即時(shí)衡準(zhǔn)在三維檢測(cè)批量檢測(cè)技術(shù)中的實(shí)現(xiàn)

胡成昕

（黑龍江省機(jī)械科學(xué)研究院，哈爾濱 150040）

0 引言

廣義上的三維檢測(cè)技術(shù)是利用空間坐標(biāo)對(duì)所測(cè)量的產(chǎn)品進(jìn)行基本尺寸、形位公差計(jì)算和分析的技術(shù)；三維檢測(cè)的手段有很多，如點(diǎn)觸測(cè)檢測(cè)模式、觸測(cè)（滑動(dòng)觸測(cè)）檢測(cè)模式、光學(xué)掃描檢測(cè)模式等，主要區(qū)別在于采集三維空間內(nèi)產(chǎn)品部位的采集方法有所不同，其精準(zhǔn)度和自動(dòng)化程度也有所不同，所帶來(lái)的設(shè)備購(gòu)置成本也相差甚遠(yuǎn)。本文列舉的對(duì)二級(jí)轉(zhuǎn)子這種航天動(dòng)力零部件的檢測(cè)方法使用的是觸測(cè)式檢測(cè)模式，利用的是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，這是一種利用三軸定位在三維坐標(biāo)系下檢測(cè)產(chǎn)品的自動(dòng)化程度較高的設(shè)備，因其適中的成本及較高的檢測(cè)精度目前在機(jī)械加工制造業(yè)中得到普遍應(yīng)用。

1 二級(jí)轉(zhuǎn)子在三維檢測(cè)中實(shí)現(xiàn)即時(shí)衡準(zhǔn)的技術(shù)要點(diǎn)和難點(diǎn)分析

1.1 二級(jí)轉(zhuǎn)子檢測(cè)中的技術(shù)難點(diǎn)

如圖1所示，二級(jí)轉(zhuǎn)子作為航空航天動(dòng)力零部件，具有精度要求高、材質(zhì)輕和表面質(zhì)量要求高的特點(diǎn)，從具體的檢測(cè)過(guò)程中分析，即在檢測(cè)過(guò)程中要保證一定的檢測(cè)密度以確保形位分析的全面性和精確性。在選擇檢測(cè)方法時(shí)，要避免固定裝夾所造成的固定痕跡和測(cè)量過(guò)程中的接觸痕跡，這就使得這一類的產(chǎn)品不適用于傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，而利用三維檢測(cè)技術(shù)可以完美解決這一問(wèn)題[2]。

圖1 二級(jí)轉(zhuǎn)子

1.2 二級(jí)轉(zhuǎn)子批量檢測(cè)法的必要性

要通過(guò)即時(shí)衡準(zhǔn)來(lái)分析機(jī)床及刀具的變化對(duì)生產(chǎn)帶來(lái)的影響，且避免檢測(cè)效率的低下對(duì)生產(chǎn)效率的影響，就必須使用批量檢測(cè)法來(lái)檢測(cè)此類產(chǎn)品，現(xiàn)將原因說(shuō)明如下。

1）由于二級(jí)轉(zhuǎn)子加工時(shí)間較長(zhǎng)，在生產(chǎn)過(guò)程中要實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的最大利用率，機(jī)床停機(jī)狀態(tài)下等待檢測(cè)結(jié)果會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下，而二級(jí)轉(zhuǎn)子對(duì)檢測(cè)密度要求極高，所以檢測(cè)時(shí)間也很長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)，二級(jí)轉(zhuǎn)子的檢測(cè)工序時(shí)間基本可以達(dá)到生產(chǎn)時(shí)間的1/4。由于二級(jí)轉(zhuǎn)子的表面質(zhì)量和尺寸精度要求也極高，受機(jī)床狀態(tài)和刀具溫度、刀具磨損程度等的影響很大，如果不等待檢測(cè)結(jié)果而直接加工下一件，很有可能造成次品甚至是廢品的產(chǎn)生。所以提高檢測(cè)效率就成為二級(jí)轉(zhuǎn)子檢測(cè)工作中最為重要的一項(xiàng)，批量檢測(cè)是提高三維檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)效率的方法之一。

