基于空間光調(diào)制器的薄壁件加工誤差測量裝置及測量方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于空間光調(diào)制器的薄壁件加工誤差測量裝置及測量方法。機械加工的薄壁件表面誤差測量通常接觸式測量，接觸零部件表面，其測量移動速度較慢，無法測量小于側(cè)頭曲率半徑的微觀凹坑。本發(fā)明組成包括：一組測量裝置（14），測量裝置包括套筒（1），套筒上部通過螺栓與支撐裝置（9）連接，支撐裝置兩端通過連接軸分別與2個調(diào)制器卡夾緊裝置（2）連接，調(diào)制器卡夾緊裝置內(nèi)部分別安裝有左液晶空間光調(diào)制器（3）、右液晶空間光調(diào)制器（8），左液晶空間光調(diào)制器、右液晶空間光調(diào)制器內(nèi)表面分別安裝有偏振片（7），套筒上方通過方形凹槽安裝有數(shù)字相移干涉儀（6）。本發(fā)明用于基于空間光調(diào)制器的薄壁件加工誤差測量裝置。
【專利說明】
基于空間光調(diào)制器的薄壁件加工誤差測量裝置及測量方法
[0001 ]
技術(shù)領域： 本發(fā)明涉及光學領域，具體涉及一種機械加工表面中加工誤差測量以及薄壁件表面質(zhì) 量測量裝置及方法。
[0002]
【背景技術(shù)】： 目前數(shù)控加工中薄壁曲面(葉輪葉片)的表面加工誤差測量通常采用接觸式測量，測量 時，由于其在薄壁曲面(葉輪葉片)表面移動，測量速度較慢，同時一方面難于測量小于測頭 曲率半徑的微觀凹坑的誤差，另一方面易使薄壁曲面的表面受力發(fā)生變形，從而不能適用 于實時的在線檢測； 本裝置采用非接觸式測量可以在不接觸被測薄壁零件的前提下對薄壁曲面進行在機 測量，既可以防止薄壁葉片在接觸測量時的變形、也可以測量自由曲率的葉片等。同時，本 發(fā)明采用空間光調(diào)制器得到薄壁曲面(葉輪葉片)上采樣點的空間坐標位移，這是由于空間 光調(diào)制器在采樣中具有高分辨率、無損、數(shù)字化記錄的優(yōu)點，能夠得到薄壁曲面(葉輪葉片） 上所測點的全部振幅和相位信息等，可實現(xiàn)對薄壁零件表面質(zhì)量的定量快速測量。液晶空 間光調(diào)制器對光路的捕捉也十分清晰，可以有效的增強測量的精度，適合于薄壁零件自由 曲面的高精度在機測量； 隨著現(xiàn)代機械加工工業(yè)的發(fā)展，機械零件的表面質(zhì)量問題越來越引起廣泛的關(guān)注，機 械零件中高強度零件的可靠性，在很大程度上依賴于加工后零件表面的質(zhì)量，從原來要求 潤滑、磨損、振動、疲勞等單項性能優(yōu)良性，轉(zhuǎn)變?yōu)橐笃渚C合性能優(yōu)良性，因而，對制件表 面的檢測、識別和評定提出了更高的要求； 由于本裝置應用光學元件液晶空間光調(diào)制器，利用液晶空間光調(diào)制器進行光束點采集 關(guān)鍵在于其相位函數(shù)的設計，這實質(zhì)上是一個相位恢復問題。即已知輸入，輸出平面上光場 的振幅分布，求取液晶空間光調(diào)制器的最優(yōu)相位分布，使入射光場經(jīng)過調(diào)制后，在空間中發(fā) 生衍射，根據(jù)衍射距離的不同來得到薄壁零件自由曲面采樣點的坐標數(shù)據(jù)； 為了通過在機測量的方法獲得薄壁曲面的加工誤差，提出了一種基于物體重心原理的 采樣方法，該方法能夠使薄壁件上的采樣點分布符合曲率特征，即在曲率大的地方采樣點 較密，曲率小的地方采樣點較稀，這樣本發(fā)明裝置通過數(shù)控技術(shù)在機提取薄壁曲面的采樣 點。然后基于NURBS曲面進行薄壁曲面采樣點的重構(gòu)，該曲面為多軸數(shù)控機床加工后的曲 面。最后基于點到直線的最小距離方法計算出機床加工后的實際曲面與原始設計的曲面的 輪廓誤差，獲得薄壁曲面零件的加工誤差。
[0003]

【發(fā)明內(nèi)容】
