機(jī)夾式型線銑刀刀片槽檢測(cè)技術(shù)研究

楊林建，劉淑香，徐化文，張金華

(1.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川德陽(yáng) 618000;2.東方汽輪機(jī)集團(tuán)公司，四川德陽(yáng) 618000)

1 刀體結(jié)構(gòu)建模

2273-091092A 機(jī)夾式型線刀體為圓柱狀旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，其主要特點(diǎn)為每圓周四層節(jié)圓上均勻分布計(jì)48 個(gè)刀片槽，并且每層刀片槽相對(duì)上層刀片槽有22.5°的角度，因刀片槽數(shù)量多，尺寸小，每層刀片槽相對(duì)上層刀片槽有非90°角度，精度要求在±0.005 mm 以內(nèi)，精度要求高，故增大檢測(cè)難度。模型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 2273 -091092A 機(jī)夾式型線刀體三維模型

2 數(shù)據(jù)要求

該刀體用于刀具研究人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，也用于實(shí)際生產(chǎn)，檢測(cè)數(shù)據(jù)要求直觀、易分析，工藝要求各刀片槽位置尺寸按±0.005 mm 控制。

面構(gòu)成要素可用一線及一點(diǎn)方式，即測(cè)量出平面上一條線及一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行平面定位，此方法結(jié)果為線的質(zhì)心點(diǎn)坐標(biāo)、角度及平面所通過(guò)點(diǎn)的坐標(biāo)值。因刀片槽平面很小，所檢測(cè)出的角度誤差很大，計(jì)算如下:arctan (0.01/3)≈10'，當(dāng)檢測(cè)的實(shí)際值與理論值差0.01 mm 時(shí)，反映在面上的角度值就差10'，該檢測(cè)數(shù)據(jù)不能真實(shí)、直觀反映出實(shí)際刀具與理論刀具差值，不利于數(shù)據(jù)分析及評(píng)價(jià)。

如采用三點(diǎn)確定面，即測(cè)量出面上3 個(gè)實(shí)際點(diǎn)，此方法的結(jié)果是面所通過(guò)3 個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值，也就是實(shí)際點(diǎn)與理論面距離，檢測(cè)數(shù)據(jù)直觀，方便刀具研究人員對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。但點(diǎn)是平面元素，在測(cè)量中誤差較大，誤差分析及數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2 和表1。

圖2 點(diǎn)平面誤差分析

表1 誤差分析表 μm

最終想要獲得紅寶石球與工件表面接觸的特征點(diǎn)，兩個(gè)點(diǎn)之間間距為觸測(cè)方向(矢量方向)上的測(cè)針半徑值，這需要通過(guò)測(cè)頭補(bǔ)償來(lái)實(shí)現(xiàn)，即將紅寶石球心點(diǎn)沿測(cè)針觸測(cè)方向補(bǔ)償測(cè)針半徑之后，得到工件表面的特征點(diǎn)。矢量在軟件中重要作用是利用矢量方向進(jìn)行測(cè)頭半徑補(bǔ)償。當(dāng)測(cè)量一點(diǎn)后，機(jī)器沿著與被測(cè)點(diǎn)矢量方向相反方向進(jìn)行觸測(cè)，測(cè)頭補(bǔ)償也是沿著同樣方向。如果觸測(cè)方向不正確，將引起“余弦誤差”。

為方便刀具研究人員分析數(shù)據(jù)，檢測(cè)元素為點(diǎn)，48 個(gè)刀片槽共144 個(gè)點(diǎn)，人為手動(dòng)測(cè)量，工作量大，必須使用三維模型來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)。但如在三維模型上讀取理論點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，雖減輕了手動(dòng)采點(diǎn)的勞動(dòng)強(qiáng)度，但要在48 個(gè)面上讀取144 個(gè)理論點(diǎn)，且每組理論值不一致，理論檢測(cè)數(shù)據(jù)不直觀，耗費(fèi)的時(shí)間多，不利于刀具研究人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

其次檢測(cè)數(shù)據(jù)正負(fù)號(hào)不能代表工件實(shí)體高低，是在測(cè)量中長(zhǎng)期以來(lái)存在的難題，因此不能很直觀地判斷面的高低，給科研人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析帶來(lái)了極大不便，坐標(biāo)處理見(jiàn)圖3。

圖3 所示設(shè)點(diǎn)1 的理論坐標(biāo)值Y1=+40 mm，實(shí)測(cè)值Y=+40.02 mm，偏差為0.02 mm。點(diǎn)1 實(shí)測(cè)值應(yīng)越大越高，反之低?，F(xiàn)實(shí)測(cè)值比理論值大，則證明實(shí)體高出理論，則偏差符號(hào)為正。

