淺談PC-DMIS測量軟件評價曲面輪廓度方法

康元浩

淺談PC-DMIS測量軟件評價曲面輪廓度方法

康元浩

（合肥一煊檢測技術(shù)有限公司，安徽 合肥 230088）

文章研究了面輪廓度檢測方法，解決無曲面探測功能的PC-DMIS測量軟件評價面輪廓度的問題。由于所用PC-DMIS測量軟件缺少曲面構(gòu)造模塊，無法通過直接測量曲面元素并評價面輪廓度，結(jié)合面輪廓度的定義和計算原理，可將待評價曲面視為無數(shù)個單點組合而成，運用三維構(gòu)造軟件在待測曲面上構(gòu)造并提取所需單點的理論位置數(shù)據(jù)，而后通過對單點位置偏差的評價，間接實現(xiàn)曲面輪廓度的評價。

三坐標測量；曲面輪廓度；PC-DMIS；評價方法

1 檢測條件

如圖1所示，以剖視圖右側(cè)端面為A基準、7.8圓柱孔為B基準、3.2圓柱孔為C基準檢測產(chǎn)品外側(cè)曲面的面輪廓度指標[1]。

圖1 技術(shù)要求

2 檢測思路

所用PC-DMIS測量軟件無曲面探測功能，無法通過直接探測曲面的方式實現(xiàn)面輪廓度的檢測。由面輪廓度定義可知，該指標最終評價是面上任意點理想情況下和實際狀態(tài)的位置偏差，故可借助三維構(gòu)造軟件預(yù)先構(gòu)造曲面上待評定點坐標的理論位置信息，并將所得理論信息分別導(dǎo)入產(chǎn)品檢測坐標系中，通過實際探測點值評估面輪廓度指標。

3 T值的計算原理

理想情況下，加工出的產(chǎn)品實際輪廓應(yīng)與設(shè)計輪廓一致，但由于所用加工設(shè)備的精度、定位裝夾、材料性能等不可抗因素，最終導(dǎo)致實際輪廓存有偏差，如圖2所示。

圖2 輪廓示意圖

依據(jù)GB/T 1958—2017標準方法中對幾何公差的規(guī)定，其面輪廓度的公差帶實際上控制的就是各實際點在矢量方向上的投影值，如圖3所示[2]。由圖可知=cos×，式中為實際點坐標值與理論點坐標值的差值，為實際點和理論點連線與矢量方向間的夾角。

現(xiàn)實情況中一個實際點在三個維度方向均有可能存在偏離現(xiàn)象，因此用于評估面輪廓度的值應(yīng)由三個偏離分量組成，并且每個分量均是有大小和方向的矢量。假設(shè)任一點在軸向的偏差為1、偏角為，在軸向的偏差為1、偏角為，軸向的偏差為1、偏角為，通過矢量求和的算法可知

=（cos×1）+（cos×1）+（cos×1） （1）

圖3 T值計算原理

4 檢測程序

4.1 理論點信息提取

為保證理論點位置信息提取與檢測條件一致，首先應(yīng)在三維構(gòu)造軟件中將產(chǎn)品數(shù)學(xué)模型的絕對坐標系按圖1所示的A、B、C基準進行轉(zhuǎn)換構(gòu)建，其次在需要評價的曲面上構(gòu)造并提取理論點的位置信息，圖4為任一點的理論位置信息。其中輸出坐標、、為待測點的理論位置，向參數(shù)為理論點所處面的矢量方向與軸向夾角的余弦值，其對應(yīng)是三坐標測量軟件中的值；向參數(shù)為理論點所處面的矢量方向與軸向夾角的余弦值，對應(yīng)是三坐標測量軟件中的值；而理論點所處面的矢量方向與軸向夾角成90°，因此其余弦值等于0，所對應(yīng)三坐標測量軟件中的值也為0，最后按照同樣的方法分別導(dǎo)出所需點的理論位置信息。

圖4 理論點位置信息

4.2 手動構(gòu)建檢測坐標系

首先逐一探測構(gòu)建圖1中的A、B、C基準元素，其次分別構(gòu)造出A&B基準、A&C基準的交點，最后選用“3—2—1”法建立檢測坐標系，具體操作步驟如下。

空間旋轉(zhuǎn)：由圖4待測樣品的三維數(shù)模可知A基準面為軸方向，且因面元素的矢量方向在測量軟件中的定義為垂直于構(gòu)造平面并遠離探測方向，因此A基準面應(yīng)空間旋轉(zhuǎn)為+向，如圖5所示。

圖5 空間旋轉(zhuǎn)

平面旋轉(zhuǎn)：同理為保證構(gòu)建的檢測坐標系與三維數(shù)模坐標系一致，應(yīng)將A&C基準交點連向A&B基準交點的構(gòu)造直線設(shè)為+向，因構(gòu)造直線在+向空間平面內(nèi)，故應(yīng)圍繞+旋轉(zhuǎn)，如圖6所示）。

平移：由圖4三維數(shù)模可知，其坐標原點位于B基準孔和A基準面的交點，故將A&B基準交點設(shè)為=0，=0，=0即可，如圖7所示。

圖6 平面旋轉(zhuǎn)

圖7 平移

按先后順序完成上述步驟后點擊坐標系功能界面中的“CAD=工件”按鍵并確定，最終完成的坐標系構(gòu)建效果如圖8所示。

圖8 坐標系示意圖

4.3 輸入理論測點

完成檢測坐標系構(gòu)建后將檢測程序改為自動模式，設(shè)置合理的安全平面、探測及回退距離后使用自動特征點功能分別輸入4.1節(jié)所獲取的理論點信息并創(chuàng)建，即數(shù)值，如圖9所示。運行自動檢測程序，完成實際探測。

