盒體、框架類零件產(chǎn)品化測量方法研究

陸 超 賀 儉 陳敏豪 孫瑞峰 毛 喆 徐 杰

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109）

隨著航天產(chǎn)業(yè)化與商業(yè)航天的發(fā)展，各類航天產(chǎn)品貨架化設(shè)計(jì)與批量化生產(chǎn)成為主流趨勢。盒體、框架型零件作為各類產(chǎn)品的重要結(jié)構(gòu)支撐，廣泛應(yīng)用于各類型產(chǎn)品。為適應(yīng)各類產(chǎn)品接口，盒體、框架結(jié)構(gòu)上往往設(shè)計(jì)有各類孔型結(jié)構(gòu)[1-3]。這些結(jié)構(gòu)的精度影響著產(chǎn)品的整體裝配與后續(xù)產(chǎn)品集成的質(zhì)量[4-5]。因此，準(zhǔn)確測量與檢驗(yàn)盒體、框架型零件上的接口孔位位置成為保障產(chǎn)品質(zhì)量的重要流程。微差異化的接口需求，使得該測量工作需要在保障測量精度的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)一定的測量柔性和測量效率。傳統(tǒng)的測量方法是采用三坐標(biāo)測量儀、游標(biāo)卡尺等設(shè)備與工具進(jìn)行測量。三坐標(biāo)測量儀測量精度可以到達(dá)微米級，但需要在大平臺進(jìn)行零件固定、基準(zhǔn)面測量、孔位內(nèi)腔測量、孔中心擬合以及孔位置計(jì)算[6-7]。雖然保障了高精度，但其流程較為復(fù)雜，設(shè)備占用時(shí)間長，不利于產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。游標(biāo)卡尺可以直接卡住孔位與盒體、框架邊緣進(jìn)行測量，測量速度快，但是孔中心定位較為困難[8-9]，并且受到結(jié)構(gòu)、剛度等影響，產(chǎn)品化測量誤差較大。本研究提出了一種新的盒體、框架零件孔位產(chǎn)品化測量方法，通過設(shè)計(jì)相應(yīng)的測量裝置，并以盒體盒體、框架產(chǎn)品的側(cè)孔位置測量為案例開展試驗(yàn)，最終達(dá)到了測量耗時(shí)少、精度高，能適用于各類零件產(chǎn)品的目標(biāo)，具有重要的推廣價(jià)值。

1 盒體、框架類零件產(chǎn)品化測量方法設(shè)計(jì)

1.1 測量裝置設(shè)計(jì)

研究設(shè)計(jì)的產(chǎn)品化測量裝置，如圖1所示。裝置包含測量樣品、測量底座、測量模塊以及壓緊模塊等結(jié)構(gòu)。安裝時(shí)，測量裝置按照測量底座、壓緊模塊、測量模塊的流程安裝。

圖1 盒體側(cè)孔位置測量裝置簡圖

測量底板為安裝測量樣品提供測量基準(zhǔn)。盒體、框架類側(cè)孔加工往往以盒體、框架一側(cè)為基準(zhǔn)進(jìn)行加工，因此在測量中以一側(cè)為基準(zhǔn)進(jìn)行。裝置設(shè)計(jì)以圖1中測量底座左側(cè)板平面為測量基準(zhǔn)，測量過程中需保證產(chǎn)品基準(zhǔn)面緊靠底座左側(cè)板的平面。壓緊模塊起到固定產(chǎn)品和貼合基準(zhǔn)的作用。該模塊由壓塊、彈簧，固定塊以及導(dǎo)向塊構(gòu)成，可以將不同尺寸的盒體、框架均固定于底板，并保持基準(zhǔn)貼合。該模塊彈簧可以更換，以適用于不同剛度的產(chǎn)品，避免測量過程中的彈性變形。測量模塊由卡尺、測量滑塊以及測針構(gòu)成，如圖2所示。測量滑塊保持內(nèi)部的板簧穩(wěn)定并將其固定在卡尺上。測針頭部為圓錐形結(jié)構(gòu)，可適用于不同孔徑的測量，如圖3所示。測針中部為方形測量面，與測針軸線重合，用于方孔的測量。

圖2 測量模塊簡圖

圖3 測針機(jī)構(gòu)簡圖

1.2 測量方案

基于圖1的測量裝置，針對盒體、框架零件側(cè)孔的測量流程如圖4所示。

圖4 盒體、框架側(cè)孔孔位測量流程

（1）確定系列產(chǎn)品測量/檢驗(yàn)需求：依據(jù)該批次產(chǎn)品的強(qiáng)度與尺寸調(diào)整壓緊模塊彈簧長度與強(qiáng)度。