圖3 坐標(biāo)處理

圖3 設(shè)點(diǎn)2 的理論值為Y2=20 mm，實(shí)測(cè)值為Y=19.99 mm，偏差為-0.01 mm。點(diǎn)2 實(shí)測(cè)值應(yīng)越大越低，反之高?，F(xiàn)實(shí)測(cè)值比理論值小，則證明實(shí)體高出理論，現(xiàn)偏差符號(hào)為-，要減少科研人員數(shù)據(jù)分析的時(shí)間，就必須使實(shí)體高低符號(hào)化。

由于程序中名稱變量只允許在末尾，要滿足高效的自動(dòng)檢測(cè)，只能將面的序號(hào)名作為變量，所以只能將面的序號(hào)放在名稱末尾，而不能將點(diǎn)的序號(hào)作為變量。檢測(cè)出的結(jié)果排列不直觀是因?yàn)辄c(diǎn)的序列號(hào)在面的序列號(hào)之前，因此檢測(cè)結(jié)果優(yōu)先按點(diǎn)排列，故一個(gè)面上的3 點(diǎn)分布在不同的位置，并且每個(gè)平面上的點(diǎn)的理論數(shù)據(jù)不一致，且偏差結(jié)果不可靠，檢測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)只有通過(guò)刀具研究人員在Pro/E 模型上逐點(diǎn)輸入后進(jìn)行對(duì)比，如檢測(cè)出現(xiàn)誤差，則無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，且刀具在檢測(cè)完成后，依然要占用儀器，直到數(shù)據(jù)分析完成后才可取下刀具進(jìn)行其他工件的檢測(cè)。如何解決數(shù)據(jù)排列及結(jié)果偏差的直觀性是檢測(cè)中的難點(diǎn)。

3 檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

3.1 儀器選擇

刀體的諸多結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及其較高的精度要求，同時(shí)為了保證高效率的檢測(cè)，必須使用三維模型來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)，因此，選擇一臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)三維測(cè)量的高精度儀器進(jìn)行該刀體的測(cè)量。2011年12 月引進(jìn)一臺(tái)?？怂箍礡eference600 三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x，其主要性能體現(xiàn)在能夠?qū)肴S模型、精度高、檢測(cè)過(guò)程依靠程序?qū)崿F(xiàn)、可開發(fā)性強(qiáng)，在進(jìn)行批量檢測(cè)時(shí)效果尤為明顯。

3.2 測(cè)針選用

針對(duì)刀體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測(cè)量面小，只能選用直徑盡可能小、測(cè)桿盡可能長(zhǎng)的測(cè)針，并且要具備不同的方向，所以選用φ1.5 mm×30 mm 的測(cè)針。為避免測(cè)針干涉，選用水平4 個(gè)星型測(cè)針對(duì)刀體進(jìn)行測(cè)量，如圖4 所示。

圖4 測(cè)針結(jié)構(gòu)及安裝

要避免測(cè)量時(shí)采點(diǎn)的誤差，就需要使用三維模型自動(dòng)采集，提取面的點(diǎn)來(lái)消除點(diǎn)的測(cè)頭補(bǔ)償誤差;即要保證高效檢測(cè)，又保證數(shù)據(jù)的可分析性，就必須讓程序?qū)崿F(xiàn)三維模型自動(dòng)檢測(cè)，且保證每一層的4 組刀片槽理論數(shù)據(jù)一致;要保證實(shí)體高低符號(hào)化，即必須提取實(shí)測(cè)面的矢量方向來(lái)計(jì)算實(shí)測(cè)值;為了檢測(cè)數(shù)據(jù)直觀、減少分析及結(jié)果評(píng)價(jià)時(shí)間，需要用程序?qū)崿F(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)按面的方式排列。

4 檢測(cè)

4.1 探針校驗(yàn)

多數(shù)測(cè)量任務(wù)中，需要在不同坐標(biāo)平面內(nèi)進(jìn)行不同性質(zhì)測(cè)量，比如點(diǎn)、直線、平面、內(nèi)/外圓柱面、距離、角度等。要完成這些任務(wù)，不但需要選用長(zhǎng)度、直徑、方位等參數(shù)和測(cè)針，還要求所選測(cè)針球心之間的相對(duì)位置關(guān)系，才可能使不同測(cè)針測(cè)出的幾何元素具有正確的坐標(biāo)關(guān)系。測(cè)針校準(zhǔn)的目的就是確定各個(gè)測(cè)針的參數(shù)及它們相互間位置關(guān)系。探針校驗(yàn)如圖5 所示。

圖5 探針校驗(yàn)

