基于“S”件質量檢測方法的研究及應用

孫耀恒,房 明

(白銀礦冶職業技術學院,甘肅 白銀 730900)

0 引 言

零件精度影響設備的動能、噪音以及使用壽命，受加工工藝、檢測設備、測量方法等因素的影響，零件加工精度和設計圖紙總有一定的誤差，質量檢測是檢驗零件精度的關鍵環節。能準確檢測出零件的加工精度，并能分析出加工誤差的原因。常用的測量方法有：人工檢測、三坐標測量儀檢測、逆向檢測、在線檢測等測量方法[1]。

“S”件由S形緣條和矩形底座組成，S形緣條由兩條直紋面構成，依靠刀具的側刃完成加工，“S”是檢驗五軸機床性能的重要指標，依靠傳統的檢測方法很難完成。傳統的檢測方法依靠樣板比對檢測，分析接觸面的間隙來判斷零件加工精度。此方法已不能滿足復雜曲面檢測。為獲得更準確的檢測數據，需采用三坐標檢測、逆向檢測、在線檢測完成。三坐標檢測是測頭通過提取零件表面幾何點元素與零件三維模型比較的檢測方法。逆向檢測是通過三維掃描儀將已加工的模型通過掃描讀取點云數據，再將點云數據處理為三維模型，通過原始三維模型和逆向重構的模型之間進行分析得出的數據。在線檢測是在五軸數控機床上安裝測頭完成檢測，與圖紙相比較，根據偏差實施補償再加工以達到圖紙要求的檢測方法[2]。筆者提出了“S”件質量檢測方法，采用正、逆向檢測，重點通過檢測數據分析，得出FEELER_U600五軸加工中心符合驗收精度要求，能夠滿足航空類薄壁類零件加工，為驗收五軸數控機床提供了可靠依據，對精密零部件加工有重要意義。

1 “S”件五軸加工

“S”件需在五軸加工中心上完成，分為五軸編程、虛擬仿真、五軸加工三個基本步驟。避免在加工過程中產生應力變形，選擇螺栓壓緊方式，粗加工時，已經完成螺栓孔加工。加工“S”件用于驗證五軸機床的運動特性，分析在加工的過程中是否存在過切、欠切、表面波紋等現象[3]。

1.1 五軸編程

為了減少應力變形，在前道工序已經完成了粗加工并保證加工余量均勻。五軸編程策略如圖1所示。將數模導入CAM軟件中，如圖1(a)所示，設置加工坐標系、選擇加工策略、切削參數及碰撞檢測分析等步驟。如圖1(b)所示，五軸側銑半精加工直紋面，保證每一層加工余量均勻，防止變形。如圖1(c)所示，完成“S”件底面精加工，選擇平面加工策略，側壁留余量，防止刀具加工至“S”件直紋面，影響其精度。如圖1(d)完成“S”件側面精加工，刀具一次完成側面精加工，保證其一致性。將3個加工策略輸出NC代碼，用于虛擬仿真。

圖1 “S”件五軸編程

1.2 虛擬仿真加工

虛擬仿真能夠驗證五軸數控程序的正確性，如圖2所示，以Vericut軟件為平臺，為驗證其正確性，導入粗加工毛坯模型，仿真使用的數控系統機床參數要與實際機床參數相一致，并設置機床行程極限和干涉檢查。五軸側銑半精加工和精加工直紋面，由于某些位置和底面的夾角小于90°，允許“S”件側面底部留有殘余，如圖2(a)所示為虛擬仿真加工結果，圖2(b)“S”件精度分析底部存在殘留。經虛擬仿真驗證，粗加工余量合理，數控程序正確無過切，刀具與夾具未發生干涉，此加工策略可在五軸數控機床上進行加工。