： 本發(fā)明的目的是提供一種基于空間光調(diào)制器的薄壁件加工誤差測量裝置及測量方法。
[0004] 上述的目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)： 一種基于空間光調(diào)制器的薄壁件加工誤差測量裝置，其組成包括:一組測量裝置，所述 的測量裝置包括套筒，所述的套筒上部通過螺栓與支撐裝置連接，所述的支撐裝置兩端通 過連接軸分別與2個調(diào)制器卡夾緊裝置連接，所述的調(diào)制器卡夾緊裝置內(nèi)部分別安裝有左 液晶空間光調(diào)制器、右液晶空間光調(diào)制器，所述的左液晶空間光調(diào)制器、所述的右液晶空間 光調(diào)制器外表面分別安裝有偏振片，所述的套筒上方通過方形凹槽安裝有數(shù)字相移干涉 儀。
[0005] 所述的基于空間光調(diào)制器的薄壁件加工誤差測量裝置，所述的數(shù)字相移干涉儀下 方安裝有鏡片套筒裝置，所述的套筒內(nèi)部下方安裝有零位補償透鏡裝置，所述的零位補償 透鏡裝置外側(cè)具有兩個凸出塊，所述的凸出塊安裝在所述的套筒外側(cè)的軌道槽內(nèi)，所述的 軌道槽內(nèi)安裝有軌道裝置，所述的套筒外側(cè)具有2個可視窗。
[0006] 所述的基于空間光調(diào)制器的薄壁件加工誤差測量裝置，所述的支撐裝置上方通過 螺栓與刀柄連接，所述的一組測量裝置中間部位放置有待測薄壁工件。
[0007] 一種基于空間光調(diào)制器的薄壁件加工誤差測量裝置及測量方法。該方法包括如下 步驟:首先是將測量裝置通過刀柄放置到主軸上，因待測薄壁工件為葉輪葉片，因此將所述 的測量裝置置于五軸機床加工系統(tǒng)中，機床控制裝置的移動和轉(zhuǎn)動，套筒內(nèi)的數(shù)字相移干 涉儀產(chǎn)生的激光入射至鏡片套筒裝置內(nèi)的標準平面參考鏡，經(jīng)標準平面參考鏡分成一路反 射光和一路透射光，一路反射光經(jīng)標準平面參考鏡反射至數(shù)字相移干涉儀作為參考光，一 路透射光入射至光闌，經(jīng)光闌入射至零位補償透鏡裝置，通過調(diào)整零位補償透鏡兩端凸出 塊在軌道內(nèi)的卡緊位置，進而改變零位補償透鏡裝置角度，使入射光透過可視窗入射至偏 振片，偏振片入射至液晶空間光調(diào)制器，經(jīng)液晶空間光調(diào)制器反射至待檢測薄壁曲面葉輪 或葉片，經(jīng)薄壁曲面葉輪或葉片反射，產(chǎn)生測試光，該測試光經(jīng)液晶空間光調(diào)制器反射，經(jīng) 偏振片，零位補償透鏡裝置和光闌入射至標準平面參考鏡，經(jīng)標準平面參考鏡入射至數(shù)字 相移干涉儀，數(shù)字相移干涉儀與計算機相連接，在計算機相應軟件中獲得薄壁曲面采樣點 的坐標數(shù)據(jù)； 通過在機測量軟件提取采樣點，生成程序并輸送到數(shù)控機床，驅(qū)動本測量裝置進行在 機采樣，由于本測量裝置應用光學元件液晶空間光調(diào)制器，利用液晶空間光調(diào)制器進行光 束點采集，關(guān)鍵在于其相位函數(shù)的設計，這實質(zhì)上是一個相位恢復問題，已知輸入，輸出平 面上光場的振幅分布，求取液晶空間光調(diào)制器的最優(yōu)相位分布，使入射光場經(jīng)過調(diào)制后，在 空間中發(fā)生衍射，根據(jù)衍射距離的不同得到薄壁曲面的葉輪或者葉片上采樣點的坐標數(shù) 據(jù)； 通過在機測量的方法獲得薄壁曲面葉輪或者葉片的加工誤差，提出了一種基于物體重 心原理的采樣方法，該方法能夠使薄壁件上的采樣點分布符合曲率特征，即在曲率大的地 方采樣點較密，曲率小的地方采樣點較稀，這樣本測量裝置通過數(shù)控技術(shù)在機提取薄壁曲 面的采樣點，然后基于NURBS曲面進行薄壁曲面采樣點的重構(gòu)，該曲面為多軸數(shù)控機床加工 后的曲面，最后基于點到直線的最小距離方法計算出機床加工后的實際曲面與原始設計的 曲面的輪廓誤差，獲得薄壁曲面零件的加工誤差。
