關于三坐標測量機基礎掃描功能在工件內嵌復雜曲面測量的應用

劉心宇，曹陽，劉廣東，吉有勝

（黑龍江省機械科學研究院，哈爾濱 150040）

0 引言

在對工件復雜曲面的檢測中，內嵌復雜曲面是其中較為復雜的一項，本文以一種噴嘴環作為示例說明其檢測方法。噴嘴環工件是內嵌復雜曲面工件中最具有代表性的工件之一，此類工件廣泛應用于各種渦輪體、發動機、燃氣輪機等設備中。在生產加工中，對此類工件的內嵌葉片精度要求較高，所以如何精準檢測噴嘴環的內嵌葉片型線偏差成為了生產加工噴嘴環的重中之重[1]。目前，傳統檢測方法要求使用三坐標測量機依照3D數字模型全觸測式對噴嘴環的內嵌葉片進行掃描，此種方法的優點是掃描精度高，但是卻需要高配置的三坐標測量機，提高了檢測成本，增大了企業的負擔。本文提出一種利用三坐標測量機的基礎掃描功能檢測噴嘴環內嵌葉片的方法，使用只有傳統的三坐標測量機造價幾分之一的最基礎型三坐標測量機即可，檢測精度與傳統方法相當，效率也不低于傳統檢測方法，并且在測量中不需要3D數字模型的配合，所使用的測針角度也只有一種，測量過程簡單[2]。經過反復的試驗論證，證明本文提出的檢測方法穩定有效，適合用于內嵌式復雜曲面（如噴嘴環）的檢測工作。

1 三坐標檢測機工作原理及內嵌復雜曲面檢測分析

1.1 三坐標測量機工作原理

三坐標測量機是利用3個相互垂直的方向上有導軌、測長元器件、數字顯示裝置測量記錄被測工件坐標位置的電氣一體化檢測設備,配備有一個高精度且應力釋放完全的大理石平臺，測頭可以以手動或自動方式準確地移動到被測點上,由讀數設備和數顯裝置把被測點的坐標值記錄下來，并由測量軟件（如PC-DIMS）計算出所測尺寸及形位公差。三坐標測量機在檢測機械工件方面具有準確性高、自動化程度高、效率高等顯著優勢，在機械產品檢測飛速發展的今天，已廣泛應用于加工制造行業。

1.2 內嵌復雜曲面檢測分析

所謂內嵌復雜曲面，就是工件本身承載的復雜曲面鑲嵌于工件內部，只裸露出曲面的一部分，在傳統方法利用三坐標測量機測量復雜曲面時，通常采用的轉角測量方式對此類工件顯然是不適用的，所以在此類工件的測量中，要考慮如下幾個問題：1）內嵌式復雜曲面在測量中要選用合適的測量角度，避免發生干涉。由于內嵌式復雜曲面裸露出的可測量面比較單一，所以可選用的測針角度范圍也比較小。2）由于本文提出的測量方法不需要3D數字模型配合，所以在觸測過程中要考慮觸測矢量的問題，避免造成觸測滑針。3）利用基本掃描所掃描出的型線文件，要導出與UG相匹配識別的文件格式。

2 內嵌式復雜曲面檢測方法

2.1 三坐標測量機測量前參數調整及測針選擇

1）本文例舉的噴嘴環工件（如圖1），形體較小，選用紅寶石球徑為φ2 mm、測桿長度為40 mm的球形測針。2）根據噴嘴環葉片的表面方位，選用測針角度為A0°B0°。3）由于噴嘴環均布葉片間隔較小，為避免觸測時發生干涉，需要修改三坐標測量機逼近距離為0.5 mm，回退距離為0.5 mm。4）為避免測頭移動中發生干涉，需要設置安全平面沿Z正方向避讓平面20 mm，沿Z正方向避讓經過軸20 mm并激活安全平面。

圖1 噴嘴環

2.2 坐標系的建立

本文例舉的噴嘴環產品（如圖2），由于其葉片均布、外形對稱，所以采用3.2.1法建立坐標系，定位角向以方便以后工作中的批量測量[3]，具體編程步驟如下。

圖2 噴嘴環內嵌葉片

1）首先將內嵌葉片貼近工件外壁最近的一側向上擺放并固定（如圖3）。觸測噴嘴環上端的表面為平面1，觸測噴嘴環大口圓為圓1，觸測噴嘴環側耳小孔為圓2，利用面圓圓模式建立坐標系A1。代碼如下：

圖3 噴嘴環

2）在A1坐標系下，自動再次觸測參與建立A1坐標系的元素，獲取平面2、圓3、圓4建立初始坐標系A2。代碼如下：

2.3 內嵌葉片掃描程序

在精建坐標系A2下，噴嘴環所有尺寸都在測量機標注范圍下，可以繼續進行所有相關尺寸的觸測及掃描檢測，本文以掃描內嵌曲面的葉片為例（如圖4），部分代碼如下：

圖4 噴嘴環型線掃描坐標系

2.4 翻轉建立同葉片掃描程序的方法

由于內嵌式曲面包裹于工件內部，無法進行一次性閉合掃描，所以在檢測此類產品時必須進行雙程序擬合檢測，必須保證兩次所掃描的曲線在同一擬合坐標系下，且形成掃描曲線為閉合曲線才能體現真實加工情況。方法如下：

1）在進行第一掃描程序后，需手動翻轉工件，翻轉方法為保證X軸不變，將工件翻轉180°并固定牢靠。

2）觸測噴嘴環上端的表面為平面1，觸測噴嘴環大口圓為圓1，觸測噴嘴環側耳小孔為圓2，利用面圓圓模式建立坐標系A1。此時建立的坐標系必須按照工件理論值進行偏置，否則與第一檢測程序存在產品理論高度值同等數值的誤差。代碼如下：

3）在A1坐標系下，自動再次觸測參與建立A1坐標系的元素，獲取平面2、圓3、圓4建立初始坐標系A2。代碼如下：

2.5 內嵌葉片掃描程序

在精建坐標系A2下，噴嘴環所有尺寸都在測量機標注范圍下，可以繼續進行所有相關尺寸的觸測及掃描檢測（如圖5），部分代碼如下：

圖5 噴嘴環掃描型線

2.6 數據的導出與比對

1）在雙掃描程序執行完成后，程序中將每個內嵌葉片記錄兩組各9段曲線，這9段曲線可以完美形成3條閉合曲線，在PC-dims中利用軟件自帶的文件導出功能，將曲線數據導出為dat格式并依照掃描順序命名[4]。

2）在UG中將噴嘴環產品加工所用的數字模型打開，導入.dat格式的掃描數據與數字模型貼合，即可直觀地觀察實際加工尺寸與理論尺寸的偏差（如圖6）。

圖6 噴嘴環數字模型

3 結語

按照本文所述的內嵌曲面掃描方法，可以在不用高端三坐標測量機及藍光掃描儀等昂貴設備的前提下，精準檢測產品的曲面尺寸。與使用高端檢測設備進行檢測的情況相比，本文所述方法在保證檢測精度與檢測效率的同時，大大降低了企業的質檢成本，同時也為利用優化坐標系技術開發三坐標測量機基礎功能提供了新的思路，有利于將三維檢測推向更寬廣的平臺。