機夾式型線銑刀刀片槽檢測技術(shù)研究

楊林建，劉淑香，徐化文，張金華

(1.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川德陽 618000;2.東方汽輪機集團公司，四川德陽 618000)

1 刀體結(jié)構(gòu)建模

2273-091092A 機夾式型線刀體為圓柱狀旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，其主要特點為每圓周四層節(jié)圓上均勻分布計48 個刀片槽，并且每層刀片槽相對上層刀片槽有22.5°的角度，因刀片槽數(shù)量多，尺寸小，每層刀片槽相對上層刀片槽有非90°角度，精度要求在±0.005 mm 以內(nèi)，精度要求高，故增大檢測難度。模型結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 2273 -091092A 機夾式型線刀體三維模型

2 數(shù)據(jù)要求

該刀體用于刀具研究人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，也用于實際生產(chǎn)，檢測數(shù)據(jù)要求直觀、易分析，工藝要求各刀片槽位置尺寸按±0.005 mm 控制。

面構(gòu)成要素可用一線及一點方式，即測量出平面上一條線及一個點進(jìn)行平面定位，此方法結(jié)果為線的質(zhì)心點坐標(biāo)、角度及平面所通過點的坐標(biāo)值。因刀片槽平面很小，所檢測出的角度誤差很大，計算如下:arctan (0.01/3)≈10'，當(dāng)檢測的實際值與理論值差0.01 mm 時，反映在面上的角度值就差10'，該檢測數(shù)據(jù)不能真實、直觀反映出實際刀具與理論刀具差值，不利于數(shù)據(jù)分析及評價。

如采用三點確定面，即測量出面上3 個實際點，此方法的結(jié)果是面所通過3 個點的坐標(biāo)值，也就是實際點與理論面距離，檢測數(shù)據(jù)直觀，方便刀具研究人員對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。但點是平面元素，在測量中誤差較大，誤差分析及數(shù)據(jù)見圖2 和表1。

圖2 點平面誤差分析

表1 誤差分析表 μm

最終想要獲得紅寶石球與工件表面接觸的特征點，兩個點之間間距為觸測方向(矢量方向)上的測針半徑值，這需要通過測頭補償來實現(xiàn)，即將紅寶石球心點沿測針觸測方向補償測針半徑之后，得到工件表面的特征點。矢量在軟件中重要作用是利用矢量方向進(jìn)行測頭半徑補償。當(dāng)測量一點后，機器沿著與被測點矢量方向相反方向進(jìn)行觸測，測頭補償也是沿著同樣方向。如果觸測方向不正確，將引起“余弦誤差”。

為方便刀具研究人員分析數(shù)據(jù)，檢測元素為點，48 個刀片槽共144 個點，人為手動測量，工作量大，必須使用三維模型來實現(xiàn)自動化檢測。但如在三維模型上讀取理論點坐標(biāo)來實現(xiàn)自動化，雖減輕了手動采點的勞動強度，但要在48 個面上讀取144 個理論點，且每組理論值不一致，理論檢測數(shù)據(jù)不直觀，耗費的時間多，不利于刀具研究人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

其次檢測數(shù)據(jù)正負(fù)號不能代表工件實體高低，是在測量中長期以來存在的難題，因此不能很直觀地判斷面的高低，給科研人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析帶來了極大不便，坐標(biāo)處理見圖3。

圖3 所示設(shè)點1 的理論坐標(biāo)值Y1=+40 mm，實測值Y=+40.02 mm，偏差為0.02 mm。點1 實測值應(yīng)越大越高，反之低。現(xiàn)實測值比理論值大，則證明實體高出理論，則偏差符號為正。

圖3 坐標(biāo)處理

圖3 設(shè)點2 的理論值為Y2=20 mm，實測值為Y=19.99 mm，偏差為-0.01 mm。點2 實測值應(yīng)越大越低，反之高。現(xiàn)實測值比理論值小，則證明實體高出理論，現(xiàn)偏差符號為-，要減少科研人員數(shù)據(jù)分析的時間，就必須使實體高低符號化。