[0008] 有益效果： 1.本發(fā)明是一種機械加工表面中加工誤差測量以及薄壁件表面質(zhì)量測量裝置，具有集 成化，將光學元件與在機測量進行結(jié)合，本產(chǎn)品設計成套筒型結(jié)構(gòu)，將光學元件進行了整 合，既節(jié)省了光學元件的測量空間，同時也使光學元件得到了保護。
[0009] 本發(fā)明可以根據(jù)實際情況轉(zhuǎn)動，具有多個自由度，測量方便，數(shù)字相移干涉儀發(fā)射 的激光，經(jīng)光學元件射向待測物體表面(薄壁曲面），經(jīng)薄壁曲面反射的激光通過液晶空間 光調(diào)制器處理，最終被數(shù)字相移干涉儀接收。
[0010] 本發(fā)明采用左、右雙側(cè)液晶空間光調(diào)制器的設計，雙側(cè)液晶空間光調(diào)制器可以隨 著數(shù)字相移干涉儀所發(fā)射的激光在薄壁曲面(葉輪葉片）上反射光的角度不同來調(diào)整其角 度，使入射光路更準確，清晰。同時對采樣點的捕捉更為精確快捷。雙側(cè)的設計可以降低由 于薄壁曲面(葉輪葉片）曲率不同造成的數(shù)據(jù)采集方面的誤差。使數(shù)據(jù)的采集更加方便，準 確。
[0011] 本發(fā)明的數(shù)字相移干涉儀下的鏡片套筒裝置，可以調(diào)節(jié)鏡筒內(nèi)標準平面鏡，光闌 的焦距，可以更好的調(diào)節(jié)光路，在鏡片套筒裝置下方外壁兩側(cè)開有軌道，通過軌道裝置可以 調(diào)節(jié)零位補償透鏡的角度，方便更好的接收入射光，同時將光入射給偏振片，這兩處設計， 一是保證了光路的準確性，二是節(jié)省了光學元件測量的空間。
[0012] 本發(fā)明采用反射式純相位液晶空間光調(diào)制器，其像元尺寸小，分辨率高，衍射效率 高，同時該產(chǎn)品可以在不接觸被測物體的前提下進行精準測量，采用光學法與數(shù)學擬合法 相結(jié)合，既保證了精度問題，同時也對軟質(zhì)材料，易損工件的測量提供了便利，較好的彌補 了觸針式儀器的不足。
[0013] 本發(fā)明在套筒的中部開有可視窗，一是可以調(diào)整套筒內(nèi)部的鏡片角度與焦距，二 是可以使光路透過可視窗進行反射。
[0014] 本發(fā)明主要是通過將光學元件與在機測量相結(jié)合，測量薄壁件的加工誤差，套筒 裝置內(nèi)的數(shù)字相移干涉儀提供光源，經(jīng)過鏡筒內(nèi)的標準平面鏡，標準平面鏡將光路分為兩 路，一路反射光和一路透射光，透射光經(jīng)光闌反射至鏡筒下方的可調(diào)節(jié)角度的零位補償透 鏡裝置，零位補償透鏡裝置透過視窗將鏡筒內(nèi)的入射光入射至偏振片，偏振片將光入射至 液晶空間光調(diào)制器，經(jīng)由液晶空間光調(diào)制器對薄壁件表面反射光信息進行采集，得到數(shù)據(jù) 點的信息。
[0015] 本發(fā)明具有重量輕，結(jié)構(gòu)小巧的優(yōu)點，由于將一系列光學元件應用套筒進行了整 合，內(nèi)部設有軌道裝置，即節(jié)省了空間，又減輕了重量。從整體上減輕了主軸的負荷。
[0016] 本發(fā)明提出了一種基于物體重心原理的采樣方法，該方法能夠使薄壁件上的采樣 點分布符合曲率特征，即在曲率大的地方采樣點較密，曲率小的地方采樣點較稀，這樣本發(fā) 明裝置通過數(shù)控技術(shù)在機提取薄壁曲面的采樣點。然后基于NURBS曲面進行薄壁曲面采樣 點的重構(gòu)，該曲面為多軸數(shù)控機床加工后的曲面。最后基于點到直線的最小距離方法計算 出機床加工后的實際曲面與原始設計的曲面的輪廓誤差，獲得薄壁曲面零件的精確的加工 誤差。
