三坐標(biāo)測(cè)量斜孔零件的應(yīng)用研究

宣默涵，于昕平，高小姣，李雨鵬，楊 羽

(1.長(zhǎng)春設(shè)備工藝研究所，吉林 長(zhǎng)春 130012；2.長(zhǎng)春理工大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130022)

1 概述

目前，伴隨著世界范圍內(nèi)科技水平的大幅提升，對(duì)于工業(yè)、研究界所適用的零件標(biāo)準(zhǔn)要求也更為精確。為了使零件尺寸及其必要的技術(shù)性能達(dá)到實(shí)際需求，應(yīng)在生產(chǎn)中做到極其精確的測(cè)量。為了達(dá)到這一要求，實(shí)用且高效率的精密測(cè)量?jī)x器就必不可少，如何改進(jìn)相關(guān)器材，創(chuàng)造并使用足夠精確、適配的檢測(cè)方法，已逐漸成為相關(guān)從業(yè)者必須考慮的問(wèn)題之一[1]?？梢哉f(shuō)，對(duì)于檢測(cè)環(huán)節(jié)而言，維持高精度以及高效率正是該環(huán)節(jié)的重要構(gòu)成部分以及核心衡量標(biāo)準(zhǔn)之一。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)作為一種具備多種尖端技術(shù)、融合多項(xiàng)功能的高科技測(cè)量設(shè)備，因其自身具有的高測(cè)量精度、高柔性和出類拔萃的數(shù)字化能力，在同類產(chǎn)品中脫穎而出，不論是在傳統(tǒng)機(jī)械制造業(yè)、模具制造行業(yè)，還是更需要精確度的航空航天、國(guó)防軍工等行業(yè)，均得到了廣泛認(rèn)可。時(shí)至今日，其已經(jīng)屬于現(xiàn)代工業(yè)檢測(cè)及質(zhì)量控制流程中，不可或缺的一種測(cè)量工具。在功能上，該測(cè)量機(jī)除了具備基礎(chǔ)測(cè)量功能，能夠?qū)α悴考叽纭⑿螤畎ㄏ嗷ノ恢玫然A(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量外，還可以做到對(duì)控制加工，更利于制造者高效率地調(diào)整相關(guān)加工參數(shù)，減少生產(chǎn)消耗。

相較于以往使用的用于尺寸檢測(cè)及質(zhì)量控制用途的同類產(chǎn)品，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)能集數(shù)種檢具的專門(mén)功能于一身，在最短的時(shí)間內(nèi)，能夠完成最多、足夠精確的產(chǎn)品尺寸檢測(cè)工作，還能對(duì)部件的幾何公差完成檢測(cè)，檢測(cè)精度達(dá)到了傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法匹敵的微米級(jí)，相較于其他測(cè)量工具的精準(zhǔn)度有了質(zhì)的飛躍。

在基本工作原理方面，測(cè)量機(jī)將受測(cè)零件置于一定的測(cè)量空間范圍中，從而測(cè)量到受測(cè)對(duì)象表面點(diǎn)在空間內(nèi)的三坐標(biāo)位置；接下來(lái)，測(cè)量機(jī)以測(cè)量軟件為工具，通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算，擬合各測(cè)量元素，例如球、圓錐或者曲面等，進(jìn)一步獲得形狀、位置公差等相關(guān)幾何數(shù)據(jù)。這樣就可以在一次裝夾流程內(nèi)，做到對(duì)所有所需測(cè)量元素?cái)?shù)據(jù)的搜集工作；所應(yīng)用的先進(jìn)測(cè)量軟件，充分發(fā)揮其具備的在幾何構(gòu)造、尺寸統(tǒng)計(jì)、公差評(píng)定等方面的各項(xiàng)功能，高效地對(duì)零件的各部分尺寸包括幾何公差進(jìn)行必要的計(jì)算、評(píng)價(jià)。

