王曉兵，趙　凱，高　原，鄭　練，彭光宇

(1.湖北三江航天險峰電子信息有限公司，湖北 孝感 432100；2.中國兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所，北京 100089)

在線檢測技術(shù)在幾何誤差檢測上的應(yīng)用

王曉兵1，趙凱1，高原2，鄭練2，彭光宇2

(1.湖北三江航天險峰電子信息有限公司，湖北 孝感 432100；2.中國兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所，北京 100089)

摘要：幾何誤差的測量是機械加工中質(zhì)量保證的重要環(huán)節(jié)。在線檢測作為先進的幾何誤差檢測技術(shù)日益普及。通過深入研究幾何誤差的評定方法及數(shù)控系統(tǒng)宏程序編制、宏變量調(diào)用等關(guān)鍵技術(shù)，經(jīng)過適應(yīng)性改進及工藝試驗，總結(jié)出了一套全新的基于數(shù)控系統(tǒng)自身運算的在線檢測方法。以平行度誤差檢測為例，系統(tǒng)講述在線檢測技術(shù)在幾何誤差檢測上的應(yīng)用原理及方法，并以原理性試驗及生產(chǎn)現(xiàn)場實際加工應(yīng)用作為驗證。檢測結(jié)果與三坐標測量接近，證明該技術(shù)準確可靠，為在線檢測技術(shù)在數(shù)控加工領(lǐng)域的研究提供了一條新的思路。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機床；在線檢測軟件；幾何誤差檢測

數(shù)控加工作為一種高柔性、高效率的加工方法，在軍工行業(yè)關(guān)重件生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用；然而，在有效保證產(chǎn)品質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本方面，還有一些亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。作為解決這些技術(shù)瓶頸的重要技術(shù)手段，數(shù)控加工在線檢測技術(shù)得到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。本文基于數(shù)控系統(tǒng)的在線檢測技術(shù)，開發(fā)出一套全新的幾何誤差在線檢測的解決方案，通過試驗和應(yīng)用逐步完善、成熟，可為同行提供有益的借鑒。

1在線檢測技術(shù)在幾何誤差檢測上應(yīng)用的必要性

1.1幾何誤差的定義

幾何誤差是指實際被測要素對其理想要素的變動量。

形狀誤差涉及的要素是線和面，方向誤差涉及的要素也是線和面；而位置誤差中，同軸度誤差涉及的要素只有軸線，對稱度誤差涉及的要素是中心要素(中心平面、軸線和中心線等)。位置誤差涉及的要素包括點、線和面，跳動誤差涉及的要素則是軸線和輪廓表面。

幾何誤差是把實際被測要素對其理想要素進行比較的結(jié)果。理想要素稱為評定基準。根據(jù)不同的檢測對象，評定基準可以是1條直線，1個平面、1個圓或者其他的幾何要素。如果實際被測要素與理想要素在比較中能夠處處重合，則幾何誤差為零；如果它們在比較中不能處處重合，則表示實際被測要素存在幾何誤差。

1.2在線檢測的應(yīng)用需求

由于軍工生產(chǎn)多為單件或小批量生產(chǎn)，不可能設(shè)計專業(yè)檢測設(shè)備完成零件工序檢測和終檢。目前，生產(chǎn)現(xiàn)場解決復(fù)雜的尺寸誤差和幾何誤差的檢測方法多采用三坐標測量儀進行測量，如將零件工序檢測完全采用三坐標測量儀進行，存在如下問題。

1)三坐標測量儀價格昂貴，各生產(chǎn)單位配備數(shù)量有限，該設(shè)備不僅要求在全封閉式的測量環(huán)境中運行，且測量零件行程受限，難以滿足工廠日益增多的復(fù)雜計量要求，造成檢測計量時間比加工時間還要長得多的現(xiàn)狀，形成生產(chǎn)瓶頸，嚴重影響工廠的研制和批產(chǎn)進度。

2)大型零件和復(fù)雜曲面件檢測周轉(zhuǎn)時間長，零件重復(fù)裝夾進行后續(xù)加工，不僅效率低，且不能消除重復(fù)裝夾基準不重合誤差的質(zhì)量隱患[1]；因此，需要采用更為合理的工藝手段。如果應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)在線檢測技術(shù)，通過測頭進行在線檢測，不僅可以解決上述問題，而且可根據(jù)檢測結(jié)果在現(xiàn)場加工中調(diào)整，確保零件加工精度，為批次性生產(chǎn)提供可靠質(zhì)量保證。

