专利名称：用于测量复杂曲面的三坐标机测量方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及三坐标机测量方法及其装置，特别是涉及一种可测量复杂曲面轮廓度的三坐标机测量方法及其装置。
背景技术：
三坐标测量机是在工业、科研中被广泛应用的一种测量装置。然而，在被测量件具有复杂曲面轮廓度的情况下，被测量件的坐标系落在测量装置以外，自身不存在可用来建立过渡坐标系的几何元素。因此，在现有技术中，基本上没有很好的方法能利用三坐标测量机来对复杂曲面轮廓度进行测量。
于是，在被测量件具有复杂曲面轮廓的情况下，大多只是拿被测量件与标准样本作符合对比，用眼睛看两者之间缝隙的大小来作定性的判别。
另外，有三坐标测量机厂商提供了这样一种测量方法。具体地说，其以CAD(计算机辅助设计)数模文件为依据，采取六点测量数学叠代法建坐标系(Iterative Alignments)。这种六点的采集必须符合“3-2-1”法则，只有这样才能使叠代计算达到收敛，建成被测量件坐标。然而，按照规定的“3-2-1”法则，其中必须有二点定在被测量件的边缘上。当被测量件是例如涡轮叶片之类的薄壁零件时，由于其是以多道工序组合冲压加工而成，边缘上会因冲压断裂层而残留毛刺。因此，虽然能收敛，但却没有必要的重复精度，故没有实用价值。
因此，如何对具有复杂曲面轮廓度的被测量件进行测量是测量界长期以来没有很好解决的一个问题。

发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于，提供一种可对复杂曲面轮廓度进行精确测量的三坐标机测量方法及其装置。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于测量复杂曲面的三坐标机测量方法，包括在计算机中建立一个被测量件模型的步骤，其还包括如下步骤(a)在计算机中建立一个用于定位被测量件的夹具模型，并以夹具模型为基础建立一个夹具坐标系；(b)将被测量件模型定位到夹具模型上，并以被测量件为基础建立一个被测量件坐标系；(c)获得夹具坐标系和被测量件坐标系之间的换算关系，并在被测量件模型上采集理论测量点，以获得实际测量的基础和比较的基准；(d)按照上一个步骤所获得的两坐标系之间的换算关系以及采点数据，编制三坐标自动测量程序并将其输入到三坐标测量机的控制装置中；(e)按照夹具模型制造一个真实的定位夹具装置；(f)获取被测量件，并将其定位到定位夹具装置上；以及(g)在三坐标测量机中，通过三坐标自动测量程序对被测量件进行测量，获得被测量件坐标系中的各测量点的测量数据。
本发明还提供了一种用于测量复杂曲面的三坐标机测量装置，包括测量装置和用于控制测量装置的控制装置，其还包括定位夹具装置，该定位夹具装置包括底板以及设置在底板上的定位元件，其中，控制装置中包括全自动测量程序，该程序是通过建立被测量件模型的坐标系和定位夹具装置模型的坐标系之间的换算关系以及在被测量件上采集理论测量点而编制的。
借助本发明的方法和装置，可以精确地测量复杂曲面的轮廓度值，因而在复杂曲面产品(如涡轮叶片)的试制过程中，可为修改模具提供正确数据。本发明的方法和装置能适用于大批量加工的过程质量的控制测量，为分析加工的稳定性作SPC(存储程序控制)控制图，提供正确数据。另外，本发明的方法和装置可广泛应用于具有各种复杂曲面的被测量件的测量，适用范围很广。


图1是根据本发明较佳实施例的定位夹具装置的立体图，在该定位夹具上安置有涡轮叶片；图2是图1所示涡轮叶片的叶片模型的曲面示意图；图3是表示夹具模型坐标与叶片模型坐标之转换关系的示意图；以及图4是根据本发明的复杂曲面测量系统的流程图；具体实施方式
以下将以具有复杂曲面轮廓度的涡轮叶片作为被测量件来详细描述本发明的测量装置和方法。
