褚偉俊, 許智強, 于若甫, 馬行馳, 陳乃超

(1.華能上海燃機(jī)發(fā)電有限公司, 上海 200942; 2.上海電力學(xué)院, 上海 200090)

目前,以高質(zhì)量、高效率、低成本地完成生產(chǎn)任務(wù)為目標(biāo)的先進(jìn)制造技術(shù)是國內(nèi)外的重點研究方向之一。這有力地推動了汽車、冶金、國防等基礎(chǔ)工業(yè)的發(fā)展[1]。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷提高,對零件的精度要求也在不斷提高,精密加工技術(shù)已成為當(dāng)前先進(jìn)制造技術(shù)研究的難點和熱點。精密測量技術(shù)是精密加工技術(shù)重要的前提條件和技術(shù)保證。因此,精密加工和精密測量技術(shù)的發(fā)展一直以來受到世界各國的重視,被作為高端制造業(yè)優(yōu)先發(fā)展的技術(shù)方向,并投入了大量的人力和物力資本。近年來,在精密加工和精密測量技術(shù)中,應(yīng)用了人工智能、先進(jìn)算法、自動控制等先進(jìn)技術(shù)和手段,有力地促進(jìn)了精密加工和精密測量技術(shù)以更快的速度發(fā)展,大大地改變了該技術(shù)領(lǐng)域的面貌。

對于數(shù)控機(jī)床而言,精密的在位測量技術(shù)是精密加工技術(shù)的基礎(chǔ)。一般而言,數(shù)控機(jī)床的精度很高,但不作為測量儀器使用。如果合理應(yīng)用機(jī)床的測量儀器,增加測量工具,使機(jī)床不僅具有加工的功能,又具有測量的功能,這樣就擴(kuò)大了機(jī)床的使用范圍,同時也能夠?qū)崿F(xiàn)對大型軸類零件的高精度測量。目前,根據(jù)測量的形式和方法,軸類零件的測量方法主要分為:離線測量、在位測量和在線測量。其中,在位測量技術(shù)難度適中、實施方便、成本較低,具有非常廣闊的應(yīng)用前景。其具體方法是工件被加工之后,不對被加工零件進(jìn)行拆卸,仍然夾持在機(jī)床之上,在機(jī)床上對被加工零件進(jìn)行測量,若測量結(jié)果不合格,則在機(jī)床上直接快速地返修,消除了再次裝夾和定位等造成的誤差?？梢钥闯?研究出高精度、高效率、低成本的大型軸類零件在位測量系統(tǒng),對于我國機(jī)械裝備制造行業(yè)整體技術(shù)水平的提高,尤其大型機(jī)械裝備性能的提升具有極其重要的現(xiàn)實意義[2]。

本文綜述了高精度大型軸類零件在測量坐標(biāo)系統(tǒng)、尺寸精度測量方法、形狀誤差測量現(xiàn)狀等方面的研究進(jìn)展。

1 大型軸類零件測量坐標(biāo)系統(tǒng)

目前,大型軸類零件測量坐標(biāo)系統(tǒng)主要包括笛卡爾和非笛卡爾坐標(biāo)測量系統(tǒng)兩大類。

1.1 笛卡爾坐標(biāo)測量系統(tǒng)

笛卡爾坐標(biāo)測量系統(tǒng)為三坐標(biāo)測量系統(tǒng),主要由3個相互垂直的導(dǎo)軌組合而成,并配有支撐框架、傳感器、控制系統(tǒng)、測量探頭等。此外,該系統(tǒng)還有相關(guān)計算算法。笛卡爾坐標(biāo)測量系統(tǒng)可以應(yīng)用于不同的工業(yè)行業(yè)中,除了測量精確度、尺寸大小、測量范圍、經(jīng)濟(jì)性和功效等有所差異外,在結(jié)構(gòu)上也有不同的搭配方法。因此,產(chǎn)品呈現(xiàn)多樣化。笛卡爾坐標(biāo)測量系統(tǒng)較為簡單方便,應(yīng)用廣泛,可以實現(xiàn)對零部件幾何尺寸、位置精度、形狀精度等的高精度測量。

1.2 非笛卡爾坐標(biāo)測量系統(tǒng)

