用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)特型零件測(cè)量的研究

董 宇，李巖松

（1.人民解放軍駐沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限公司軍代表室，遼寧 沈陽(yáng)110034；2.沈陽(yáng)亞特重型裝備制造有限公司，遼寧 沈陽(yáng)110135）

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)作為現(xiàn)代大型精密儀器，已越來(lái)越顯示出其重要性和廣闊的發(fā)展前景。其可方便地進(jìn)行空間三維尺寸的測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)檢測(cè)及自動(dòng)化測(cè)量。其優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)為：

（1）通用性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)空間坐標(biāo)點(diǎn)位的測(cè)量，方便地測(cè)量出各種零件的三維輪廓尺寸和位置精度；

（2）測(cè)量精確可靠；

（3）可方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與程序控制。因而其可納入自動(dòng)化生產(chǎn)和柔性加工線(xiàn)中，并成為一個(gè)重要的組成部分。

進(jìn)入60年代以來(lái)，工業(yè)生產(chǎn)有了很大的發(fā)展，特別是機(jī)床、機(jī)械、汽車(chē)、航空航天和電子工業(yè)興起后，各種復(fù)雜零件的研制和生產(chǎn)需要先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)與儀器，因而體現(xiàn)三維測(cè)量技術(shù)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，并迅速發(fā)展和完善。本文針對(duì)難測(cè)量、難擺放零件及特殊位置孔的測(cè)量進(jìn)行研究，對(duì)本文相似零件有很好的參考價(jià)值。

1 復(fù)雜零件的測(cè)量難度

隨著三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的發(fā)展與普及，其作為一種全新的測(cè)量手段，要求必須有全新的與其相關(guān)的測(cè)量方法及測(cè)量思維，我選用了圖1所示的零件作為特例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。

圖1 測(cè)量零件示意圖

該零件的測(cè)量難度敘述幾種在以下幾點(diǎn)：

（1）零件的擺放。由于該零件2個(gè)方向都有孔，所以零件的擺放一定要注意，首先是要保證能夠測(cè)量所有孔，二是要保證能夠方便建立坐標(biāo)系。

（2）坐標(biāo)系的建立。該零件為5坐標(biāo)加工的零件，其兩個(gè)側(cè)面都是NC曲面，曲面2上8個(gè)孔都為矢量孔，該零件在加工為成品后，已經(jīng)失去了原有的加工基準(zhǔn)，同時(shí)，在設(shè)計(jì)上也沒(méi)有設(shè)計(jì)基準(zhǔn)供測(cè)量使用。所以，該零件在坐標(biāo)的建立上已經(jīng)不能采取普通的建坐標(biāo)系的方法。

（3）孔的測(cè)量。由于曲面2上8個(gè)孔都為矢量孔，首先就要解決如何以最簡(jiǎn)單的方法將各孔矢量方向輸入程序中，同時(shí)各矢量角度偏差很大，一個(gè)測(cè)頭方向已經(jīng)不能滿(mǎn)足需要，測(cè)頭的方向要與孔的矢量方向盡量一致，否則小則影響測(cè)量，產(chǎn)生測(cè)量偏差，大則碰撞測(cè)頭，對(duì)機(jī)床造成傷害。

（4）孔的評(píng)價(jià)。由于在設(shè)計(jì)上這12個(gè)孔都為NC加工孔，沒(méi)有孔距，不能像其它圖紙的孔以孔距來(lái)評(píng)價(jià)。

2 測(cè)量方案制定

2.1 建立坐標(biāo)系

曲面1為一直平面，上面4個(gè)孔都垂直于平面，將Z面建立在曲面1上，將零件Z方向建立與機(jī)床Y方向一致，可以解決孔的測(cè)量問(wèn)題，同時(shí)也給測(cè)頭足夠的空間來(lái)進(jìn)行偏擺。將零件原點(diǎn)放在曲面1的一個(gè)孔上，將X方向定義為從原點(diǎn)指向另一孔中心的方向上，至此，零件坐標(biāo)系的建立已經(jīng)完成。零件的擺放及坐標(biāo)系如圖2所示。

