一种曲面加工零件表面轮廓误差的近似评估方法

摘要

本发明属于数控加工中轮廓误差计算领域，并公开了一种曲面加工零件表面轮廓误差的近似评估方法。其包括下列步骤：(a)以插补周期为单位分别记录每个周期内的指令插补点和反馈刀位点，将所有相邻的指令插补点连接形成三角网格曲面；(b)计算反馈刀位点集合中每个反馈刀位点到三角网格曲面的最短距离；(c)从反馈刀位点集合中选取多个反馈刀位点，实际测量选中的反馈刀位点处的轮廓误差，计算标定系数，使得每个反馈刀位点的实际轮廓误差与该反馈刀位点标定后的最短距离相等，利用标定系数计算轮廓误差。通过本发明，实现对加工零件百分之百检测，同时实现对表面质量缺陷原因进行溯源。

说明书

技术领域

本发明属于数控加工中轮廓误差计算领域，更具体地，涉及一种曲面加工零件表面轮廓误差的近似评估方法。

背景技术

曲面轮廓误差是零件实际加工表面相对于设计曲面的偏差。在复杂零件表面质量检测和加工精度评价中，轮廓误差是重要的评估指标，因而计算或评估复杂曲面的轮廓误差是极其重要和有意义的。

目前曲面零件表面轮廓误差的测量计算一般采用坐标测量机完成，坐标测量机的工作原理是：零件加工完毕后，首先将零件从数控机床上取下来，放到坐标测量机上，坐标测量机按照规划的测量路径测量零件实际加工表面，然后根据测量结果用专用软件按一定算法计算每个测量位置的轮廓误差。目前有很多基于坐标测量机测量计算曲面轮廓误差的研究，主要集中在测量路径规划算法和轮廓误差计算算法的研究和改进方面。比如在非专利文献《基于遗传算法和分割逼近法精确计算复杂曲面轮廓度误差》中提出结合分割逼近法和归一化实数值编码遗传算法计算复杂曲面轮廓误差；非专利文献《基于分割球面逼近和差分进化的复杂曲面轮廓度误差评定》提出利用差分进化算法优化测量路径和基于分割球面逼近方法计算复杂曲面轮廓误差；非专利文献《基于微粒群算法的复杂曲面轮廓度误差计算》中利用微粒群算法搜索设计曲面上与测点距离最近的点求得轮廓误差；非专利文献《基于STL模型的自由曲面轮廓度误差评定》中利用STL模型和带有收缩因子的粒子群算法对自由曲面的轮廓误差进行评定；非专利文献《基于CAD模型引导测量的自由曲面定位及轮廓度误差评定》提出将粒子群优化算法与拟随机序列法相结合计算自由曲面的轮廓误差。

基于坐标测量机测量计算轮廓误差虽然比较准确，但在实际工程应用中仍然存在如下问题：

(1)坐标测量机的测量计算非常耗时，难以对全部零件的轮廓误差进行测量计算，只能随机抽检，或只做首件零件的检验，对其他未检测零件的轮廓误差的评估依赖于机床加工的一致性。但在实际加工过程中，即使加工同一种零件，数控机床的加工效果也可能不一致。因此抽检或首件零件的轮廓误差合格(不合格)并不能保证其他零件的轮廓误差合格(不合格)；

(2)轮廓误差是评估零件表面质量的重要指标，零件某处的轮廓误差过大表明零件在该处存在质量缺陷，曲面轮廓误差的测量计算不仅应是检验零件表面质量的手段，还应为质量缺陷原因的溯源提供方法，若想要对缺陷原因进行溯源，需要精准定位轮廓误差过大处在加工路径中的位置，回溯加工该位置时的控制指令(速度、加速度)、加工工艺参数(主轴转速、切削用量)、加工路径特征等，以探究造成表面缺陷的原因，然而由于坐标测量机的测量路径与数控机床的加工路径之间不存在对应关系，因此基于坐标测量机的轮廓误差测量计算方式很难完成缺陷原因的溯源。

