關節臂測量儀在機械加工產品方面的應用

劉松松

（航空工業西安飛機工業（集團）有限責任公司，西安 710089）

0 引言

近些年我國航空產品制造業快速發展，我國航空工業發展迅速。未來20年將增加價值高達2130億美元的2600多架飛機。在產能提升的同時對航空產品相關的數字化測量技術提出進一步的要求1。航空產品中的機械加工產品種類多，需要控制的尺寸多，測量精度要求高。CMM 三坐標測量機、激光跟蹤儀、關節臂測量儀、激光掃描儀、照相測量等先進的產品測量儀器得到廣泛的應用。本文就關節臂測量儀在機械加工產品中的應用進行分析介紹。

1 關節臂測量儀的測量原理介紹

現有的關節臂測量儀，生產廠家主要為的美國FARO 公司、瑞典的HEXAGON 公司。關節臂式坐標測量機是可移動式的三坐標測量機。根據仿生學原理，以角度基準取代長度基準，關節臂測量儀將若干桿件和一個測頭通過旋轉關節串聯連接，一端固定，另一端（測頭部位）可在空間自由運動，測頭一般為硬測頭或觸發測頭，測頭可在人手牽引下到達測量范圍內的任何指定位置進行測量。

關節臂測量儀在現場測量過程中的優點：

（1）有很好的便攜性、靈活性，可以很好的適應不同的生產條件。（2）基于CATIAV5軟件的數字模型無需設計計量路徑點位，可以節省基于數模的理論數據提取時間。（3）可對被測要素進行快速靈活的重復測量，不需要進行測量程序調整。（4）可以對同一項零件不同類型的設計尺寸用同一種設備進行測量。（5）設備本身支持測量程序編制可以進行同類零件的重復測量。

2 關節臂測量儀實際應用典型場景的使用方法

2.1 零件復雜槽腔輪廓度的測量：

在航空產品中例如接頭類零件（見圖1所示）槽腔尺寸要求嚴格且寬度窄，此槽腔需要裝配其他與之配合的零件。在此位置的輪廓度測量不易用傳統的三坐標測量機實現。三坐標測量儀由于零件槽腔的寬度很窄，測量過程中極易發生三坐標測量桿與槽腔內壁發生碰撞的情況。利用關節臂測量儀有兩種解決辦法：

圖1 槽腔示意圖

（1）用傳統的接觸式測頭直接測量，關節臂測頭由人工手持進行測量可以進行多角度的測量可以避免設備與零件的碰撞。（2）利用關節臂測量儀的掃描功能可以對槽腔被測部位進行直接掃描獲取點位信息，然后再進行零件理論形面的分析。由于光線延直線傳播，只要被測面不受其他部位遮擋且在測量范圍內均可被測量。

2.2 套料零件型面的測量的應用：

對在一塊板料上加工的多個同種零件，單獨對每個進行測量需要耗費大量的時間。現提供一種對同一板料上多個零件的測量方法：

（1）首先建立一個零件與MBD 數模進行對齊的測量坐標系，匹配后進行測量以及零件數據分析。（2）依據加工過程中套料加工過程刀具偏置數據建立其他套料加工零件的坐標系，并進行各個產品數據采集。（3）在對應的坐標系下進行零件數據分析，分析過程可以利用對坐標系的平移旋轉來消除刀具偏置導致的測量誤差。（4）按照（2）～（3）的流程對其他零件進行測量并進行數據分析。

注意：各個零件的測量坐標系建立過程需保證：坐標系的平移旋轉均在建立的第一個測量坐標系下進行。同一種零件可以使用同一套測量程序對零件進行重復測量。

2.3 對大型壁板類零件測量的應用：

飛機生產過程中大型壁板類零件與蒙皮配合的型面設計有嚴格的理論外形要求，零件由于結構特點用傳統的三坐標測量機或者是激光跟蹤儀不易對零件整個型面進行完整的測量。激光跟蹤儀測量型面過程中，端頭位置以及部分立筋遮擋激光路線的區域無法用移動靶球對被測型面進行測量。對于這種特殊的應用場景現提出一種解決辦法：

（1）將激光跟蹤儀校準后通過選取基準點建立與理論數模對齊的測量坐標系。（2）利用SA（Spatial Analyzer）軟件或者PolyWorks 軟件添加關節臂測量儀。同樣利用關節臂測量儀和激光跟蹤儀同時對基準點測量建立統一的坐標系。（3）同時利用激光跟蹤儀器和關節臂測量儀進行數據采集，確保進行了完整的數據采集。（4）在統一的一個坐標系下對零件進行數據分析。

注意：對三坐標測量機因量程不足的情況也可以用同樣的思路對零件進行補充測量。

3 結束語

隨著機械產品加工過程基于MBD 數模數字化推廣，與之配套的檢測方式也會隨之改變。關節臂測量儀以及其他數字化測量設備在實際現場的運用是一個值得關注的研究方向。

復雜槽腔零件的理論外形檢測、套料加工的零件以及大型壁板類零件可以用關節臂測量儀進行測量。通過關節臂測量儀的使用可以有效的對產品進行檢測并提供產品的實際加工數據，可進一步用產品的加工優化或最終尺寸分析。