几何变形检测

2024-09-21

几何变形检测（精选4篇）

几何变形检测篇1

摘要：在分析机床几何精度影响因素的基础上,深入研究数控机床几何误差的检测和补偿原理,为通过误差补偿技术提高数控机床精度提供测量方法和补偿依据。

关键词：几何误差,误差补偿,误差检测,机床精度

0 引言

数控机床作为高精、高效加工复杂轮廓零件的实用工具,越来越多地受到加工行业的普遍关注,机床的加工精度更是机床制造与应用行业普遍关注的焦点。影响机床精度的因素有很多,相关研究表明,机床的几何误差占了机床加工误差的40%,是影响机床加工精度的主要因素。机床的几何误差是指由组成机床各部件工件表面的几何形状、表面质量、相互之间的位置误差所产生的机床定位误差。对于三轴机床,存在21项几何误差[1,2,3]。每个运动轴存在3个方向的平移误差、绕3个轴的旋转角度误差以及3个运动轴间的垂直度误差,如图1所示。

为了提高数控机床的本体精度,国内外学者进行了大量的研究,主要有两种方法[3]:误差防止法和误差补偿法。

误差防止法是试图通过设计和制造途径消除或减少可能的误差源。实践与分析表明,当加工精度要求高于某一程度后,利用误差防止技术来提高加工精度所花费的成本按指数规律增长。

误差补偿是指人为地造出一种新的误差去抵消或大大减弱当前成为问题的原始误差,通过分析、统计、归纳及掌握原始误差的特点和规律,建立误差数学模型,尽量使人为造出的误差和原始误差两者的数值相等、方向相反,从而减少加工误差,提高零件尺寸精度。显然误差补偿采用的是“软技术”,其投入的费用与提高机床本身精度或新购买高精度机床相比较,价格要低得多。因此,误差补偿技术是一项具有显著经济价值并十分有效的提高机床精度的手段。国外的误差补偿技术开展得比较早,取得了不少成绩,但是在国内,误差补偿技术绝大部分还主要停留在实验室范围内,在具体应用中还不普遍。

1 机床几何误差及测量技术[4,5,6,7]

机床加工和装配过程会造成机床的空间定位误差。空间定位误差是由各运动轴及运动轴间的位置误差产生的,对于独立的机床进给轴,空间误差如图2所示。由于加工和装配可能造成的空间位置误差有3个方向的位移误差以及绕3个坐标轴的旋转误差共6项误差。对于三轴联动机床而言,3个进给轴存在3×6共18项误差,再加上3个进给轴两两之间的垂直度,共计21项几何误差,如表1所示。

机床误差测量主要可分为直接测量和间接测量。

1.1 直接测量

直接测量方法就是采用激光干涉仪,将机床众多几何误差进行逐项测量,主要分为线性测量和角度测量,其测量原理如图3所示。

但是,标准的激光测量方法存在着以下缺点:对于不同的误差元素,比如直线定位误差、直线度误差或者转角误差,在进行测量的过程中需要选取不同的光学测量元件,增加了成本;误差元素的测量一般为单项测量,因此,对整台机床的所有空间定位误差元素进行测量将非常地耗时。为了避免这种直接测量误差元素耗时的缺陷,提高效率,一些学者考虑将测量的误差同误差综合模型结合起来。

1.2 间接测量

(1)双球杆仪测量。

根据球杆仪软件步骤,在数控机床上编程,使机床进给轴在联动平面内进行顺时针和逆时针加工圆轨迹运动,球杆仪软件能够根据联动圆轨迹计算分离机床的垂直度、反向间隙、控制参数等造成的误差值(如图4所示)。软件的分析数据可直接用于机床的误差补偿。

(2)多普勒激光干涉仪。

美国光动公司的多普勒激光干涉仪可以在X、Y、Z三轴分别移动时测量对角线上的位移。所测得的位移误差是平行于运动轴线方向的误差和垂直于运动轴线方向的误差的矢量和,即每次所测得的误差都是3个互相垂直的误差元素的矢量和。每个轴方向测量到的数据是仅仅由于主轴沿该轴方向运动独立产生的,这样就可以将所测量到的误差数据分离为3个轴方向运动独立产生的,从而达到误差分离的目的(如图5所示)。该方法能一次性分理出12项几何误差。

