在机测量技术的发展现状及应用.pdf

第 卷第期年月 陕 西 国 防 职 教 研 究S h a a n x iG u o f a n gV o c a t i o n a lE d u c a t i o nR e s e a r c hV o l N o J u n e 收稿日期:基金项目:陕西国防工业职业技术学院 年度科研计划项目:数控机床主轴热误差建模研究(项目编号:G f y ).作者简介:郭力(),男,陕西西安人,硕士,副教授,主要研究方向为机械工程技术.在机测量技术的发展现状及应用郭力(陕西国防工业职业技术学院,陕西 西安 )摘要:复杂曲面在机测量是超精密加工领域的关键技术之一.本文根据在机测量方式的不同,分别论述了曲面在机测量技术的研究现状,比较分析各种技术的优劣.针对接触式曲面在机测量,进一步对其关键技术展开论述.对把握复杂曲面零件在机测量现状,了解其关键技术有重要指导意义.关键词:在机测量;复杂曲面;接触式在机测量中图分类号:TH 文献标识码:A文章编号:S Y ()引言复杂曲面零件广泛应用于航空航天、模具、生物医学、交通运输等行业,复杂曲面零件的制造与质量检测也体现了一个国家的高端制造业发展水平.现如今,对复杂曲面零件的高精度、高可靠性与高效率制造的研究有着重要的意义.其中,对零件在制造过程中的信息进行测量与反馈是关键技术之一.传统测量手段采用三坐标测量机离线测量,这种技术虽然具有较高的测量精度,但后续会带来由零件的二次装夹和重定位所导致的误差,这在高精度加工中是不可忽略的.随着数控机床在机测量技术取得了飞速的发展,该技术将加工、检测以及误差补偿形成一体化,提高了测量的效率与精度,这不仅允许及时直接评估加工表面,还为进一步补偿和优化的过程控制提供反馈.因此,在机测量在高端制造业日益占有更重要的地位.本文将对不同的在机测量技术及其在超精密加工过程中的应用进行综合评述,介绍当前国内外在机测量研究现状.同时,针对接触式在机测量的关键技术与发展现状进行深入阐述.最后,指出现有技术的不足并展望未来的发展方向.复杂曲面在机测量技术现状首先,制造过程中的测量,可分为过程中测量、在机测量和后处理测量.过程中测量,制造加工过程与测量过程同时进行.它可以将测量环节集成到过程控制系统中为制造过程提供实时信息.后处理测量,是加工结果的标准检验.工件在加工完成后从机床上取下,并使用离线测量仪器进行检测.这些仪器通常位于温度受控和振动小的环境中.在机测量,也称为在位测量或原位测量,其主要特征是在工件不从机床上取下的情况下对工件表面进行测量.加工过程暂停后进行测量过程.与过程中测量相比,在机测量的环境相对温和且稳定,干扰相对小.在机测量区别于离线测量,其优点是避免了二次装夹和重定位所导致的误差,降低废品率.在机测量主要用于零件尺寸的测量、工件的找正、机床健康状态检测与误差评估及误差补偿.在机测量按测量方式又可以分为接触式测量、非接触式测量与复合式测量.下面将分别介绍这针对复杂曲面的不同在机测量方式.接触式测量与三坐标测量机为代表的离线测量相似,测头获取离散点的空间坐标来表示形状和几何特征.根据测头的不同,接触式测量又可以分为触发式测量与扫描式测量.触发式测量是以单点采样的方式对工件表面进行测量.当触发式测头在驱动系统的控制下对工件表面进行测量时,接触式测头与被测物体接触且接触力超过某一阈值时,测量系统会立即发出采样信号并获取被测点的三维坐标信息,通过处理后得到工件表面信息.触发式测量发展较早,国内外皆有大量的研究.扫描式测量区别于触发式测量在于其克服了触发式测量测点离散的缺点,提高了接触式测量的效率.非接触式测量与复合式测量非接触式测量一般通过激光测量、超声测量、视觉测量等方式对曲面进行扫描测量.相较于接触式测量,非接触式测量的检测效率更高.激光测量有着高效率、易于集成的特点.三维视觉测量同样具有效率高、使用简单的特点,同时也是国内外研究的热门方向.近年来,国内外学者均开展了对多传感器集成的复合式在机测量的研究.其优势是将接触式与非接触式在机测量进行结合.针对不同曲面的各种测量技术,相比之下,接触式在机测量具有更高的精度,适用于对复杂曲面测量精度更高的场合,非接触式在机测量测量效率更高,测量范围更大.接触式测量现在是复杂曲面测量的主要方式,并且在机测量将逐渐成为主流.目前国内外对复杂曲面在机测量研究很多,但应用不广泛,仍有很多局限.现在的在机测量方案主要是围绕三轴机器进行的,而对于复杂曲面零件的检测需求较高,基于五轴机床的在机测量技术便具有了重要的研究意义.复杂曲面接触式在机测量关键技术 测量误差补偿评定在机测量技术的关键指标之一就是测量精度.在机测量系统的误差主要来源为数控机床误差与测头系统误差.因接触式测头安装在数控机床上由主轴带动进行测量,所以测量误差必然受数控机床本身的误差所影响.机床误差包括几何误差、热误差等.另一方面,测头本身的测量误差也是影响测量精度的重要因素.当测头与被测工件接触时会产生一个作用力,同时测头产生触发信号并传给数控系统从而记录测头坐标值.作用力随着测量角度的变化而变化,这一段信号延迟便是测头预行程误差的原因.当测头与被测表面接触时,系统得到的时测头球心点的坐标而非所需要的接触点的坐标,测头球心点与接触点相隔一个测头半径的距离,这便是产生测头半径误差的原因.