在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)在幾何誤差檢測(cè)上的應(yīng)用

王曉兵，趙　凱，高　原，鄭　練，彭光宇

(1.湖北三江航天險(xiǎn)峰電子信息有限公司，湖北 孝感 432100；2.中國(guó)兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所，北京 100089)

在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)在幾何誤差檢測(cè)上的應(yīng)用

王曉兵1，趙凱1，高原2，鄭練2，彭光宇2

(1.湖北三江航天險(xiǎn)峰電子信息有限公司，湖北 孝感 432100；2.中國(guó)兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所，北京 100089)

摘要：幾何誤差的測(cè)量是機(jī)械加工中質(zhì)量保證的重要環(huán)節(jié)。在線(xiàn)檢測(cè)作為先進(jìn)的幾何誤差檢測(cè)技術(shù)日益普及。通過(guò)深入研究幾何誤差的評(píng)定方法及數(shù)控系統(tǒng)宏程序編制、宏變量調(diào)用等關(guān)鍵技術(shù)，經(jīng)過(guò)適應(yīng)性改進(jìn)及工藝試驗(yàn)，總結(jié)出了一套全新的基于數(shù)控系統(tǒng)自身運(yùn)算的在線(xiàn)檢測(cè)方法。以平行度誤差檢測(cè)為例，系統(tǒng)講述在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)在幾何誤差檢測(cè)上的應(yīng)用原理及方法，并以原理性試驗(yàn)及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際加工應(yīng)用作為驗(yàn)證。檢測(cè)結(jié)果與三坐標(biāo)測(cè)量接近，證明該技術(shù)準(zhǔn)確可靠，為在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)在數(shù)控加工領(lǐng)域的研究提供了一條新的思路。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；在線(xiàn)檢測(cè)軟件；幾何誤差檢測(cè)

數(shù)控加工作為一種高柔性、高效率的加工方法，在軍工行業(yè)關(guān)重件生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用；然而，在有效保證產(chǎn)品質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本方面，還有一些亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。作為解決這些技術(shù)瓶頸的重要技術(shù)手段，數(shù)控加工在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)得到了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。本文基于數(shù)控系統(tǒng)的在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)，開(kāi)發(fā)出一套全新的幾何誤差在線(xiàn)檢測(cè)的解決方案，通過(guò)試驗(yàn)和應(yīng)用逐步完善、成熟，可為同行提供有益的借鑒。

1在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)在幾何誤差檢測(cè)上應(yīng)用的必要性

1.1幾何誤差的定義

幾何誤差是指實(shí)際被測(cè)要素對(duì)其理想要素的變動(dòng)量。

形狀誤差涉及的要素是線(xiàn)和面，方向誤差涉及的要素也是線(xiàn)和面；而位置誤差中，同軸度誤差涉及的要素只有軸線(xiàn)，對(duì)稱(chēng)度誤差涉及的要素是中心要素(中心平面、軸線(xiàn)和中心線(xiàn)等)。位置誤差涉及的要素包括點(diǎn)、線(xiàn)和面，跳動(dòng)誤差涉及的要素則是軸線(xiàn)和輪廓表面。

幾何誤差是把實(shí)際被測(cè)要素對(duì)其理想要素進(jìn)行比較的結(jié)果。理想要素稱(chēng)為評(píng)定基準(zhǔn)。根據(jù)不同的檢測(cè)對(duì)象，評(píng)定基準(zhǔn)可以是1條直線(xiàn)，1個(gè)平面、1個(gè)圓或者其他的幾何要素。如果實(shí)際被測(cè)要素與理想要素在比較中能夠處處重合，則幾何誤差為零；如果它們?cè)诒容^中不能處處重合，則表示實(shí)際被測(cè)要素存在幾何誤差。

1.2在線(xiàn)檢測(cè)的應(yīng)用需求

由于軍工生產(chǎn)多為單件或小批量生產(chǎn)，不可能設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)檢測(cè)設(shè)備完成零件工序檢測(cè)和終檢。目前，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)解決復(fù)雜的尺寸誤差和幾何誤差的檢測(cè)方法多采用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，如將零件工序檢測(cè)完全采用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x進(jìn)行，存在如下問(wèn)題。