综上所述，基于坐标测量机的轮廓误差测量计算方式难以对全部零件的轮廓误差进行测量计算，也很难进行缺陷原因的溯源。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种曲面加工零件表面轮廓误差的近似评估方法，通过构建指令插补点的三角网格，然后计算每个反馈点到三角网格的最短距离，最后计算标定系数并利用标定后的最短距离近似评估轮廓误差，其目的在于提供简单快速的方法近似评估轮廓误差，同时通过反馈刀位点找到与该轮廓误差对应的插补点坐标和程序号，以此追溯加工过程中的控制指令、加工工艺参数或加工路径，从而分析产生轮廓误差产生的原因，由此解决不能百分百获取零件表面轮廓误差，以及缺陷原因难于追溯的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种曲面加工零件表面轮廓误差的近似评估方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)针对曲面加工过程，以插补周期为单位分别记录每个周期内的指令插补点和反馈刀位点，并分别形成指令插补点和反馈刀位点的集合，将所述指令插补点集合中所有相邻的指令插补点连接，以此形成由指令插补点组成的三角网格曲面；

(b)计算所述反馈刀位点集合中每个反馈刀位点到所述三角网格曲面的最短距离，并存储每个反馈刀位点对应的最短距离；

(c)从所述反馈刀位点集合中选取多个反馈刀位点作为待测量刀位点，实际测量每个待测量刀位点处的实际轮廓误差，根据每个待测量刀位点对应的实际轮廓误差和最短距离设定标定系数，利用该标定系数和步骤(b)获取的每个反馈刀位点对应的最短距离构建每个反馈刀位点的轮廓误差计算表达式，以此获得每个反馈刀位点的轮廓误差。

进一步优选地，在步骤(b)中，计算所述反馈刀位点集合中每个反馈刀位点到所述三角网格曲面的最短距离，优选按照下列步骤进行：

(b1)针对任意一个反馈刀位点q_i，获取该反馈刀位点所在的插补周期中与其相应的指令插补点；

(b2)在所述三角网格中查找并获取以步骤(b1)中获得的指令插补点为顶点的所有三角形，分别计算所述反馈刀位点q_i到每个三角形之间的距离以获得多个距离值，记录多个距离值中的最小值和与该最小值对应的三角形；

(b3)所述最小值对应的三角形中除所述起点外的另外两个指令插补点重复步骤(b2)，直至获得的最小值不再减小，以此获得所述反馈刀位点q_i到所述三角网格的最短距离。

进一步优选地，在步骤(c)中，所述标定系数按照下列方式设定：

其中，m为任意选取的反馈刀位点的数量，不大于总的反馈刀位点的数量，D_i是实际测量的反馈刀位点处的轮廓误差，d_i是反馈刀位点到三角网格的最短距离，K是标定系数。

进一步优选地，在步骤(c)中，所述每个反馈刀位点的轮廓误差计算表达式优选按照下列表达式进行：

Tol_j＝K×d_j

其中，Tol_j是轮廓误差，j是任意第j个反馈刀位点，j∈(1,2,…,n)，n是反馈刀位点的总数量，为任意正整数。

进一步优选地，在步骤(c)中，所述实际测量优选采用三坐标仪进行测量。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提供的轮廓误差获取方法，通过将该方法集成在数控系统中，在加工完一个零件的同时即可以同步计算获得该零件的零件轮廓误差，实现对加工零件进行百分之百的检测，根据计算结果与坐标测量机配合使用，实现轮廓误差准确的估算；

2、实现对零件表面质量缺陷原因进行溯源，具体地，用反馈刀位点与指令插补点三角网格曲面之间的偏差作为指标近似评估曲面轮廓误差，因此能够自动定位轮廓误差过大处在加工路径中的位置，进而回溯加工该位置时的控制指令(速度、加速度)、加工工艺参数(主轴转速、切削用量)、编程路径特征等，探究造成表面缺陷的原因，完成加工缺陷的溯源。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的曲面轮廓误差评估方法流程图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的曲面轮廓误差示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的指令插补点三角网格曲面示意图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的反馈刀位点到指令插补点曲面模型的最短距离示意图；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的反馈刀位点到三角网格曲面最短距离计算原理示意图；

