零件復雜內(nèi)腔曲面尺寸檢測方法研究

摘 要：本文對零件復雜內(nèi)腔曲面檢測的現(xiàn)狀進行了分析，講解了零件復雜內(nèi)腔曲面尺寸綜合檢測方法的研究，對檢測系統(tǒng)應用軟件的開發(fā)進行了介紹。

關(guān)鍵詞：復雜內(nèi)腔曲面尺寸；檢測方法

中圖分類號：TP391.7

零件復雜內(nèi)腔曲面的檢測，一直是生產(chǎn)企業(yè)的難點。企業(yè)常常采用樣板比對法，檢驗零件類曲面的加工誤差?；虿捎萌鴺藴y量機測量被測曲面上的點坐標值，與理論值進行比較，從而計算出零件的加工誤差。樣板比對法測量速度快，但人為影響因素多，準確性差，沒有測量數(shù)據(jù)，作為判斷的依據(jù)。應用三坐標測量機檢測，檢測過程所需時間較長，檢測效率低，測量數(shù)據(jù)不能直接用于誤差檢驗，必須經(jīng)過一定的數(shù)據(jù)處理與計算。因此要求測量人員掌握曲面造型、坐標變換等技術(shù)、專業(yè)技術(shù)要求高。

針對零件的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計采用多點、相對測量方法，自動、準確、快速擬合出相應的基準面和被檢要素曲面，從而準確計算出基準軸線、雙軸線角度、同軸度、圓錐角等零件尺寸誤差與形位誤差。項目研發(fā)將有效解決研制中的難題，并為具有類似結(jié)構(gòu)的零件復雜內(nèi)腔曲面的加工檢測提供合理的解決方案。

研究內(nèi)容有測量裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造及裝調(diào)；測量裝置的自動控制；檢測系統(tǒng)應用軟件開發(fā)。主要創(chuàng)新為內(nèi)腔尺寸多維測量參數(shù)的快速測量與處理

1 零件復雜曲面尺寸綜合檢測方法研究

由于零件復雜內(nèi)腔曲面的特殊性，使得常規(guī)的檢測方法和手段難以檢測出零件的加工誤差，通常是采集被測曲面上點坐標值，應用曲面擬合方法，擬合出相應曲面。將被測曲面參數(shù)與設(shè)計曲面參數(shù)相比較，而計算出被測曲面的加工誤差。

對于產(chǎn)品，由若干個等高曲線就可以較好地描述其曲面。將擬合曲線特征參數(shù)與設(shè)計的等高曲線特征參數(shù)比較，可以得到等高位置的加工誤差。

零件尺寸檢測裝置結(jié)構(gòu)原理如下：采用接觸式、多點相對測量方法，測量出零件表面相對于測頭零位的偏差，從而計算出被測曲面測量點在檢測臺柱坐標系中的坐標值，映射到直角坐標系中。應用相關(guān)計算方法，計算機軟件編程，自動計算出被測曲面的幾何要素，并自動計算出連接槽內(nèi)徑尺寸、基準軸線位置、止口部位和連接槽底同軸度誤差、筒底的錐角及雙軸線角度。并對測量數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)分析，以指導加工參數(shù)調(diào)整。

為了保證測量精度，應對影響測量精度的各因素進行分析。包括裝夾精度、測頭精度、測頭位移精度、工作臺旋轉(zhuǎn)控制精度、傳動精度、環(huán)境影響因素等對測量精度的綜合影響。在對不同裝夾、測量方案理論分析、充分論證的基礎(chǔ)上，選擇測量變形小、測量準確、結(jié)構(gòu)可靠、易于實現(xiàn)的方案實施設(shè)計、加工及制造。

被測表面的坐標值直接用于擬合曲面方程。因此坐標值的測量誤差直接影響曲面參數(shù)的擬合精度。分析擬合曲面計算方法，從而建立坐標值誤差與擬合曲面參數(shù)誤差的數(shù)學模型。

由于測量是相對間接測量，被測表面的坐標值與測頭零點位置、測頭示值、轉(zhuǎn)臺角度非線性相關(guān)，因此坐標值誤差與之測頭零點位置誤差、測頭示值誤差、轉(zhuǎn)臺角度誤差非線性相關(guān)。應根據(jù)測量方法、坐標值計算方法應用誤差統(tǒng)計分析原理建立坐標值誤差與相關(guān)誤差的數(shù)學模型。

工件的裝夾誤差、測頭位移誤差、測頭零位誤差、測頭位移誤差直接影響被測曲面在轉(zhuǎn)臺柱坐標系中的徑向坐標值誤差。根據(jù)誤差統(tǒng)計分布原理，徑向誤差平方和應等于上述各項誤差的平方和。