1)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x價(jià)格昂貴，各生產(chǎn)單位配備數(shù)量有限，該設(shè)備不僅要求在全封閉式的測(cè)量環(huán)境中運(yùn)行，且測(cè)量零件行程受限，難以滿(mǎn)足工廠(chǎng)日益增多的復(fù)雜計(jì)量要求，造成檢測(cè)計(jì)量時(shí)間比加工時(shí)間還要長(zhǎng)得多的現(xiàn)狀，形成生產(chǎn)瓶頸，嚴(yán)重影響工廠(chǎng)的研制和批產(chǎn)進(jìn)度。

2)大型零件和復(fù)雜曲面件檢測(cè)周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)，零件重復(fù)裝夾進(jìn)行后續(xù)加工，不僅效率低，且不能消除重復(fù)裝夾基準(zhǔn)不重合誤差的質(zhì)量隱患[1]；因此，需要采用更為合理的工藝手段。如果應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)測(cè)頭進(jìn)行在線(xiàn)檢測(cè)，不僅可以解決上述問(wèn)題，而且可根據(jù)檢測(cè)結(jié)果在現(xiàn)場(chǎng)加工中調(diào)整，確保零件加工精度，為批次性生產(chǎn)提供可靠質(zhì)量保證。

3)解決生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)一些完全不能解決的檢測(cè)問(wèn)題。例如，F(xiàn)IDIA KR199六軸加工中心機(jī)床行程為1 950 mm×900 mm×850 mm，其所加工的零件有些是三坐標(biāo)設(shè)備無(wú)法完全檢測(cè)的，而KR199的定位精度為0.005 mm，重復(fù)定位精度≤0.003 mm。如果測(cè)頭標(biāo)定精度≤0.005 mm，則完全可以保證檢測(cè)精度≤0.01 mm，滿(mǎn)足大型零件的檢測(cè)要求。

2幾何誤差的在線(xiàn)檢測(cè)解決方案

本文選擇了平行度誤差進(jìn)行具體闡述。

2.1平行度誤差的評(píng)定方法

設(shè)實(shí)際被測(cè)平面和實(shí)際基準(zhǔn)平面各測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為Mi(xi，yi，zi)和Gm(xm，ym，zm)，由實(shí)際基準(zhǔn)平面各測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)值xm、ym和zm求出符合最小條件的基準(zhǔn)平面的方程。當(dāng)基準(zhǔn)平面按“三角形準(zhǔn)則”由G1(x1，y1，z1)、G2(x2，y2，z2)和G3(x3，y3，z3)3點(diǎn)決定時(shí)，基準(zhǔn)平面的方程為：

(1)

當(dāng)基準(zhǔn)平面按“交叉準(zhǔn)則”由2個(gè)高極點(diǎn)G1(x1，y1，z1)、G2(x2，y2，z2)和2個(gè)低極點(diǎn)G3(x3，y3，z3)、G4(x4，y4，z4)決定時(shí)，設(shè)基準(zhǔn)平面通過(guò)直線(xiàn)G1G2且平行于直線(xiàn)G3G4，則基準(zhǔn)平面的方程為：

(2)

將式2按照第1行x、y和z展開(kāi)行列式得：

[(y2-y1)(z4-z3)-(y4-y3)(z2-z1)]x+[(x2-x1)(z4-z3)+(x4-x3)(z2-z1)]y+[(x2-x1)(y4-y3)-(x4-x3)(y2-y1)]z+[(y2-y1)(z4-z3)-(y4-y3)(z2-z1)]x1+[(x2-x1)(z4-z3)-(x4-x3)(z2-z1)]y1-[(x2-x1)(y4-y3)-(x4-x3)(y2-y1)]z1=0

設(shè)定x、y、z的系數(shù)分別為A、B、C，常數(shù)項(xiàng)為D，即：

A=(y2-y1)(z4-z3)-(y4-y3)(z2-z1)

B=(x2-x1)(z4-z3)-(x4-x3)(z2-z1)

C=(x2-x1)(y4-y3)-(x4-x3)(y2-y1)

D=[(y2-y1)(z4-z3)-(y4-y3)(z2-z1)]x1+

[(x2-x1)(z4-z3)-(x4-x3)(z2-z1)]y1-[(x2-x1)(y4-y3)-(x4-x3)(y2-y1)]z1

將基準(zhǔn)平面的方程表示成：

Ax+By+Cz+D=0

于是，平行于基準(zhǔn)平面，且包容實(shí)際被測(cè)平面的2個(gè)平行平面的方程分別為：

Ax+By+Cz+D1=0

(3)

