薄壁殼體零件三坐標(biāo)檢測方法

胡 蓉

（中航工業(yè)空空導(dǎo)彈研究院 質(zhì)檢中心，河南 洛陽 471000）

0 引言

某殼體零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔組、內(nèi)腔臺(tái)階圓、槽等檢測元素多，尺寸精度要求高，是典型的薄壁回轉(zhuǎn)類零件（圖1）。一次檢驗(yàn)需要準(zhǔn)備15種通用量具和檢測器具，6種專用量具。部分角度值和部分形位公差尺寸還需要人工間接計(jì)算獲得；內(nèi)腔線性尺寸、溝槽尺寸需要放置在平臺(tái)上，在零件自然狀態(tài)下借助通用量具獲得測量結(jié)果；形位公差和無法直接得到的空間尺寸需要二次轉(zhuǎn)工到三坐標(biāo)進(jìn)行測量，這種測量方式檢測周期長，檢測效率低下，不能滿足飛速增長的批生產(chǎn)檢測需求。為此，本文以該零件為例對零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和檢測難點(diǎn)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)了專用檢測工裝，通過實(shí)施和驗(yàn)證了該檢測方法的可行性，并且可以在相似類型零件測量方法中推廣。

圖1 零件結(jié)構(gòu)圖

1 零件特點(diǎn)分析

該零件屬于薄壁鋁件，直徑為?231 mm，圓周方向孔組數(shù)量多，易變形。檢測尺寸數(shù)量多，檢測截面多，公差要求精度高；內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)腔臺(tái)階有偏心圓和內(nèi)螺紋，圓周上階梯圓柱的形位公差檢測難度大。按照工藝文件要求使用零件兩端?229 mm內(nèi)孔為基準(zhǔn)A和基準(zhǔn)B，圖4中Q向長度為4 mm寬度為槽的中心為0°基準(zhǔn)，由于該0°基準(zhǔn)為A-B公共軸線和槽中心構(gòu)建的空間平面，使用常規(guī)檢測方法無法構(gòu)建實(shí)際A-B公共軸線，實(shí)現(xiàn)與基準(zhǔn)完全重合，手動(dòng)檢測難度很大且不精準(zhǔn)。

2 零件常規(guī)檢測方法

零件角向尺寸和中心高尺寸的檢測方法[1]是：將零件放置在檢測平臺(tái)分度頭的三爪上，找正后測量。同一個(gè)薄壁零件反復(fù)裝夾，每次使用的夾緊力和裝夾時(shí)三爪支撐位置不同，導(dǎo)致零件的變形量不同，影響零件的測量結(jié)果，不能保證單個(gè)零件測量結(jié)果的重復(fù)性、一致性和準(zhǔn)確性，不能消除圓跳動(dòng)所帶入的檢測誤差，且非自然狀態(tài)下裝夾不能得到零件的真實(shí)值。

部分線性尺寸的測量需使用杠桿表和測高尺來獲得，反復(fù)翻轉(zhuǎn)零件找正讀數(shù)過程繁瑣，且大批量檢測時(shí)容易出錯(cuò)。為了保證檢測結(jié)果的正確性，提高殼體類零件的檢測效率，采取新的檢測方法顯得尤為重要。

3 三坐標(biāo)檢測難點(diǎn)分析與解決方案

結(jié)合薄壁殼體零件檢測特點(diǎn)，探索合理的檢測技術(shù)，選擇使用具有測量精度高、重復(fù)性好、自動(dòng)化程度高的三坐標(biāo)進(jìn)行接觸式測量更能解決此類檢測問題。按照工藝文件要求、根據(jù)零件特點(diǎn)和測量元素的分布情況，做出合理的檢測規(guī)劃，設(shè)置檢測路徑，讓測針按照規(guī)劃的路徑線對零件空間幾何形狀以及三維特征元素進(jìn)行測量點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)該零件全尺寸三坐標(biāo)檢測，并且能直接輸出測量結(jié)果，嚴(yán)格區(qū)分合格項(xiàng)和超差項(xiàng)，最大限度地提高工作效率，提高測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測量結(jié)果的正確性和重復(fù)性。但是如何增加輔助支撐，實(shí)現(xiàn)零件快速定位找正、以滿足三坐標(biāo)的批量檢測需要是問題的關(guān)鍵。

