薄壁殼體零件三坐標檢測方法

胡 蓉

（中航工業空空導彈研究院 質檢中心，河南 洛陽 471000）

0 引言

某殼體零件結構復雜，孔組、內腔臺階圓、槽等檢測元素多，尺寸精度要求高，是典型的薄壁回轉類零件（圖1）。一次檢驗需要準備15種通用量具和檢測器具，6種專用量具。部分角度值和部分形位公差尺寸還需要人工間接計算獲得；內腔線性尺寸、溝槽尺寸需要放置在平臺上，在零件自然狀態下借助通用量具獲得測量結果；形位公差和無法直接得到的空間尺寸需要二次轉工到三坐標進行測量，這種測量方式檢測周期長，檢測效率低下，不能滿足飛速增長的批生產檢測需求。為此，本文以該零件為例對零件結構特點和檢測難點進行分析、設計了專用檢測工裝，通過實施和驗證了該檢測方法的可行性，并且可以在相似類型零件測量方法中推廣。

圖1 零件結構圖

1 零件特點分析

該零件屬于薄壁鋁件，直徑為?231 mm，圓周方向孔組數量多，易變形。檢測尺寸數量多，檢測截面多，公差要求精度高；內腔結構復雜，內腔臺階有偏心圓和內螺紋，圓周上階梯圓柱的形位公差檢測難度大。按照工藝文件要求使用零件兩端?229 mm內孔為基準A和基準B，圖4中Q向長度為4 mm寬度為槽的中心為0°基準，由于該0°基準為A-B公共軸線和槽中心構建的空間平面，使用常規檢測方法無法構建實際A-B公共軸線，實現與基準完全重合，手動檢測難度很大且不精準。

2 零件常規檢測方法

零件角向尺寸和中心高尺寸的檢測方法[1]是：將零件放置在檢測平臺分度頭的三爪上，找正后測量。同一個薄壁零件反復裝夾，每次使用的夾緊力和裝夾時三爪支撐位置不同，導致零件的變形量不同，影響零件的測量結果，不能保證單個零件測量結果的重復性、一致性和準確性，不能消除圓跳動所帶入的檢測誤差，且非自然狀態下裝夾不能得到零件的真實值。

部分線性尺寸的測量需使用杠桿表和測高尺來獲得，反復翻轉零件找正讀數過程繁瑣，且大批量檢測時容易出錯。為了保證檢測結果的正確性，提高殼體類零件的檢測效率，采取新的檢測方法顯得尤為重要。

3 三坐標檢測難點分析與解決方案

結合薄壁殼體零件檢測特點，探索合理的檢測技術，選擇使用具有測量精度高、重復性好、自動化程度高的三坐標進行接觸式測量更能解決此類檢測問題。按照工藝文件要求、根據零件特點和測量元素的分布情況，做出合理的檢測規劃，設置檢測路徑，讓測針按照規劃的路徑線對零件空間幾何形狀以及三維特征元素進行測量點數據采集，實現該零件全尺寸三坐標檢測，并且能直接輸出測量結果，嚴格區分合格項和超差項，最大限度地提高工作效率，提高測量系統的穩定性和測量結果的正確性和重復性。但是如何增加輔助支撐，實現零件快速定位找正、以滿足三坐標的批量檢測需要是問題的關鍵。

3.1 零件的定位與找正

3.1.1 定位困難

該零件基準為兩端內孔，基準孔壁上及零件圓周上有多組孔、槽特征；內腔有螺紋孔、角度、中心距尺寸。自然狀態下檢測零件無法定位，需翻轉零件并二次糾正內腔臺階的X/Y方向的直線，且只能獲得部分的測量元素。采用常規定位方式（三爪內撐、V型塊支撐）均無法避免待測元素特征被干涉、無法精確定位零件，無法實現一次定位三坐標檢測所有目標元素。因此，設計了專用的檢測夾具，一次性解決裝夾定位的問題。

3.1.2 解決方案

（1）檢測工裝的設計和使用方法

檢測工裝方案考慮在零件自然狀態下設計臺階圓輔助支撐定位，將零位U型槽順時針偏轉45°擺放，使用銷規與檢具體的內孔配合形成組合型結構。保證內腔四處線切割加工面和在其面上加工的孔系，臺階圓等元素能夠沿機器坐標系X（Y）軸矢量正方向進行檢測，減少三坐標測頭調轉角度的次數，保證三坐標方形測尖套與零件內腔方形線切割平面平行，解決測針干涉問題，節省檢測時間。該工裝（圖2），由底座、扳手、壓板、螺釘、銷規[2]組成。