Ax+By+Cz+D2=0

(4)

根據(jù)面對(duì)面平行度定向最小區(qū)域判別準(zhǔn)則，將實(shí)際被測(cè)平面測(cè)點(diǎn)中的高極點(diǎn)M1和低極點(diǎn)M2的坐標(biāo)值代入式3和式4，則求得D1和D2的數(shù)值；因此，這2個(gè)平行包容平面間的法向距離(定向最小區(qū)域的寬度)即為平行度誤差fN，可按下式計(jì)算：

(5)

2.2宏程序設(shè)計(jì)

根據(jù)平行度誤差評(píng)定方法，項(xiàng)目組根據(jù)該算法進(jìn)行了宏程序的設(shè)計(jì)。宏程序設(shè)計(jì)的原理為：首先通過(guò)宏程序計(jì)算出基準(zhǔn)面測(cè)點(diǎn)的2個(gè)高極點(diǎn)和2個(gè)低極點(diǎn)，并由此計(jì)算出基準(zhǔn)平面方程中的系數(shù)，將相應(yīng)值賦予中間變量；然后再通過(guò)宏程序計(jì)算出被測(cè)平面的高極點(diǎn)和低極點(diǎn)，并將相應(yīng)值賦予中間變量；最后，通過(guò)公式運(yùn)算得到平行度誤差，存儲(chǔ)在指定的系統(tǒng)變量中。

2.3數(shù)控程序設(shè)計(jì)

為方便最終的檢測(cè)程序生成，首先利用Pro/E或其他CAD/CAM軟件中的CAM模塊生成軌跡加工程序[2-3]。為保證程序的準(zhǔn)確性，項(xiàng)目組要求每個(gè)平面測(cè)點(diǎn)在8個(gè)以上。

很多鉛筆的筆桿都是六角形的，這是為什么呢？原來(lái)，六角形的鉛筆筆桿比較好握在手里，放在桌子上也不容易到處滾動(dòng)。

2.4在線(xiàn)檢測(cè)程序適應(yīng)性生成

通過(guò)運(yùn)行后置處理軟件將CAD/CAM軟件生成的軌跡加工程序中的G1替換成G65 P9810(誤差檢測(cè)指令)，G0替換成G31(安全移動(dòng)指令)，然后修改一些特殊語(yǔ)句，并補(bǔ)充調(diào)用宏程序，將軌跡加工程序修編成檢測(cè)程序。運(yùn)行上述檢測(cè)程序，即可得到平行度誤差。與上述直線(xiàn)度、平行度不同的是，平行度的計(jì)算涉及2個(gè)結(jié)構(gòu)特征，宏程序的調(diào)用有針對(duì)性，適應(yīng)性更改時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮，避免出現(xiàn)調(diào)用錯(cuò)誤。

2.5平行度誤差試驗(yàn)及應(yīng)用

2.5.1試驗(yàn)過(guò)程

1)平行于Z軸的平行度試驗(yàn)(薄板件)。a.準(zhǔn)備1張鋁制薄板，裝夾后在數(shù)控銑床上銑出如圖1所示的框型臺(tái)階面，中間的平面作為基準(zhǔn)平面，四周面作為被測(cè)平面;b.測(cè)量薄板的相關(guān)尺寸，然后對(duì)主程序做相應(yīng)的修改，以滿(mǎn)足取點(diǎn)的需要，進(jìn)行合理的軌跡規(guī)劃；c.加工完畢后調(diào)用測(cè)頭，直接進(jìn)行在機(jī)測(cè)量，不進(jìn)行二次裝夾；d.記錄最終試驗(yàn)結(jié)果。

圖1　薄板件平行度測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)

2)平行于Z軸的平行度試驗(yàn)(厚板件)。a.準(zhǔn)備1張鋁制厚板，裝夾后在數(shù)控銑床上銑出如圖2所示的臺(tái)階面，分成左、右兩半，左邊加工精度較右邊低，中間部分分別作為各部分的基準(zhǔn)平面，兩側(cè)作為被測(cè)平面；b.測(cè)量工件的相關(guān)尺寸，然后對(duì)主程序做相應(yīng)的修改，以滿(mǎn)足取點(diǎn)的需要，進(jìn)行合理的軌跡規(guī)劃；c.加工完畢后調(diào)用測(cè)頭，直接進(jìn)行在機(jī)測(cè)量，不進(jìn)行二次裝夾；d.記錄最終試驗(yàn)結(jié)果。

