器参数和流道槽形状确定合适的阈值，比较向量夹角与阈值的相对大小，当夹角大于阈值时，待判断点即为边缘点；

根据提取得到的流道槽上下两边缘点计算流道槽几何参数；通过最小二乘法拟合槽顶边缘点的直线方程，计算槽底边缘点到拟合直线的距离，取平均值即得到单个槽的平均槽深；采用同样方法选取单个槽两顶端边缘点求取槽宽；选取筋顶两边缘点求取筋宽；

(5)目标曲面建模

目标曲面建模步骤如下：

①描述几何约束下加工目标曲面的空间位姿关系，定义可参考面S¹、再设计基准面S²及加工目标曲面S³；定义与机床或零件固联的惯性标架(p＝1,2,3)，与S¹固联的参考标架与S²固联的再设计基准标架与S³固联的再设计目标曲面标架

利用活动标架理论和相伴曲面基本公式推导出目标曲面S³在惯性标架下的矩阵形式：

其中，为参考标架矩阵，T₁²＝(a_i)_1×3为再设计基准标架原点相对于参考标架的平移矩阵，为加工基准标架相对于参考标架的回转矩阵，为加工目标曲面标架相对于加工基准标架的平移矩阵；第1个标架的第i个标架轴，a_i和b_i分别表示沿标架轴和方向的平移分量，为的第j个标架轴在的第i个标架轴上的旋转分量；

对式(16)微分得到目标曲面S³的广义微分运动表达式：

其中，s为参考标架的无穷小平移矩阵，ω为参考标架的无穷小旋转矩阵；

②根据实测参考面、加工基准面与加工目标曲面的空间位姿关系，完成精加工目标曲面的再设计，加工目标曲面生成算法主要步骤描述如下：

1)用双三次B样条曲面重建零件的可参考面S¹，并建立与该表面固联的参考标架族

其中，P为控制点矩阵，P＝(P_st)_(n+1)×(m+1)(s＝0,...,n,t＝0,...,m)；N₃(u¹)和N₃(u²)分别为u¹和u²方向B样条基函数矩阵，由DeBoor-Cox公式递推得到N₃(u¹)＝(N_i,3)_1×(n+1)，N₃(u²)＝(N_j,3)_1×(m+1)；U¹和U²分别为u¹和u²方向节点向量，利用规范向心参数化方法进行参数化处理，

2)设{e_q}_q＝1,2,3为空间任意标架，为静标架；由静标架经空间姿态变换得到为动标架；令动态标架矩阵两个标架之间的姿态关系为：

其中，R表示标架姿态关系矩阵；c_φ和s_φ分别表示cosφ和sinφ，c_ψ，s_ψ和依次类推；φ，ψ，分别为绕标架轴e₁，e₂和e₃的RPY转角；根据单位正交矩阵E和E^*求解姿态矩阵R：

R＝E^*·E^T  (20)

再设计基准面S²是可参考面S¹的法向映射面，法向映射函数为目标曲面S³是基准面S²的法向映射面，法向映射函数为平移矩阵表示为：

假设精加工目标曲面的面形随机误差相对于零件基本尺寸非常小，因此面形随机误差对相伴曲面上对应标架姿态关系的影响可被近似为高阶小量，使用曲面设计模型的标架姿态关系矩阵和估计实际曲面的标架姿态关系矩阵和根据可测参考面对应设计模型与加工基准面对应设计模型的空间姿态求解出位置的估计姿态矩阵并令同理，利用基准面与目标曲面对应设计模型的空间姿态求解出位置的估计姿态并令为在设计模型中的矩阵表示；

将预估带入式(15)计算得到加工目标曲面上的离散点集

(6)加工轨迹规划与数字化加工

根据加工目标曲面上的离散点集运用几何学原理，将测量数据转换到机床坐标系下；在机床坐标系下，基于测量数据，自动生成加工轨迹；整体基本加工路径共包括四个阶段：趋模、铣槽、离模以及返回参考点；根据加工轨迹驱动机床各轴移动，带动立铣刀（8）完成单条母线方向流道槽铣削，每次铣削结束通过回转工作台(11)驱动钎身喉部(3)分度到下一流道槽位置，转动角度2π/n，n为周向流道槽数量；回转工作台(11)旋转角度为360°时，实现整个钎身喉部的铣削加工。