“S”形試件檢測方法研究

燕繼明，鄧志剛

(中航工業成都飛機工業(集團)有限責任公司 數控加工廠，四川 成都 610092)

“S”形試件檢測方法研究

燕繼明，鄧志剛

(中航工業成都飛機工業(集團)有限責任公司 數控加工廠，四川 成都 610092)

針對多軸數控機床“S”形試件的特征與精度要求，研究了基于三坐標測量機的檢測方法。重點論述了“S”形試件緣條型面和緣條厚度檢測理論點位分布原則，測量坐標系建立方法，基于DMIS標準的“S”形試件三坐標測量程序的編制流程，測量環境要求以及對“S”形試件測量前狀態的要求。

“S”形試件；多軸數控機床；檢測

“S”形試件是由成都飛機工業(集團)有限責任公司提出的關于多軸聯動數控機床動態精度測試檢驗的試件，已形成國家發明專利，并即將納入ISO 10791-7標準，成為我國第1個被采納的同類型國際標準。該試件很好地解決了多軸聯動數控機床在多軸聯動，特別是在線性軸和旋轉軸同步運動過程中，運動學誤差辨識度困難的問題，為多軸聯動數控機床的動態性能檢測提供了快速和直觀的方案。該試件已被越來越多地應用于多軸聯動數控機床的驗收和維修。

“S”形試件包含了從工藝、編程、加工、檢測及評價的一系列方案。關于“S”形試件工藝、編程的方案研究，文獻[1]和文獻[2]都有詳細的說明，本文不再贅述。本文主要針對“S”形試件的檢測進行研究，分析“S”形試件的形狀特征及尺寸要求，提出一套適應于三坐標測量機的檢測方案，并在3種不同型號和廠家的三坐標測量機上進行驗證，證明了其通用性。

1 “S”形試件的特征及檢測要求

1.1 “S”形試件的特征

“S”形試件是由一個呈“S”形狀的、3～8 mm的直紋面等厚緣條和一個矩形基座組合而成，其結構組成圖如圖1所示。

圖1 “S”形試件結構組成圖

“S”形試件的主體是一個呈“S”形走向的扭曲曲面形成的等厚度緣條，曲面形狀復雜。使用棒刀加工時，刀具軸向必須連續變換，機床必須能完美執行五軸聯動的坐標連續換向。在加工過程中，機床進行五軸聯動的坐標連續換向，因而能集中反映機床的幾何精度、定位精度、動態特性和反向誤差等特性。

如果加工機床的幾何精度、動態精度有問題，“S”形試件編程精度較差，或者機床控制系統的運動控制方法不佳等，都會影響到“S”形試件的加工質量，出現“S”形試件緣條厚度不均、緣條表面尺寸精度無法保證、緣條表面出現明顯折痕和表面波紋現象(見圖2)。

圖2 “S”形試件表面波紋圖

1.2 “S”形試件的檢測要求

“S”形試件的檢測包括緣條型面形狀尺寸、緣條厚度以及緣條表面粗糙度。其中，緣條型面形狀尺寸能夠反映加工機床的幾何精度、定位精度、動態特性和反向誤差等的狀態；緣條厚度能夠反映加工機床的幾何精度和定位精度的情況；緣條表面粗糙度則反映了加工機床動態特性和反向誤差的情況。“S”形試件的具體精度要求如下：緣條型面尺寸公差為±0.05 mm；緣條厚度公差為±0.1 mm；緣條表面粗糙度為Ra3.2 μm。

2 “S”形試件的檢測

2.1 “S”形試件檢測方案

“S”形試件的緣條型面是典型的自由曲面，適于用三坐標測量機檢測。針對自由曲面的檢測，三坐標測量機一般會提供專門的曲面測量模塊；但是這種模塊的價格較高，且靈活性不夠，不適合作為一種通用的方法。

事實上，對任何形體的測量，都可以通過對被測形體進行足夠量的抽樣檢查，即在被測形體上采集足夠數量的(矢量)點，通過對這些點的評價，來確定被測體的誤差情況；因此，對“S”形試件，也可以通過采樣測量的方式來實現對它的測量評價。“S”形試件測量流程圖如圖3所示。

圖3 “S”形試件測量流程圖

圖3中，測量目標點位理論數據是均布于“S”形試件理論數模上，相對于測量原點的一系列的矢量點，這些點的方向上的偏移情況，反映了所處部位的形狀；同時，相同方向上位于緣條對立面上的點間距離，則反映了緣條的厚度。若將測量點位加密到足夠多，則測量后，點位誤差的分布情況可以反映緣條的表面粗糙度。由于反映出表面粗糙度需要采集的點位過多，會影響到測量效率，所以一般不建議采用三坐標測量機檢測表面粗糙度，可采用常規方法進行檢測，本文不再論及。