作為機(jī)械加工過(guò)程中極為重要的組成部分，回轉(zhuǎn)體類零件對(duì)于角度誤差相當(dāng)敏感。這一方面的誤差將對(duì)此類零件在配合精度、震動(dòng)、運(yùn)動(dòng)軌跡等方面造成直接影響。所以，對(duì)于角度參數(shù)采集、測(cè)量工作的重要性也不言而喻。長(zhǎng)期以來(lái)，在生產(chǎn)過(guò)程中，角度測(cè)量工作使用的常用工具為角度尺、直角尺、角度儀測(cè)量等，這類工具的缺陷也很明顯：只可以對(duì)單純角度進(jìn)行測(cè)量，并存在需要找正范圍才能足夠精確的限制條件；在空間角度的測(cè)量上，這類工具只能束手無(wú)策。例如，隨著工業(yè)界的進(jìn)步，許多前所未有的、結(jié)構(gòu)相當(dāng)緊湊的復(fù)雜殼體類產(chǎn)品，對(duì)角度測(cè)量提出了更多的要求。這類產(chǎn)品不論是在測(cè)量位置上，還是測(cè)量方向上，均五花八門(mén)，難以找到規(guī)律。如果使用傳統(tǒng)的角度尺來(lái)完成測(cè)量工作，就必須對(duì)產(chǎn)品上的所有角度予以重新定位，并消耗大量的精力在找正工作上，從而拉低測(cè)量效率，對(duì)生產(chǎn)工作不利[2-3]。

考慮到上述問(wèn)題，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)所具備的特有綜合優(yōu)勢(shì)能夠更適應(yīng)現(xiàn)實(shí)的需求，高效率地完成測(cè)量工作。測(cè)量機(jī)能夠完成三維尺寸高精度檢測(cè)；在精確度上，還能夠利用測(cè)針轉(zhuǎn)動(dòng)任意角度，完成任意位置上斜孔的測(cè)量；編程自動(dòng)測(cè)量可以做到批量檢測(cè)，為檢測(cè)效率帶來(lái)極大提升。本文主旨為：利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)完成對(duì)后蓋零件批量的角度檢測(cè)，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行綜合分析，以期達(dá)到檢測(cè)效率的提升[4]，指導(dǎo)加工生產(chǎn)，輔助為產(chǎn)品定型。

2 設(shè)備簡(jiǎn)介

本次檢測(cè)使用的設(shè)備是德國(guó)卡爾蔡司的三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x(見(jiàn)圖1)。規(guī)格為1 000 mm×1 200 mm×600 mm，承重300 kg，長(zhǎng)度測(cè)量的示值誤差MPE=(2.2+L/300) μm。

圖1 三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x

3 制定檢測(cè)方案

測(cè)量環(huán)境：溫度(20±2) ℃，濕度40%～60%，ZEISS三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)供氣氣壓0.5～0.6 MPa。

ZEISS三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)為坐標(biāo)平面投影，使用系統(tǒng)為笛卡爾坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)；測(cè)量元素以坐標(biāo)平面為基礎(chǔ)，結(jié)果能夠?qū)Ξ?dāng)下坐標(biāo)系下元素投影所具備的屬性特征予以反映。

用于測(cè)量的零件應(yīng)當(dāng)做去毛刺處理，保持表面潔凈。將受測(cè)體后蓋零件置于測(cè)量?jī)x工作平臺(tái)，依照平臺(tái)定位釘?shù)亩ㄎ恢甘?，?duì)受測(cè)體完成定位及裝夾。選擇相應(yīng)測(cè)針，在進(jìn)行測(cè)量前應(yīng)對(duì)該測(cè)針進(jìn)行校驗(yàn)，驗(yàn)證其是否具備足夠的準(zhǔn)確性。以零件為中心，建立相應(yīng)的工件坐標(biāo)系；根據(jù)圖樣提供的特征，手動(dòng)測(cè)量工件，完成公差檢測(cè)，進(jìn)入編程環(huán)節(jié)；與此同時(shí)，完成對(duì)檢測(cè)路徑、安全距離、回退距離的確認(rèn)工作。數(shù)據(jù)搜集完成后，評(píng)價(jià)相應(yīng)結(jié)果，自動(dòng)完成檢測(cè)報(bào)告并輸出。

4 建立坐標(biāo)系

零件裝夾工序：以圖樣為基準(zhǔn)，把受測(cè)零件置于測(cè)量?jī)x的工作平臺(tái)之上。假設(shè)將工作平臺(tái)設(shè)定為坐標(biāo)系原點(diǎn)，工件呈軸對(duì)稱圖形，這將使得機(jī)器在運(yùn)行過(guò)程中，所檢測(cè)到的工件位置同實(shí)際位置有所偏差，從而發(fā)生撞針情況，更有甚者會(huì)出現(xiàn)三坐標(biāo)探針損壞的結(jié)果(見(jiàn)圖2)。因此，選擇把坐標(biāo)系建立于工件自身，利用其上的圓柱、曲面等相關(guān)元素設(shè)立坐標(biāo)系，從而降低因擺放位置、方向造成的撞針發(fā)生概率(見(jiàn)圖3)。

