田海林，陳翔鵬，方輝*，丁毅，唐筱嵐

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基于機(jī)床與測(cè)頭的大型曲面輪廓檢測(cè)研究

田海林1，陳翔鵬2，方輝1*，丁毅2，唐筱嵐2

（1. 四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610000；2. 航空工業(yè)成飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司，四川 成都 610091）

大型曲面外形由于其尺寸較大，開發(fā)專用檢測(cè)儀器設(shè)備成本太高，如何高效率低成本地進(jìn)行大型曲面輪廓精度檢測(cè)仍是一個(gè)亟待解決的難題。根據(jù)已有的接觸式測(cè)量技術(shù)，結(jié)合飛機(jī)大型結(jié)構(gòu)件外形輪廓精度檢測(cè)的實(shí)際需求，探討利用數(shù)控機(jī)床和工件測(cè)頭等加工、檢測(cè)設(shè)備，進(jìn)行大型曲面外形輪廓精度測(cè)量，提出了一種測(cè)量方法，并進(jìn)行了相關(guān)仿真和試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了該方案的可行性。

大型曲面；接觸式測(cè)量；飛機(jī)大型結(jié)構(gòu)件

飛機(jī)蒙皮、下垂板、擾流板等曲面零件是構(gòu)成飛機(jī)氣動(dòng)外形的重要零件，由于其曲面外形在飛行過程中直接與氣流接觸，直接參與受力和傳力。因此在設(shè)計(jì)制造過程中，對(duì)其曲面外形輪廓和表面質(zhì)量有極為嚴(yán)格精度要求。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于其尺寸較大，加工過程中曲面的輪廓精度很不穩(wěn)定，因此其外形輪廓的精度檢測(cè)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量控制中尤為重要[1-6]。

由于該類零件曲面外形輪廓尺寸較大，因此難以采用三坐標(biāo)測(cè)量等主流輪廓檢測(cè)方式進(jìn)行檢測(cè)，目前通常采用激光跟蹤儀進(jìn)行檢測(cè)，激光跟蹤儀價(jià)格昂貴，同時(shí)需要對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定然后逐點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，雖然能夠保證較高的測(cè)量精度，但是檢測(cè)過程較為復(fù)雜費(fèi)時(shí)，檢測(cè)效率較低，人工成本較高。為了解決上述問題，根據(jù)某飛機(jī)公司相關(guān)技術(shù)需求和現(xiàn)有設(shè)備狀況，擬將公司已有的大型龍門數(shù)控銑床與接觸式測(cè)量觸頭結(jié)合起來，利用龍門數(shù)控銑床的行程優(yōu)勢(shì)和接觸式測(cè)量的高精度優(yōu)勢(shì)，開發(fā)出一種大型曲面外形輪廓自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，為大型曲面零件外形輪廓尺寸精度的檢測(cè)提供一種可行的技術(shù)方案。

1 總體思路

結(jié)合飛機(jī)大型結(jié)構(gòu)件外形輪廓精度檢測(cè)的實(shí)際需求，本文將測(cè)量方案分為三個(gè)主要模塊。Mastercam軟件模塊，負(fù)責(zé)編寫機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡和動(dòng)態(tài)模擬；數(shù)控機(jī)床，作為整個(gè)平臺(tái)的主體，負(fù)責(zé)工件定位、測(cè)頭安裝、數(shù)據(jù)接收和完成軌跡移動(dòng)；測(cè)頭，進(jìn)行誤差測(cè)量和數(shù)據(jù)反饋。圖1為主要模塊及功能框圖。