（2）安裝壓緊模塊：將壓緊模塊安裝在底板上，保證壓塊能夠自由活動(dòng)。

（3）安裝計(jì)量塊并測試校準(zhǔn)：將計(jì)量塊安裝至底板，采用壓緊模塊壓緊；移動(dòng)測量模塊，將測針對準(zhǔn)測量面，讀取卡尺讀數(shù)，確定其精度；通過調(diào)整卡尺固定底板上的墊片進(jìn)行調(diào)整校正。

（4）安裝待測產(chǎn)品：完成校正的測量裝置可以用于批量產(chǎn)品的測量。將待測產(chǎn)品如圖1所示通過壓緊模塊固定安裝在底板上，保證其基準(zhǔn)面為左側(cè)平面，待測孔在測量模塊方向。

（5）產(chǎn)品孔位測量：移動(dòng)測量模塊，將測量針對準(zhǔn)并壓住待測孔，讀取產(chǎn)品孔位置數(shù)據(jù)。針對產(chǎn)品上多個(gè)孔情況，可以依序多次測量讀數(shù)取均值。

1.3 裝置精度分析

測量裝置中使用的測量原理誤差主要來源于標(biāo)尺測量誤差。裝置直接采用高精度游標(biāo)卡尺作為測量模塊，精度達(dá)到0.02 mm。校準(zhǔn)計(jì)量塊采用標(biāo)準(zhǔn)件以三坐標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)孔標(biāo)定，精度為5 μm，可以滿足校準(zhǔn)需求。在進(jìn)行圓孔孔位測量時(shí)，校準(zhǔn)過程中使用方形測量面為基準(zhǔn)面，但是方形測量面與圓錐軸線之間存在一定的加工誤差。方形測量面在加工時(shí)以測針外圓柱面為定位[10-11]，忽略了V形定位塊加工誤差，則誤差t的計(jì)算為

式中：a為定位塊角度；D為零件公差。

圖5 測針誤差

測針在加工過程中取7級精度，誤差為0.015 mm。V形塊選用90°，則方形測量面的誤差為0.003 mm。結(jié)合標(biāo)尺的測量精度，測量圓形安裝孔時(shí)的誤差為0.023 mm。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的方法的實(shí)用價(jià)值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本次實(shí)驗(yàn)將傳統(tǒng)盒體、框架類零件產(chǎn)品化測量方法作為對比方法，與設(shè)計(jì)的盒體、框架類零件產(chǎn)品化測量方法共同進(jìn)行對比測試。隨機(jī)選取出6個(gè)盒體、框架類零件，零件編號為KJ_1～KJ_6。零件的實(shí)際產(chǎn)品化尺寸通過三坐標(biāo)測量獲取。每個(gè)零件的實(shí)際孔位均存在差異。在其他條件均一致的情況下，將傳統(tǒng)盒體、框架類零件產(chǎn)品化測量方法測出的零件孔位，與設(shè)計(jì)的盒體、框架類零件產(chǎn)品化測量方法測出的零件孔位進(jìn)行對比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 單位：mm

如表1與圖6所示，隨機(jī)選取的KJ_1～KJ_6共6個(gè)盒體、框架類零件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中，傳統(tǒng)盒體、框架類零件產(chǎn)品化測量方法測出的零件孔位與實(shí)際孔位最大相差0.4 mm，測量精準(zhǔn)度不高，很容易造成后續(xù)裝配等問題。設(shè)計(jì)的盒體、框架類零件產(chǎn)品化測量方法測出的零件孔位與實(shí)際僅相差0.01 mm，測量精準(zhǔn)度高，誤差穩(wěn)定性也較好。

圖6 測量誤差比較

3 結(jié)語

近年來，盒體、框架類零件以其重量輕、節(jié)約材料等優(yōu)勢在工業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。但是，此類零件的結(jié)構(gòu)剛度較小，加工測量方面誤差較大，測量效率與穩(wěn)定度存在不足，影響后續(xù)的裝配效果。因此，本文設(shè)計(jì)了一種新的盒體、框架類零件產(chǎn)品化測量方法，可以柔性化適應(yīng)各類盒體、框架產(chǎn)品，減少盒體、框架變形，提高盒體側(cè)孔位置測量裝置的測量精度，真正意義上實(shí)現(xiàn)盒體、框架類零件產(chǎn)品化的高精度測量。