圖2 坐標(biāo)系建立在工作平臺(tái)上

圖3 坐標(biāo)系建立在工件上

5 手動(dòng)檢測(cè)

首先對(duì)后蓋零件進(jìn)行檢測(cè)，然后后蓋零件將壓裝噴管，形成新零件后球體。測(cè)量噴管角度，根據(jù)圖樣要求，公差應(yīng)為24°±8′。基準(zhǔn)及噴管夾角數(shù)據(jù)，使用下列3類方式測(cè)量：1)噴管投影于工作平面，基準(zhǔn)與投影間產(chǎn)生的夾角；2)構(gòu)造平面，平面調(diào)用噴管等元素，基準(zhǔn)同平面夾角；3)基于工件為軸對(duì)稱圖形的前提，將兩兩相對(duì)噴管完成連接，構(gòu)成直線，基準(zhǔn)與直線間夾角[5]。

在對(duì)上述幾種方式得到的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析后，同圖樣相比較，最終選用第2種方法完成測(cè)量工作。

6 編程

手動(dòng)輸入所有元素，設(shè)置參數(shù)。圓柱劃分成2個(gè)圓，即上層圓與下層圓，每層圓再各選擇4個(gè)測(cè)量點(diǎn)；平面參數(shù)亦選擇4個(gè)點(diǎn)。設(shè)定輸出的圓柱直徑數(shù)據(jù)，基準(zhǔn)面同各元素間夾角；設(shè)定安全平面，設(shè)定回退距離。鑒于三坐標(biāo)本身的轉(zhuǎn)角數(shù)值是5°，圖樣需要的數(shù)值是24°，故探針同噴管法線方向不垂直，因此在測(cè)量時(shí)，探針連接桿將同噴管互相形成干涉，這將對(duì)測(cè)量結(jié)果造成不利影響。故筆者選擇使用φ8紅寶石探針，并選擇桿較細(xì)的探針進(jìn)行連接，以達(dá)到削弱干涉影響、提升精度的效果[6-8]，程序自動(dòng)運(yùn)行完成后的結(jié)果如圖4所示。

7 技術(shù)難點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)

本次研究的主要技術(shù)難點(diǎn)是，在實(shí)際的測(cè)量計(jì)算過(guò)程中，以驗(yàn)證測(cè)量方法為目的進(jìn)行多次測(cè)量技術(shù)以及最后的評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看，其中是存在大量數(shù)據(jù)偏差的，也就是說(shuō)在研究三坐標(biāo)測(cè)量斜孔角度的過(guò)程中，需要以特定的方法才能實(shí)現(xiàn)更高的效率和更高的準(zhǔn)確度。針對(duì)這一難點(diǎn)，本次研究以大量的實(shí)測(cè)計(jì)算為基礎(chǔ)，總結(jié)歸納了諸多次實(shí)測(cè)過(guò)程為依據(jù)，最后反復(fù)計(jì)算對(duì)比，得出了唯一有效的測(cè)量方法。

主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)分為3個(gè)方面。其一：在經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)性測(cè)量的方法過(guò)程和計(jì)算結(jié)果的參考對(duì)比之后，筆者最后發(fā)現(xiàn)，只有構(gòu)造平面，平面調(diào)用噴管等元素，基準(zhǔn)同平面夾角的方法可以測(cè)得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)并且在之后的評(píng)測(cè)結(jié)果中確保成功。其他2種方法均有偏差，并且得不到良好的評(píng)測(cè)結(jié)果。其二：有利于提高測(cè)量的精密度，在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用過(guò)程中，測(cè)量的精密度無(wú)疑是最為重要的指標(biāo)。通過(guò)本次研究得出的測(cè)量方法，可以有效解決在面對(duì)斜孔這類限于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)而不能快速準(zhǔn)確測(cè)量的問(wèn)題。其三：有利于提高實(shí)際測(cè)量工作效率。在實(shí)際使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程中，面對(duì)因產(chǎn)品構(gòu)造而無(wú)法快速測(cè)量的狀況，本次研究正是針對(duì)斜孔這一問(wèn)題，研究得出新的測(cè)量方法以解決這一問(wèn)題，從而縮短單個(gè)零件的測(cè)量時(shí)長(zhǎng)，提高實(shí)際測(cè)量工作效率。

8 注意事項(xiàng)