非笛卡爾坐標(biāo)測量系統(tǒng)包含了目標(biāo)跟蹤坐標(biāo)測量系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)光視覺坐標(biāo)測量系統(tǒng)、立體成像視覺坐標(biāo)測量系統(tǒng)、多關(guān)節(jié)坐標(biāo)測量系統(tǒng)等[2-5]。

1.2.1 目標(biāo)跟蹤坐標(biāo)測量系統(tǒng)

目標(biāo)跟蹤坐標(biāo)測量系統(tǒng)利用激光測量原理,將反射器安裝在需要測量的點上,跟蹤頭能夠移動,并可以發(fā)射出激光,當(dāng)激光打在反射器后,發(fā)生反射,跟蹤頭獲取反射信號,根據(jù)光學(xué)原理獲取具體的位置尺寸。當(dāng)目標(biāo)發(fā)生移動后,通過調(diào)整激光光束的方向,使其始終對準(zhǔn)反射器,并獲取反射激光,綜合算法后,可以獲取反射器的空間坐標(biāo)位置。根據(jù)跟蹤頭和激光結(jié)構(gòu)和數(shù)量的不同,分為坐標(biāo)式、角坐標(biāo)式和球坐標(biāo)式3種類型。該系統(tǒng)主要應(yīng)用于大型零部件的尺度測量、安裝和裝配等,具有精度高、測量范圍大、攜帶方便等優(yōu)點。但該系統(tǒng)操作較繁瑣、價格昂貴、結(jié)構(gòu)精密復(fù)雜,這些因素也限制了其應(yīng)用。

1.2.2 結(jié)構(gòu)光視覺坐標(biāo)測量系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)光視覺坐標(biāo)測量系統(tǒng)主要通過圖像技術(shù),獲取零件的尺寸大小信息。其主要組成部分包括標(biāo)準(zhǔn)化的模板、光學(xué)系統(tǒng)、圖像接收器、計算處理算法和圖像處理軟件等。該系統(tǒng)首先獲取標(biāo)準(zhǔn)化模板的圖像信息,再由光學(xué)系統(tǒng)和圖像接收器獲取零件的圖像信息,并傳輸?shù)接嬎闾幚硭惴ê蛨D像處理軟件中。由于實際零件與標(biāo)準(zhǔn)零件存在一定的誤差,通過對比標(biāo)準(zhǔn)零件與實際零件的圖像,獲取被測零件的實際尺寸值。其主要應(yīng)用于虛擬制造以及逆向工程,可以快速地獲取零件(尤其是復(fù)雜的曲面零件)尺寸。目前,該系統(tǒng)中應(yīng)用最成熟、最廣泛的是三維掃描視覺坐標(biāo)測量系統(tǒng),具有測量速度快、精度高等優(yōu)點。

1.2.3 立體成像視覺坐標(biāo)測量系統(tǒng)

立體成像視覺坐標(biāo)測量系統(tǒng)主要利用攝像機(jī)獲取的圖像,通過多維復(fù)合形成對被測物體的三維成像,進(jìn)而獲取零件的尺寸數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)將多臺攝像機(jī)放置在不同的位置,獲取不同視角下的零件平面投影圖像,根據(jù)不同側(cè)面的零件圖像信息,利用計算算法和數(shù)據(jù)處理技術(shù),復(fù)原和構(gòu)造出被測零件的三維數(shù)據(jù)信息。其主要應(yīng)用于長距離、大范圍的測量領(lǐng)域。當(dāng)采用的攝像機(jī)臺數(shù)越多,測量范圍越大,精度也就越高。

1.2.4 多關(guān)節(jié)坐標(biāo)測量系統(tǒng)

多關(guān)節(jié)坐標(biāo)測量系統(tǒng)通過仿生技術(shù),實現(xiàn)對零件的測量。該系統(tǒng)利用構(gòu)造出的機(jī)械臂,模擬人體關(guān)節(jié),將測頭放置在機(jī)械臂的末端,利用可以旋轉(zhuǎn)一系列桿件帶動測頭移動。該系統(tǒng)以角度測量為基準(zhǔn),具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、體積小、便攜性好、測量范圍大等優(yōu)點。其主要應(yīng)用于裝配生產(chǎn)線、虛擬設(shè)計制造、機(jī)器人標(biāo)定等方面。