(3)激光跟踪仪。

Etalon激光跟踪仪采用三点定位原理,能够精确测量机床的空间定位坐标。根据测量要求,将激光跟踪仪放在机床运动空间的3个不同位置,使机床主轴地位在机床有效行程的三维空间内的不同位置,记录激光跟踪仪的测量数据,如图6所示。

通过软件对3组数据的处理,可以直接分离出机床的直线度、垂直度、螺距误差、定位精度等误差项,并可以生成补偿表,用于数控机床的几何误差补偿。

2 数控机床几何误差建模[2,3,8,9]

误差建模方法可归纳为矩阵法和矢量法两大类型:

(1)矩阵法。在DH坐标系中,利用齐次变换矩阵作为相邻构件间的坐标转换矩阵,在矩阵间进行乘积、微分等运算,通过相邻构件间的误差传递来建立某个位姿误差计算公式。

(2)矢量法。不是通过相邻构件间的误差传递来建立某个部件位姿计算式,而是在绝对坐标系中,通过矢量的各种运算来传递误差。用矢量法进行机器人位姿误差分析,要运用不同的数学工具,以简化最终的误差表达式。

此外,还有采用儿何法、二次关系法、机构学法、刚体运动学法等的研究。这些研究为进行机床精度分析和误差检测、补偿提供了一定的基础,但是由于存在适用范围小、没有通用性以及易产生人为推导误差等问题,未能从根本上解决机床误差建模的通用性和自动化问题。

基于多体系统理论的误差建模方法,全面考虑了影响机械精度的各项因素以及相互耦合情况,以特有的低序体阵列来描述复杂系统,误差模型由各种形式的基本矩阵组成,具有建模过程程式化、规范化、约束条件少、易于解决复杂系统运动问题的特点,非常适宜于机械误差模型的计算机自动设计。

建立多体系统误差模型,首先根据机床结构建立拓扑图,如图7所示。

在多体系统中,体与体之间在相对静止状态时或相对运动过程中总存在某种相对位置关系和约束关系。根据典型体运动特征建立相邻体实际状态下的坐标系如图8所示。

图中B0为惯性体,Bk为典型体,Bj为其相邻低序体,n0为惯性坐标系,nj和nk分别为固联在Bj和Bk体上的体坐标系(运动坐标系);np为典型体Bk的运动参考坐标系,它相对于体坐标系nj的位置不随着Bk体运动而变化。npe和nse分别为典型体位置误差和运动误差参考坐标系;Pke和sks分别为典型体的位置误差和运动误差矢量;Pk'和sk'分别为典型体的实际位置和运动矢量。

相邻低序体间nk到nj的变换等同于nk经nse、np、npe到nj的变换。用公式表示为:

其中[AJK]为nk到nj的变换矩阵,[AJK]p为Bk体运动参考坐标系相对其低序体坐标系的特征变换矩阵,[AJK]s为Bk体坐标系(动坐标系)相对其运动参考坐标系的特征变换矩阵,[AJK]pe和[AJK]se分别为典型体位置误差和运动误差参考坐标系特征变换矩阵。

(1)位置特征变换矩阵:

则有[AJK]p=[AJK]p(αkp)[AJK]p(βkp)[AJK]p(γkp)[AJK]p(pkx)[AJK]p(pky)[AJK]p(pkz)

式中,αkp、βkp、γkp为Bk体运动参考坐标系相对多体坐标系转过的方位角;pkx、Pky、Pkz为典型体运动参考坐标系原点在多体坐标系上位置矢量的量化。

(2)同理可得其运动特征变换矩阵:

则有[AJK]s=[AJK]s(αks)[AJK]s(βks)[AJK]s(γks)[AJK]s(xks)[AJK]s(yks)[AJK]s(zks)

(3)位置误差变换特征矩阵:

式中,δkpx、δkpy、δkpz、εkpx、εkpy、εkpz分别为典型体相对其相邻低序体运动误差矢量沿X、Y、Z向的分量和绕X、Y、Z轴的回转分量,可根据位置误差特征确定。

(4)运动误差变换矩阵:

其中δksx、δksy、δksz、εksx、εksy、εksz分别为典型体相对其相邻低序体运动误差矢量沿X、Y、Z向的分量和绕X、Y、Z轴的回转分量,其运动误差变换矩阵可根据运动误差特征确定。

将以上转换矩阵带入[AJK]公式即可获得两相邻低序体之间的坐标变换,以此类推,可以获取刀具工件坐标系间的误差模型。

3 展望

误差补偿技术具有低成本、高柔性等特点,可以显著提高数控机床的加工精度,在机床设计和机床加工领域具有不可替代的优势和作用,目前机床误差补偿技术刚刚进入应用阶段,误差测量、建模和补偿技术还需进一步研究和整合。

参考文献

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[2]杨建国,潘志宏,等.数控机床几何和热误差综合的运动学建模[J].机械设计与制造,1998,(05):31-33

[3]刘又午,章青,等.基于多体理论模型的加工中心热误差补偿技[J].机械工程学报,2002,38(1):127-130

[4]张虎,周云飞,等.基于激光干涉仪的数控机床运动误差识别与补偿[J].中国机械工程,2002,21:1838-1841

[5]张虎,周云飞,等.数控机床空间误差球杆仪识别和补偿[J].机械工程学报,2002,38(10):108-113

[6]刘焕牢,李斌,等.基于球杆仪数控机床误差补偿方法研究[J].工具技术,2003,39(8):41-43

[7]洪迈生,苏恒,等.数控机床运动误差检测技术[J].组合机床与自动化加工技术,2002(01):18-23

[8]晓龙.三轴数控机床通用几何误差软件补偿技术的研究[D].北京:北京工业大学,2003

[9]粟时平,李圣怡,王贵林.多轴数控机床的通用运动学综合空间误差模型[J].国防科技大学学报,2001,23(4):45-50

空间球体建筑变形检测新方法篇2

在测量工作中, 有时需要对一些球形物体进行拟合检测, 例如大型机械设备、球形建筑等, 解算其球心、半径, 查看其变形情况或者评定施工精度。从理论上讲, 若测定不在同一平面上的四个球体点的坐标, 便可确定出唯一空间球体。为了提高测定精度, 需要在球体上观测多于四个点的坐标, 按照最小二乘准则求解球体参数的最或然值。以往常设出球的二次方程, 将球心和半径作为参数, 先设定初始值, 然后根据泰勒公式列出误差方程式, 进行平差迭代计算出球体参数和变形情况, 文献[1][2]中采用的就是这种方法拟合检测空间球体, 数据处理过程稍显繁琐。根据球的特性, 球心必在球体上任意两点连线的中垂面上[3];本文利用这一特性, 采用一种空间球体拟合检测新方法, 以球体坐标为参数, 用空间向量列出所有中垂面方程, 推导出误差方程, 按照最小二乘准则求出球心坐标, 进而反算出球体半径和变形情况。

2 不同测站之间的坐标转换

笔者根据现场情况, 全站仪自由设站两次就可以观测到球体上均匀分布的点, 每一站上对球体免棱镜观测10个点, 点位坐标见表1。为了确定两个测站之间的坐标转换关系, 在球体结构附近的其他建筑物上选定5个标识点, 贴上反射片, 每个测站运用全站仪对其观测, 得到标识点的坐标, 见表2。

本文运用的坐标转换模型的主要思想是文献[4][5]提出的采用附有条件间接平差方法的坐标转换方法, 文献[4][5]详细介绍了该坐标转换模型, 本文不再赘述。

若测站1处直角坐标系为o-xyh, 测站2处直角坐标系o'-x'y'h', 其中有n个公共观测点, 分别表示为 (xi, yi, hi) T和 (xi', yi', hi') T (i=1, 2, …, n) 。因为两个测站下观测条件基本一致, 故可认为尺度参数仍为1, 没有发生变化, 那么测定的球体点和标识点在两个测站处的空间直角坐标系下的关系为:

其中, (Δx, Δy, Δz) T为平移参数;R为旋转矩阵。

根据表2中的两个测站坐标系下的标识点坐标, 运用上述的大角度坐标转换参数的归一化模型, 先后求解出旋转矩阵和平移参数, 其中:

利用式 (1) 与求出的旋转矩阵R、平移参数, 将在表1中测站2处测定的球面点坐标从直角坐标系o'-x'y'h'转换到直角坐标系o-xyh, 球体点位坐标数据见表3。

3 球体结构拟合

代入坐标向量后, 中垂面方程简化为:

由中垂面方程的独立性可知, n个球面点可以列出C2n个中垂面方程, 而其中只有n-1个平面是独立的, 组成的函数式为:

则误差方程式为:

球体半径是球体上各个点到球心的距离的最或然值, 即平均值。解出球心坐标后, 反算各个球体点到球心的距离为:

而球体半径r为这些距离的平均值。根据表1中测站1处测定的10个球体点坐标和表3中坐标转换后的10个球体点坐标, 可以推出19个线性无关的中垂面方程, 由式 (8) 可以解出球心坐标P0 (x0, y0, z0) 为 (41.660 1, 37.104 0, 34.449 4) T, 进而按照式 (9) 计算出各个球体点到球心的距离, 球心半径r=24.580 3 m。

4 精度分析

首先分析测站坐标系之间的坐标转换精度。根据式 (2) 和式 (3) 求出的两个测站坐标系的转换参数后, 将标识点在测站2坐标系下的坐标转换为在测站1坐标系下的坐标, 与测站1处测定的标识点坐标进行比较, 并根据式 (10) 计算出坐标转换的点位中误差m0仅为1 mm, 可见观测数据非常可靠。

下面分析球体结构拟合精度和变形情况。根据式 (9) 反算出各个观测点到球心的距离与其平均值对比, 可得各个观测点处的球体变形量即点球距为:

进一步计算半径中误差为:

其中, [Δri2]为点球距的平方和, 根据表4中的点球距计算得半径中误差σ=6.6 mm, 而坐标转换点位误差仅为1 mm, 相比之下坐标转换点位误差非常小, 可以忽略不计, 则球体结构的变形情况可由各个球体点处的点球距确定。从图1可以看出, 该方法拟合空间球体的效果不错。

5 结语

笔者同样采用MATLAB7.1编制了文献[1][2]介绍的球体拟合算法程序, 与本文描述的算法进行对比。在相同的计算环境下运行, 计算出半径中误差分别为6.9 mm, 6.6 mm, 运算所需时间分别为0.46 s, 0.15 s, 表明两个算法精度相当, 但是本文介绍算法效率更高。同时在观测中应注意, 不能只观测球体半面的点, 对空间球体上观测分布均匀的点, 可避免病态方程出现而引起的解不对;若保证点位分布均匀, 再多的点也不会显著提高拟合的精度;选取标识点时一定要保证两个观测站都能观测到, 点位牢固可靠且不能在一条直线上, 才能保证大角度坐标转换的准确性, 此方法简明易懂, 易于程序实现, 拟合检测效果令人满意。

摘要：使用高精度全站仪检测了上海某球体结构的变形情况, 并运用自由设站采集均匀分布在球体上的点位坐标, 通过坐标转换将球体点坐标统一到一个坐标系;同时根据空间向量球的中垂面性质, 采用一种新的空间球体拟合方法, 对球体点坐标进行处理, 以解算出球心坐标、半径, 进而反算出球体变形情况。

关键词：空间球体,自由设站,坐标转换,中垂面,空间向量

参考文献

[1]程效军, 王峰.测定球面多点坐标计算球面参数的方法[J].铁道勘察, 2006 (6) :1-2.

[2]王解先, 季凯敏.工业测量拟合[M].北京:测绘出版社, 2008.

[3]王敬庚.空间解析几何[M].北京:北京师范大学出版社, 2004.

[4]陈义, 沈云中, 刘大杰.适用于大旋转角的三维基准转换的一种简便模型[J].武汉大学学报 (信息科学版) , 2004, 29 (12) :1101-1105.