3)解決生產(chǎn)現(xiàn)場一些完全不能解決的檢測問題。例如，F(xiàn)IDIA KR199六軸加工中心機床行程為1 950 mm×900 mm×850 mm，其所加工的零件有些是三坐標設(shè)備無法完全檢測的，而KR199的定位精度為0.005 mm，重復(fù)定位精度≤0.003 mm。如果測頭標定精度≤0.005 mm，則完全可以保證檢測精度≤0.01 mm，滿足大型零件的檢測要求。

2幾何誤差的在線檢測解決方案

本文選擇了平行度誤差進行具體闡述。

2.1平行度誤差的評定方法

設(shè)實際被測平面和實際基準平面各測點的坐標分別為Mi(xi，yi，zi)和Gm(xm，ym，zm)，由實際基準平面各測點的坐標值xm、ym和zm求出符合最小條件的基準平面的方程。當(dāng)基準平面按“三角形準則”由G1(x1，y1，z1)、G2(x2，y2，z2)和G3(x3，y3，z3)3點決定時，基準平面的方程為：

(1)

當(dāng)基準平面按“交叉準則”由2個高極點G1(x1，y1，z1)、G2(x2，y2，z2)和2個低極點G3(x3，y3，z3)、G4(x4，y4，z4)決定時，設(shè)基準平面通過直線G1G2且平行于直線G3G4，則基準平面的方程為：

(2)

將式2按照第1行x、y和z展開行列式得：

[(y2-y1)(z4-z3)-(y4-y3)(z2-z1)]x+[(x2-x1)(z4-z3)+(x4-x3)(z2-z1)]y+[(x2-x1)(y4-y3)-(x4-x3)(y2-y1)]z+[(y2-y1)(z4-z3)-(y4-y3)(z2-z1)]x1+[(x2-x1)(z4-z3)-(x4-x3)(z2-z1)]y1-[(x2-x1)(y4-y3)-(x4-x3)(y2-y1)]z1=0

設(shè)定x、y、z的系數(shù)分別為A、B、C，常數(shù)項為D，即：

A=(y2-y1)(z4-z3)-(y4-y3)(z2-z1)

B=(x2-x1)(z4-z3)-(x4-x3)(z2-z1)

C=(x2-x1)(y4-y3)-(x4-x3)(y2-y1)

D=[(y2-y1)(z4-z3)-(y4-y3)(z2-z1)]x1+

[(x2-x1)(z4-z3)-(x4-x3)(z2-z1)]y1-[(x2-x1)(y4-y3)-(x4-x3)(y2-y1)]z1

將基準平面的方程表示成：

Ax+By+Cz+D=0

于是，平行于基準平面，且包容實際被測平面的2個平行平面的方程分別為：

Ax+By+Cz+D1=0

(3)

Ax+By+Cz+D2=0

(4)

根據(jù)面對面平行度定向最小區(qū)域判別準則，將實際被測平面測點中的高極點M1和低極點M2的坐標值代入式3和式4，則求得D1和D2的數(shù)值；因此，這2個平行包容平面間的法向距離(定向最小區(qū)域的寬度)即為平行度誤差fN，可按下式計算：

(5)

2.2宏程序設(shè)計

根據(jù)平行度誤差評定方法，項目組根據(jù)該算法進行了宏程序的設(shè)計。宏程序設(shè)計的原理為：首先通過宏程序計算出基準面測點的2個高極點和2個低極點，并由此計算出基準平面方程中的系數(shù)，將相應(yīng)值賦予中間變量；然后再通過宏程序計算出被測平面的高極點和低極點，并將相應(yīng)值賦予中間變量；最后，通過公式運算得到平行度誤差，存儲在指定的系統(tǒng)變量中。

2.3數(shù)控程序設(shè)計

為方便最終的檢測程序生成，首先利用Pro/E或其他CAD/CAM軟件中的CAM模塊生成軌跡加工程序[2-3]。為保證程序的準確性，項目組要求每個平面測點在8個以上。

很多鉛筆的筆桿都是六角形的，這是為什么呢？原來，六角形的鉛筆筆桿比較好握在手里，放在桌子上也不容易到處滾動。

2.4在線檢測程序適應(yīng)性生成

通過運行后置處理軟件將CAD/CAM軟件生成的軌跡加工程序中的G1替換成G65 P9810(誤差檢測指令)，G0替換成G31(安全移動指令)，然后修改一些特殊語句，并補充調(diào)用宏程序，將軌跡加工程序修編成檢測程序。運行上述檢測程序，即可得到平行度誤差。與上述直線度、平行度不同的是，平行度的計算涉及2個結(jié)構(gòu)特征，宏程序的調(diào)用有針對性，適應(yīng)性更改時應(yīng)重點考慮，避免出現(xiàn)調(diào)用錯誤。

