歐陽(yáng)婷婷 劉延平 彭江濤 寧麗霞 韓 晉

基于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的曲面輪廓度坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)

歐陽(yáng)婷婷 劉延平 彭江濤 寧麗霞 韓 晉

（天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司，天津 300462）

針對(duì)采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量曲面輪廓度問(wèn)題，分析兩件航天產(chǎn)品工裝在有基準(zhǔn)約束、無(wú)基準(zhǔn)約束條件下的輪廓度測(cè)量方法差異。不完全基準(zhǔn)約束的曲面輪廓度測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)與被測(cè)件理論模型只能在公差帶未被約束方向最佳擬合；完全基準(zhǔn)約束曲面輪廓度測(cè)量，應(yīng)按照被測(cè)曲面的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)建立測(cè)量坐標(biāo)系，且不應(yīng)對(duì)測(cè)量點(diǎn)與被測(cè)件理論模型最佳擬合；無(wú)基準(zhǔn)約束曲面輪廓度測(cè)量，應(yīng)對(duì)測(cè)量點(diǎn)與被測(cè)件理論模型六自由度無(wú)約束最佳擬合；不同的測(cè)量坐標(biāo)系建立方法對(duì)無(wú)基準(zhǔn)約束的曲面輪廓度的實(shí)測(cè)值無(wú)影響。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)；曲面輪廓度；坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)

1 引言

曲面輪廓度是零件制造過(guò)程中應(yīng)用較多且難于測(cè)量和評(píng)定的形位公差項(xiàng)目，評(píng)價(jià)被測(cè)空間實(shí)際曲面輪廓與理想曲面輪廓的符合程度，是任意曲面偏離設(shè)計(jì)要求的形狀而提出的技術(shù)指標(biāo)[1]。曲面輪廓度測(cè)量方法有仿形法、輪廓樣板法、投影法和坐標(biāo)法[2]。在航天制造企業(yè)中，鈑金成型模具、鑄造型胎、機(jī)床S型試切件等型面因制造精度較高，通常采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量曲面輪廓度，根據(jù)輪廓度偏差大小判斷產(chǎn)品成型工裝及機(jī)床能否投入使用。因此，曲面輪廓度測(cè)量具有重大意義。以三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)論述曲面輪廓度坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)及相關(guān)注意事項(xiàng)，為工程應(yīng)用提供參考。

2 曲面輪廓度[3]

2.1 有基準(zhǔn)約束的曲面輪廓度

有基準(zhǔn)約束的曲面輪廓度是指被測(cè)曲面輪廓與產(chǎn)品其他幾何要素有相對(duì)位置要求，其公差帶位置受約束。按約束程度分類(lèi)，有基準(zhǔn)約束的曲面輪廓度包含不完全基準(zhǔn)約束和完全基準(zhǔn)約束的曲面輪廓度。

2.1.1 不完全基準(zhǔn)約束的曲面輪廓度

如圖1所示，基準(zhǔn)平面和理論尺寸約束曲面輪廓度公差帶繞、軸的翻轉(zhuǎn)及軸方向的平移，并確定了公差帶在上下方向的位置。

圖1 不完全基準(zhǔn)約束的輪廓度公差帶

2.1.2 完全基準(zhǔn)的曲面輪廓度

如圖2所示，基準(zhǔn)面、、完全固定了被測(cè)曲面的輪廓度公差帶的位置，各方向的自由度均被約束。

2.1.3 無(wú)基準(zhǔn)約束的曲面輪廓度

無(wú)基準(zhǔn)約束的曲面輪廓度是指被測(cè)曲面輪廓與產(chǎn)品其他幾何要素?zé)o相對(duì)位置要求，其公差帶位置浮動(dòng)。如圖3所示，被測(cè)曲面位于相對(duì)理論曲面對(duì)稱(chēng)分布的寬度為0.02mm的公差帶區(qū)域內(nèi)即為合格。

3 測(cè)量方法

曲面輪廓度坐標(biāo)測(cè)量方法如下：采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)針在被測(cè)產(chǎn)品曲面上按一定間距采集特征點(diǎn)的坐標(biāo)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到與對(duì)應(yīng)理論數(shù)模點(diǎn)的偏差值，并以最大偏差值的兩倍作為被測(cè)曲面的輪廓度誤差，詳細(xì)的測(cè)量流程如圖4所示。無(wú)基準(zhǔn)約束的曲面輪廓度測(cè)量，因被測(cè)曲面與其他幾何要素?zé)o特定的位置要求，數(shù)據(jù)處理時(shí)可通過(guò)所有特征點(diǎn)數(shù)據(jù)與曲面理論模型最佳擬合處理，使輪廓度偏差均勻化，以獲取最佳測(cè)量數(shù)據(jù)；有基準(zhǔn)約束的曲面輪廓度測(cè)量，應(yīng)視其公差帶自由度約束情況確定最佳擬合方法。當(dāng)最佳擬合方法選擇不當(dāng)時(shí)，曲面測(cè)量數(shù)據(jù)相對(duì)于理論模型將產(chǎn)生不合理的平移或旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致被測(cè)曲面與基準(zhǔn)要素?zé)o法保持特定的相對(duì)位置關(guān)系，難以滿(mǎn)足產(chǎn)品的測(cè)量精度要求。