2 大型軸類零件尺寸精度測量方法對比

國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對工程大型軸類零件的尺寸精度測量方法進(jìn)行了大量研究工作,主要的測量方法如下[2,6-10]。

(1) 游標(biāo)卡尺、千分尺和卡規(guī) 游標(biāo)卡尺、千分尺和卡規(guī)是最簡單、最方便的測量方式。它們作為標(biāo)準(zhǔn)化的工具,價格便宜,是制造企業(yè)生產(chǎn)的必備工具,常應(yīng)用于公差等級比較大(>IT10)的工件上面。游標(biāo)卡尺的測量臂越短,測量誤差越小。

(2) π尺(繞測)法 主要針對臥式零件的測量,對被測零件的形狀也有特殊要求,必須為連續(xù)的圓柱面,因此其應(yīng)用范圍較小,同時測量時也受到外界主觀影響的影響,如拉緊力極易影響測量精度。

(3) 弓高弦長法 針對特殊零件,主要是不完整圓外徑的測量。該方法的主要原理是,首先測出被測零件的圓弧的弓高和弦長,再按照幾何關(guān)系計算,間接地獲得工件直徑大小。

(4) 滾輪法 將標(biāo)準(zhǔn)滾輪與被測工件壓緊后,進(jìn)行無滑動的滾動,由光電器件送出滾輪和工件的轉(zhuǎn)數(shù)信號,再由后續(xù)電路進(jìn)行自動處理。通過標(biāo)準(zhǔn)滾輪的直徑以及兩輪的轉(zhuǎn)數(shù)比,即可算出被測工件的直徑。

(5) 光能量法 屬于非接觸式的測量方法。該方法的測量范圍為80～230 mm。

(6) 激光掃描瞄準(zhǔn)法 采用小口徑透鏡,利用掃描方法的原理,進(jìn)行大尺寸工件的測量。

(7) 標(biāo)記法滾輪直徑測量法 利用時間和空間的概念,將空間的尺寸量轉(zhuǎn)化為時間量,進(jìn)而以獲得的時間量推斷出空間尺寸信息。該方法的精度可以達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)IT6級。

以上列舉的尺寸測量方法的對比結(jié)果如表1所示,可以根據(jù)實際需要選擇合適的測量方法。

表1 尺寸測量方法的對比

3 大型軸類零件形狀誤差測量現(xiàn)狀

目前,在大型軸類零件形狀誤差測量方面,很多學(xué)者做了大量的研究工作。王偉等人[11]研制了經(jīng)濟(jì)型軸類零件形狀誤差測量儀。該儀器是以MCS-51單片機(jī)為核心,以偏擺儀為基礎(chǔ),可用于同軸度、圓度、徑向跳動、軸線直線度等項目的測量。黃風(fēng)山等人[12]研制了大型軸類零件形狀誤差的自動測量儀。該測量儀將機(jī)械控制、數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)處理集為一體,可測量大型軸類零件的多項形狀誤差并實現(xiàn)自動化。郭林等人[13]提出了采用電荷耦合元件(Charge-coupled Device,CCD)攝像方式的測量方法,由CCD攝像頭采集零件各個方位的圖片,通過圖像處理,獲得零件的幾何尺寸以及形狀公差,進(jìn)而判斷零件是否合格。劉偉等人[14]將單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用于零件的形狀誤差測量中,將車床床身充當(dāng)儀器本體,測量傳感器裝配在車床溜板上。該儀器實現(xiàn)了多種形狀誤差的在位測量,且具有機(jī)械控制、數(shù)據(jù)處理等諸多輔助功能。閆利文[2]在多個技術(shù)領(lǐng)域?qū)Υ笮洼S類零件的高精度在位測量進(jìn)行了大量的研究,為提高大型軸類零件在位測量精度提供了有效的理論基礎(chǔ),并開發(fā)了帶誤差分離及補償功能的軋輥磨床加工測量系統(tǒng)。劉旭東等人[15]設(shè)計了一種能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、非接觸、全場測量圓柱度的無損檢測方法,實驗結(jié)果與理論吻合良好,證實了理論的正確性。可將其推廣應(yīng)用到該類工程零件的其他形狀誤差檢驗測試當(dāng)中,也為該類零件檢測研究提供了一個新方向。賴海鳴等人[16]提出了一套大型主軸跳動在位測量系統(tǒng),通過設(shè)置激光位移傳感器、電渦流傳感器和霍爾傳感器,獲取主軸跳動相關(guān)信息,然后經(jīng)過去直流分量、小波去噪、消除回轉(zhuǎn)誤差和信號分離等信號處理,可獲得精確的機(jī)械跳動和電跳動信息。該系統(tǒng)可初步消除機(jī)床回轉(zhuǎn)誤差,實現(xiàn)電跳動的在位測量,大大提高了測量效率和測量精度。