在利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，零件擺放位置、夾具選取工作尤為重要。倘若零件未能使用匹配的夾具完成裝夾，對(duì)于測(cè)量數(shù)值以及最后的計(jì)算結(jié)果將會(huì)造成不可忽視的影響。所以，恰當(dāng)、適配的夾具選取必不可少。零件測(cè)量面應(yīng)當(dāng)潔凈無(wú)銹，污漬對(duì)于測(cè)量的精準(zhǔn)度也有比較明顯的負(fù)面效果。除此之外，室內(nèi)溫濕度同測(cè)量結(jié)果的精確性也有相當(dāng)程度的關(guān)聯(lián)。極端的溫度、濕度都會(huì)使得測(cè)量數(shù)值發(fā)生偏差[9]。

圖4 檢測(cè)記錄

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)通常采用接觸式測(cè)量法。使用該方法時(shí)，測(cè)頭將碰觸工件表面，從而取得被測(cè)要素點(diǎn)。測(cè)頭頭部由一個(gè)桿同測(cè)球構(gòu)成，測(cè)頭通常采用紅寶石作為材料。測(cè)頭本身的相關(guān)質(zhì)量、屬性會(huì)對(duì)測(cè)量過(guò)程造成如下影響。

1)適當(dāng)?shù)臏y(cè)頭桿長(zhǎng)度。由于接觸測(cè)量法的特點(diǎn)，測(cè)頭同工件之間不可避免地會(huì)產(chǎn)生力的作用，測(cè)頭受到?jīng)_擊后，必然會(huì)發(fā)生變形的趨勢(shì)。如果測(cè)桿過(guò)長(zhǎng)，剛性較差，就會(huì)更容易發(fā)生變形，在進(jìn)行輪廓要素的捕捉工作時(shí)，更容易失準(zhǔn)，從而使得圓度誤差的測(cè)量精度有所損失。

2)適當(dāng)?shù)臏y(cè)球直徑。被生產(chǎn)出的工件，表面再潔凈也不可能達(dá)到完全光滑，一定會(huì)存在表面粗糙度誤差。測(cè)球同工件表面點(diǎn)接觸時(shí)，測(cè)球越小，再捕捉要素點(diǎn)時(shí)，就更能展現(xiàn)出粗糙度誤差施加在點(diǎn)捕捉精度上的效果。而在測(cè)量圓度誤差時(shí)，測(cè)球?qū)⒂谜粋?cè)面點(diǎn)同工件表面完成碰觸，此時(shí)就算適當(dāng)加大測(cè)球直徑，也不會(huì)對(duì)誤差補(bǔ)償造成消極影響，反而還能夠削弱表面粗糙度對(duì)點(diǎn)捕捉失真的不良影響[10]。

采樣點(diǎn)數(shù)與點(diǎn)擬合所得輪廓的粗糙度值之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，前者數(shù)量越少，后者數(shù)值就越高，精度也就更低?？紤]到這種情況，筆者認(rèn)為，需要適度地對(duì)采樣點(diǎn)間距予以縮短，以期取得采樣精度上的提升；在采樣點(diǎn)數(shù)量上也應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，不能因?yàn)閷?duì)精度的需求，反而影響了測(cè)量的效率[11]。

隨著機(jī)械加工的發(fā)展，零件將以不同的狀態(tài)呈現(xiàn)，也是基礎(chǔ)零件的延伸。后球體檢測(cè)程序的基礎(chǔ)是后蓋的檢測(cè)程序，所以在斜孔角度評(píng)價(jià)上也有延續(xù)。斜孔角度的評(píng)價(jià)方法尤為重要，決定著零件加工是否成功。選擇斜孔角度的評(píng)價(jià)方法，是經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)、調(diào)試和調(diào)整所得的結(jié)果。

9 結(jié)語(yǔ)

本文使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)來(lái)完成對(duì)斜孔角度的測(cè)量工作，通過(guò)統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果，證實(shí)了零件在多數(shù)情況下均避免了傳統(tǒng)方式角度尺測(cè)量法的測(cè)量死角，能夠在充分地滿足對(duì)數(shù)據(jù)高精度要求的前提下，大幅節(jié)約檢測(cè)消耗時(shí)間，有效提高檢測(cè)效率。尤其在對(duì)復(fù)雜零件進(jìn)行角度檢測(cè)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化的檢測(cè)程序?qū)α慵z測(cè)精度與效率優(yōu)勢(shì)更起著至關(guān)重要的作用。