通常可以使用测头标定后的半径与三维模型中的法向量信息计算实际接触点坐标,但实际加工件与三维模型的偏差会导致测头半径误差.具体的测头半径补偿方法有矢量法、等距面法、微平面法、拟合法、三角网格法等.采样点选取与检测路径规划计算机辅助测量规划是曲面在机测量的重要技术之一,主要分为采样点选取即数量与分布的确定,检测路径的规划.衡量指标为测量的精度与效率,二者往往互为制约.因此,测量规划的主要问题为:当采样点数量相同时,如何获取更高的测量精度;当测量精度相同时,如何采用较少的采样点以提高测量效率.针对曲面的测量,采样点应随着曲面曲率的增大而密集,从而更好地表达曲面实际形貌.曲面又可以分为规则曲面与自由曲面.对规则曲面的采样点规划主要有盲采样法、自适应采样法、基于制造信息采样法.盲采样法因不考虑曲面的几何特征而造成精度较低的缺点.自适应采样法根据目标区域的法矢等信息判断是否需要增加测点,但实现困难且可能发生测头碰撞.基于制造信息采样法则根据对加工偏差的预测优化采样点位置.曲面加工误差的评估曲面加工误差是指实际测得的加工后的曲面与C A D模型中理想曲面之间的偏差,这是各种误差综合导致的,具有一定的重复性与稳定性,这也反映了实际加工过程的精度,通过计算此偏差的大小并补偿工件的加工误差也是在机测量技术的最终目的.对加工误差的评估也被轮廓误差评估,这也与计算机视觉领域中的配准有相似之处.常用轮廓误差评估方法有截面法、三远点法与最小包容区域法.此问题通常被表示为一个非线性最小二乘问题,目标函数建立为测量数据的距离平方和.I C P算法以“最小条件”为准则,将给定点与目标面上距离最小的对应点匹配,可用于曲面等三维形状的精确配准.但该算法对配准初值的选取要求较高,计算较为复杂,且曲面距离较远时配准算法有一定缺陷.结论复杂曲面在机测量技术对于增强超精密制造至关重要,这有助于直接评估加工表面并为后续误差补偿提供高精度数据,从而有效降低废品率.本文论述了在机测量技术的发展现状及其在复杂曲面在机测量中的应用.分析了不同在机测量技术的优缺点.接触式方法测量效率较低,精度较高.非接触式方法测量效率高且不会对工件造成损伤但精度相对低.在超精密制造工程中,接触式在机测量方法成为首选.未来在机测量的发展方向将会是:将加工模型作为在机测量的先验信息指导测量过程.基于特征的优化测量采样方法.增强在机测量的鲁棒性与快速性.利用人工智能算法优化测量过程.用于超精密加工的曲面在机测量技术仍处于研究阶段,这也是从事相关研究者的重要研究方向.随着人工智能、计量与传感技术的发展,复合测量的优势将被进一步挖掘,以提高超精密制造的性能与可靠性.(下转第 页)陕 西 国 防 职 教 研 究R e s e a r c ho nt h eA p p l i c a t i o no fU A VS e r v i c eu n d e r t h eB a c k g r o u n do f I n t e r n e tWANGY u n l i,S ONGS e n(S h a a n x i I n s t i t u t eo fT e c h n o l o g yX ia nS h a a n x i )A b s t r a c t:U n d e rt h eb a c k g r o u n do fs o c i a ld e v e l o p m e n tc o n n e c t i v i t y,UAVs e r v i c ec o m p a r e dt oc o n s u m e rUAV,i n d u s t r i a lUAVa p p l i c a t i o ns l i g h t l y i n s u f f i c i e n t,a n d t h e c o n s t r u c t i o no f o n e s t o pp l a t f o r mi s t h e a p p l i c a t i o no fUAVs e r v i c ea s t h ec o r e,g i v e f u l l p l a yt ot h es c h o o l t a l e n t r e s e r v e s,p r o f e s s i o n a l c o u n t e r p a r ta d v a n t a g e s,u s eo f i n t e g r a t e d r e s o u r c e sm a x i m u mp r o m o t eUAVs e r v i c e T h r o u g h t h e a n a l y s i s o f t h eb u s i n e s sm o d e l,p r o f i tm o d e l a n dp u b l i cw e l f a r em o d e l o f t h eUAVo n e s t o pp l a t f o r m,i t s f e a s i b i l i t y i s e x p o u n d e d,s oa s