在線測量技術(shù)在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用

摘 要：該文對(duì)應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件制造中的在線測量系統(tǒng)構(gòu)成、測頭選擇方法、測量數(shù)據(jù)處理等技術(shù)進(jìn)行研究與試驗(yàn)。工藝試驗(yàn)結(jié)果表明，在線測量技術(shù)是保證零件質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率的一個(gè)重要手段。

關(guān)鍵詞：在線測量 測頭 數(shù)據(jù)處理

中圖分類號(hào)：TP206文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2013）04（c）-0026-01

在線測量技術(shù)是指通過在線測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)零件加工后保持位置不變、直接對(duì)零件進(jìn)行測量的技術(shù)。其優(yōu)勢在于可以減少零件返修周期，保證產(chǎn)品制造過程中的質(zhì)量穩(wěn)定。在線測量可應(yīng)用于零件加工之前，進(jìn)行工件、工裝的自動(dòng)定位測量、工件坐標(biāo)系的自動(dòng)建立、工件尺寸的自動(dòng)測量；零件加工過程中，工件關(guān)鍵尺寸和形狀的自動(dòng)檢測，刀具補(bǔ)償值的自動(dòng)修正，加工超差報(bào)警；零件加工結(jié)束后，工件尺寸和形狀的自動(dòng)檢測、加工超差報(bào)警。對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的生產(chǎn)而言，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、高精度的加工要求、難切削的材料加工特性以及昂貴的制造成本都需要對(duì)零件進(jìn)行全制造周期的監(jiān)控，在線測量技術(shù)就成了保證零件質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率的一個(gè)重要手段。

1 在線測量系統(tǒng)構(gòu)成

在線測量系統(tǒng)主要由軟件系統(tǒng)和機(jī)床系統(tǒng)兩部分組成。軟件系統(tǒng)主要由測量程序生成與測量數(shù)據(jù)處理兩部分組成。測量程序生成主要是通過提取產(chǎn)品數(shù)學(xué)模型中的主要參數(shù)，建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)化參數(shù)模型，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合理規(guī)劃測量路徑、進(jìn)而生成測量程序，再經(jīng)過與機(jī)床對(duì)應(yīng)的后置處理器的處理形成機(jī)床可識(shí)別的測量程序；測量數(shù)據(jù)處理是對(duì)測頭系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，并生成工藝需求的檢測分析報(bào)告。機(jī)床系統(tǒng)可被看作為整個(gè)測量系統(tǒng)的執(zhí)行部分，它將軟件系統(tǒng)生成的測量程序由機(jī)床控制系統(tǒng)向各運(yùn)動(dòng)軸系發(fā)放指令，并由機(jī)床伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件執(zhí)行程序指令，最終實(shí)現(xiàn)測頭系統(tǒng)在零件表面的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)再經(jīng)過數(shù)控系統(tǒng)的通信接口傳遞給軟件系統(tǒng)，進(jìn)行處理與分析。該系統(tǒng)的優(yōu)勢在于通過DNC方式可快速、準(zhǔn)確地將測量數(shù)據(jù)傳輸至制定PC機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析與評(píng)價(jià)。以實(shí)現(xiàn)在不拆卸零件的情況下發(fā)現(xiàn)并解決問題。

2 測頭的選擇

高精度的機(jī)內(nèi)測頭是在線測量結(jié)果可靠的基本保證，對(duì)測頭的要求是在測量時(shí)測尖在與整體葉盤表面接觸的瞬間，測頭系統(tǒng)就應(yīng)感知到，并向控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，鎖存住各軸的光柵讀數(shù)，進(jìn)而獲得各軸的坐標(biāo)參數(shù)，完成一次測量。測頭的延遲反應(yīng)時(shí)間越短，則說明測頭越靈敏，測量的精度也越高。由于整體葉盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且尺寸與形位精度要求嚴(yán)格，因此對(duì)測頭的要求相對(duì)較高。

一般加工中心所配機(jī)內(nèi)測頭采用的是傳統(tǒng)的觸發(fā)式傳感裝置，其靈敏度受到觸發(fā)傳感機(jī)構(gòu)的限制，不是很高，當(dāng)測頭的測桿的長度超過其設(shè)計(jì)值時(shí)，其測量準(zhǔn)確度急劇下降，精度無保證，測量結(jié)果無效。

RMP600高精度機(jī)內(nèi)測頭與普通測頭在觸發(fā)傳感機(jī)構(gòu)上差異很大，它采用了最新的應(yīng)變片傳感機(jī)構(gòu)，使其靈敏度大為提高，對(duì)較長的測桿（200 mm）也可適用。RMP600的信號(hào)非常簡單，在測尖在與整體葉盤表面接觸后，由信號(hào)接收裝置RMI接收，RMI再向控制系統(tǒng)840D發(fā)出一個(gè)中斷信號(hào)。RMP600的信號(hào)傳輸采用特殊的跳頻無線電信號(hào)傳輸，傳輸距離達(dá)15 m，測頭信號(hào)不容易被遮擋，易于使用。通過在加工中心上的測試，分析標(biāo)準(zhǔn)球和典型件的測量結(jié)果，可以認(rèn)為RMP600測頭的精度符合在線測量的要求，測量結(jié)果可信。