圖9 自動特征點輸入信息

下文以任意一點為例描述后續(xù)的操作步驟。

4.4 輸出特征特性

按圖10所示選擇需要輸出的特征及相關(guān)特性，因本產(chǎn)品最終需要評定的是輪廓度信息，按前文所述只要輸出值即可，但為進一步驗證式（1）的正確性，故將實測數(shù)值一并輸出。

圖10 特征點輸出信息

4.5 結(jié)果確定

運行自動檢測程序，分別探測預(yù)先構(gòu)造的理論測點，由于是多點測試，因此每個點均有對應(yīng)的值，按照GB/T 1958—2017標準方法定義可知，選取││最大的數(shù)值作為最終的面輪廓度數(shù)據(jù)。

5 測量軟件所輸出T值的驗證

上例中所選點的輸出結(jié)果如表1所示。

表1 測點位置檢測數(shù)據(jù) 單位：mm

由式（1）和圖9可得

=0.0228×0.9151+0.0016×0.0802+0≈0.0210（mm）。

通過比對，表1中測量軟件評價輸出的值與式（1）計算所得一致，符合值的計算原理。

6 注意事項

（1）一般情況下，作為檢測基準的元素，其形位公差等特性數(shù)據(jù)應(yīng)控制在待評價特性數(shù)據(jù)的五分之一至十分之一范圍內(nèi)，若不符合，其最終結(jié)果的重復(fù)性會較差，無實際評價的意義。以本文為例，A基準面的平面度，B基準孔和C基準孔分別相對于A基準面的垂直度均應(yīng)符合五分之一至十分之一原則。

（2）為避免手動測量所帶入的人為因素，在手動建立檢測坐標系后可增加自動模式構(gòu)建檢測坐標系的步驟，即在手動構(gòu)建的檢測坐標系下分別自動探測構(gòu)造基準A、B、C并再次使用“3—2—1”法建立檢測坐標系，以消除人為誤差。

（3）待檢產(chǎn)品的固定方式應(yīng)穩(wěn)定可靠，不可引起產(chǎn)品變形且與三坐標測量儀的檢測平臺保持相對靜止。

（4）在保證順利測量的情況下，盡量選取較小的探針組合。

（5）三坐標測量儀是高精度的幾何量檢測設(shè)備，在實施檢測的過程中應(yīng)避免出現(xiàn)振動現(xiàn)象，同時現(xiàn)場溫度也應(yīng)符合標準方法要求，產(chǎn)品幾何量技術(shù)規(guī)范和檢驗的標準參考溫度為20 ℃[3]。

（6）本例是以理論點集所實測結(jié)果的值作為最終的面輪廓度數(shù)據(jù)，因此理論選點應(yīng)充分、合理，能最優(yōu)化地代表被測曲面。

7 結(jié)束語

通過三維繪圖軟件的應(yīng)用，可使不具備曲面探測功能的PC-DMIS測量軟件實現(xiàn)曲面輪廓度的檢測工作，同時因每個測點均報出值，其實際加工曲面的每個區(qū)域的特性表現(xiàn)均能通過查看對應(yīng)區(qū)域點的值獲取，此項數(shù)據(jù)可作為后續(xù)產(chǎn)品加工工藝調(diào)整輸入的技術(shù)指標，用于進一步提高所加工產(chǎn)品曲面輪廓度特性。該特性符合程度的提高，可使同類產(chǎn)品的互換性得以改進提升，使其具有優(yōu)良的市場競爭力。

[1] 全國產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范標準化技術(shù)委員會.產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS）幾何公差形狀、方向、位置和跳動公差標注:GB/T 1182—2018[S].北京:中國標準出版社,2018.

[2] 全國產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范標準化技術(shù)委員會.產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS）幾何公差檢測與驗證:GB/T 1958—2017[S].北京:中國標準出版社,2017.

[3] 全國產(chǎn)品尺寸和幾何技術(shù)規(guī)范標準化技術(shù)委員會.產(chǎn)品幾何量技術(shù)規(guī)范（GPS）產(chǎn)品幾何量技術(shù)規(guī)范和檢驗的標準參考溫度:GB/T 19765—2005[S].北京:中國標準出版社,2005.

Discussion on the Method of Evaluating Surface Profile by PC-DMIS Measurement Software

KANG Yuanhao

( Hefei Exuan Testing Technology Company Limited, Hefei 230088, China )

This paper studies the detection method of surface profile, and solves the problem of evaluating surface profile with PC-DMIS measurement software without surface detection function. Due to the lack of surface construction module in the PC-DMIS measurement software, it is impossible to directly measure the surface elements and evaluate the surface profile. Combined with the definition and calculation principle of the surface profile tolerance zone, the surface to be evaluated can be regarded as a combination of countless single points, and the three-dimensional construction software is used to construct and extract the theoretical position data of the required single point on the surface to be measured. Then, through the evaluation of single point position deviation, the evaluation of surface profile is indirectly realized.

Three-coordinate measurement;Surface profile;PC-DMIS;Evaluation method

TB92

B

1671-7988(2022)24-110-05

TB92

B

1671-7988(2022)24-110-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.024.020

康元浩（1984—），男，工程師，研究方向為幾何量檢測技術(shù)及質(zhì)量控制，E-mail:kangyuanhao@126.com。