根据本发明较佳实施例的三坐标机测量装置主要包括测量装置(未图示)、控制装置(未图示)和定位夹具装置。所谓“测量装置”是指用来进行测量的实体构件(例如测量头)，与传统的三坐标机的测量装置的各种构件完全相同。“控制装置”是指三坐标机的控制用计算机，其中结合有不同以往的功能模块或程序，这些模块或程序将在下文中结合测量方法作详细的描述。而定位夹具装置是经过特别设计的，不同于以往。
如图1所示，定位夹具装置1包括底板2、设置在底板2上的三个竖立的刀口柱3、以及设置在底板2上的三个竖立的圆柱4。具有复杂曲面轮廓度的涡轮叶片5由各刀口柱3和各圆柱4定位，以符合“六点定位”法则。特别是，所述各刀口柱3和各圆柱4与涡轮叶片5的剪切光亮层形成点接触。也就是说，各刀口柱3与涡轮叶片5的曲面形成点接触，而圆柱4与涡轮叶片5的边缘形成点接触。
所谓“剪切光亮层”是指沿叶片厚度方向首先受到剪切而形成的光亮部分，该光亮部分是相对于后被剪切而形成的毛刺部分来说的。将定位点设置在剪切光亮层上可以大大提高重复精度。
另外需要指出的是，以上所述的各刀口柱3和各圆柱4的三/三配置并不是必须的。只要能将涡轮叶片5以点接触的方式可靠地定位在剪切光亮层上，采用其它配置(包括二/四配置、一/五配置、零/六配置、四/二配置、五/一配置、六/零配置、甚至于六点定位以外的其它数量的定位点)是完全可行的。
下面将结合图2-图4来详细描述本发明的三坐标机测量方法。
图4中的(a)部分示出了涡轮叶片轮廓度的测量方案的拟定和准备阶段。其中需要解决建坐标系的难点、定位夹具装置设计的难点、在叶片CAD模型上采点问题、以及测量程序和复杂算法程序的编制问题等等。
通过以上对现有技术的描述已经认识到，很难利用具有复杂曲面轮廓度的涡轮叶片本身来建立坐标。为解决这一问题，本申请人经研究发现，可以选用定位夹具装置来建立坐标，然后再转换成为叶片的坐标，这也可以说是本发明的核心思想。
具体地说，在步骤101，在CAD计算机中设计出如上所述的定位夹具装置，由于该定位夹具装置是存在于计算机中的数模文件，故将其称之为“夹具模型1’”。在夹具模型1’的底板上的一个两两互相垂直要求的角上建立一个夹具坐标系A(图3)。
如图2所示，另外，在CAD计算机中原本就存储有设计出来的涡轮叶片的数模文件，在此也称之为“叶片模型5’”。该叶片模型5’的曲面由直纹线6’组成。图中的标号7’表示叶片模型中的叶片加强筋。
接着，在步骤102，将叶片模型5’安装到夹具模型1’上，并建立叶片坐标系B(图3)。重要的是，在建立了夹具坐标系A和叶片坐标系B之后，就可以获得这两个坐标系的转换算法关系(步骤105)。这样，使得三坐标测量机可对夹具坐标系进行测量，通过转换即可获得复杂曲面轮廓在叶片坐标系中的坐标。
其次，在步骤103对叶片模型进行取点，以获得实际测量的基础(即实际上在哪个点进行测量)和比较的基准(即理论上的标准值)。经过研究分析，若在CAD叶片模型5’的数模曲面上随机取点，通过CAD不同的拟合算法所得曲面会产生一定差异，会影响测量理论数据的唯一性。因此，最好不要在曲面上随机取点，而是在拟合组成叶片曲面的三维直纹线6’上取点。因此，在直纹线6’上取点，获得测量点的理论上的坐标值和矢量值。当然，如果精度要求不高，为方便起见，也可以考虑任意地取点。
最后，在步骤104，按照叶片曲面特点，利用以上获得的测量点数据，编制出CMM(三坐标测量机)计算机能读懂的采点文件。
一旦有了两坐标系的转换算法关系，有了三坐标测量机能读的采点数据文件，就可以编制出三坐标自动测量程序，并将其输入三坐标测量机的计算机中。另外，按照夹具模型1’制作出实际的定位夹具装置1，并进行可能的精度调整。这样就完成了整个测量方案的准备工作。
以下将结合图4中的(b)部分来说明涡轮叶片轮廓度的实际测量过程。
首先，在步骤201，最好是对本发明的三坐标机测量装置进行可靠性试验。这种可靠性试验是通过FMEA(重复/再现)试验来进行的，也就是重复多次试验(对一定量的叶片的相同测量点反复测量多次)和多次装夹后重复试验(一定量的叶片反复多次装夹后对相同的测量点反复测量多次)。可靠性试验的所有步骤与以下所述的正式测量步骤完全相同。若试验表明重复/再现性符合相关标准(也就是说，试验获得的数据落在允许的公差范围内)，即证明本发明的三坐标机测量装置(包括其中的自动测量程序)是可靠的，能付诸使用。