2.5平行度誤差試驗及應(yīng)用

2.5.1試驗過程

1)平行于Z軸的平行度試驗(薄板件)。a.準備1張鋁制薄板，裝夾后在數(shù)控銑床上銑出如圖1所示的框型臺階面，中間的平面作為基準平面，四周面作為被測平面;b.測量薄板的相關(guān)尺寸，然后對主程序做相應(yīng)的修改，以滿足取點的需要，進行合理的軌跡規(guī)劃；c.加工完畢后調(diào)用測頭，直接進行在機測量，不進行二次裝夾；d.記錄最終試驗結(jié)果。

圖1　薄板件平行度測量現(xiàn)場

2)平行于Z軸的平行度試驗(厚板件)。a.準備1張鋁制厚板，裝夾后在數(shù)控銑床上銑出如圖2所示的臺階面，分成左、右兩半，左邊加工精度較右邊低，中間部分分別作為各部分的基準平面，兩側(cè)作為被測平面；b.測量工件的相關(guān)尺寸，然后對主程序做相應(yīng)的修改，以滿足取點的需要，進行合理的軌跡規(guī)劃；c.加工完畢后調(diào)用測頭，直接進行在機測量，不進行二次裝夾；d.記錄最終試驗結(jié)果。

圖2　厚板件平行度測量現(xiàn)場

3)任意位置的平行度試驗(薄板件)。a.將試驗1中的薄板件二次裝夾，并在安裝底部墊1個小塊，以達到傾斜效果；b.進行重新對刀；c.調(diào)用試驗1的測量程序進行測量；d.記錄最終試驗結(jié)果。

4)任意位置的平行度試驗(厚板件)。a.將試驗2中的厚板件二次裝夾(見圖3)，并在右側(cè)底部墊1個小塊，以達到傾斜的效果；b.進行重新對刀；c.調(diào)用試驗2的測量程序進行左半部分的平行度測量；d.重復(fù)進行上述步驟，進行右半部分的測量；e.記錄最終試驗結(jié)果。

圖3　任意位置平行度測量現(xiàn)場

2.5.2試驗結(jié)果及分析

1)試驗結(jié)果(多次測量穩(wěn)定值)見表1。

表1　平行度試驗結(jié)果

2)通過對試驗結(jié)果的分析，有如下結(jié)論。a.試驗1中從試驗組和對照組可以看出，加工后平行于Z軸的平行度測量達到預(yù)期；b.試驗2中加工精度低于試驗1，平行度誤差也略高于試驗1，比較合理；c.試驗3中的結(jié)果明顯比較大，可能由于薄板二次裝夾產(chǎn)生變形，以及加工過程存在熱變形和殘余應(yīng)力的多重影響的結(jié)果，進一步的分析有待于接下來的三坐標上進行測量分析；d.試驗4中進行的厚板測量的結(jié)果一直比較穩(wěn)定，且與試驗2中的結(jié)果比較吻合，驗證了厚板的任意位置平行度測量算法的合理性。

2.6后續(xù)開發(fā)

通過幾何誤差的在線檢測原理研究、方案設(shè)計、宏程序編制及實際應(yīng)用等工作，形成了在線檢測幾何誤差的整體解決方案，后續(xù)還要通過編程開發(fā)，形成標準應(yīng)用軟件，提升該項技術(shù)的易用性和適用性，方便推廣及應(yīng)用。

3產(chǎn)品應(yīng)用

某型號零件6-01檢控盒體設(shè)計圖樣要求頂面與底部加工面的平行度為0.05 mm。通過在該零件的加工程序后增加平行度誤差的檢測程序，對平行度進行了在線檢測，并將結(jié)果與三坐標測量儀進行了對比。

檢控盒體實物圖如圖4所示。應(yīng)用過程如下。

圖4　檢控盒體實物圖

1)在BV100加工中心機床上試驗，系統(tǒng)為FANUC 0i-MD，試驗對象是剛加工完的6-01檢控盒體零件。

2)利用編程軟件Creo Parametric 2.0在零件檢控盒體頂面上任意選取8個點位，在型腔底部選取8個點位，并用軟件編制雷尼紹測頭從安全平面移動到16處點位的路線軌跡，生成平行度誤差檢測原始程序。