[0017]【附圖說明】： 附圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖之一。
[0018] 附圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖之二。
[0019] 附圖3是附圖1拆除套筒后內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作時的光路示意圖。
[0020] 附圖4是本發(fā)明的測量裝置測量過程示意圖。
[0021] 附圖5是附圖3中A的放大圖。
[0022]附圖6是附圖1與附圖2的分解圖。
[0023]附圖7是本發(fā)明的液晶光閥截面圖。
[0024]附圖8是本發(fā)明的液晶光閥工作圖。
[0025]附圖9是本發(fā)明的薄壁曲面自適應采樣點分布圖。
[0026]附圖10是本發(fā)明的計算點到曲面間距離的流程圖。
[0027]【具體實施方式】： 實施例1: 一種基于空間光調(diào)制器的薄壁件加工誤差測量裝置，其組成包括:一組測量裝置14,所 述的測量裝置包括套筒1，所述的套筒上部通過螺栓與支撐裝置9連接，所述的支撐裝置兩 端通過連接軸分別與2個調(diào)制器卡夾緊裝置2連接，所述的調(diào)制器卡夾緊裝置內(nèi)部分別安裝 有左液晶空間光調(diào)制器3、右液晶空間光調(diào)制器8,所述的左液晶空間光調(diào)制器、所述的右液 晶空間光調(diào)制器內(nèi)表面分別安裝有偏振片7,所述的套筒上方通過方形凹槽安裝有數(shù)字相 移干涉儀6。
[0028] 實施例2: 根據(jù)實施例1所述的基于空間光調(diào)制器的薄壁件加工誤差測量裝置，所述的數(shù)字相移 干涉儀下方安裝有鏡片套筒裝置4,所述的套筒內(nèi)部下方安裝有零位補償透鏡裝置5,所述 的零位補償透鏡裝置外側(cè)具有兩個凸出塊，所述的凸出塊安裝在所述的套筒外側(cè)的軌道槽 內(nèi)，所述的軌道槽內(nèi)安裝有軌道裝置11，所述的套筒外側(cè)具有2個可視窗12 實施例3: 根據(jù)實施例1所述的基于空間光調(diào)制器的薄壁件加工誤差測量裝置，所述的支撐裝置 上方通過螺栓與刀柄10連接，所述的一組測量裝置中間部位放置有待測薄壁工件13。
[0029] 實施例4: 一種利用實施例1-3所述的基于空間光調(diào)制器的薄壁件加工誤差測量裝置的測量方 法，本方法是： 首先是將測量裝置通過刀柄放置到主軸上，因待測薄壁工件為葉輪葉片，因此將所述 的測量裝置置于五軸機床加工系統(tǒng)中，機床控制裝置的移動和轉(zhuǎn)動，套筒內(nèi)的數(shù)字相移干 涉儀產(chǎn)生的激光入射至鏡片套筒裝置內(nèi)的標準平面參考鏡，經(jīng)標準平面參考鏡分成一路反 射光和一路透射光，一路反射光經(jīng)標準平面參考鏡反射至數(shù)字相移干涉儀作為參考光，一 路透射光入射至光闌，經(jīng)光闌入射至零位補償透鏡裝置，通過調(diào)整零位補償透鏡兩端凸出 塊在軌道內(nèi)的卡緊位置，進而改變零位補償透鏡裝置角度，使入射光透過可視窗入射至偏 振片，偏振片入射至液晶空間光調(diào)制器，經(jīng)液晶空間光調(diào)制器反射至待檢測薄壁曲面葉輪 或葉片，經(jīng)薄壁曲面葉輪或葉片反射，產(chǎn)生測試光，該測試光經(jīng)液晶空間光調(diào)制器反射，經(jīng) 偏振片，零位補償透鏡裝置和光闌入射至標準平面參考鏡，經(jīng)標準平面參考鏡入射至數(shù)字 相移干涉儀，數(shù)字相移干涉儀與計算機相連接，在計算機相應軟件中獲得薄壁曲面采樣點 的坐標數(shù)據(jù)； 通過在機測量軟件提取采樣點，生成程序并輸送到數(shù)控機床，驅(qū)動本測量裝置進行在 機采樣，由于本測量裝置應用光學元件液晶空間光調(diào)制器，利用液晶空間光調(diào)制器進行光 