4.2 確定檢測(cè)基準(zhǔn)及工件裝夾

坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量工件時(shí)，通常不需要對(duì)被測(cè)工件進(jìn)行精確調(diào)整定位，根據(jù)軟件功能建立工件坐標(biāo)系，即柔性定位。為了能做到合理地建立工件坐標(biāo)系，選擇測(cè)量基準(zhǔn)時(shí)應(yīng)按使用基準(zhǔn)、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、加工基準(zhǔn)的順序來(lái)考慮。因加工時(shí)以刀具柄部圓錐面作為基準(zhǔn)，故檢測(cè)以柄部圓錐面作為第一檢測(cè)基準(zhǔn);為了利于數(shù)據(jù)分析和結(jié)果判定，以第一周刀片槽最大的面作為第二基準(zhǔn)，裝夾時(shí)將刀片槽向左旋轉(zhuǎn)5°～10°，以避免測(cè)針干涉。如圖6 所示。

圖6 工件裝夾旋轉(zhuǎn)示意圖

該銑刀精度要求高，需要加入溫度補(bǔ)償，須設(shè)置并調(diào)用可靠的機(jī)器參數(shù)。因使用時(shí)以刀具柄部進(jìn)行裝夾定位，根據(jù)檢測(cè)基準(zhǔn)的選用原則，使用基準(zhǔn)為首選，采用CadLoadModel 語(yǔ)句導(dǎo)入理論模型后，進(jìn)行元素分組，粗建坐標(biāo)系，手動(dòng)在圓錐的一個(gè)截面上采集一個(gè)圓粗建坐標(biāo)系確定X、Y，手動(dòng)采集第一層第一個(gè)XZ 面作為第二基準(zhǔn)確定Y 方向，采用GENCON程序自動(dòng)計(jì)算出理論圓錐測(cè)量點(diǎn)及調(diào)取第二基準(zhǔn)面和確定Z 軸高度進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，測(cè)量圓錐時(shí)先設(shè)置多方向測(cè)針的安全距離以防止干涉。自動(dòng)測(cè)量完成后，精建坐標(biāo)系，如圖7 所示;機(jī)器坐標(biāo)系與模型坐標(biāo)系統(tǒng)一，如圖8 所示。

圖7 精建坐標(biāo)系

圖8 坐標(biāo)系建立

為了后續(xù)自動(dòng)寫入評(píng)價(jià)偏差，避免手動(dòng)評(píng)價(jià)，提高檢測(cè)效率，坐標(biāo)系建立完成后，將±0.02 分別賦值給UTL 及LTL。

采用循環(huán)語(yǔ)句DO、ENDDO 完成檢測(cè)不同層及不同組的刀片槽。為了消除測(cè)頭補(bǔ)償誤差，程序采用MEPLA 語(yǔ)句進(jìn)行面的測(cè)量，避免重復(fù)測(cè)量，收集已采面的點(diǎn)，所測(cè)即為紅寶石球與工件表面接觸的特征點(diǎn);為使實(shí)體高低符號(hào)化，提取點(diǎn)的矢量U、V、W，乘以實(shí)際值減去理論值的差，賦值給DEV 即可。檢測(cè)過(guò)程如圖9、10 所示。

圖9 檢測(cè)過(guò)程圖(一)

圖10 檢測(cè)過(guò)程圖(二)

3 結(jié)論

根據(jù)刀體結(jié)構(gòu)，采用循環(huán)語(yǔ)句DO、ENDDO 語(yǔ)句完成不同面的測(cè)量;

采用指令CRSUBTYP 可以將公差、計(jì)算的實(shí)際值(符號(hào))加到元素上，無(wú)需手動(dòng)評(píng)價(jià)，提高了檢測(cè)效率。

程序采用三維模型自動(dòng)測(cè)量，因刀體結(jié)構(gòu)的限制，為使測(cè)針測(cè)量時(shí)不發(fā)生干涉，以高效率完成檢測(cè)，刀體第一層的測(cè)量與第四層的測(cè)量方法基本一致，而第二層的測(cè)量與第三層的測(cè)量方法基本一致，這樣即完成了高效的檢測(cè)，程序思路也較清晰。

以往的刀體檢測(cè)主要采用其他三坐標(biāo)完成，因儀器的局限性，48 個(gè)刀片槽上的144 個(gè)點(diǎn)必須人為進(jìn)行采點(diǎn)測(cè)量，由于要消除測(cè)頭半徑補(bǔ)償?shù)恼`差，測(cè)量出來(lái)的結(jié)果必須進(jìn)行處理，才能得到真實(shí)的檢測(cè)結(jié)果，效率低下，檢測(cè)一個(gè)刀體的時(shí)間至少為一天;而刀具研究人員對(duì)結(jié)果的評(píng)價(jià)必須在數(shù)模上逐點(diǎn)輸入進(jìn)行對(duì)比，其工作量極其繁瑣，且容易出錯(cuò)，評(píng)價(jià)的時(shí)間至少一天。由于理論數(shù)據(jù)不直觀，數(shù)據(jù)分析的時(shí)間無(wú)法估量，采用Leitz Reference 600 三坐標(biāo)和三維模型編制程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)，大大減少了勞動(dòng)強(qiáng)度，其效率至少提高了10 倍以上，如果進(jìn)行批量檢測(cè)，效果提高更為明顯。

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