3.1 零件的定位與找正

3.1.1 定位困難

該零件基準(zhǔn)為兩端內(nèi)孔，基準(zhǔn)孔壁上及零件圓周上有多組孔、槽特征；內(nèi)腔有螺紋孔、角度、中心距尺寸。自然狀態(tài)下檢測零件無法定位，需翻轉(zhuǎn)零件并二次糾正內(nèi)腔臺(tái)階的X/Y方向的直線，且只能獲得部分的測量元素。采用常規(guī)定位方式（三爪內(nèi)撐、V型塊支撐）均無法避免待測元素特征被干涉、無法精確定位零件，無法實(shí)現(xiàn)一次定位三坐標(biāo)檢測所有目標(biāo)元素。因此，設(shè)計(jì)了專用的檢測夾具，一次性解決裝夾定位的問題。

3.1.2 解決方案

（1）檢測工裝的設(shè)計(jì)和使用方法

檢測工裝方案考慮在零件自然狀態(tài)下設(shè)計(jì)臺(tái)階圓輔助支撐定位，將零位U型槽順時(shí)針偏轉(zhuǎn)45°擺放，使用銷規(guī)與檢具體的內(nèi)孔配合形成組合型結(jié)構(gòu)。保證內(nèi)腔四處線切割加工面和在其面上加工的孔系，臺(tái)階圓等元素能夠沿機(jī)器坐標(biāo)系X（Y）軸矢量正方向進(jìn)行檢測，減少三坐標(biāo)測頭調(diào)轉(zhuǎn)角度的次數(shù)，保證三坐標(biāo)方形測尖套與零件內(nèi)腔方形線切割平面平行，解決測針干涉問題，節(jié)省檢測時(shí)間。該工裝（圖2），由底座、扳手、壓板、螺釘、銷規(guī)[2]組成。

圖2 檢具體及配件

零件安裝時(shí)，根據(jù)機(jī)器坐標(biāo)系為零位，找正檢具體Y向?qū)挾葹? mm直槽的X坐標(biāo)尺寸＜0.01 mm，用壓板和M10的螺釘固定。將零件內(nèi)孔基準(zhǔn)A套在檢具體內(nèi)腔臺(tái)階圓外，基準(zhǔn)A的端面與內(nèi)腔臺(tái)階圓端面接觸定位，然后把銷規(guī)插入對應(yīng)的零件基準(zhǔn)槽內(nèi)，對零件進(jìn)行角向定位。

3.2 坐標(biāo)系的建立

3.2.1 工裝坐標(biāo)系的建立[3]

在三坐標(biāo)測量過程中，初始坐標(biāo)系是在手動(dòng)模式下完成，是為了告訴軟件工件在什么位置，這樣軟件會(huì)根據(jù)初始坐標(biāo)系進(jìn)行下一步自動(dòng)測量。考慮到檢測手動(dòng)采點(diǎn)方便簡單，所以將初始坐標(biāo)系建在檢具體上，相當(dāng)于建立了工裝夾具坐標(biāo)系，確定工裝夾具與零件之間的相對位置關(guān)系（圖3）。批檢過程中所有零件都工裝上在此坐標(biāo)系下進(jìn)行檢測，在此基礎(chǔ)上自動(dòng)檢測測量元素，重新建立零件坐標(biāo)系，減少批檢過程中件件找正的困難，縮短檢測準(zhǔn)備時(shí)間。該零件工裝坐標(biāo)系采用手動(dòng)檢測A基準(zhǔn)下表面四點(diǎn)平面為第一坐標(biāo)系，保證了批件過程中零件上表面測量高度的一致性；4 mm開口槽側(cè)邊直線為第二坐標(biāo)系，保證了零件在機(jī)器坐標(biāo)系下與?3小孔保持45°角向位置關(guān)系；?229 mm外圓心位置為第三坐標(biāo)系，保證了零件與檢測工裝的安裝間隙。