束點采集，關(guān)鍵在于其相位函數(shù)的設計，這實質(zhì)上是一個相位恢復問題，已知輸入，輸出平 面上光場的振幅分布，求取液晶空間光調(diào)制器的最優(yōu)相位分布，使入射光場經(jīng)過調(diào)制后，在 空間中發(fā)生衍射，根據(jù)衍射距離的不同得到薄壁曲面的葉輪或者葉片上采樣點的坐標數(shù) 據(jù)； 通過在機測量的方法獲得薄壁曲面葉輪或者葉片的加工誤差，提出了一種基于物體重 心原理的采樣方法，該方法能夠使薄壁件上的采樣點分布符合曲率特征，即在曲率大的地 方采樣點較密，曲率小的地方采樣點較稀，這樣本測量裝置通過數(shù)控技術(shù)在機提取薄壁曲 面的采樣點，然后基于NURBS曲面進行薄壁曲面采樣點的重構(gòu)，該曲面為多軸數(shù)控機床加工 后的曲面，最后基于點到直線的最小距離方法計算出機床加工后的實際曲面與原始設計的 曲面的輪廓誤差，獲得薄壁曲面零件的加工誤差。
[0030] 實施例5: 根據(jù)實施例1-4所述的基于空間光調(diào)制器的薄壁件加工誤差測量裝置及測量方法，所 述的基于空間光調(diào)制器薄壁零件加工誤差在機測量裝置包括： 所述的刀柄：用于將本產(chǎn)品放在主軸上； 所述的支撐裝置:用于連接主體套筒與液晶空間光調(diào)制器裝置； 所述的調(diào)制器卡緊裝置:通過連接軸與支撐裝置相連接，液晶空間光調(diào)制器裝置具有 槽，槽內(nèi)分別裝有左空間光調(diào)制器，右空間光調(diào)制器； 所述的液晶空間光調(diào)制器:用于接收數(shù)字相移干涉儀發(fā)射的參考光，以及薄壁件表面 反射的測試光，左右兩個空間光調(diào)制器射于一點，有利于提取點的準確度； 所述的偏振片：用于固定在液晶空間光調(diào)制器表面，接受套筒內(nèi)零位補償透鏡的入射 光同時將此光反射至液晶空間光調(diào)制器； 所述的套筒:上部通過螺栓與支撐裝置連接，套筒內(nèi)部嵌入數(shù)字相移干涉儀，用于提供 光源，套筒中部開有視窗，將套筒內(nèi)的光入射至套筒外的偏振片，套筒下部兩側(cè)設有凹槽， 通過調(diào)制器卡緊裝置將零位補償鏡片裝置按角度固定在套筒內(nèi)，調(diào)制器卡緊裝置位置微 調(diào)，可以對角度細微調(diào)整； 所述的數(shù)字相移干涉儀:提供光源，接收參考光，鏡頭下部設有螺紋便于與鏡片套筒連 接； 所述的鏡片套筒裝置:通過內(nèi)螺紋與數(shù)字相移干涉儀連接，套筒內(nèi)包括一塊標準平面 鏡，一塊光闌； 所述的零位補償透鏡裝置:接收數(shù)字相移干涉儀入射的激光，同時將光入射至套筒裝 置外的偏光鏡，在零位補償透鏡外設有卡緊調(diào)節(jié)裝置，將鏡片固定在套筒內(nèi)的同時能夠調(diào) 整入射角度。
[0031] (1)測量裝置的使用機理： 首先將測量裝置通過刀柄放置到主軸上，因待測薄壁工件為葉輪葉片，因此將所述的 測量裝置置于五軸機床加工系統(tǒng)中，機床控制裝置的移動和轉(zhuǎn)動，套筒內(nèi)的數(shù)字相移干涉 儀產(chǎn)生的激光入射至鏡片套筒裝置內(nèi)的標準平面參考鏡，經(jīng)標準平面參考鏡分成一路反射 光和一路透射光，一路反射光經(jīng)標準平面參考鏡反射至數(shù)字相移干涉儀作為參考光，一路 透射光入射至光闌，經(jīng)光闌入射至零位補償透鏡裝置，通過調(diào)整零位補償透鏡兩端凸出塊 在軌道內(nèi)的卡緊位置，進而改變零位補償透鏡裝置角度，使入射光透過可視窗入射至偏振 片，偏振片入射至液晶空間光調(diào)制器，經(jīng)液晶空間光調(diào)制器反射至待檢測薄壁曲面(葉輪葉 片），經(jīng)薄壁曲面(葉輪葉片)反射，產(chǎn)生測試光，該測試光經(jīng)液晶空間光調(diào)制器反射，經(jīng)偏振 片，零位補償透鏡裝置和光闌入射至標準平面參考鏡，經(jīng)標準平面參考鏡入射至數(shù)字相移 干涉儀，數(shù)字相移干涉儀與計算機相連接，在計算機相應軟件中獲得薄壁曲面采樣點的坐 標數(shù)據(jù)。