圖2 零件的擺放及坐標(biāo)系的建立

2.2 測(cè)頭偏擺

在零件擺放好后，要對(duì)測(cè)頭的偏擺進(jìn)行設(shè)計(jì)，以測(cè)量所有孔及數(shù)據(jù)點(diǎn)。首先測(cè)量曲面1、相鄰兩曲面及其上的6個(gè)孔的測(cè)頭角度直接可以定義為A90B0，可以滿(mǎn)足這一側(cè)面的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)及孔的測(cè)量要求。而曲面2，對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)的測(cè)量及前4個(gè)孔的測(cè)量，測(cè)頭角度定義為A0B0就可以滿(mǎn)足要求，但對(duì)后四個(gè)孔的測(cè)量A0B0角已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足要求，通過(guò)數(shù)模測(cè)量后，得到4個(gè)孔相對(duì)零件Z面的角度分別為14.7°及44.65°，所以另外設(shè)計(jì)兩個(gè)測(cè)頭角度A15B180、A45B180用于完成另外4個(gè)孔的測(cè)量任務(wù)。這樣，所有NC曲面的數(shù)據(jù)點(diǎn)及矢量孔的測(cè)頭偏擺已經(jīng)做完。

2.3 測(cè)量數(shù)據(jù)的提取及格式化

在數(shù)據(jù)的提取上，本著最大分布于被測(cè)曲面的原則，在曲面1一側(cè)提取了8個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，在曲面2一側(cè)提取了10個(gè)點(diǎn)，在對(duì)孔的處理上，提取了14個(gè)孔的孔中心坐標(biāo)及孔的矢量方向，并將點(diǎn)坐標(biāo)格式化為：PNTn X，Y，Z，I，J，K格式。同時(shí)將數(shù)據(jù)點(diǎn)分文件處理，曲面1一側(cè)測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)為一個(gè)文件，孔位數(shù)據(jù)為一個(gè)文件，曲面2一側(cè)測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)為一個(gè)文件，孔位數(shù)據(jù)為一個(gè)文件，共4個(gè)文件，以方便數(shù)據(jù)的讀入與數(shù)據(jù)處理。

數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)：對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)的評(píng)價(jià)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，評(píng)價(jià)點(diǎn)的X、Y、Z及矢量方向的上的偏差，公差±0.1；對(duì)孔的評(píng)價(jià)，因?yàn)槭乔嫔系氖噶靠祝荒懿捎迷u(píng)價(jià)孔距的方法來(lái)評(píng)價(jià)孔，所以對(duì)孔也采用了點(diǎn)一個(gè)的評(píng)價(jià)方法，利用孔中心的孔位數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)其X、Y、Z及矢量方向上的偏差，公差為0.075。

3 程序設(shè)計(jì)

在測(cè)量方案確定后，接下來(lái)的工作就是對(duì)測(cè)量程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，得用PCDMISCAD測(cè)量軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。

3.1 坐標(biāo)系的建立

首先進(jìn)行手動(dòng)建坐標(biāo)系，將運(yùn)行模式改為手動(dòng)，加載當(dāng)前測(cè)頭220，測(cè)尖T1A90B0。為了測(cè)量準(zhǔn)確，在曲面1上采5點(diǎn)建立Z軸，采曲面1上兩個(gè)孔建立X方向。手動(dòng)建坐標(biāo)系結(jié)束后，將運(yùn)行模式改更為自動(dòng)模式，設(shè)定安全平面Z正，高度10 mm，復(fù)制手動(dòng)建坐標(biāo)系，進(jìn)行自動(dòng)建坐標(biāo)系，以消除手動(dòng)建坐標(biāo)系帶來(lái)的一些偏差。

3.2 曲面1上孔的測(cè)量及評(píng)價(jià)

利用程序中找開(kāi)文件的功能，打開(kāi)曲面1上孔位數(shù)據(jù)點(diǎn)文件，插入評(píng)價(jià)功能，對(duì)剛測(cè)量的孔進(jìn)行評(píng)價(jià)，程序如下：

終止循環(huán)，孔的測(cè)量及評(píng)價(jià)程序結(jié)束。

3.3 測(cè)頭偏擺

為了能對(duì)曲面2上的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，必須進(jìn)行擺動(dòng)測(cè)頭，首先將測(cè)頭移動(dòng)到一個(gè)相對(duì)安全的地方，使測(cè)頭在偏擺過(guò)程中不至于撞上零件或夾具。所以在程序中插入移動(dòng)功能，使測(cè)頭遠(yuǎn)離工件及夾具，程序段如下：