圖2　厚板件平行度測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)

3)任意位置的平行度試驗(yàn)(薄板件)。a.將試驗(yàn)1中的薄板件二次裝夾，并在安裝底部墊1個(gè)小塊，以達(dá)到傾斜效果；b.進(jìn)行重新對(duì)刀；c.調(diào)用試驗(yàn)1的測(cè)量程序進(jìn)行測(cè)量；d.記錄最終試驗(yàn)結(jié)果。

4)任意位置的平行度試驗(yàn)(厚板件)。a.將試驗(yàn)2中的厚板件二次裝夾(見(jiàn)圖3)，并在右側(cè)底部墊1個(gè)小塊，以達(dá)到傾斜的效果；b.進(jìn)行重新對(duì)刀；c.調(diào)用試驗(yàn)2的測(cè)量程序進(jìn)行左半部分的平行度測(cè)量；d.重復(fù)進(jìn)行上述步驟，進(jìn)行右半部分的測(cè)量；e.記錄最終試驗(yàn)結(jié)果。

圖3　任意位置平行度測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)

2.5.2試驗(yàn)結(jié)果及分析

1)試驗(yàn)結(jié)果(多次測(cè)量穩(wěn)定值)見(jiàn)表1。

表1　平行度試驗(yàn)結(jié)果

2)通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，有如下結(jié)論。a.試驗(yàn)1中從試驗(yàn)組和對(duì)照組可以看出，加工后平行于Z軸的平行度測(cè)量達(dá)到預(yù)期；b.試驗(yàn)2中加工精度低于試驗(yàn)1，平行度誤差也略高于試驗(yàn)1，比較合理；c.試驗(yàn)3中的結(jié)果明顯比較大，可能由于薄板二次裝夾產(chǎn)生變形，以及加工過(guò)程存在熱變形和殘余應(yīng)力的多重影響的結(jié)果，進(jìn)一步的分析有待于接下來(lái)的三坐標(biāo)上進(jìn)行測(cè)量分析；d.試驗(yàn)4中進(jìn)行的厚板測(cè)量的結(jié)果一直比較穩(wěn)定，且與試驗(yàn)2中的結(jié)果比較吻合，驗(yàn)證了厚板的任意位置平行度測(cè)量算法的合理性。

2.6后續(xù)開(kāi)發(fā)

通過(guò)幾何誤差的在線(xiàn)檢測(cè)原理研究、方案設(shè)計(jì)、宏程序編制及實(shí)際應(yīng)用等工作，形成了在線(xiàn)檢測(cè)幾何誤差的整體解決方案，后續(xù)還要通過(guò)編程開(kāi)發(fā)，形成標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用軟件，提升該項(xiàng)技術(shù)的易用性和適用性，方便推廣及應(yīng)用。

3產(chǎn)品應(yīng)用

某型號(hào)零件6-01檢控盒體設(shè)計(jì)圖樣要求頂面與底部加工面的平行度為0.05 mm。通過(guò)在該零件的加工程序后增加平行度誤差的檢測(cè)程序，對(duì)平行度進(jìn)行了在線(xiàn)檢測(cè)，并將結(jié)果與三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x進(jìn)行了對(duì)比。

檢控盒體實(shí)物圖如圖4所示。應(yīng)用過(guò)程如下。

圖4　檢控盒體實(shí)物圖

1)在BV100加工中心機(jī)床上試驗(yàn)，系統(tǒng)為FANUC 0i-MD，試驗(yàn)對(duì)象是剛加工完的6-01檢控盒體零件。

2)利用編程軟件Creo Parametric 2.0在零件檢控盒體頂面上任意選取8個(gè)點(diǎn)位，在型腔底部選取8個(gè)點(diǎn)位，并用軟件編制雷尼紹測(cè)頭從安全平面移動(dòng)到16處點(diǎn)位的路線(xiàn)軌跡，生成平行度誤差檢測(cè)原始程序。

3)利用上述點(diǎn)位的坐標(biāo)，修改為標(biāo)準(zhǔn)在線(xiàn)檢測(cè)程序。檢測(cè)時(shí)，將修改后的在線(xiàn)檢測(cè)程序緊跟在整個(gè)加工程序最后，直接運(yùn)行。