在確定了目標測量點位數據后，就可以針對所使用的三坐標測量機進行編程，實現循環讀取單點的測量理論數據，控制測量機測量，并計算出相應點的誤差，從而完成“S”形試件的緣條型面尺寸和緣條厚度的檢測。

2.2 檢測點位取點策略

“S”形試件測量點位分布如圖4所示。測量點位應選擇能夠最大包容“S”形試件形位特征的點，且所選點位應考慮測量行程中的安全。結合“S”形試件的結構特點，沿“S”形緣條高度方向取3條截線，即圖4中1#、2#和3#截線。在緣條高度方向，1#截線距離緣條頂部5 mm，截線間距為12.5 mm。在每條“S”形截線等距(如間隔25 mm)進行選點，即圖4中標記的a、b、…、x、y，3條線共計99個點(見表1[3])。以這些點位作為測量目標，來完成試件的測量。

圖4 “S”形試件測量點位分布圖

測點數點位坐標值XYZ點位法矢IJK179.8625-45.573240.00000.9783645-0.0301885-0.2046745277.7805-45.248830.00000.9785453-0.0247830-0.2045357…………………

2.3 三坐標測量坐標系的建立

“S”形試件測量坐標系建立的工藝圖如圖5所示。矩形基座上表面為基準面，確定測量坐標系Z向，以基準孔連線方向為X向，基準孔心為原點。

圖5 “S”形試件工藝指示圖

2.4 三坐標測量程序的編制

“S”形試件測量程序的流程如圖6所示。該流程是基于尺寸測量接口規范(Dimensional Measuring Interface Specification，DMIS)標準建立的，由于DMIS標準目前已成為三坐標測量業界的通用標準，因此，只要遵循DMIS標準的測量機，都可以利用該流程建立自己的“S”形試件測量程序。

圖6 “S”形試件測量程序流程圖

3 檢測要求和結果

3.1 檢測要求

測量環境與“S”形試件應滿足如下檢測要求。

1)測量環境要求。按照ISO 10360-2和ISO 10360-4標準，測量環境要求見表2。

表2 測量環境要求

2)“S”形試件要求。對被測量“S”形試件的要求如下：a.被測零件在測量機上定位應為自由狀態；b.測量前，應清除被測表面及基準上的多余物(如毛刺、切屑和冷卻液等)，以保證測量精度；c.測量前，應置于測量環境中60 min以上。

3.2 檢測結果

按照上述檢測方案，在三坐標測量機上建立測量坐標系，然后運行所編制的測量程序，就可以實現對“S”形試件進行測量。軸M和點數據SCN1的測量結果分別見表3和表4。

表3 軸M測量結果 (mm)

表4 點數據SCN1測量結果

通過分析實測的各測量點誤差情況，即可以評價出“S”形試件的緣條型面尺寸和緣條厚度是否滿足要求。如果滿足要求，則說明加工機床的動靜態特性是良好的；反之，則說明加工機床的動靜態特性不能滿足加工要求。針對超差的點位，并結合工藝方案，可以反推出該部位各坐標的運行位置，從而判斷出參與的坐標軸運行狀態是否有問題。

4 結語

依據本文提出的“S”形試件通用測量方案，在PC-DMIS環境、AC-DMIS環境和RATIONA-DMIS環境等多種測量系統下編制的“S”形試件測量程序，已測量了上百件“S”形試件，在測量效率、評價準確性等方面都有較好的效果，說明該方案具有通用性。隨著“S”形試件成為國際上測試多軸數控機床性能的標準測試件，要求三坐標測量機應實現“S”形試件的準確測量評價，因此，本文所述的測量方案具有很好的推廣價值。

[1] 彭雨，牟文平.基于NX的S試件數控編程優化策略[J]. CAD/CAM與制造業信息化，2013(9)：81-83.

[2] 杜麗，張信，趙爽宇，等.S形檢測試件五軸聯動數控加工方法研究[J].中國機械工程，2014(21)：2907-2911.

[3] 宋衛東，姚國興.基于網絡數據庫技術的三坐標測量機應用系統研究[J].機床與液壓，2005(6)：131-132.

責任編輯 馬彤

Research on the Detection Method of “S” Shaped Specimen

YAN Jiming， DENG Zhigang

(AVIC Cheng Du Aircraft Industrial (Group) Co., Ltd., Chengdu 610092, China)

According to the characteristic and precision requirement of “S” shape for the multi-axis NC machine tools, the detection method based on the three coordinate measuring machine is studied. Focus on the theory point distribution principle about the edge face and edge thickness of “S” shape specimen, build the measuring coordinate system, and propose that three coordinate measuring program flow for “S” shaped specimens based on DMIS with the requirement for measuring environment and the measuring state of “S” shaped specimen.

“S” shaped specimen, multi-axis NC machine tool, detection

TP 277；TG 659

A

燕繼明(1971-)，男，高級工程師，主要從事數控機床共性技術等方面的研究。

2016-09-20