圖2 檢具體及配件

零件安裝時，根據機器坐標系為零位，找正檢具體Y向寬度為4 mm直槽的X坐標尺寸＜0.01 mm，用壓板和M10的螺釘固定。將零件內孔基準A套在檢具體內腔臺階圓外，基準A的端面與內腔臺階圓端面接觸定位，然后把銷規插入對應的零件基準槽內，對零件進行角向定位。

3.2 坐標系的建立

3.2.1 工裝坐標系的建立[3]

在三坐標測量過程中，初始坐標系是在手動模式下完成，是為了告訴軟件工件在什么位置，這樣軟件會根據初始坐標系進行下一步自動測量。考慮到檢測手動采點方便簡單，所以將初始坐標系建在檢具體上，相當于建立了工裝夾具坐標系，確定工裝夾具與零件之間的相對位置關系（圖3）。批檢過程中所有零件都工裝上在此坐標系下進行檢測，在此基礎上自動檢測測量元素，重新建立零件坐標系，減少批檢過程中件件找正的困難，縮短檢測準備時間。該零件工裝坐標系采用手動檢測A基準下表面四點平面為第一坐標系，保證了批件過程中零件上表面測量高度的一致性；4 mm開口槽側邊直線為第二坐標系，保證了零件在機器坐標系下與?3小孔保持45°角向位置關系；?229 mm外圓心位置為第三坐標系，保證了零件與檢測工裝的安裝間隙。

圖3 工裝坐標系建立示意圖

3.2.2 零件坐標系的建立

按照工藝圖紙要求，在工裝坐標系下執行DCC模式，測量零件的基準元素，將坐標系建立在被測零件上（圖4）。根據自由度3-2-1法則，首先確定零件基準B端面為第一坐標系，限制零件Z方向的移動自由度和X、Y的旋轉自由度；Q向視圖3 mm槽到下端面的中點投影與A基準內圓柱與下端面的相交圓心連線D E為第二軸軸方向，限制Z方向的旋轉自由度；確定零件B基準內圓柱與其端面的相交圓心F為第三坐標系，限制X、Y方向的移動自由度。零件（自動）坐標系基準的根據圖紙標注的技術條件確定。由于該零件壁薄易變形的特點，建立坐標系需增加上、下兩端圓柱的測量點[4]來消除軸向變形導致基準偏移的問題。

圖4 零件坐標系建立示意圖和Q向視圖零位U型槽

4 檢測方法

4.1 測量準備

用卷尺確定檢具體檢測工裝外部圓周方向?300 mm的位置無干涉且未超過三坐標的限位。用三坐標測針測量兩槽一側同側平面點的方式，保證手動找正兩端槽平面度不大于0.01 mm，并用壓板和螺釘固定。采用臺階圓底面、兩槽中分線及工裝圓心，使用3-2-1法則建立工裝坐標系。

4.2 編制測量程序

（1）安裝零件

將該零件B基準面朝上，45°角向3 mm的槽對準檢具的銷釘孔，輕放在檢測工裝上，插入量規，而后拔出，確保零件的穩定。

（2）精建零件坐標系

新建零件測量程序，面1為零件上表面，4點；圓2為零件B基準圓柱，16點；圓柱3為零件A基準?229 mm內圓柱，16點；圓柱4為零件A基準?229 mm內圓柱，16點；槽兩端平面點5、點6來確定其中心零位，圓柱上表面為第一基準，AB圓柱到頂面的投影點與槽對稱中心[5]的連線為第二基準，該投影點為第三基準，精建零件坐標系。

（3）編制程序進行測量

最佳檢測方案編制自動測量程序的確定：（1）編制測量程序以測針調用順序進行排布；（2）測量按照視圖順序；（3）以測針旋轉角度的就近原則來確定檢測元素的順序。對該測量程序進行固化并進行存檔備用。

（4）輸出測量結果

對被測元素的角向尺寸、線性尺寸、中心高、形位公差等尺寸進行計算，輸出測量結果。

5 檢測改進效果

分別找十個檢驗員，以角度尺寸30°±0.083°為例輸出三坐標檢測結果（表1）和手工檢測（表2）結果。

表1 三坐標檢測角度尺寸30°±0.083°檢測結果

表2 人工檢測角度尺寸30°±0.083°檢測結果

從表1，表2對比可以看出，手工檢結果波動大，并且手工檢測單件該零件需要200 min，三坐標檢測該零件需要40 min。檢測周期大幅縮短。

6 結束語

本文基于三坐標測量方法和檢測工裝進行了薄壁殼體零件檢測，其操作簡單，使用方便，可一次檢測所有項目，不需要進行工位轉工，檢測質量穩定，縮短了檢測周期，大幅提高了檢測效率。在批量檢測中極大地減小了檢驗員的工作強度，既保證了檢測結果的重復性和準確性，又大大提高了檢驗效率，能推廣至同種類型的零件。