数控车床整机装配与几何精度检测篇3

机床的制造精度直接关系到零件的加工品质, 机床精度检验主要包含几何精度、定位精度和切削精度三个方面。检测的机床几何精度值反映了机床各关键零、部件及其装配后几何形状或位置的误差, 定位精度反映了机床各进给轴在数控装置的控制下达到的位置精度, 切削精度是机床的一种动态精度, 是机床在切削条件下对机床几何精度和定位精度的综合检验。因此, 保证机床的几何精度是保证机床整体精度的基础和关键, 以平床身数控车床为例, 根据机床的加工特点及应用范围, 详细阐述数控车床典型部件装配工艺过程及应达到的几何精度, 并介绍其精度检测方法。

1 数控车床整机装配流程

为提高数控车床的装配品质, 平床身数控车床装配应遵循三项原则:1) 先下后上原则, 即在明确数控车床结构的基础上, 先安装基础部件 (床腿、床身) , 再安装主轴箱、尾座等其它零部件;2) 先里后外原则, 先安装内部结构 (冷却、润滑) , 再安装外部结构 (防护罩) ;3) 先分装、部装再总装, 提高装配效率, 保证装配品质。

1.1 数控车床整机装配过程

数控车床的装配工艺流程为:床身调平→主轴箱安装→床鞍安装 (含x轴) →纵向驱动装置安装 (z轴) →尾座安装 (加工盘类车床无需尾座) →机床动力源安装 (主电机) →润滑装置安装→冷却部分安装→电气部分装配→刀架安装→防护部分安装→调试→涂油漆、包装等。

2 数控车床典型部件装配与几何精度检测

2.1 数控车床床身调平找精度

数控车床床身水平调整分为粗调和精调两个步骤。粗调的主要目的便于观察水平仪的读数, 精调的主要目的是使机床床身导轨达到设计时的精度要求。

a) 床身水平调整方法

1) 将水平仪呈互相垂直的方式放在水平桥上 (横向、纵向放置分别与x轴、z轴平行) , 摆放位置如图1所示;观察水平仪气泡方向, 调整2, 4处地脚螺栓, 使气泡处于中间位置, 粗调结束。

2) 紧接着将水平桥移到主轴箱端处, 待稳定后观察水平仪中的气泡位置调整机床外围四个地脚螺栓, 进行精调, 使水平仪气泡居中, 再将水平桥移到尾座端处, 根据水平仪气泡位置调整相应的地脚螺栓, 使其达到精度要求。床身调平后, 先将四个外围地脚螺栓旋紧, 再将中间两个地脚螺栓旋紧, 尽量使气泡居中, 精调结束。

b) 床身导轨几何精度检测

与床身导轨有关的几何精度检测指标为床身导轨直线度 (G1项) , 其包含两个检测内容:1) 床身导轨在垂直面内的直线度, 其允差为0.02 mm/1000 mm (中间凸) ;2) 床身导轨的平行度, 其允差为0.04 mm/1000 mm。

床身导轨在垂直面内的直线度检测步骤:将水平仪沿Z轴方向放在水平桥上, 沿机床导轨全长等距离 (250mm) 移动水平桥, 并记录水平仪读数, 用计算的方法确定直线度误差。

床身导轨的平行度检测步骤:将水平仪沿X轴方向放在水平桥上, 在导轨上移动水平桥, 水平仪读数的最大差值即为床身导轨的平行度。

2.2 主轴箱装配与几何精度检测

主轴箱安装是机床总装的第一道工序, 是确定主轴箱与床身相互位置关系的重要工序, 也是后续各部件装配的基准, 检测主轴锥孔中心线对床身导轨的平行度 (G7项) , 根据检测的精度值 (G7项) , 刮研床体与主轴箱的结合面, 通常刮研床体的结合面, 以涂色法检验粘点6个/25×25mm, 结合面紧固前与紧固后0.04 mm塞尺不入。

a) 与主轴箱部件装配有关的几何精度检测

1) 主轴轴向窜动 (G4项) , 其允差为0.010mm;主轴轴肩支承面的跳动 (G4项) , 其允差为0.020mm。

2) 主轴定心轴颈的径向跳动量 (G5项) , 其允差为0.010 mm。

3) 主轴锥孔中心线的径向跳动 (G6项) , 其允差:根部为0.01 mm, 300 mm处为0.02 mm。

4) 主轴锥孔顶尖跳动 (G8项) , 其允差:根部为0.015mm。

b) 主轴箱总装时进行几何精度检测

主轴锥孔中心线对床身导轨的平行度 (G7项) , 其热检允差:上母线为+0.005~+0.018 mm (只允许向上偏) , 侧母线为+0.005~+0.012 mm (只允许向里偏) , 其冷检允差:上母线为-0.02~-0.025 mm, 此值随装配条件有所变动。