在計算機相應軟件中布置采樣點，通過在機測量軟件提取采樣點，生成程序并輸送 到數(shù)控機床，驅(qū)動本發(fā)明裝置進行在機采樣，由于本發(fā)明應用光學元件液晶空間光調(diào)制器， 利用液晶空間光調(diào)制器進行光束點采集，關(guān)鍵在于其相位函數(shù)的設計，這實質(zhì)上是一個相 位恢復問題。已知輸入，輸出平面上光場的振幅分布，求取液晶空間光調(diào)制器的最優(yōu)相位分 布，使入射光場經(jīng)過調(diào)制后，在空間中發(fā)生衍射，根據(jù)衍射距離的不同得到薄壁曲面上采樣 點的坐標數(shù)據(jù)。
[0032]為了通過在機測量的方法獲得薄壁曲面的加工誤差，提出了一種基于物體重心原 理的采樣方法，該方法能夠使薄壁件上的采樣點分布符合曲率特征，即在曲率大的地方采 樣點較密，曲率小的地方采樣點較稀，這樣本發(fā)明裝置通過數(shù)控技術(shù)在機提取薄壁曲面的 采樣點。然后基于NURBS曲面進行薄壁曲面采樣點的重構(gòu)，該曲面為多軸數(shù)控機床加工后的 曲面。最后基于點到直線的最小距離方法計算出機床加工后的實際曲面與原始設計的曲面 的輪廓誤差，獲得薄壁曲面零件的加工誤差。
[0033] (2)液晶空間光調(diào)制器 空間光調(diào)制器，是能夠按照輸入控制信號的要求對輸入光場的振幅相位，偏振態(tài)等物 理量中的部分或全部實現(xiàn)空間調(diào)制的器件，一般來說，空間光調(diào)制器有許多獨立單元組成， 它們在空間上排列成一維或二維陣列，每個單元都可以獨立地接收光學信號或電學信號的 控制； 光學信息處理系統(tǒng)光波載荷的信息，這些信息用光波的某一參數(shù)的空間分布來表征， 例如強度，相位，偏振等，在信息處理中，信號源和信號處理系統(tǒng)往往是兩個獨立的系統(tǒng)，一 般來說，空間光調(diào)制器指的是這樣的器件，在信號源的控制下，它能對光波的某個參量進行 調(diào)制。例如通過吸收調(diào)制振幅，通過折射率調(diào)制相位，通過折射率調(diào)制相位，通過偏振面的 旋轉(zhuǎn)調(diào)制偏振態(tài)等。從而將信源信號所荷載的信息存進光波之中； 液晶空間光調(diào)制器的主要部件為液晶空間光閥。液晶光閥截面圖如圖所示利用液晶空 間光調(diào)制器進行光束點采集關(guān)鍵在于其相位函數(shù)的設計，這實質(zhì)上是一個相位恢復問題： 已知輸入，輸出平面上光場的振幅分布，求取液晶空間光調(diào)制器的最優(yōu)相位分布，使入射光 場經(jīng)過調(diào)制后，輸出的振幅分布逼近理想的振幅分布； 入射光束經(jīng)輸入平面上的液晶空間光調(diào)制器調(diào)制后，在空間中發(fā)生衍射，根據(jù)衍射距 離不同分為菲涅耳衍射和夫瑯禾費衍射。其中，菲涅耳衍射其表達式如下所示：
式中（）為入射光場，為出射光場，為衍射距離，為光波長，=2jt/采用頂部不均勻度，均方 根誤差e和能量集中度來對輸出光束的質(zhì)量進行評價，它們的定義為：
式中為實際輸出的光強分布，為理想的光強分布，W為輸出平面上的平頂光束區(qū)域即 信號窗區(qū)域，n為W內(nèi)的采樣點數(shù)，頂部不均勻度反映了實際輸出光束頂部越均勻，均方根誤 差e表征了實際輸出光束與理想輸出光束的近似程度，能量集中度則反映了實際輸出光束 能量在需要范圍內(nèi)的集中程度。