接着开始正式的测量。在步骤202，对实际冲压加工出来的叶片抽取试验样本。在步骤203，将被测量样本送至本发明的三坐标机测量装置并将其定位在定位夹具装置1上。在步骤204，通过如上所述编制出来的三坐标自动测量程序进行实际的测量。在步骤205，由于在自动测量程序中可对夹具坐标系和叶片坐标系进行转换处理，因而能得到处于叶片坐标系中的测量数据，即叶片轮廓度的数据。
在基本上能获得涡轮叶片的复杂曲面轮廓度数据的基础上，最好还要进行误差分析。
图4的(c)部分大致说明了测量数据的误差分析过程。首先，在步骤301，经过误差分析可以知晓，本测量过程中主要存在三个因素的误差。即①测量夹具制作的微量误差；②叶片冲压加工后曲面和边缘都存在误差，而且这二者又相互关联，其中曲面误差真是我们所以需要测量的；③由于边缘误差和夹具微量误差，使叶片定位与理论位置产生未知偏移量，使测点偏离而造成测量误差。
在步骤302，对上述原因造成的测量误差进行修整。具体地说，抽取多个样本，对样本中每一件的各测量点坐标值与对应理论点坐标值作三维空间最佳拟合运算，即Best Fit算法处理。通过该算法处理，不仅能输出叶片曲面轮廓度值，还能输出定位坐标的偏离值。所谓“定位坐标的偏离值”也就是被测叶片与理论叶片两者的坐标偏差，或者说是所需的坐标修整量。
接着，在步骤304，在测量程序中调整坐标系，随后在新坐标系下做第二次测量。大量试验证明，这种修整能去除上述原因产生的误差，得到相对精确的叶片轮廓度值。同时，因为可以将①测量夹具制作的微量误差和②叶片冲压加工后曲面和边缘的误差看成是基本保持不变的系统误差，所以对第一次测量后的坐标系偏差量的修整值也基本不变。因此，对某种特定的被测量件而言，可以在测量程序中直接修整坐标系的转换量，只要测量一次就可以完成这种修整。
另外，需要监视以上所述的①和②因素的误差，尤其是要监视工艺过程中的人机物料法因素的偶因变化(异因变化不作处理)是否已经影响到坐标系偏差量的修整量。因此，最好是在上述实际测量步骤205之后的步骤206，对所获得的测量结果再作一次Best Fit算法处理，判别坐标系偏差值的变化量。在步骤207，将上述的变化量与一个规定的经验值作比较，如果偏离，则必须重新抽取样本，做试验进行统计分析，重新经步骤304得到坐标系转换的偏差修整值，然后再进行正常测量；如果不偏离，则在步骤208输出叶片轮廓度的测量结果。
因此，日常对批量冲压加工的检测流程是步骤202-203-204-205-206-207-208的过程就能出具测量报告。一旦在步骤207判别超差，就必须重新现场按要求抽取样本，并按照步骤202-203-204-205-303-304闭合循环流程进行对坐标系转换偏差量修整值的试验。
以上提及的坐标系之间的换算、Best Fit算法处理、编程等处理方式都是本领域的技术人员非常熟悉的，因而未加赘述。
虽然以上通过较佳实施例对本发明的测量方法和装置进行了描述，但熟悉本技术领域的技术人员应该可以在以上揭示内容的基础上作出各种等同的变型和改动。例如，在上述的测量方法中有可靠性试验和误差分析的步骤，但如果产品批量不大和/或对精度要求稍低，也可以省略这些步骤；再有，在以上的描述中，将涡轮叶片定位在剪切光亮层上，但如果这样定位非常困难而且对测量精度的要求也不高，那么也可以考虑用其它定位点。因此，本实用新型的保护范围并不受到以上具体描述的限制，而是应由所附权利要求书来限定。
权利要求