圖2 “S”件虛擬仿真加工

1.3 實際加工

以FEELER_U600五軸加工中心為研究對象，驗證其加工性能。在實際加工時，毛坯已在前道工序中完成了粗加工及螺栓孔加工如圖3(a)，在本道工序中，采用M16的螺旋壓緊工件，矩形底座底面與螺栓頂面之間距離大于2 mm以上，防止刀具與緊固螺釘之間發生干涉。刀具選擇φ12 mm的鋁用立銑刀，刃長30 mm左右，需在機外對刀儀測量刀具直徑和擺長，精加工參數如表1所示，保證加工精度減小應力變形，在機床條件滿足的情況下，盡可能選擇高轉速和進給速度[4-5]。加工結果如圖3(b)所示。

圖3 “S”件實際加工

2 “S”件質量檢測

2.1 正向檢測

正向檢測在三坐標測量儀上完成，如圖4所示，按照標準規定，如圖4(a)所示，兩條直紋面相對于基準A、B、C的輪廓度誤差，兩條直紋面的測量點數不少于120個。公差控制在0.12 mm之內[6]。

為了獲取更高的測量精度，需對測針進行校準，減少測針測量誤差，校準探針可以確定探針的實際位置，并能補償測球半徑及探針變形撓度誤差。根據“S”件幾何形狀，測量時，需創建一個新的探針組，并命名為“test”，測量的位置不同，測針的傾斜角度也不同，如圖4(b)所示，“S”件檢測需要定義四個測針，測針的傾斜角度15°左右為宜。獲取的部分檢測數據如表2所列。根據檢測數據分析，所加工的“S”件符合精度要求。

圖4 “S”件三坐標檢測

表2 檢測數據

2.2 逆向檢測

逆向檢測需完成點云數據采集、處理及優化等工作。通過逆向掃描重新獲取已加工的“S”件幾何模型數據，如圖5所示，此次研究采用非接觸式三維掃描儀完成點云采集。為了獲取準確的點云數據，掃描前期需對已加工的“S”件，完成表面處理、粘貼標識點、制定掃描策略等工作。帶有變斜角度需多次掃描才能完成，工件位置要擺放合理，盡量減少掃描步驟，以減少累計誤差。

獲取“S”件點云數據后，為保證點云數據精確，需對點云數據進行處理。減少雜點噪音點，盡量讓點云分布均勻且平滑。為了便于觀察點云的分布情況，對點云進行著色處理。由于掃描設備與掃描策略的原因，掃描的數據存在系統誤差和掃描誤差，有些點的誤差比較大，超出了允許范圍，必須去除體外孤點、非連接點等操作，以獲得更精確的點云數據，處理后的“S”件點云數據如圖5(a)所示。

圖5 “S”件逆向檢測

封裝點云數據，將“S”件的點云數據轉換為多邊形幾何模型，封裝后的幾何模型另存為“stl”格式，導入至Geomagic Design軟件完成“S”件幾何模型重構。完成“S”件幾何模型重構后，需對原始模型和重構后的模型進行分析，用不同的顏色顯示公差范圍。重構后的模型偏差如圖5(b)所示，“S”件的關鍵部位符合檢測要求，所加工的“S”件符合精度要求[2]。

通過上述兩種檢測方法，FEELER_U600五軸加工中心性能滿足空間復雜曲面加工，尤其是航空類薄壁零件加工，對驗收五軸數控機床有一定的參考價值。

3 結 論

(1) 闡述了質量檢測的重要性，以五軸S件加工為研究對象，分析了“S”件的五軸編程、虛擬加工仿真、實際加工；三坐標檢測、逆向掃描檢測，通過正向與逆向兩種檢測方法對“S”件進行檢測。

(2) 分析了“S”件數學模型，通過五軸側刃加工策略，完成了粗精加工，在虛擬仿真軟件中對加工模型進行了數據分析，顯示側面與底面夾角小于90°的位置存在材料殘留，在實際加工中，和仿真完全吻合，“S”件底部也存在著殘留。

(3) 通過驗證，將實際加工的“S”件用三坐標和逆向掃描檢測的方法檢測，其檢測數據與要求一致。

通過驗證，加工的“S”件符合標準，該方法適合機床驗收標準、機床日常維護、零件檢測分析等，也可用于機床廠家和數控系統廠家用于檢測、調試精度和系統優化。對驗收五軸數控機床及分析機床運動特性有重用的意義。