三坐標(biāo)檢測(cè)大直徑螺紋尺寸方法

劉廷祥，陳犇，楊峰

中國(guó)航發(fā)貴州黎陽(yáng)航空動(dòng)力有限公司 貴州貴陽(yáng) 550000

1 序言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械加工生產(chǎn)過(guò)程中有大量的大直徑（φ D≥80mm）螺紋工件，現(xiàn)有的傳統(tǒng)檢測(cè)手段是通過(guò)萬(wàn)能工具顯微鏡“影像法”檢測(cè)，但由于螺紋工件直徑較大，萬(wàn)能工具顯微鏡焦距較小，所以無(wú)法清晰顯示螺紋牙型影像。采用樣膏拓印牙型“切片法”檢測(cè)，樣膏具有彈性變形特性，人工切片無(wú)法保證通過(guò)軸線，樣片易形成錐體，從而給測(cè)量帶來(lái)較大誤差，容易對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤判，給產(chǎn)品質(zhì)量帶來(lái)隱患。為準(zhǔn)確、快速地解決生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)螺紋工件測(cè)量問(wèn)題，擬研究開(kāi)發(fā)三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)，解決現(xiàn)場(chǎng)螺紋工件幾何尺寸檢測(cè)難題[1-3]。

2 圖樣分析

本文以某XX-0100螺紋工件通端為例，其設(shè)計(jì)如圖1所示。根據(jù)圖1，結(jié)合螺紋的使用功能，其關(guān)鍵尺寸確定為其中5個(gè)重要參數(shù)，即確定檢測(cè)項(xiàng)目見(jiàn)表1。

表1 檢測(cè)項(xiàng)目

圖1 XX-0100螺紋工件通端設(shè)計(jì)示意

3 確定檢測(cè)方法

3.1 被測(cè)理論點(diǎn)坐標(biāo)值

如圖2所示，要檢測(cè)出大徑、中徑、螺距和牙型角的實(shí)際值，至少需要測(cè)量包含一個(gè)螺紋牙型面上8個(gè)實(shí)際點(diǎn)的坐標(biāo)值，且至少包含3個(gè)截面方向上的點(diǎn)，才能按軟件構(gòu)造圓功能計(jì)算圓直徑，構(gòu)造線功能按角度計(jì)算牙型角，按距離功能構(gòu)造計(jì)算螺距實(shí)際值。

圖2 測(cè)點(diǎn)計(jì)算示意

測(cè)量點(diǎn)的確定與計(jì)算：在圖2所示XOY坐標(biāo)系下，在牙型面上選取8個(gè)具有代表性的測(cè)量點(diǎn)，根據(jù)給出的已知條件，每個(gè)點(diǎn)的理論坐標(biāo)值（X、Y、Z）和法線方向矢量值（I、J、K）計(jì)算公式為

（其中n∈｛0，1，2，3，4，5，6，7｝）

根據(jù)圖2，各點(diǎn)坐標(biāo)及法線方向計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 8點(diǎn)坐標(biāo)（X、Y、Z）及法線方向（I、J、K）

3.2 工件坐標(biāo)系的建立

（1）粗建坐標(biāo)系 螺紋工件擺放如圖3所示，結(jié)合三坐標(biāo)測(cè)量軟件功能，手動(dòng)測(cè)量A平面上4點(diǎn)，建立第一軸Z軸，測(cè)量中心圓B和牙型上下兩點(diǎn)C、D，構(gòu)造中間點(diǎn)E建立第二軸Y，中心圓B的X、Y坐標(biāo)清零，中間點(diǎn)E的Z坐標(biāo)清零。

圖3 工件擺放示意

（2）精建坐標(biāo)系 在上述粗建坐標(biāo)系的情況下，打開(kāi)矢量點(diǎn)自動(dòng)測(cè)量窗口，按表2計(jì)算出的大徑點(diǎn)1的理論坐標(biāo)值和矢量方向，在圓周4個(gè)截面方向自動(dòng)測(cè)量出大徑上的4個(gè)點(diǎn)的實(shí)際值，構(gòu)造大徑中心圓；打開(kāi)矢量點(diǎn)自動(dòng)測(cè)量窗口，按表2計(jì)算出中徑點(diǎn)3、點(diǎn)5的理論坐標(biāo)值和矢量方向，自動(dòng)測(cè)量出點(diǎn)3、點(diǎn)5的實(shí)際值，構(gòu)造計(jì)算出中點(diǎn)E，用大徑中心圓和牙型中間點(diǎn)E重新建立第二坐標(biāo)Y，并且圓中心X、Y坐標(biāo)清零，中間點(diǎn)E的Z坐標(biāo)清零。

3.3 自動(dòng)測(cè)量程序的編制

（1）自動(dòng)測(cè)量程序的編制與調(diào)試 精建坐標(biāo)系完成后，打開(kāi)矢量點(diǎn)自動(dòng)測(cè)量窗口（見(jiàn)圖4），按要求格式依次輸入所有坐標(biāo)點(diǎn)的X、Y、Z、I、J和K值并創(chuàng)建測(cè)量程序，試運(yùn)行測(cè)量螺紋工件，直到調(diào)試測(cè)量8點(diǎn)成功為止。然后依次旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系90°，掃描測(cè)量完成上下左右4個(gè)截面上的32個(gè)點(diǎn)，直到全部調(diào)試成功。測(cè)量結(jié)果圖形窗口如圖5所示。