圖1 主要模塊及功能框圖

2 基于數(shù)控機(jī)床的接觸式測(cè)量方法分析

2.1 數(shù)控機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的測(cè)量宏程序移植

本文試驗(yàn)過程中使用的接觸式測(cè)頭為雷尼紹OMP60光學(xué)機(jī)床測(cè)頭，因?yàn)闇y(cè)量程序在測(cè)量過程中被大量重復(fù)使用，所以其配套有與之對(duì)應(yīng)的測(cè)量宏程序。在實(shí)際使用中將需要測(cè)量的尺寸大小、工藝參數(shù)等信息通過變量表示出來，在CNC執(zhí)行時(shí)，通過賦值的形式將變量表達(dá)出來[7-8]。試驗(yàn)配套機(jī)床配置的是FANUC數(shù)控系統(tǒng)，其包含CUSTOM MACRO A和CUSTOM MACRO B兩個(gè)用戶宏程序模塊，在測(cè)頭安裝調(diào)試之前，須將測(cè)頭對(duì)應(yīng)的測(cè)量宏程序?qū)肫渲幸粋€(gè)宏程序模塊中，在編程過程中通過G65調(diào)用對(duì)應(yīng)的宏程序即可，其一般格式為：G65 P（程序號(hào)）L（重復(fù)次數(shù)）<宏變量傳遞值>。

圖2為測(cè)量宏程序的流程圖。

圖2 測(cè)量宏程序流程圖

2.2 基于Mastercam的運(yùn)動(dòng)軌跡生成

對(duì)于大尺寸曲面而言，由于其曲面的輪廓較為復(fù)雜，同時(shí)輪廓測(cè)量需要測(cè)量大量的點(diǎn)，可以采用Mastercam導(dǎo)入待檢零件的設(shè)計(jì)模型，利用軟件設(shè)計(jì)模型編程生成測(cè)量路徑，降低程序編寫復(fù)雜程度，提高編程效率。圖3為導(dǎo)入的零件模型圖和選取的待測(cè)點(diǎn)，圖4為生成的測(cè)量軌跡。

基于Mastercam生成的測(cè)量路徑，可以利用Mastercam進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬分析，在模擬過程中，可以選取與試驗(yàn)過程中使用的測(cè)頭參數(shù)相同的模擬測(cè)頭，模擬過程如圖5所示。對(duì)于一些比較復(fù)雜的零件，通過Mastercam的刀路模擬分析，可以選擇不同的測(cè)量路徑，同時(shí)可以避免在實(shí)際測(cè)量過程中的已知的碰撞，合理的選擇測(cè)量點(diǎn)。

圖3 零件模型圖和選取的待測(cè)點(diǎn)

圖4 Mastercam生成的測(cè)量軌跡

圖5 基于Mastercam的測(cè)量動(dòng)態(tài)模擬

2.3接觸式測(cè)量的曲面測(cè)量分析

由接觸式測(cè)量的原理可知，在測(cè)量過程中要想求出探針與曲面的實(shí)際接觸點(diǎn)是極其復(fù)雜的，但從曲面來求探針測(cè)頭的中心位置相對(duì)簡(jiǎn)單。根據(jù)自由曲面方程及探針測(cè)頭的半徑，可以求出理想狀態(tài)下測(cè)頭中心位置對(duì)應(yīng)的曲面，然后以此曲面來代替原始的自由曲面。理論上該曲面為測(cè)頭在測(cè)量工件過程中探針中心的運(yùn)動(dòng)軌跡所對(duì)應(yīng)的曲面[9-10]。設(shè)所測(cè)量的自由曲面方程為：

＝(,)

設(shè)點(diǎn)(0,0,(0,0) ) 為曲線上的點(diǎn)，探針為半徑的理想曲面。當(dāng)探針與曲面接觸時(shí)，對(duì)應(yīng)的球心位置(,,) 可表示為：

式中：

由式（1）～式（3）確定的(,,) 為理想狀態(tài)下通過測(cè)頭測(cè)得的結(jié)果。在實(shí)際測(cè)量過程中，將測(cè)頭測(cè)得的值與理想狀態(tài)下(,,)進(jìn)行比較，就能得到該點(diǎn)的誤差。

3 編程與試驗(yàn)測(cè)量

基于以上分析，結(jié)合現(xiàn)有的試驗(yàn)環(huán)境，選取了一臺(tái)具有FANUC數(shù)控系統(tǒng)的3軸數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了小尺寸的曲面輪廓精度檢測(cè)。試驗(yàn)中使用的機(jī)床為德馬VL1060A三軸數(shù)控銑床，雷尼紹OMP60光學(xué)機(jī)床測(cè)頭及Mastercam編程軟件，其部分測(cè)量程序代碼如下：

O1101

G01G90G58G40G80F2000X-175.Y-150.