1.一种用于测量复杂曲面的三坐标机测量方法，包括在计算机中建立一个被测量件模型的步骤，其特征在于，还包括如下步骤(a)在计算机中建立一个用于定位所述被测量件的夹具模型，并以所述夹具模型为基础建立一个夹具坐标系；(b)将所述被测量件模型定位到所述夹具模型上，并以所述被测量件为基础建立一个被测量件坐标系；(c)获得所述夹具坐标系和所述被测量件坐标系之间的换算关系，并在所述被测量件模型上采集理论测量点，以获得实际测量的基础和比较的基准；(d)按照上一个步骤所获得的两坐标系之间的换算关系以及采点数据，编制三坐标自动测量程序并将其输入到三坐标测量机的控制装置中；(e)按照所述夹具模型制造一个真实的定位夹具装置；(f)获取所述被测量件，并将其定位到所述定位夹具装置上；以及(g)在所述三坐标测量机中，通过所述三坐标自动测量程序对所述被测量件进行测量，获得所述被测量件坐标系中的各测量点的测量数据。
2.如权利要求1所述的用于测量复杂曲面的三坐标机测量方法，其特征在于，还包括如下步骤在所述步骤(e)之后，进行重复/再现性试验。
3.如权利要求1所述的用于测量复杂曲面的三坐标机测量方法，其特征在于，还包括如下步骤在所述步骤(e)之后，进行误差分析处理。
4.如权利要求3所述的用于测量复杂曲面的三坐标机测量方法，其特征在于，所述误差分析处理步骤包括i)抽取多个所述被测量件的样本，利用所述三坐标测量机获取每一个样本的各测量点的坐标值；ii)将所述各测量点的坐标值与对应理论点的坐标值作最佳拟合运算，以获得所述被测量件的测量数据以及定位坐标的偏离值；以及iii)按照所述定位坐标的偏离值，在所述三坐标自动测量程序中调整坐标系。
5.如权利要求3所述的用于测量复杂曲面的三坐标机测量方法，其特征在于，还包括如下步骤在所述步骤(g)之后，(h)对所述获得的测量数据作最佳拟合运算，以获得坐标系偏差值的变化量；(i)将所述变化量与一个规定的经验值作比较；以及(j)如果偏离所述经验值，则重新抽取样本，做试验进行统计分析，重新作误差分析处理，然后再进行正常测量；如果不偏离所述经验值，则输出最终的测量结果。
6.如权利要求1所述的用于测量复杂曲面的三坐标机测量方法，其特征在于，在所述步骤(b)，所述被测量件模型以六点定位法定位到所述夹具模型上；在所述步骤(f)，所述被测量件以六点定位法定位到所述定位夹具装置上。
7.如权利要求1所述的用于测量复杂曲面的三坐标机测量方法，其特征在于，在所述步骤(b)，所述被测量件模型以其剪切光亮层定位到所述夹具模型上。
8.如权利要求1所述的用于测量复杂曲面的三坐标机测量方法，其特征在于，在所述步骤(f)，所述被测量件以其剪切光亮层定位到所述定位夹具装置上。
9.一种用于测量复杂曲面的三坐标机测量装置，包括测量装置和用于控制所述测量装置的控制装置，其特征在于，还包括定位夹具装置，该定位夹具装置包括底板以及设置在所述底板上的定位元件，所述控制装置中包括全自动测量程序，该程序是通过建立被测量件模型的坐标系和所述定位夹具装置模型的坐标系之间的换算关系以及在所述被测量件上采集理论测量点而编制的。
10.如权利要求9所述的用于测量复杂曲面的三坐标机测量方法，其特征在于，所述定位元件是数量是六个，这些定位元件是刀口柱或圆柱。
全文摘要
本发明提供了一种用于测量复杂曲面的三坐标机测量方法，包括如下步骤在计算机中建立一个被测量机模型和一个夹具模型，并分别建立它们的坐标系；获得夹具坐标系和被测量件坐标系之间的换算关系，并在被测量件模型上采集理论测量点，以获得实际测量的基础和比较的基准；按照上一个步骤所获得的两坐标系之间的换算关系以及采点数据，编制三坐标自动测量程序；按照夹具模型制造一个真实的定位夹具装置；获取被测量件，通过三坐标自动测量程序对被测量件进行测量，获得被测量件坐标系中的各测量点的测量数据。本发明还提供了相应的三坐标机测量装置，其特别包括定位夹具装置，该定位夹具装置包括底板以及设置在底板上的定位元件。
文档编号G01B21/02GK1800777SQ20041001055
公开日2006年7月12日 申请日期2004年12月31日 优先权日2004年12月31日
发明者陈其伟, 李明 申请人:上海萨克斯动力总成部件系统有限公司