t oa c h i e v e t h ed u a l g o a l o f c u l t i v a t i n gs t u d e n t s a n ds e r v i n g t h e s o c i e t y,s oa s t ob o o s t t h ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fUAVs e r v i c e K e yW o r d s:I n t e r n e t;UAVs e r v i c e;O n e s t o pp l a t f o r mf o rUAV参考文献河北新闻网国务院 关于积极推进“互联网”行动的指导意见(国发 号)E B/O L h t t p:/z h u a n t i h e b n e w s c n/c o n t e n t_ h t m,程伟,曹禄基于 G网联无人机的遥感技术应用研究J长江信息通信,():于来宝基于“引企入校”的无人机应用技术专业校企合作模式的研究J科技资讯,():(上接第 页)T h eD e v e l o p m e n t S t a t u sa n dA p p l i c a t i o no fO n m a c h i n eM e a s u r e m e n tT e c h n o l o g yG U OL i(S h a a n x i I n s t i t u t eo fT e c h n o l o g yX ia nS h a a n x i )A b s t r a c t:T h em e a s u r e m e n to fc o m p l e xc u r v e ds u r f a c e i so n eo f t h ek e yt e c h n o l o g i e s i nt h ef i e l do fu l t r a p r e c i s i o nm a c h i n i n g A c c o r d i n g t o t h ed i f f e r e n tm e t h o d s o f o n m a c h i n em e a s u r e m e n t,t h e r e s e a r c hs t a t u s o fc u r v e ds u r f a c e i no n m a c h i n em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yi sd i s c u s s e d,t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fv a r i o u s t e c h n o l o g i e sa r ec o m p a r e d i nt h i sp a p e r F o rt h em e c h a n i c a lm e a s u r e m e n to f t h ec o n t a c ts u r f a c e,t h ek e yt e c h n o l o g i e sa r e f u r t h e rd i s c u s s e d I t i so fg r e a t s i g n i f i c a n c e t og r a s pt h ec u r r e n t s i t u a t i o no f c o m p l e xs u r f a c ep a r t sa n du n d e r s t a n dt h e i rk e yt e c h n o l o g y K e yW o r d s:O n m a c h i n em e a s u r e;C o m p l e xc u r v e ds u r f a c e;C o n t a c t i n m a c h i n em e a s u r e m e n t参考文献王平江,雷宇晴,邹尚波,等在机测量技术现状与发展趋势J组合机床与自动化加工技术,():张建明,罗松保,庞长涛,等现代机床在机测量技术研究与发展趋势J航空制造技术,():方国涛线结构光与测头相结合的在机测量系统自由曲面重构D秦皇岛:燕山大学,DL,BW,ZT O n m a c h i n es u r f a c em e a s u r e m e n t a n da p p l i c a t i o n s f o ru l t r a p r e c i s i o nm a c h i n i n g:as t a t e o f t h e a r t r e v i e wJ I n t e r n a t i o n a l j o u r n a l o f a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y,():吴小梅基于数控铣床的测量加工一体化系统研究J机械,():陕 西 国 防 职 教 研 究