茅健等人[17]提出了一種利用電渦流電跳動的在位測量方法并建立了測量系統(tǒng)。鐘茜等人[18]根據(jù)波蘭凱爾采科技大學(xué)提出的V型塊法,把在位測量裝置所采集到的信號通過數(shù)據(jù)采集卡在LabVIEW軟件平臺上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理,最終得出被測軸類零件的最小二乘圓柱度,驗證了V型塊法在位測量大型軸類零件圓柱度的可行性。張小強[19]研究了精密軸類零件外圓磨削過程中圓柱度誤差的產(chǎn)生機(jī)制,獲得了該類加工過程中圓柱度誤差的在位測量工藝,并實現(xiàn)可視化定量在位補償,大大提高了傳統(tǒng)外圓磨削的精度和效率,減輕了對操作者經(jīng)驗的依賴程度。俞凌[20]提出了圓柱度誤差測量的位移傳感器方法,以圓柱度誤差測量方法為研究對象,對現(xiàn)有的數(shù)控車床加工的零件圓柱度誤差進(jìn)行測量分析,利用該方法,可以直接在車床上進(jìn)行零件的圓柱度誤差測量。

綜上所述,可以看出,隨著科學(xué)和技術(shù)的進(jìn)步,新方法、新理念和新手段不斷涌現(xiàn),在位測量技術(shù)也將有新的發(fā)展方向,未來可能的發(fā)展趨勢如下。

(1) 非接觸測量 由于大型軸類零部件尺寸較大,選擇接觸測量的方式,傳感器與零件表面接觸面較多,不利于表面質(zhì)量的提高;同時隨著非接觸技術(shù),尤其是光、磁等技術(shù)發(fā)展和抗干擾能力的提升,為非接觸測量方法提供了強有力的技術(shù)支持。

(2) 無線通信技術(shù) 大型軸類零部件的加工一般需要大型機(jī)床,尤其是密閉型機(jī)床,信息通信和連線非常不便,隨著技術(shù)進(jìn)步,無線通信方式將成為技術(shù)發(fā)展的方向。

(3) 測試與控制相統(tǒng)一 在位測量與機(jī)床調(diào)控相結(jié)合,將測量結(jié)果及時反饋給機(jī)床數(shù)控系統(tǒng),由系統(tǒng)對機(jī)床進(jìn)行有效調(diào)整,滿足加工需要,實現(xiàn)測試與加工精度的實時互動,提高加工精度和加工效率。

(4) 在位測量的智能制造系統(tǒng) 隨著智能制造技術(shù)的提出,在位測量數(shù)據(jù)與機(jī)床數(shù)據(jù)耦合、與制造加工系統(tǒng)耦合等大數(shù)據(jù)技術(shù),提供了智能制造的數(shù)據(jù)源,為高質(zhì)量地完成產(chǎn)品加工提供了技術(shù)支持。

4 結(jié) 語

本文詳述了高精度大型軸類零件在位測量的研究進(jìn)展。通過對現(xiàn)有大型軸類零件測量方法研究的分析可知,相比于我國工業(yè)的快速發(fā)展,現(xiàn)有的測量方法和測量精度尚處于落后的狀態(tài),需要大力研發(fā)新型的測量方法、誤差補償及誤差分離技術(shù)來適應(yīng)市場發(fā)展的需求。

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