图6是按照本发明的优选实施例所构建的曲面轮廓误差近似评估原理二维示意图；

图7是按照本发明的优选实施例所构建的曲面轮廓误差近似评估原理三维示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的曲面轮廓误差评估方法流程图，图2是按照本发明的优选实施例所构建的曲面轮廓误差示意图，如图1和2所示，一种曲面零件表面轮廓误差快速近似评估方法，包括以下步骤：

(1)把指令插补点重建成三角网格曲面

在VS中搭建PCL(point cloud library)的工作环境，调用PCL的库函数，设置合适的参数，把指令插补点重建成三角网格曲面。图3是按照本发明的优选实施例所构建的指令插补点三角网格曲面示意图，如图3所示，是重建得到的指令插补点三角网格曲面示意图，其中三角形的每个顶点都是一个指令插补点，三角网格曲面的所有三角形顶点就是指令插补点集合。

根据每个三角形由三个指令插补点组成，可得到关系，如下，

T_j{(p_i,p_j,p_k)}

其中，T_j为三角网格曲面中的任意一三角形；(p_i,p_j,p_k)为该三角形的三个顶点；

进一步根据图3可以看出，每个指令插补点与多个三角形关联，如与p_i1-6号三角形关联。统计每个指令插补点关联的三角形，可建立如下的关系p_i{T_i......T_j......}，其中p_i为指令插补点集中的任意一点；{T_i......T_j......}为以为顶点的三角形的集合。

(2)计算反馈刀位点与指令插补点曲面模型之间的偏差

本发明通过计算每个反馈刀位点到指令插补点三角网格曲面的最短距离来计算反馈刀位点与指令插补点三角网格曲面之间的偏差。

由于指令插补点与反馈刀位点均以插补周期为单位在整个加工过程中记录，所以二者存在一一对应的关系。图4是按照本发明的优选实施例所构建的反馈刀位点到指令插补点曲面模型的最短距离示意图，如图4所示，A是海量反馈刀位点中的任意一点，B是与其对应的指令插补点，C是A在指令插补点曲面上的投影，d为反馈刀位点到指令插补点曲面模型的最短距离，即为该反馈刀位点A与指令插补点曲面模型之间的偏差。从图中可以看出：反馈刀位点在指令插补点曲面上的投影在该反馈刀位点对应的指令插补点附近。因此每个反馈刀位点到指令插补点三角网格曲面的最短距离的计算可以转化为每个反馈刀位点到其对应的指令插补点附近的三角形的最短距离的计算。

对每个反馈刀位点执行下面步骤计算最短距离：

(2-1)任意一反馈刀位点q_i对应的指令插补点为p_i，据(1)步骤提供的关系，计算q_i到以p_i为顶点的所有三角形的距离，记录最短距离d和拥有最短距离的三角形T；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的反馈刀位点到三角网格曲面最短距离计算原理示意图，如图5中，计算q_i到1-6号三角形的距离，结果表明到1号三角形距离最近，记为距离d和三角形T＝1；

(2-2)计算q_i到以T号三角形剩余顶点为顶点其他三角形的距离，记录最短距离d1和拥有最短距离的三角形T1。比较d1与d,若d1≥d,停止计算，d即为该反馈刀位点到三角网格曲面的最短距离；若d1＜d,令d＝d1,T＝T1，继续执行(2-2)；

如图5中，以T(1号)三角形另外两个顶点为顶点的其他三角形为7-13号三角形，计算q_i到7-13号的距离，结果表明到7号的距离最短，记为d1和三角形T1＝7，因为d1＜d,令d＝d1,T＝T1＝7；继续计算，以T号(7号)三角形另外顶点为顶点的其他三角形为14-16号三角形，计算q_i到14-16号的距离，结果表明到14号的距离最短，记为d1，但是d1≥d，因此停止计算。d为该反馈刀位点到指令插补点三角网格曲面的最短距离，即反馈刀位点与指令插补点曲面之间的偏差。