2）由于即時(shí)衡準(zhǔn)的目的不僅是為了指導(dǎo)生產(chǎn)工序的及時(shí)調(diào)整，也是為了提高檢測(cè)效率，在實(shí)際生產(chǎn)加工的情況下，一臺(tái)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)要服務(wù)于多臺(tái)加工機(jī)床，根據(jù)所用三坐標(biāo)工作臺(tái)的大小，使用陣列法的批量檢測(cè)可以滿足多臺(tái)機(jī)床加工的產(chǎn)品特性的記錄以便于比對(duì)。

1.3 二級(jí)轉(zhuǎn)子批量檢測(cè)法的難點(diǎn)分析

在利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品檢測(cè)過(guò)程中，批量檢測(cè)法并不罕見(jiàn)，但是多數(shù)是針對(duì)構(gòu)造簡(jiǎn)單的產(chǎn)品，而二級(jí)轉(zhuǎn)子的構(gòu)造較為復(fù)雜，在批量檢測(cè)過(guò)程中有些對(duì)設(shè)置移動(dòng)路徑的要求高，避免發(fā)生干涉而造成測(cè)頭的意外觸測(cè)和錯(cuò)過(guò)零件頭。此類問(wèn)題在所有的批量檢測(cè)中都要解決，否則將降低檢測(cè)過(guò)程中的自動(dòng)化程度，甚至影響測(cè)量精度[3]。

在利用批量檢測(cè)法實(shí)現(xiàn)即時(shí)衡準(zhǔn)的目標(biāo)下，對(duì)生產(chǎn)工序要增加一個(gè)測(cè)量相關(guān)的配合點(diǎn)，對(duì)二級(jí)轉(zhuǎn)子的固定擺放也要區(qū)別于簡(jiǎn)單的批量檢測(cè)法，即標(biāo)記加工中所使用的找正、分中、零點(diǎn)等相關(guān)元素。在檢測(cè)工序中，二級(jí)轉(zhuǎn)子的固定方法要盡量與在機(jī)床加工時(shí)一致，至少要達(dá)到置于坐標(biāo)系中的方向上一致。在編制檢測(cè)程序中，要與生產(chǎn)過(guò)程中使用的找正、分中、零點(diǎn)等相關(guān)元素的一致，就是將產(chǎn)品在機(jī)床加工中的擺放姿態(tài)完全復(fù)制到三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的工作臺(tái)面上來(lái)，這樣做的目的是記錄產(chǎn)品相同部位的生產(chǎn)加工情況，以三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)頭測(cè)針代替生產(chǎn)機(jī)床的刀具，還原一遍加工過(guò)程。

2 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的基本參數(shù)要求

在檢測(cè)二級(jí)轉(zhuǎn)子的前期，要設(shè)定三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的基本參數(shù)，并要做到以下幾點(diǎn)。

1）設(shè)置逼近回退距離。預(yù)期目標(biāo)為在二級(jí)轉(zhuǎn)子掃描過(guò)程中避免葉片輪換測(cè)量中的意外觸測(cè)，以及多個(gè)二級(jí)轉(zhuǎn)子輪換測(cè)量中的意外觸測(cè)。2）測(cè)量速度和觸測(cè)力度。測(cè)量機(jī)上的紅寶石測(cè)量球?qū)Ξa(chǎn)品接觸的損傷極小，不允許修改機(jī)床自定義的測(cè)量速度和觸測(cè)力度。3）選擇測(cè)針角度。對(duì)二級(jí)轉(zhuǎn)子這類的環(huán)形均布葉片的掃描，要充分考慮滿足每一個(gè)葉片的每一條型線的掃描完整性，即全面閉合性型線采集的實(shí)現(xiàn)。4）安全平面的設(shè)定。由于批量檢測(cè)二級(jí)轉(zhuǎn)子所需采集元素的數(shù)量巨大，在坐標(biāo)系中一定要考慮葉片間的安全平面設(shè)定，這一項(xiàng)設(shè)定對(duì)檢測(cè)效率影響很小，并可以極大地提高檢測(cè)過(guò)程中的安全性。尤其要注意的是，一定要設(shè)定轉(zhuǎn)角安全平面，即三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)頭在變換角度時(shí)統(tǒng)一使用的安全平面，避免在轉(zhuǎn)換角度時(shí)發(fā)生意外觸測(cè)和超過(guò)限位。5）移動(dòng)路徑的設(shè)置。這一項(xiàng)內(nèi)容是整個(gè)檢測(cè)程序的重中之重，對(duì)于單個(gè)二級(jí)轉(zhuǎn)子的移動(dòng)路徑設(shè)定和輪換過(guò)程中的移動(dòng)路徑設(shè)定要全面考慮，保證檢測(cè)程序的流暢性，以杜絕手動(dòng)移動(dòng)避讓和回退為目的，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)自動(dòng)化。