圖4 矢量點(diǎn)自動(dòng)測(cè)量窗口

圖5 測(cè)量結(jié)果圖形窗口

（2）評(píng)價(jià)、輸出測(cè)量結(jié)果報(bào)告 測(cè)量方法如下。

1）大徑、中徑的評(píng)價(jià)輸出。如圖6所示，打開(kāi)構(gòu)造圓功能窗口，選擇測(cè)量大徑上的4個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)（4、12、19、27）進(jìn)行構(gòu)造，即可得到大徑d的實(shí)際值；選擇測(cè)量中徑上的4個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)（6、14、22、30）進(jìn)行構(gòu)造，即可得到中徑d2的實(shí)際值。

2）螺距的評(píng)價(jià)輸出。如圖7所示，打開(kāi)距離功能窗口，選擇兩個(gè)相鄰中徑點(diǎn)（6、11）求距離，即可得到螺距實(shí)際值。

圖7 距離功能窗口

3）牙型角的評(píng)價(jià)輸出。如圖8所示，先打開(kāi)構(gòu)造線功能窗口，選擇大徑上的兩個(gè)點(diǎn)（4、9）構(gòu)造直線1，再選擇牙型面上的兩個(gè)點(diǎn)（5、6）構(gòu)造直線2，退出到角度計(jì)算功能窗口（見(jiàn)圖9），選擇直線1和直線2創(chuàng)建，即可得到角度實(shí)際值。

圖8 構(gòu)造線功能窗口

圖9 角度計(jì)算功能窗口

小徑在牙槽底部，測(cè)尖采點(diǎn)發(fā)生干涉，無(wú)法接觸測(cè)量，但由于小徑要求為≤201.43mm，因此可以用樣膏法測(cè)量。

測(cè)量結(jié)果報(bào)告如圖10所示。

圖10 測(cè)量結(jié)果報(bào)告窗口

（3）自動(dòng)測(cè)量程序 簡(jiǎn)略如下。

4 誤差分析

4.1 測(cè)量不確定度的計(jì)算

以通端中徑為例，經(jīng)過(guò)12次檢測(cè)，結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

從表3 中數(shù)據(jù)計(jì)算可得，測(cè)量平均值為202.045mm，不確定度為0.0035，即中徑測(cè)量結(jié)果為d2＝202.045mm，不確定度為0.0035，達(dá)到不確定度≤0.02×1/4＝0.005的要求。

4.2 測(cè)量結(jié)果對(duì)比

通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量、螺紋綜合儀測(cè)量，對(duì)比6件螺紋工件的4個(gè)參數(shù)測(cè)量結(jié)果，其結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 測(cè)量結(jié)果對(duì)比

由表4 可知，按照測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果最大差值不超過(guò)尺寸公差的2 5%判斷原則，螺紋工件大徑檢測(cè)結(jié)果相差最大為0.005m m，滿足≤0.028×25%=0.007（m m）的要求；螺紋工件中徑檢測(cè)結(jié)果相差最大為0.003m m，滿足≤0.014×25%=0.0036（m m）的要求；螺紋工件螺距檢測(cè)結(jié)果相差最大為0.002mm，滿足≤0.01×25%=0.004（mm）的要求；螺紋工件牙側(cè)角檢測(cè)結(jié)果相差最大為7′，滿足≤32′×25%=8′的要求，測(cè)量可行。

5 關(guān)鍵測(cè)量技術(shù)

5.1 測(cè)尖半徑補(bǔ)償原理

三坐標(biāo)測(cè)量過(guò)程中，需要手動(dòng)測(cè)量建立坐標(biāo)系。由于測(cè)量面傾斜，其采點(diǎn)方向如圖11所示，目標(biāo)點(diǎn)和實(shí)際接觸點(diǎn)不一致，因此導(dǎo)致產(chǎn)生測(cè)尖半徑補(bǔ)償誤差△R。經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，得出其補(bǔ)償計(jì)算公式為：△R＝AC＝OA－OC＝OB/sinα－OC＝R/sinα－R＝R（1/sinα－1），其中OB＝OC＝R，為已知測(cè)尖半徑，α為已知斜面角度。

圖11 測(cè)尖半徑余弦誤差示意

5.2 避免測(cè)尖在狹小空間干涉

以牙型角為60°、螺距為1.5m m、測(cè)尖直徑為0.5mm為例，測(cè)尖采點(diǎn)時(shí)只能在圖2所示的點(diǎn)3和點(diǎn)4之間的直線空間移動(dòng)，長(zhǎng)度為1.5/2－0.5＝0.25（mm）。因此，測(cè)尖采點(diǎn)的回退距離應(yīng)≤0.25mm，否則就會(huì)發(fā)生干涉，碰撞測(cè)尖，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)出現(xiàn)停機(jī)狀態(tài)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)如何在三坐標(biāo)上檢測(cè)大直徑螺紋工件的幾何尺寸方法進(jìn)行了研究，分析了如何在1.5mm的螺距間采點(diǎn)、測(cè)尖半徑補(bǔ)償原理、螺紋牙型面上矢量點(diǎn)計(jì)算以及自動(dòng)測(cè)量程序測(cè)量編制等一系列技術(shù)問(wèn)題。文中對(duì)如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，對(duì)測(cè)量結(jié)果和測(cè)量不確定度進(jìn)行了計(jì)算分析，并與螺紋綜合測(cè)量?jī)x的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，誤差完全在許可范圍內(nèi)，驗(yàn)證了該方法確實(shí)可行，解決了傳統(tǒng)方法準(zhǔn)確測(cè)量大直徑螺紋工件尺寸的難題，提高了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)效益，縮短了檢測(cè)生產(chǎn)周期，消除了來(lái)回送計(jì)量或其他權(quán)威部門檢測(cè)的時(shí)間。