3 測量程序設(shè)計(jì)

檢測坐標(biāo)系是檢測工程開始的前提，對(duì)檢測工程尤為重要。測量程序的設(shè)計(jì)主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：定義測頭、工件特征確認(rèn)、測量點(diǎn)選取及工件加工坐標(biāo)系的設(shè)定。

測頭的定義包括測頭幾何參數(shù)的設(shè)置與技術(shù)參數(shù)的設(shè)置兩部分。幾何參數(shù)包含紅寶石球直徑、測桿長度、測桿直徑，為了提高檢測的安全性，防止測桿與葉片發(fā)生干涉，可適當(dāng)將測桿直徑增大。檢測坐標(biāo)系選定一般與零件的加工基準(zhǔn)重合。同時(shí)，測量數(shù)據(jù)還需要與結(jié)構(gòu)化參數(shù)模型進(jìn)行分析比較，這就要求結(jié)構(gòu)化模型的坐標(biāo)系也要與零件的坐標(biāo)系一致。因此，零件的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、工藝基準(zhǔn)和測量基準(zhǔn)要保持一致。

在每個(gè)測量過程中，測頭的運(yùn)動(dòng)分為兩個(gè)階段。第一階段為普通運(yùn)動(dòng)，寶石球與被測點(diǎn)的距離大于系統(tǒng)設(shè)定的接近距離（一般為6mm），數(shù)控系統(tǒng)認(rèn)為在此階段內(nèi)測頭不應(yīng)與任何物體相接觸，若出現(xiàn)接觸，數(shù)控系統(tǒng)認(rèn)為發(fā)生了碰撞，系統(tǒng)立即停止運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，各軸被鎖定，通過操作盒不能移動(dòng)測頭。要解除這種狀態(tài)，需在主操作面板上，發(fā)“M110”命令（測量系統(tǒng)無效），仔細(xì)檢查后，可讓測頭脫離接觸，再發(fā)“M111”命令（測量系統(tǒng)有效）。第二階段為測量運(yùn)動(dòng)，寶石球與被測點(diǎn)的距離小于系統(tǒng)設(shè)定的接近距離，測頭移動(dòng)速度已降低，以保證測量的準(zhǔn)確性。當(dāng)寶石球或測桿與任何物體相接觸后，數(shù)控系統(tǒng)停止移動(dòng)；自動(dòng)采點(diǎn)，并回退，完成一次測量。

4 測量數(shù)據(jù)處理與分析

選用高精度標(biāo)準(zhǔn)件及具有復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)的整體葉盤進(jìn)行在線測量試驗(yàn)。測試方案：分別選用100 mm和200 mm長的測桿對(duì)直徑為Φ15 mm、Φ30 mm的標(biāo)準(zhǔn)球和長度為200 mm、400 mm的標(biāo)準(zhǔn)量塊進(jìn)行分組測量，每組測量10次（驗(yàn)證測量重復(fù)精度）；共測3組，每組標(biāo)準(zhǔn)球和量塊擺放位置及角度不同（驗(yàn)證系統(tǒng)精度）。選用200 mm長的測桿對(duì)整體葉盤葉身型面的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行測量，將測量點(diǎn)擬合成截面線，與理論截面線進(jìn)行對(duì)比。

通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)：測桿長度、測量速度、測針姿態(tài)等參數(shù)設(shè)置以及現(xiàn)場溫度變化、振動(dòng)、噪聲等環(huán)境因素對(duì)測量結(jié)果存在一定的影響（在這里，我們暫不考慮機(jī)床本身的精度誤差對(duì)測量結(jié)果的影響）。對(duì)每個(gè)影響因素進(jìn)行定量分析需要進(jìn)行系統(tǒng)的研究，筆者認(rèn)為這樣做的實(shí)際意義并不大。可以通過大量的數(shù)據(jù)積累，摸索在一般環(huán)境下在線測量的系統(tǒng)誤差與理論值對(duì)應(yīng)規(guī)律，將在線測量值從作為工序檢驗(yàn)的參考值過渡為工序檢驗(yàn)的結(jié)論。

5 結(jié)語

在線測量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：加工與測量的相輔相成，避免重復(fù)定位、裝夾，加工-測量一體，優(yōu)化流程，為特殊零件的測量提供了合理的工藝方案。本文結(jié)合航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)數(shù)控加工中接觸式在線測量技術(shù)進(jìn)行了研究與應(yīng)用，研究表明：在線測量技術(shù)是保證零件質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率的一個(gè)重要手段。