现状：三维非球回转面广泛应用于拉瓦尔喷管与火箭头锥中。拉瓦尔喷管由多段圆弧与抛物线构成的方式使其内曲面结构极为复杂。对于火箭头锥与喷管等结构工件多为非球回转面，结构复杂，加工精度要求高，故而在数控加工中多使用边加工边测量的方式，以便及时修正误差。其中，因为喷管与头追多使用特殊材料，传统接触式测量所导致的探头与工件的磨损在连续测量中会被很大程度上放大。因此对于这一类工件往往会提出非接触测量要求，难度较大。

一. 方案

1. 测量原理

   此类曲面测量方法较多，但是就原理上讲，主要可以分为坐标法，光几何法与光干涉法三种。

   其中坐标法多用于三坐标仪等接触式测量法中。而光几何法光干涉法由于分辨率与反光影响无法完成喷管曲面与头锥这类工件的测量。所以本文提出一种基于坐标法和非接触测量是的测量方式。

如图一，用涡流探头代替球形接触头对一个曲面工件曲面进行测量。其中测量头轴线与测量点法线重合。 与曲面之间保持距离δ，测量时测量头回转中心沿喷管内曲面等距线依次移动测量，或与刀具相平来测量加工面的精度。通过间距δ的变化来反映曲面的误差。值得注意的是，所使用的车床或加工中心径向轴向跳动应小于2μm。测量头被安装在小型步进电机或五轴加工中心的旋转刀架上，以便于实施测量各类曲面数据。

          图1  测量示意图

2. 传感器选择

   在本次测量中，我们选择的传感器为涡流传感器。从应用上看，涡流传感器主要用于压缩机，发电机等旋转机械转子平衡测量，以及轴位移测量和振动测量，也用于转速及金属板厚度测量。

同时为了精密测量中的各种问题。我们采用现场自动定标。每次测量前先行定标，并将定标曲线自动存入计算机，然后才开始测量。图二是自动定标原理图。其中A为工件定标基面。定标开始时，间歇驱动安在刀架上的传感器向A面移动。每前进一次，计算机自动读取传感器输出电压与位移。其中，位移由安装在机床上并先行校准的坐标光栅传感器给出。当传感器进行输出信号不再变化，表明侧头端面与被测表面一接触停止前进。之后计算机自动定标并分析建立曲线数据。测量时计算机通过此表格得出。侧头与工件之间的绝对距离。

通过现场自动定标。一方面解决了间隙调整的困难，克服了非线性对精度的影响，另一方面对传感器电路参数稳定性的要求也得以降低。

                           图2   测量数据处理

3. 数据处理

(1)工件轮廓误差计算     如图三所示，对于非圆回转面测量，注意到：在i测量点处，工件轮廓曲线实际法向误差Δ´i=（X´i-Xi）sinαi+(Z´i-Zi)cosαi+δ0-δ´i

式中    Δ´i——i测量点处工件轮廓法向误差

         αi ——测头轴线在i测量点处的转角，它对应的是测点法向方向

        Xi，Zi——测对头中心的理论坐标值。

      X´i，Z´i——测头中心的实际坐标值。

δ0-δ´i——工件表面与测头端面间的理论设置间隙与测量点处实际测量间隙之差。

上述推导过程中，近似的认为测量处工件形状误差相同，并忽略了偏转角的影响。一般这些误差较小，可以忽略。

（2）测量误差及处理   在线测量时，测量精度要求达到微米级。机床及测量装置的各种误差都会影响测量结果。具体地说，本文按照（1）式所求得的轮廓误差。其准确性主要与测量点处实际间隙，测头中心的实际坐标值在测量精度有关。此外，机床主轴转位时，主轴的径向，轴向跳动也将引起测量误差。为了精确的测定中心实际位置。专门安装了一套光栅传感器，如图4所示。它的读数误差包括光栅传感器自身误差及机床导轨的几何误差。预先进行了校对，并通过计算机进行补偿，这样利用该光栅传感器就可以精确的确定回转中心的坐标。关于涡流测量仪实际间隙的准确性，可通过合理提升传感器分辨率，及现场自动定标，以及合理设计制造测量机械装置等措施来保证。至于机床主轴跳动误差的分离与补偿，在目前的情况下，难度相对较大。但鉴于高精度车销中心如德玛吉gmx400主轴跳动已经控制的极为微小，因此在这种机床上在线测量时可忽略此项误差的影响。

二、测量装置及测量过程

     测量装置如图4所示。利用机床数控系统编程，使测量头回转中心沿着工件理想轮廓的等距线运动。与此同时，通过计算机控制步进电机的转角保持测量头轴线始终与被测表面法线垂直。同时数控机床按照预先规定的依次走向每侧一点停留若干秒。以保证测量有足够的时间，同时读取该点法向间隙以及实际坐标，接着再移向下一测量点，如此完成母线测量。其后工件转位操纵纵母线测量。图中光栅传感器用于确定侧头回转中心精确位置。

测量过程分为三个阶段：一，传感器现场自动定标。二，标定工件坐标系测量坐标系中的位置。三，轮廓误差测量。图五为测量过程框图。

三、测量结果

在普通数控车床上，对于类似图一的结构（火箭头锥卡

门曲线）其结果如下：

一、外轮廓测量误差±0.008mm之内。内轮测量误差

±0.012mm之内。

二，多次测量重复误差均在2μm以内。

三，测量数据补偿有效。下图为机床内监控相机拍摄

的测量装置图

  参考资料：日本尺寸与轮廓测量技术新进度。

            曲面测量ccd处理系统研究

            传感器技术手册

            测量机一种新型非接触探头

本项目：主要来自实际生产中的应用，属于火箭制造过程中的衍生技术。同时本测量方法可在大部分非球回转面的在线测量中使用。

除半自动数控车床外，我们还在德玛吉立式五轴加工中心和马扎克大型卧式五轴加工中心上进行了实验并取得较好成果。在此，特别感谢我的外公：重庆的大学机械学院蒋和生教授的支持与指导。