移動(dòng)/點(diǎn),300,0,100

然后進(jìn)行測(cè)頭的偏擺，為曲面2的數(shù)據(jù)點(diǎn)的測(cè)量做好準(zhǔn)備，插入測(cè)頭偏擺功能，使測(cè)頭擺動(dòng)到A0B0，程序段如下：

測(cè)尖/T1A0B0,柱測(cè)尖IJK=1,-0.0000,0.0000,角度=90

3.4 曲面2上數(shù)據(jù)點(diǎn)的測(cè)量及評(píng)價(jià)

為了能正確的測(cè)量曲面2上的數(shù)據(jù)點(diǎn)，上面的安全平面設(shè)定已經(jīng)不能滿(mǎn)足測(cè)量要求，所以將安全平面更改為X正，高度為30 mm，以防在安全移動(dòng)過(guò)程中與零件發(fā)生碰撞，其程序如下：

安全平面/X正,90,X正,0

其余測(cè)量程序如曲面1上數(shù)據(jù)點(diǎn)的測(cè)量及評(píng)價(jià)的相同。

3.5 曲面2上的孔的測(cè)量及評(píng)價(jià)

由于曲面2上后4個(gè)孔要進(jìn)行測(cè)頭的偏擺，所以其在程序上要與其它的孔測(cè)量分開(kāi)，首先進(jìn)行頭4個(gè)孔的測(cè)量工作，將文件文件打開(kāi)并讀取前4個(gè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行孔的測(cè)量及評(píng)價(jià)，這時(shí)將測(cè)尖移動(dòng)到安全平面，并將測(cè)頭擺動(dòng)到A15B180，以進(jìn)行后兩個(gè)孔的測(cè)量及評(píng)價(jià)。此時(shí)文件指針位于文件第5行，指向第5個(gè)孔的孔位數(shù)據(jù)處，重新進(jìn)行循環(huán)，循環(huán)次數(shù)2次，進(jìn)行后兩個(gè)孔的測(cè)量及評(píng)價(jià)，為了使測(cè)量機(jī)在進(jìn)入孔的過(guò)程中可以沿矢量方向移動(dòng)，不和孔壁發(fā)生碰撞，在測(cè)孔對(duì)話(huà)框中，選擇移動(dòng)選項(xiàng)，如圖3所示。并輸入4，使測(cè)頭在進(jìn)入和退出孔的過(guò)程沿矢量方向移動(dòng)。完整程序如下：

圖3 曲面2上的孔的測(cè)量及評(píng)價(jià)

移動(dòng)/安全平面

測(cè)尖/T1A15B180,柱測(cè)尖IJK=0.9652,-0.0242,-0.2602,角度=-95.268

重新將測(cè)尖移動(dòng)到安全平面，并將測(cè)頭擺動(dòng)到A45B180，以進(jìn)行最后兩個(gè)孔的測(cè)量及評(píng)價(jià)。此時(shí)文件指針位于文件第7行，指向第7個(gè)孔的孔位數(shù)據(jù)處，重新進(jìn)行循環(huán)，循環(huán)次數(shù)2次，進(jìn)行最后兩個(gè)孔的測(cè)量及評(píng)價(jià)，程序如上。

4 結(jié)束語(yǔ)

PCDMISCAD測(cè)量軟件簡(jiǎn)單易學(xué)，功能強(qiáng)大，可操作性強(qiáng)，在對(duì)復(fù)雜型面及多矢量方向孔的測(cè)量上，PCDMISCAD測(cè)量軟件可以很好地完成對(duì)這類(lèi)零件測(cè)量任務(wù)，但卻需要操作者必須對(duì)PCDMISCAD軟件本身以及測(cè)量方法和測(cè)量思維有比較深入地了解，才能正確地進(jìn)行測(cè)量方案規(guī)劃、程序設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)。

[1]航空工藝裝備設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫(xiě)組.航空工藝裝備設(shè)計(jì)手冊(cè)-量具設(shè)計(jì)[K].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1979.

[2]航空工藝裝備設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫(xiě)組.航空工藝裝備設(shè)計(jì)手冊(cè)-刀具設(shè)計(jì)[K].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1979

[3]袁哲俊，等.金屬切削刀具[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1992.

[4]GB1800-89，GB1804-89.公差與配合[S].

[5]GB1882-90.形狀與位置公差[S].