记本步骤的最终计算结果为：

{d₁，d₂,…,d_j,…,d_n}

n为零件的反馈刀位点的总个数。

(3)计算标定系数

本发明用反馈刀位点与指令插补点曲面之间的偏差作为指标近似评估曲面轮廓误差(设计曲面与零件实际加工表面之间的偏差)，为更加准确的评估曲面轮廓误差，需要对指标进行标定。

因此如果是第一次采用本发明近似评估轮廓误差或更改了加工参数、加工的零件等，需要先计算标定系数；否则跳过本步骤，直接执行步骤(4)；

从海量反馈刀位点中选取任意m(一般选取3～5)个反馈刀位点，首先按照步骤(1)和步骤(2)提供的方法计算选取的反馈刀位点与指令插补点三角网格曲面之间的偏差，结果记为d_ii∈[1,m]；然后用坐标测量机测量计算与每个反馈刀位点想对应位置处的轮廓误差，结果记为D_ii∈[1,m]。d_i与D_i具有如下关系：

D_i＝K×d_i

按照下面公式计算标定系数K：

(4)近似评估轮廓误差

对步骤(2)计算得到的每个偏差值依次乘以标定系数K，得到：

{K×d₁，K×d₂,…,K×d_j,…,K×d_n}

该集合为本发明近似评估轮廓误差的最终指标，根据该指标的大小近似评估零件轮廓误差的大小。

将本发明提供的方法集成为数控系统的一个功能，每加工完一个零件可即可同时计算出轮廓误差的近似评估结果，利用该评估结果筛选出轮廓误差偏大的零件再用坐标测量机进行有的放矢的检测，具体为，当采用本发明的方法获得的近似评估结果过大时，即该零件轮廓误差很大，不需要用坐标测量机再次测量；当近似评估结果很小时，即该零件轮廓误差小，不需要在用坐标测量机测量；当近似评估指标不大也不小时，需要采用坐标测量机再次实际测量其实际轮廓误差，具体操作可以参照下列方式；

根据近似评估结果和合格零件允许的最大轮廓误差D_max把零件分为三类：

(1)曲面轮廓误差的近似评估指标小于K1×D_max——轮廓误差很小，零件质量合格，不需要进一步测量；

(2)曲面轮廓误差的近似评估指标大于K2×D_max——廓误差很大，零件质量不合格，不需要进一步测量；

(3)曲面轮廓误差的近似评估指标小于K2×D_max且大于K1×D_max——需要再用坐标测量机进一步有的放矢的测量计算轮廓误差，评定零件质量是否合格，综合本发明的近似评估结果和坐标测量机的测量计算结果，可对零件进行百分之百的检测，(系数K1、K2根据实际加工经验确定)。

在具体的实施例中，将本发明集成在数控系统中，其计算时间为1秒左右，现有技术中，采用坐标测量机进行轮廓误差的测量的步骤为：把零件移动到坐标测量机——设计路径——测量，该方法测量过程复杂，难以百分百测量，且过程耗时长，只能抽检，其他未检测的零件的轮廓误差只能依靠抽检的结果评估，相当于没有测量，而本发明提供的方法可以百分百估算零件的轮廓误差，然后仅仅需要对个别零件用坐标测量机测量，由此实现了对零件的百分百检测。

此外，由于本发明提供的方法中反馈刀位点与插补周期一一对应，(每个插补周期即，每个插补点都有一个近似评估指标)，因此我们能确定轮廓误差较大位置的插补点坐标和程序行号，可以通过回溯加工该程序行号时的控制指令(速度、加速度)、加工工艺参数(主轴转速、切削用量)、加工路径特征等，以探究造成表面缺陷的原因。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。