由于程序中名稱變量只允許在末尾，要滿足高效的自動檢測，只能將面的序號名作為變量，所以只能將面的序號放在名稱末尾，而不能將點的序號作為變量。檢測出的結(jié)果排列不直觀是因為點的序列號在面的序列號之前，因此檢測結(jié)果優(yōu)先按點排列，故一個面上的3 點分布在不同的位置，并且每個平面上的點的理論數(shù)據(jù)不一致，且偏差結(jié)果不可靠，檢測出來的數(shù)據(jù)只有通過刀具研究人員在Pro/E 模型上逐點輸入后進(jìn)行對比，如檢測出現(xiàn)誤差，則無法及時發(fā)現(xiàn)，且刀具在檢測完成后，依然要占用儀器，直到數(shù)據(jù)分析完成后才可取下刀具進(jìn)行其他工件的檢測。如何解決數(shù)據(jù)排列及結(jié)果偏差的直觀性是檢測中的難點。

3 檢測方案設(shè)計

3.1 儀器選擇

刀體的諸多結(jié)構(gòu)特點以及其較高的精度要求，同時為了保證高效率的檢測，必須使用三維模型來實現(xiàn)自動化檢測，因此，選擇一臺能夠?qū)崿F(xiàn)三維測量的高精度儀器進(jìn)行該刀體的測量。2011年12 月引進(jìn)一臺海克斯康Reference600 三坐標(biāo)測量儀，其主要性能體現(xiàn)在能夠?qū)肴S模型、精度高、檢測過程依靠程序?qū)崿F(xiàn)、可開發(fā)性強，在進(jìn)行批量檢測時效果尤為明顯。

3.2 測針選用

針對刀體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測量面小，只能選用直徑盡可能小、測桿盡可能長的測針，并且要具備不同的方向，所以選用φ1.5 mm×30 mm 的測針。為避免測針干涉，選用水平4 個星型測針對刀體進(jìn)行測量，如圖4 所示。

圖4 測針結(jié)構(gòu)及安裝

要避免測量時采點的誤差，就需要使用三維模型自動采集，提取面的點來消除點的測頭補償誤差;即要保證高效檢測，又保證數(shù)據(jù)的可分析性，就必須讓程序?qū)崿F(xiàn)三維模型自動檢測，且保證每一層的4 組刀片槽理論數(shù)據(jù)一致;要保證實體高低符號化，即必須提取實測面的矢量方向來計算實測值;為了檢測數(shù)據(jù)直觀、減少分析及結(jié)果評價時間，需要用程序?qū)崿F(xiàn)檢測數(shù)據(jù)按面的方式排列。

4 檢測

4.1 探針校驗

多數(shù)測量任務(wù)中，需要在不同坐標(biāo)平面內(nèi)進(jìn)行不同性質(zhì)測量，比如點、直線、平面、內(nèi)/外圓柱面、距離、角度等。要完成這些任務(wù)，不但需要選用長度、直徑、方位等參數(shù)和測針，還要求所選測針球心之間的相對位置關(guān)系，才可能使不同測針測出的幾何元素具有正確的坐標(biāo)關(guān)系。測針校準(zhǔn)的目的就是確定各個測針的參數(shù)及它們相互間位置關(guān)系。探針校驗如圖5 所示。