3)利用上述點位的坐標，修改為標準在線檢測程序。檢測時，將修改后的在線檢測程序緊跟在整個加工程序最后，直接運行。

4)在線檢測實際值為0.043 mm。通過三坐標測量儀實際檢測，該平行度為0.045 mm，誤差為0.002 mm。檢測方案的可靠性進一步得到確認。

4結(jié)語

以平行度為例，通過對誤差檢測原理和評定方法的研究，提出了基于數(shù)控系統(tǒng)的在線檢測技術(shù)，開發(fā)出了包括平行度在內(nèi)的幾何誤差在線檢測解決方案。通過試驗和應(yīng)用逐步完善、成熟，可廣泛應(yīng)用到機械加工生產(chǎn)實踐中。

參考文獻

[1] 航空制造工程手冊總編委會. 航空制造工程手冊(飛機機械加工)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2005.

[2] 劉雄偉.數(shù)控加工編程的理論基礎(chǔ)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[3] 喬培平.數(shù)控研磨機研磨去除量的在線監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].新技術(shù)新工藝，2014(12)：83-85.

責(zé)任編輯馬彤

我國研制成功大中型無人機發(fā)動機

隨著“輕型航空發(fā)動機TDO工程樣機”掛載中國航天空氣動力技術(shù)研究院的“彩虹3”無人機近日試飛成功，我國大中型無人機擁有一顆“中國心”的夢想成為現(xiàn)實，將打破國外在這個領(lǐng)域長期技術(shù)和市場壟斷。這個輕型航空發(fā)動機是由天津大學(xué)內(nèi)燃機研究所負責(zé)研究開發(fā)，并由宗申動力合作試制。天津大學(xué)從2011年開始組織科研團隊系統(tǒng)開展輕型航空發(fā)動機的工程設(shè)計研制工作。研發(fā)團隊確定了以適用于大型無人機和雙人以下小型飛機的發(fā)動機為研發(fā)重點，完成TDO輕型航空發(fā)動機的方案設(shè)計、關(guān)鍵零部件設(shè)計及整機結(jié)構(gòu)設(shè)計及工藝分析，并聯(lián)合宗申動力開展TDO樣機試制。2015年3月，在天津大學(xué)內(nèi)燃機研究所實現(xiàn)TDO工程樣機的成功點火著車和性能指標測試。試驗表明，TDO樣機性能完全滿足項目開發(fā)的技術(shù)要求。2015年4月29日，掛載中國航天空氣動力技術(shù)研究院的“彩虹3”無人機整機首飛成功。據(jù)研發(fā)團隊專家介紹，“輕型航空發(fā)動機TDO工程樣機”是一款活塞式汽油發(fā)動機，綜合性能達到國外同類型無人機發(fā)動機水平，可滿足功率50 ～150 kW/h無人機和通用輕型航空器的需要。隨著電控技術(shù)和多級增壓技術(shù)的運用，該發(fā)動機及其后續(xù)產(chǎn)品可滿足無人機高空、長航時的飛行需要。

——摘自機電商情網(wǎng)

Application of Online Measurement on the Geometric Errors Test

WANG Xiaobing1, ZHAO Kai1, GAO Yuan2, ZHENG Lian2, PENG Guangyu2

(1.Hubei Sanjiang Space Xianfeng Electonic & Information Co., Ltd., Xiaogan 432100, China;

2.Advanced Technology Generalization Institute of CNGC, Beijing 100089, China)

Abstract：The measurement of geometric error is an important part of quality assurance in machining. As the advanced geometric error detection technology online detection is becoming increasingly popular. Through in-depth study of the geometric error evaluation method, NC system macro programming and macro variables call key technology, improving the adaptability and process test, summarize a new online detection method based on CNC system. Take parallelism error detection as an example, the system introduces online detection technology in the geometric error detection application principle and method, and principle of test and production site actual processing application is taken as verification. The test results are close to the three coordinate measuring, and it proves that this technology is accurate and reliable, providing a new way for the study of on-line detection technology in the field of CNC machining.

Key words:CNC machine, online measurement software, geometric errors test

收稿日期：2015-03-18

作者簡介：王曉兵(1970-)，男，工程師，主要從事數(shù)控加工等方面的研究。

中圖分類號：TG 83

文獻標志碼:B