[0034] (3)自適應采樣算法對數(shù)據(jù)點進行采集處理 液晶空間光調(diào)制器具有高衍射效率，高靈敏度和快捷的時間響應特性。采用液晶空間 光調(diào)制器對采樣點進行提取，結(jié)合自適應采樣算法，基于物體的重心原理對薄壁曲面進行 自適應采樣，通過自適應采樣算法，利用曲面的隨機散點進行迭代計算，得到自適應網(wǎng)格， 網(wǎng)格間距還可以由形狀參數(shù)控制，具體實施方法如下： 1、自適應采樣： 設薄壁曲面的參數(shù)方程為： 式中：u，v為薄壁曲面的參數(shù)，若已知薄壁曲面參數(shù)方程為，在曲面上分布多個離散的 采樣點，設總數(shù)為M個，那么所在薄壁曲面上的采樣點集合為： 設自適應采樣點集合為： 游錄乾萄： 在自適應采樣集合的多個采樣點當中，規(guī)定在其中第i個薄壁曲面采樣點所在的鄰域 采樣集合為，所以在薄壁曲面上已知的所有鄰域采樣集和如下式： -v = D ： 由此得出自適應采樣點可以通過以下迭代算法得出：
采樣點等于它的領域值加權(quán)和，為充分反映迭代過程中網(wǎng)格的實時變化影響，在迭代 循環(huán)過程中要實時更新網(wǎng)點矢量，迭代求解過程中收斂原則為，式中是采樣點迭代中給定 的精度。如薄壁葉片的角點固定不變，那么薄壁零件邊界上的點只能沿著一個參數(shù)方向變 化，下式為反映曲面局部曲率的形狀函數(shù)：
式中，q-薄壁自由曲面上薄壁自由的控制元素； k(u，v)--薄壁自由曲面的彎曲度； max k(u,v)--薄壁自由曲面彎曲度的最大值； min k(u,v)--薄壁自由曲面彎曲度的最小值； 采集的疏密程度依賴于薄壁自由曲面的曲率，薄壁自由曲面上網(wǎng)格間距由控制元素 q 來調(diào)整。即以薄壁自由曲面曲率的變化程度為采樣準則，在薄壁自由曲面曲率較大的區(qū)域， 采樣點較為密集;反之，在薄壁自由曲面變化較小的區(qū)域，采樣點較為稀疏。本發(fā)明以高斯 曲率模型來反映薄壁自由曲面的曲率特征，其數(shù)學模型為：
kik2 薄壁自由曲面上米樣點的尚斯曲率； E，F(xiàn)，G-一薄壁自由曲面的第一類基本量； L，M，N--薄壁自由曲面的第二類基本量； 2、基于NURBS曲面的采樣點重構(gòu)實際加工薄壁曲面： 當薄壁自由曲面上相應的采樣點提取完成后，需要對加工后的薄壁自由曲面進行 NURBS曲面重構(gòu)，本發(fā)明通過插入相應節(jié)點、設置加權(quán)因子、修改相應控制點的方法進行 NURBS曲面擬合，最終由德布爾-考克斯遞推公式得到。
[0035] (3)加工誤差及評定： 獲取曲面的加工誤差，需要將理論設計的薄壁自由曲面與擬合重構(gòu)后薄壁自由曲面 (根據(jù)測試得到的采樣點擬合出的曲面)進行對比分析，進而得出薄壁曲面的誤差分布和加 工誤差的大小。把曲面加工誤差的檢測可以轉(zhuǎn)化為計算實際加工曲面到理論曲面模型的距 離，即先將實際加工曲面離散成多個關(guān)鍵點（采樣點），然后用加工曲面上的采樣點到理論 設計曲面的最小距離來表示薄壁曲面加工誤差，薄壁自由曲面加工誤差可以用曲面的面輪 廓度誤差來評定。
[0036]假設在重構(gòu)的NURBS曲面上的存在某一點，該曲面外存在一點 為采樣點的為U坐標。該曲面外一點到重構(gòu)的NURBS曲面上某一點的最小距離的平 方可以用如下式子來進行表示： 'Krd、\ s rise、廣、O ;; r 〇 ? (V…V)! V) I 對于點到曲面的最小距離平方求解方法有很多，本發(fā)明采用遺傳算法利用遺傳算法來 進行迭代最優(yōu)計算，此法計算精度高。最后用面輪廓度，作為薄壁曲面的曲面誤差評定方 法。
【主權(quán)項】