圖3 工裝坐標(biāo)系建立示意圖

3.2.2 零件坐標(biāo)系的建立

按照工藝圖紙要求，在工裝坐標(biāo)系下執(zhí)行DCC模式，測量零件的基準(zhǔn)元素，將坐標(biāo)系建立在被測零件上（圖4）。根據(jù)自由度3-2-1法則，首先確定零件基準(zhǔn)B端面為第一坐標(biāo)系，限制零件Z方向的移動(dòng)自由度和X、Y的旋轉(zhuǎn)自由度；Q向視圖3 mm槽到下端面的中點(diǎn)投影與A基準(zhǔn)內(nèi)圓柱與下端面的相交圓心連線D E為第二軸軸方向，限制Z方向的旋轉(zhuǎn)自由度；確定零件B基準(zhǔn)內(nèi)圓柱與其端面的相交圓心F為第三坐標(biāo)系，限制X、Y方向的移動(dòng)自由度。零件（自動(dòng)）坐標(biāo)系基準(zhǔn)的根據(jù)圖紙標(biāo)注的技術(shù)條件確定。由于該零件壁薄易變形的特點(diǎn)，建立坐標(biāo)系需增加上、下兩端圓柱的測量點(diǎn)[4]來消除軸向變形導(dǎo)致基準(zhǔn)偏移的問題。

圖4 零件坐標(biāo)系建立示意圖和Q向視圖零位U型槽

4 檢測方法

4.1 測量準(zhǔn)備

用卷尺確定檢具體檢測工裝外部圓周方向?300 mm的位置無干涉且未超過三坐標(biāo)的限位。用三坐標(biāo)測針測量兩槽一側(cè)同側(cè)平面點(diǎn)的方式，保證手動(dòng)找正兩端槽平面度不大于0.01 mm，并用壓板和螺釘固定。采用臺(tái)階圓底面、兩槽中分線及工裝圓心，使用3-2-1法則建立工裝坐標(biāo)系。

4.2 編制測量程序

（1）安裝零件

將該零件B基準(zhǔn)面朝上，45°角向3 mm的槽對準(zhǔn)檢具的銷釘孔，輕放在檢測工裝上，插入量規(guī)，而后拔出，確保零件的穩(wěn)定。

（2）精建零件坐標(biāo)系

新建零件測量程序，面1為零件上表面，4點(diǎn)；圓2為零件B基準(zhǔn)圓柱，16點(diǎn)；圓柱3為零件A基準(zhǔn)?229 mm內(nèi)圓柱，16點(diǎn)；圓柱4為零件A基準(zhǔn)?229 mm內(nèi)圓柱，16點(diǎn)；槽兩端平面點(diǎn)5、點(diǎn)6來確定其中心零位，圓柱上表面為第一基準(zhǔn)，AB圓柱到頂面的投影點(diǎn)與槽對稱中心[5]的連線為第二基準(zhǔn)，該投影點(diǎn)為第三基準(zhǔn)，精建零件坐標(biāo)系。

（3）編制程序進(jìn)行測量

最佳檢測方案編制自動(dòng)測量程序的確定：（1）編制測量程序以測針調(diào)用順序進(jìn)行排布；（2）測量按照視圖順序；（3）以測針旋轉(zhuǎn)角度的就近原則來確定檢測元素的順序。對該測量程序進(jìn)行固化并進(jìn)行存檔備用。

（4）輸出測量結(jié)果

對被測元素的角向尺寸、線性尺寸、中心高、形位公差等尺寸進(jìn)行計(jì)算，輸出測量結(jié)果。

5 檢測改進(jìn)效果

分別找十個(gè)檢驗(yàn)員，以角度尺寸30°±0.083°為例輸出三坐標(biāo)檢測結(jié)果（表1）和手工檢測（表2）結(jié)果。

表1 三坐標(biāo)檢測角度尺寸30°±0.083°檢測結(jié)果

表2 人工檢測角度尺寸30°±0.083°檢測結(jié)果

從表1，表2對比可以看出，手工檢結(jié)果波動(dòng)大，并且手工檢測單件該零件需要200 min，三坐標(biāo)檢測該零件需要40 min。檢測周期大幅縮短。

6 結(jié)束語

本文基于三坐標(biāo)測量方法和檢測工裝進(jìn)行了薄壁殼體零件檢測，其操作簡單，使用方便，可一次檢測所有項(xiàng)目，不需要進(jìn)行工位轉(zhuǎn)工，檢測質(zhì)量穩(wěn)定，縮短了檢測周期，大幅提高了檢測效率。在批量檢測中極大地減小了檢驗(yàn)員的工作強(qiáng)度，既保證了檢測結(jié)果的重復(fù)性和準(zhǔn)確性，又大大提高了檢驗(yàn)效率，能推廣至同種類型的零件。