4)在線(xiàn)檢測(cè)實(shí)際值為0.043 mm。通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x實(shí)際檢測(cè)，該平行度為0.045 mm，誤差為0.002 mm。檢測(cè)方案的可靠性進(jìn)一步得到確認(rèn)。

4結(jié)語(yǔ)

以平行度為例，通過(guò)對(duì)誤差檢測(cè)原理和評(píng)定方法的研究，提出了基于數(shù)控系統(tǒng)的在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)，開(kāi)發(fā)出了包括平行度在內(nèi)的幾何誤差在線(xiàn)檢測(cè)解決方案。通過(guò)試驗(yàn)和應(yīng)用逐步完善、成熟，可廣泛應(yīng)用到機(jī)械加工生產(chǎn)實(shí)踐中。

參考文獻(xiàn)

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責(zé)任編輯馬彤

我國(guó)研制成功大中型無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)

隨著“輕型航空發(fā)動(dòng)機(jī)TDO工程樣機(jī)”掛載中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院的“彩虹3”無(wú)人機(jī)近日試飛成功，我國(guó)大中型無(wú)人機(jī)擁有一顆“中國(guó)心”的夢(mèng)想成為現(xiàn)實(shí)，將打破國(guó)外在這個(gè)領(lǐng)域長(zhǎng)期技術(shù)和市場(chǎng)壟斷。這個(gè)輕型航空發(fā)動(dòng)機(jī)是由天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所負(fù)責(zé)研究開(kāi)發(fā)，并由宗申動(dòng)力合作試制。天津大學(xué)從2011年開(kāi)始組織科研團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)開(kāi)展輕型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工程設(shè)計(jì)研制工作。研發(fā)團(tuán)隊(duì)確定了以適用于大型無(wú)人機(jī)和雙人以下小型飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)為研發(fā)重點(diǎn)，完成TDO輕型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的方案設(shè)計(jì)、關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)及整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝分析，并聯(lián)合宗申動(dòng)力開(kāi)展TDO樣機(jī)試制。2015年3月，在天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所實(shí)現(xiàn)TDO工程樣機(jī)的成功點(diǎn)火著車(chē)和性能指標(biāo)測(cè)試。試驗(yàn)表明，TDO樣機(jī)性能完全滿(mǎn)足項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的技術(shù)要求。2015年4月29日，掛載中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院的“彩虹3”無(wú)人機(jī)整機(jī)首飛成功。據(jù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)專(zhuān)家介紹，“輕型航空發(fā)動(dòng)機(jī)TDO工程樣機(jī)”是一款活塞式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，綜合性能達(dá)到國(guó)外同類(lèi)型無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)水平，可滿(mǎn)足功率50 ～150 kW/h無(wú)人機(jī)和通用輕型航空器的需要。隨著電控技術(shù)和多級(jí)增壓技術(shù)的運(yùn)用，該發(fā)動(dòng)機(jī)及其后續(xù)產(chǎn)品可滿(mǎn)足無(wú)人機(jī)高空、長(zhǎng)航時(shí)的飛行需要。

——摘自機(jī)電商情網(wǎng)

Application of Online Measurement on the Geometric Errors Test

WANG Xiaobing1, ZHAO Kai1, GAO Yuan2, ZHENG Lian2, PENG Guangyu2

(1.Hubei Sanjiang Space Xianfeng Electonic & Information Co., Ltd., Xiaogan 432100, China;

2.Advanced Technology Generalization Institute of CNGC, Beijing 100089, China)

Abstract：The measurement of geometric error is an important part of quality assurance in machining. As the advanced geometric error detection technology online detection is becoming increasingly popular. Through in-depth study of the geometric error evaluation method, NC system macro programming and macro variables call key technology, improving the adaptability and process test, summarize a new online detection method based on CNC system. Take parallelism error detection as an example, the system introduces online detection technology in the geometric error detection application principle and method, and principle of test and production site actual processing application is taken as verification. The test results are close to the three coordinate measuring, and it proves that this technology is accurate and reliable, providing a new way for the study of on-line detection technology in the field of CNC machining.

Key words:CNC machine, online measurement software, geometric errors test

收稿日期：2015-03-18

作者簡(jiǎn)介：王曉兵(1970-)，男，工程師，主要從事數(shù)控加工等方面的研究。

中圖分類(lèi)號(hào)：TG 83

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B