被測曲面在轉(zhuǎn)臺柱坐標系中的角度坐標值誤差與轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)角誤差線性相關(guān)。轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)角誤差與伺服電機轉(zhuǎn)角控制誤差、傳動系統(tǒng)傳動誤差非線性相關(guān)，應建立相關(guān)數(shù)學模型。

環(huán)境因素中，溫度對測量精度的影響最大。分析不同溫度差對測量精度的影響，從而對測量裝置的工作溫度環(huán)境提出具體要求。

在建立相關(guān)誤差數(shù)學模型后，對影響測量誤差的各環(huán)節(jié)因素進行誤差合理分配，以有效降低加工制造成本，并滿足使用要求。

2 檢測系統(tǒng)應用軟件開發(fā)

2.1 檢測系統(tǒng)應用軟件功能設(shè)計

在對企業(yè)應用對象進行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，確定檢驗項目、檢驗步驟及檢驗結(jié)果報表形式。根據(jù)檢測裝置的功能進行軟件功能設(shè)計。在對測量原理充分論證、理解的基礎(chǔ)上，建立測量結(jié)果計算算法，進而進行軟件結(jié)構(gòu)、流程設(shè)計。

系統(tǒng)軟件的前臺模塊如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)軟件前臺結(jié)構(gòu)

2.2 在圓和橢圓擬合中應用MATLAB與C++混合編程技術(shù)

本課題所研究的檢測體在實際檢測過程中需要對采集的檢測數(shù)據(jù)進行大量的計算分析，采集的每一組閉合數(shù)據(jù)坐標點多，軌跡都為圓和橢圓，問題的實質(zhì)就是由已知圓或橢圓曲線上的大量坐標點科學擬合出此圓或橢圓，而后用于檢測合格判定分析。而圓或橢圓的擬合求解又需要大量的矩陣運算，可以通過MATLAB解決運算問題，采用基于MATCOM工具的MATLAB與C++混合編程方法。

2.3 數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)

在檢測數(shù)據(jù)的計算分析過程中，需要把相映信息存取到Microsoft Access數(shù)據(jù)庫中，頻繁訪問數(shù)據(jù)庫，要求使用方便快捷的數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)，系統(tǒng)實現(xiàn)主要采用ODBC和ADO數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)進行數(shù)據(jù)的存取。

首先應用Microsoft Access建立本地數(shù)據(jù)庫，對零件、標準體、采集數(shù)據(jù)等建立相應的數(shù)據(jù)表，并設(shè)置字段及類型。而后，應用ODBC類、ADO類及其下不同的訪問數(shù)據(jù)庫函數(shù)對數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)進行增刪改查操作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲功能。

2.4 數(shù)據(jù)采集中的多線程技術(shù)

當檢測數(shù)據(jù)通過I/O端口輸入到應用程序時，需要專門線程對所采集的數(shù)據(jù)進行實時處理，與主線程分開執(zhí)行。需要引入多線程技術(shù)，另外設(shè)計一個線程進行數(shù)據(jù)處理。

本系統(tǒng)的主線程是用戶界面線程，能夠提供界面和用戶交互，處理用戶輸入并相應各種事件和消息，設(shè)計工作者線程用于檢測數(shù)據(jù)的采集，在后臺實時處理采集到的數(shù)據(jù)。

2.5 主要界面

圖2 應用軟件主要界面

3 結(jié)束語

零件復雜內(nèi)腔曲面的檢測研究成果具有較好的推廣前景，通過簡單調(diào)整更改，各項成果能夠在多家企業(yè)應用，代替以往的加工、檢驗，為技術(shù)開發(fā)單位帶來較好的經(jīng)濟效益。

尺寸自動檢測裝置的應用能夠有效推動企業(yè)的節(jié)能降耗，減員增效，提升企業(yè)檢測技術(shù)水平。其應用能夠提高相關(guān)企業(yè)的生產(chǎn)效率和利潤，為應用企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟效益。

參考文獻：

[1]王春香，李雙青.具有復雜形狀內(nèi)腔的斗齒零件的曲面重構(gòu)技術(shù)研究[J].機械設(shè)計，2010（11）

作者簡介：李愈馨（1978-），女，工程師，主要研究方向：數(shù)字化技術(shù)，發(fā)表多篇論文。

作者單位：長春設(shè)備工藝研究所，長春 130012；北方通用動力集團有限公司計算中心，山西大同 037036