圖5 探針校驗

4.2 確定檢測基準(zhǔn)及工件裝夾

坐標(biāo)測量機測量工件時，通常不需要對被測工件進(jìn)行精確調(diào)整定位，根據(jù)軟件功能建立工件坐標(biāo)系，即柔性定位。為了能做到合理地建立工件坐標(biāo)系，選擇測量基準(zhǔn)時應(yīng)按使用基準(zhǔn)、設(shè)計基準(zhǔn)、加工基準(zhǔn)的順序來考慮。因加工時以刀具柄部圓錐面作為基準(zhǔn)，故檢測以柄部圓錐面作為第一檢測基準(zhǔn);為了利于數(shù)據(jù)分析和結(jié)果判定，以第一周刀片槽最大的面作為第二基準(zhǔn)，裝夾時將刀片槽向左旋轉(zhuǎn)5°～10°，以避免測針干涉。如圖6 所示。

圖6 工件裝夾旋轉(zhuǎn)示意圖

該銑刀精度要求高，需要加入溫度補償，須設(shè)置并調(diào)用可靠的機器參數(shù)。因使用時以刀具柄部進(jìn)行裝夾定位，根據(jù)檢測基準(zhǔn)的選用原則，使用基準(zhǔn)為首選，采用CadLoadModel 語句導(dǎo)入理論模型后，進(jìn)行元素分組，粗建坐標(biāo)系，手動在圓錐的一個截面上采集一個圓粗建坐標(biāo)系確定X、Y，手動采集第一層第一個XZ 面作為第二基準(zhǔn)確定Y 方向，采用GENCON程序自動計算出理論圓錐測量點及調(diào)取第二基準(zhǔn)面和確定Z 軸高度進(jìn)行自動測量，測量圓錐時先設(shè)置多方向測針的安全距離以防止干涉。自動測量完成后，精建坐標(biāo)系，如圖7 所示;機器坐標(biāo)系與模型坐標(biāo)系統(tǒng)一，如圖8 所示。

圖7 精建坐標(biāo)系

圖8 坐標(biāo)系建立

為了后續(xù)自動寫入評價偏差，避免手動評價，提高檢測效率，坐標(biāo)系建立完成后，將±0.02 分別賦值給UTL 及LTL。

采用循環(huán)語句DO、ENDDO 完成檢測不同層及不同組的刀片槽。為了消除測頭補償誤差，程序采用MEPLA 語句進(jìn)行面的測量，避免重復(fù)測量，收集已采面的點，所測即為紅寶石球與工件表面接觸的特征點;為使實體高低符號化，提取點的矢量U、V、W，乘以實際值減去理論值的差，賦值給DEV 即可。檢測過程如圖9、10 所示。

圖9 檢測過程圖(一)

圖10 檢測過程圖(二)

3 結(jié)論

根據(jù)刀體結(jié)構(gòu)，采用循環(huán)語句DO、ENDDO 語句完成不同面的測量;

采用指令CRSUBTYP 可以將公差、計算的實際值(符號)加到元素上，無需手動評價，提高了檢測效率。

程序采用三維模型自動測量，因刀體結(jié)構(gòu)的限制，為使測針測量時不發(fā)生干涉，以高效率完成檢測，刀體第一層的測量與第四層的測量方法基本一致，而第二層的測量與第三層的測量方法基本一致，這樣即完成了高效的檢測，程序思路也較清晰。

以往的刀體檢測主要采用其他三坐標(biāo)完成，因儀器的局限性，48 個刀片槽上的144 個點必須人為進(jìn)行采點測量，由于要消除測頭半徑補償?shù)恼`差，測量出來的結(jié)果必須進(jìn)行處理，才能得到真實的檢測結(jié)果，效率低下，檢測一個刀體的時間至少為一天;而刀具研究人員對結(jié)果的評價必須在數(shù)模上逐點輸入進(jìn)行對比，其工作量極其繁瑣，且容易出錯，評價的時間至少一天。由于理論數(shù)據(jù)不直觀，數(shù)據(jù)分析的時間無法估量，采用Leitz Reference 600 三坐標(biāo)和三維模型編制程序?qū)崿F(xiàn)自動檢測，大大減少了勞動強度，其效率至少提高了10 倍以上，如果進(jìn)行批量檢測，效果提高更為明顯。

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