主轴锥孔中心线对床身导轨的平行度 (G7项) 检验步骤:把百分表架固定在水平桥上, 百分表测头分别触及检棒表面上母线、侧母线处, 移动水平桥检验 (上母线、侧母线处误差分别计算) ;将检棒拔出旋转180°, 再同样检验一次, 两次测量结果的代数和之半, 就是主轴锥孔中心线对床身导轨的平行度误差。

2.3 床鞍装配与几何精度检测

a) 床鞍装配工艺过程

1) 以床身导轨为基准, 刮研床鞍V型导轨和平导轨, 长度接触70%以上, 宽度接触50%以上, 同时接触面0.04 mm塞尺不入;

2) 以主轴箱主轴锥孔中心线为基准, 检测横向滑板移动对主轴锥孔中心线的垂直度 (G12项) ;

3) 以床鞍燕尾导轨为准, 刮研滑板燕尾导轨的平导轨和55°燕尾主导轨面;刮研镶条正面 (与床鞍燕尾导轨对应面) ;

4) 以床身下导轨面为准, 刮研床鞍压板结合面。

b) 与床鞍有关的几何精度检测

滑板横向移动对主轴锥孔中心线的垂直度 (G12项) , 其允差为0.02/300 mm, α﹥90°。其检测步骤:将垂直平尺插入主轴孔中, 百分表及磁力表座固定在滑板上, 使百分表测头触及垂直平尺, 调整平直测量面与主轴轴线垂直度, 横向移动滑板进行检验, 将主轴旋转180°, 再同样检验一次, 两次测量结果的代数和之半, 就是垂直度误差。

2.4 尾座装配与几何精度检测

以床身导轨为基准, 刮研尾座下垫的V型导轨和平导轨, 长度接触60%以上, 宽度接触40%以上, 同时接触面0.04 mm塞尺不入;

1) 将尾座固定在床身上, 检测尾座套筒中心线对溜板移动的平行度 (G9项) , 其允差为:上母线为0.015/100 mm (只允许向上偏) , 侧毌线为0.01/100 mm (只允许向前偏) ;尾座套筒锥孔中心线对溜板移动的平行度 (G10项) , 其允差为:上母线为0.03/300 mm (只允许向上偏) , 侧毌线为:0.03/300mm (只允许向前偏) ;主轴箱与尾座两顶尖的等高度 (G11项) , 其热检允差为0.04mm, 只允许尾座高;

2) 将G9项、G10项、G11项精度的实测值作好记录, 按要求铣削尾座下垫上平面;

3) 将铣好的尾座下垫重新放在床体上, 并将尾座上体放好并固定, 检测以上三项精度;

4) 以床身导轨为基准, 找好主轴箱和尾座中心线的侧母线精度, 再将尾座上体和下体 (尾座垫) 打上刻线做好标记“零点”位置。

2.5 纵向驱动装置装配与精度检测

a) 纵向驱动装置装配工艺过程

1) 将丝杠的前、中、后支座固定在床体和床鞍上, 并将检验棒、检验套装在各支座孔中;

2) 以床身导轨为基准, 找前、中、后支座的平行度, 根据检测值刮研相关支座;

3) 以床身导轨为基准, 找前、中、后支座的等距度, 根据检测值修正 (磨削) 后支座;

4) 精度找好后, 将各支座打上锥销定位;

5) 安装丝杠及支承等组件;

6) 以床身导轨为基准, 复检丝杠等距度, 要求在0.03-0.05mm;

7) 检测丝杠的轴向窜动度;

8) 安装电机。

b) 与纵向驱动装置有关的几何精度检测

1) 前后支座、中间支座对床身导轨的平行度, 其允差为上母线、侧母线处各为0.01/150 m;前后支座、中间支座对床身导轨的等距度, 其允差为0.02 mm。

2) 丝杠的轴向窜动度, 其允差为0.008 mm。

鉴于篇幅原因, 其它部件的装配工艺过程在此不介绍。

4 结语

数控车床几何精度直接会影响工件的加工精度, 例如主轴轴向窜动会影响螺纹的螺距误差及轴肩端面的平面度和跳动度, 主轴轴线与溜板移动的平行度会造成轴类零件产生锥度, 因此, 数控车床总装配时要确保各项几何精度达到要求, 以提高设备装配质量。

参考文献

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[2]陈志平, 章鸿.数控机床机械装调技术[M].北京:北京理工大学出版社, 2011.

