[发明专利]基于涡流点阵的曲面局部法向矢量测量方法

摘要

本发明基于涡流点阵的曲面局部法向矢量测量方法属于检测技术领域，涉及一种基于涡流点阵的曲面局部法向矢量测量装置与方法。测量方法采用三点法对局部曲面进行法矢量测量，以包络加工位置的三个测量点构成一个微小平面的法向矢量近似代替加工点的法矢量。通过双向旋转台带动标定平板旋转，根据涡流点阵中各个传感器的输出变化，完成传感器在机床坐标系下的相对位置标定。数控机床驱动涡流探头点阵按照预先规划的测量路径扫描测量被测件，通过倾角误差补偿与法矢量计算数据处理操作，完成曲面局部法矢量精确测量。本发明适于精密金属零件的曲面局部法矢的在机扫描测量，装置结构紧凑、测量方法准确、操作简单、方法可靠，测量效率高。

主权项

1.一种基于涡流点阵的曲面局部法矢量测量方法，其特征是，测量方法采用三点法对局部曲面进行法矢量测量，以包络加工位置的三个测量点构成一个微小平面的法向矢量n近似代替加工点M的法矢量；首先通过双向旋转台带动标定平板旋转，根据涡流点阵中各个传感器的输出变化，完成传感器在机床坐标系下的相对位置标定；将被测件夹装夹在机床工作台上，数控机床驱动涡流探头点阵按照预先规划的测量路径扫描测量被测件，上层测量系统自动进行多通道采集、存储测点数据；最后，通过倾角误差补偿与法矢量计算数据处理操作，完成曲面局部法矢量精确测量；方法的具体步骤如下：第一步，组装涡流点阵测量装置采用三个涡流位移传感器：1#涡流传感器(1)、2#涡流传感器(2)和3#涡流传感器(3)组成涡流点阵，涡流点阵沿数控机床主轴(4)的圆周方向均匀分布，确定涡流点阵的布置间距a为涡流位移传感器在全量程范围内无互耦干扰的最小距离；三个涡流位移传感器分别通过3个传感器螺母(5)与基板(6)连接，基板(6)通过弹簧夹头(7)、螺母(8)与主轴刀柄(9)相连，最终完成测量装置与数控机床主轴的装夹；首先将标定平板(10)放置于双轴倾斜台(11)上，并通过两个螺栓压板组件(12)压紧，完成标定件的定位夹紧；第二步，涡流点阵中传感器的相对位置在机标定调节机床主轴(4)，使涡流点阵沿z方向远离标定件，调节机床工作台的x与y方向，目测控制涡流点阵中心处于标定件中心附近，移动主轴(4)沿z负向降至涡流传感器端面距离标定平面在半量程高度，记录此时的1#、2#、3#涡流传感器(1、2、3)的测量值分别为P1、P2、P3；调节双轴倾斜台(11)的螺旋测微头b带动标定平面绕机床Y向转过角度α，三个传感器的测量结果为P1’、P2’、P3’；将标定平面调回至初始0°位置，调节双轴倾斜台(11)的螺旋测微头c带动标定平面绕机床X向转过角度β，三个传感器的测量位移为P1”、P2”、P3”；由测得的上述数据计算1#、2#、3#涡流传感器(1、2、3)之间的相对位置关系，计算公式如下：式中，Δx12为1#、2#涡流传感器(1、2)沿X向的相对距离，Δx13为1#、3#涡流传感器(1、3)沿x向的相对距离，Δy12为1#、2#涡流传感器(1、2)沿Y向的相对距离，Δy13为1#、3#涡流传感器(1、3)沿Y向的相对距离；第三步，基于涡流点阵的曲面定向扫描测量首先，将被测件(13)通过夹持框(14)定位夹紧，涡流点阵在机床主轴(4)驱动下运动至被测件(13)的第一截面轨迹L1内起始点；然后，涡流点阵沿第一截面轨迹L1段扫描测量，同时上位机的数据采集系统高频存储各测点坐标及输出电压信号数据，测量获得第一截面轨迹L1的测量子集Ω1＝(pi1,k,ui1,k),i∈[1,r],k∈[1,2,3]，k为传感器标号，pi1,k为涡流点阵中传感器k在第一截面轨迹L1第i测点坐标，ui1,k为传感器k在第一截面轨迹L1第i测点输出信号，r为截面轨迹内的测点数；接着，涡流点阵运动至第二截面轨迹L2段进行扫描测量，获得第二截面轨迹L2的测量子集Ω2；最后，涡流点阵沿Z字形扫描路径对被测件(13)双向往复扫描测量，测量获得被测件(13)的测量总集Ω＝Ωj,j∈[1,s]，s为截面轨迹总数，Ωj为第j截面轨迹Lj的涡流点阵测量子集；第四步，电涡流传感器输出信号倾角误差补偿取涡流点阵中传感器k第j截面轨迹Lj第i测点输出信号幅值uij,k；根据被测件(13)的设计模型，计算出传感器k在第j截面轨迹Lj第i测点处切向倾角Ψij,k；基于电涡流传感器倾角误差模型，结合切向倾角与输出信号，计算倾角误差并进行误差补偿；式中，为传感器k在第j截面轨迹L_j第i测点被测曲面倾角θ_t＝Ψ_ij时的传感器输出值，为相同提离下测量平面时的传感器输出值，θ_t为被测面倾角；按上述操作，对第j截面测量子集Ω_j中的涡流点阵中每个传感器的输出信号进行逐点倾角误差补偿处理，得到第j截面的补偿后的测量位移子集p_ij,k为传感器k在第j截面轨迹第i点坐标；对测量位移总集Ω，按截面轨迹逐条倾角误差补偿处理，得到补偿后的被测件(13)的精确位移测量总集Γ＝Γ_j,j∈[1,s]；第五步，曲面局部法矢计算建立以1#传感器(1)为原点的笛卡尔坐标系1‑XYZ，涡流点阵中三个传感器在被测件表面第j截面轨迹Lj第i测量点分别为Sij,1、Sij,2、Sij,3，测量点在1‑xyz坐标系中的坐标为(xij,1,yij,1,zij,1),(xij,2,yij,2,zij,2)，(xij,3,yij,3,zij,3)，根据在机位置标定与位移测量结果，坐标表达式为：式中，k＝1,2,3；被测件表面第j截面轨迹Lj第i测点的单位法矢计算公式为：对第j截面的扫描测量点进行逐点法矢计算得到截面轨迹L_j的法矢测量子集p_ij为涡流点阵在第一截面轨迹L_j第i测点坐标；最终涡流点阵沿Z字形扫描路径对被测件(13)双向往复扫描测量获得法矢测量总集n＝n_j,j∈[1,s]，实现了基于涡流点阵的被测零件曲面局部法矢测量。