G43Z100.H01

M19

M31

G04X1.

POPEN

G65P9810Z20.F2000

M98P1100

N160G01X-150.

G65P9810Z20.F2000G65P9810Z20.F2000

M98P1100

N170G01X-125.

G65P9810Z20.F2000

M98P1100

N180G01X-100.

G65P9810Z20.F2000

M98P1100

N190G01X-75.

G65P9810Z20.F2000

M98P1100

N200G01X-50.

G65P9810Z20.F2000

M98P1100

N210G01X-25.

G65P9810Z20.F2000

M98P1100

N220G01X0.

N300G01X-175.Y-100.

······

G65P9810Z20.F2000

M98P1100

M32

PCLOS

G0Z150.0

M30

圖6 測(cè)試試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖片

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及其分析

經(jīng)過多次測(cè)量試驗(yàn)，整理得到了多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。

表1 部分點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理

在測(cè)量過程中，根據(jù)給定的軸與軸理論坐標(biāo)值移動(dòng)數(shù)控機(jī)床至理論坐標(biāo)值點(diǎn)，其精度由數(shù)控機(jī)床的位置精度保證。目前經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的位置精度一般低于0.004 mm，遠(yuǎn)低于輪廓精度要求，故文中忽略機(jī)床的位置精度認(rèn)為軸與軸的實(shí)際坐標(biāo)值等于理論坐標(biāo)值，通過該試驗(yàn)測(cè)量方法輪廓精度誤差為累積在軸上的誤差。

根據(jù)表1可知，通過試驗(yàn)測(cè)到的軸精度誤差精確到微米。在具體測(cè)量過程中，可根據(jù)曲面輪廓精度要求對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到具體的誤差數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

經(jīng)過多次試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，接觸式測(cè)量的測(cè)量方式和測(cè)量精度完全符合下垂板輪廓精度測(cè)量精度的要求。通過運(yùn)用本文測(cè)量方式，可以對(duì)待測(cè)工件尺寸小于機(jī)床行程的輪廓精度進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量過程與目前的激光跟蹤儀檢測(cè)相比提高了單件待測(cè)工件檢測(cè)時(shí)間。在試驗(yàn)過程中，平均完成一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的檢測(cè)耗時(shí)4 s，而利用激光跟蹤儀晚上同樣點(diǎn)位的人工測(cè)量，耗時(shí)約20 min。其自動(dòng)化測(cè)量方式減少了人工成本，同時(shí)也降低了人為測(cè)量過程中的隨機(jī)誤差。綜上所述，利用上述的接觸式測(cè)量能提高檢測(cè)效率，降低檢測(cè)成本。

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Large-scale Curved Surface Shape Detection Based on Machine Tool and Measurement Technology

TIAN Hailin1，CHEN Xiangpeng2，F(xiàn)ANG Hui1，Ding Yi2，TANG Xiaolan2

(1.College of Manufacturing Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610000,China;2.AVIC Chengdu Aircraft Industrial(Group)Co., Ltd.,Chengdu 610091,China)

Because of its large size, the cost of the development of special equipment for testing large-scale curved surface shape is high. How to lower the cost and to increase the accuracy of detection is still a problem Based on the existing contact measurement technology, and combined with the actual needs of the outline accuracy of the large-scale structural parts of the aircraft, this paper uses the existing processing equipment to conduct accurate measurement of the large-scale curved surface profile. The paper puts forward a measurement method and carries out related simulation and experimental research, which verifies the feasibility of the solution.

large surface；contact measurement technology；structural parts of aircraft

TH124

A

1006－0316 (2018) 04－0038－05

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.04.009

2017－12－01

四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2016GZ0013、2014GZ0122）

田海林（1994－），男，重慶人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閿?shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

方輝（1973－），男，湖南岳陽人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)閿?shù)控裝備熱誤差分析與補(bǔ)償、精密加工技術(shù)及裝備。