1. 一種基于空間光調(diào)制器的薄壁件加工誤差測量裝置，其組成包括:一組測量裝置，其 特征是:所述的測量裝置包括套筒，所述的套筒上部通過螺栓與支撐裝置連接，所述的支撐 裝置兩端通過連接軸分別與2個調(diào)制器卡夾緊裝置連接，所述的調(diào)制器卡夾緊裝置內(nèi)部分 別安裝有左液晶空間光調(diào)制器、右液晶空間光調(diào)制器，所述的左液晶空間光調(diào)制器、所述的 右液晶空間光調(diào)制器外表面分別安裝有偏振片，所述的套筒上方通過方形凹槽安裝有數(shù)字 相移干涉儀。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于空間光調(diào)制器的薄壁件加工誤差測量裝置，其特征是:所 述的數(shù)字相移干涉儀下方安裝有鏡片套筒裝置，所述的套筒內(nèi)部下方安裝有零位補償透鏡 裝置，所述的零位補償透鏡裝置外側(cè)具有兩個凸出塊，所述的凸出塊安裝在所述的套筒外 側(cè)的軌道槽內(nèi)，所述的軌道槽內(nèi)安裝有軌道裝置，所述的套筒外側(cè)具有2個可視窗。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于空間光調(diào)制器的薄壁件加工誤差測量裝置，其特征是:所 述的支撐裝置上方通過螺栓與刀柄連接，所述的一組測量裝置中間部位放置有待測薄壁工 件。4. 一種利用權(quán)利要求1-3所述的基于空間光調(diào)制器的薄壁件加工誤差測量裝置的測量 方法，其特征是:該方法包括如下步驟： 首先是將測量裝置通過刀柄放置到主軸上，因待測薄壁工件為葉輪葉片，因此將所述 的測量裝置置于五軸機床加工系統(tǒng)中，機床控制裝置的移動和轉(zhuǎn)動，套筒內(nèi)的數(shù)字相移干 涉儀產(chǎn)生的激光入射至鏡片套筒裝置內(nèi)的標準平面參考鏡，經(jīng)標準平面參考鏡分成一路反 射光和一路透射光，一路反射光經(jīng)標準平面參考鏡反射至數(shù)字相移干涉儀作為參考光，一 路透射光入射至光闌，經(jīng)光闌入射至零位補償透鏡裝置，通過調(diào)整零位補償透鏡兩端凸出 塊在軌道內(nèi)的卡緊位置，進而改變零位補償透鏡裝置角度，使入射光透過可視窗入射至偏 振片，偏振片入射至液晶空間光調(diào)制器，經(jīng)液晶空間光調(diào)制器反射至待檢測薄壁曲面葉輪 或葉片，經(jīng)薄壁曲面葉輪或葉片反射，產(chǎn)生測試光，該測試光經(jīng)液晶空間光調(diào)制器反射，經(jīng) 偏振片，零位補償透鏡裝置和光闌入射至標準平面參考鏡，經(jīng)標準平面參考鏡入射至數(shù)字 相移干涉儀，數(shù)字相移干涉儀與計算機相連接，在計算機相應軟件中獲得薄壁曲面采樣點 的坐標數(shù)據(jù)； 通過在機測量軟件提取采樣點，生成程序并輸送到數(shù)控機床，驅(qū)動本測量裝置進行在 機采樣，由于本測量裝置應用光學元件液晶空間光調(diào)制器，利用液晶空間光調(diào)制器進行光 束點采集，關(guān)鍵在于其相位函數(shù)的設計，這實質(zhì)上是一個相位恢復問題，已知輸入，輸出平 面上光場的振幅分布，求取液晶空間光調(diào)制器的最優(yōu)相位分布，使入射光場經(jīng)過調(diào)制后，在 空間中發(fā)生衍射，根據(jù)衍射距離的不同得到薄壁曲面的葉輪或者葉片上采樣點的坐標數(shù) 據(jù)； 通過在機測量的方法獲得薄壁曲面葉輪或者葉片的加工誤差，提出了一種基于物體重 心原理的采樣方法，該方法能夠使薄壁件上的采樣點分布符合曲率特征，即在曲率大的地 方采樣點較密，曲率小的地方采樣點較稀，這樣本測量裝置通過數(shù)控技術(shù)在機提取薄壁曲 面的采樣點，然后基于NURBS曲面進行薄壁曲面采樣點的重構(gòu)，該曲面為多軸數(shù)控機床加工 后的曲面，最后基于點到直線的最小距離方法計算出機床加工后的實際曲面與原始設計的 曲面的輪廓誤差，獲得薄壁曲面零件的加工誤差。
【文檔編號】B23Q17/24GK106002491SQ201610351353
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月25日
【發(fā)明人】吳石, 王洋洋, 劉獻禮, 王延福, 朱美文
【申請人】哈爾濱理工大學