圖2 二級(jí)轉(zhuǎn)子葉片

3 二級(jí)轉(zhuǎn)子批量檢測(cè)程序示例

3.1 坐標(biāo)系的建立

在充分做好批量檢測(cè)二級(jí)轉(zhuǎn)子的前期準(zhǔn)備后，即可開(kāi)始對(duì)檢測(cè)程序進(jìn)行編制[4]。三維檢測(cè)的核心在于建立三維空間，即建立坐標(biāo)系，在檢測(cè)二級(jí)轉(zhuǎn)子時(shí)，初始坐標(biāo)系的建立取上端面、中心內(nèi)口及生產(chǎn)工序中標(biāo)記的任意點(diǎn)為建立坐標(biāo)系的元素，建立與加工機(jī)床相符的坐標(biāo)系，如圖3所示。程序示例如下:

圖3 坐標(biāo)系

由于精建坐標(biāo)系與初始坐標(biāo)系要保持一致，在此不做贅述。

3.2 掃描程序部分展示

在坐標(biāo)系建立完成后，就可以依據(jù)二級(jí)轉(zhuǎn)子的檢測(cè)要求對(duì)葉片的型線進(jìn)行閉環(huán)掃描，掃描的具體設(shè)置要依據(jù)圖樣工藝要求，利用補(bǔ)點(diǎn)的辦法滿足掃面曲線的閉合，點(diǎn)集的密度要考慮圖樣工藝要求的單一環(huán)線的點(diǎn)數(shù)數(shù)量，在具體生成閉環(huán)曲線后要復(fù)查點(diǎn)數(shù)過(guò)于松散的線段并予以單獨(dú)加密，避免造成局部的檢驗(yàn)密度過(guò)低問(wèn)題，如圖4所示，部分程序展示如下：

圖4 葉片掃描

以上程序?yàn)閱蝹€(gè)二級(jí)轉(zhuǎn)子的掃描程序，將此程序依據(jù)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)工作臺(tái)尺寸和檢測(cè)二級(jí)轉(zhuǎn)子數(shù)量進(jìn)行方形陣列，順序執(zhí)行便可獲得多個(gè)二級(jí)轉(zhuǎn)子的測(cè)量結(jié)果（如圖5），將測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)為IDG格式，則可依據(jù)此次測(cè)量加工比對(duì)下一生產(chǎn)時(shí)段加工的二級(jí)轉(zhuǎn)子。以圖6、圖7為例，前次掃描型線與本次掃描型線變化一目了然，結(jié)合生產(chǎn)過(guò)程中所記錄的溫度、刀具情況，可以清楚了解生產(chǎn)過(guò)程中所有的客觀因素對(duì)加工效果的影響，以求在生產(chǎn)加工中及時(shí)調(diào)整刀具的使用周期、種類選擇及設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。

圖5 葉片掃描結(jié)果

圖6 比對(duì)效果總覽

圖7 比對(duì)細(xì)節(jié)

4 結(jié)語(yǔ)

以此方法檢測(cè)產(chǎn)品的最大創(chuàng)新點(diǎn)是將質(zhì)檢工序衍生成為生產(chǎn)工序的延伸，從而避免了因生產(chǎn)工序中所使用的定位元素不同而在檢測(cè)工序中造成檢測(cè)失真的情況，在生產(chǎn)及檢驗(yàn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一考量和技術(shù)融合，在提高效率的同時(shí)，增加了對(duì)具體尺寸的橫向比對(duì)，將生產(chǎn)加工情況變化的方向更加具體化和直觀化，甚至可以明確分辨加工刀具常用刀刃甚至是每一個(gè)刀刃的變化給加工部位帶來(lái)的影響，不僅使生產(chǎn)加工工序更完善，也可以間接指導(dǎo)刀具復(fù)磨、刀具降級(jí)使用這些具體生產(chǎn)加工過(guò)程中節(jié)約成本的實(shí)際策略，從多個(gè)方向給生產(chǎn)及質(zhì)檢工作帶來(lái)突破。