几何变形检测篇4

大型零件几何尺寸的检测通常使用龙门式三坐标仪、经纬仪、关节臂坐标仪等接触式测量法。但是这些传统的接触式测量方法通常效率很低,如果要检测复杂曲面零件时甚至很难进行。现在国际上新流行的方式是采用三维摄影扫描的办法进行。这种非接触式的测量方法不受被测物的大小、体积、外形的限制,可以有效地提高检测效率。

1 三维摄影扫描测量流程

三维摄影扫描测量首先要获得被测物体的表面三维点云数据,以此为基础在逆向工程软件中进行拟合测量。整个测量的基本流程如图1所示。

2 点云数据的获取

本次测量的对象为一个大型工件螺母柱,长度5 m左右,宽度1.5 m左右,厚度0.7 m左右。精加工出来的金属表面反光很强。

由于是光学测量,所以需要在整个工件表面喷一层很薄的显影剂,形成哑光面,然后贴上标志点与编码点。

点云数据的获取分为两个阶段,分别是三维摄影阶段和三维扫描阶段。三维摄影阶段是利用高像素高分辨率的数码单反相机对已经贴好编码点和标志点的工件进行多角度的拍摄,以获取测量需要的框架结构。其中的每个编码点都是唯一的,如图2所示,然后利用框架结构识别标志点,为下一阶段三维扫描做好准备工作。标志点转换到三维坐标中得到的图像见图3。三维扫描阶段是利用摄影得到的框架结构进行扫描(如图4所示),并进行拼接计算,最终得到点云数据,如图5所示。

3 点云数据的处理

得到点云数据以后要进行一定的处理才能进行拟合测量。我们采用美国Geomagic公司的Geomagic studio软件进行点云的处理,主要包括筛选删除体外孤点、杂点以减少噪声。对点云进行统一采样,降低点云数据,由700多万点减少到200万点,这样可以在不影响模型表面细节的基础上减少计算机处理的数据量,加快处理速度。然后对点云进行三角面网格化封装,最后对齐坐标系,以便后续处理。点云数据处理流程如图6所示。

4 逆向软件中进行拟合测量

点云数据经过Geomagic studio软件进行处理得到三角面封装文件后就可以导入到Imageware软件中进行拟合测量了。

以测量螺距尺寸为例,在Imageware中测量的方法如下:

(1) 利用螺母柱两侧的斜平面拟合两个面并求出它们的交线,从图纸得知螺母柱螺牙牙底圆的圆心所在轴线与交线重合可认为此交线为螺母柱片的中线。

(2) 将交线投影到螺母柱底平面所在的ZY平面(见图7),从而得到螺母柱上螺牙的中线,继而得到中线对应的投影点,如图8所示。

(3) 在同一水平面画一截线截取相应点,如图9所示。

(4) 量取相邻点之间的距离,从而一次得出单个螺距和任意连续7个螺距距离,如图10所示。

测量螺牙圆柱度的过程如下:首先截取螺牙点云,由于每个截取的点云是独立的,所以要把截取的点云合并;然后利用点云构造圆柱面;最后评估圆柱度,如图11所示。

测量平面度、距离等,方法亦类似。

5 三维摄影扫描测量精度与时间对比

为了对照,我们也采用了高精度的三坐标仪接触式测量方法来对比评估三维摄影扫描测量精度。两种测量方法对比见表1,由表1可见本文提出的方法满足高精度的要求。

检测时间包括粘贴测量标志点时间、辅助工装安装时间、相机拍摄照片和软件计算时间、三维扫描时间和后续软件数据处理的时间,共计4 h左右。而用三坐标仪测量共需约24 h。由此可见,三维摄影扫描测量可以大大节约检测时间,提高检测效率。