4 案例分析

4.1 案例一

測(cè)量錐形定位工裝曲面輪廓度，其形位尺寸要求如圖5所示。

圖5 工裝示意圖

4.1.1 分析工裝測(cè)量?jī)?nèi)容

根據(jù)工裝測(cè)量要求可知，其被測(cè)曲面與其他幾何要素?zé)o特定相對(duì)關(guān)系，只需測(cè)量實(shí)際曲面輪廓與理論模型的偏差，屬于無(wú)基準(zhǔn)約束的曲面輪廓度測(cè)量。測(cè)量過(guò)程如圖4a所示。

4.1.2 測(cè)量設(shè)備參數(shù)

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)示值精度(8+/200)μm，滿(mǎn)足工裝測(cè)量需求。

4.1.3 建立測(cè)量坐標(biāo)系

將工裝立放在測(cè)量機(jī)平臺(tái)上后，利用探針手動(dòng)測(cè)量以下3組特征，分別采用3-2-1對(duì)齊和6點(diǎn)定位對(duì)齊方法建立坐標(biāo)系，見(jiàn)表1及圖6。確認(rèn)坐標(biāo)系各軸方向及原點(diǎn)位置與理論模型坐標(biāo)系一致后對(duì)齊。

表1 對(duì)齊方案

4.1.4 測(cè)量曲面特征點(diǎn)并進(jìn)行最佳擬合處

圖7 特征點(diǎn)與產(chǎn)品理論模型

圖8 max1向max2轉(zhuǎn)變

在被測(cè)曲面上按一定間距采集24個(gè)特征點(diǎn)，選中所有點(diǎn)特征與產(chǎn)品理論模型進(jìn)行最佳擬合處理（特征點(diǎn)相對(duì)理論模型作平移和旋轉(zhuǎn)），使輪廓度偏差均勻化。如圖7、圖8所示，經(jīng)最佳擬合后輪廓度偏差由max1向max2轉(zhuǎn)變，得到較準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)。

4.1.5 評(píng)價(jià)曲面輪廓度

分別在坐標(biāo)系1和坐標(biāo)系2下評(píng)價(jià)面輪廓度誤差，測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 測(cè)量數(shù)據(jù)

圖9 測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

圖9為測(cè)量數(shù)據(jù)曲線(xiàn)，可知：采用不同幾何要素建立坐標(biāo)系，測(cè)量數(shù)據(jù)最佳擬合后，工裝輪廓度測(cè)量結(jié)果差異不大于0.02mm。因此，測(cè)量無(wú)基準(zhǔn)約束的曲面輪廓度，其誤差基本不受坐標(biāo)系建立方法的影響。該工裝的輪廓度誤差為0.598mm。

4.2 案例二

圖10 工裝測(cè)量要求

測(cè)量某航天型號(hào)工裝曲面輪廓度，其形位尺寸要求如圖10所示。

4.2.1 分析產(chǎn)品測(cè)量?jī)?nèi)容

由工裝圖紙可知，其被測(cè)曲面與基準(zhǔn)平面有相對(duì)位置要求，由理論尺寸450確定該公差帶高度方向的位置，屬于不完全基準(zhǔn)曲面輪廓度測(cè)量。測(cè)量過(guò)程如圖4b所示。

4.2.2 測(cè)量設(shè)備參數(shù)

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)示值精度(8+/200)μm，滿(mǎn)足工裝測(cè)量需求。

4.2.3 建立測(cè)量坐標(biāo)系

將工裝立放于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)平臺(tái)上，利用探針手動(dòng)測(cè)量基準(zhǔn)平面、水平方向直線(xiàn)1及中心圓。坐標(biāo)系建立如圖11所示，基準(zhǔn)平面的法向?yàn)?軸，其幾何中心為Z軸零點(diǎn)，直線(xiàn)1為+軸、軸零點(diǎn)，中心圓圓心設(shè)為軸零點(diǎn)。確認(rèn)坐標(biāo)系各軸方向及原點(diǎn)位置與理論模型坐標(biāo)系一致后對(duì)齊。

圖11 測(cè)量坐標(biāo)系建立方法

4.2.4 測(cè)量曲面特征點(diǎn)并最佳擬合處理

圖12 數(shù)據(jù)點(diǎn)最佳擬合

a. 分析被測(cè)曲面約束方向。被測(cè)曲面與基準(zhǔn)平面在高度方向上有理論尺寸要求，其輪廓度公差帶沿軸方向平移、繞軸旋轉(zhuǎn)及軸旋轉(zhuǎn)，3個(gè)自由度受約束；其次，被測(cè)曲面的約束方向?yàn)椋?，1，0），其公差帶繞軸旋轉(zhuǎn)受約束。因此，處理數(shù)據(jù)時(shí)不應(yīng)在此4個(gè)方向上最佳擬合。b. 測(cè)量曲面特征點(diǎn)。在被測(cè)曲面上按一定間距采集28個(gè)特征點(diǎn)，選中所有點(diǎn)特征與工裝理論模型沿軸/軸平移方向最佳擬合處理，見(jiàn)圖12。

4.2.5 評(píng)價(jià)輪廓度

所有數(shù)據(jù)點(diǎn)與理論模型最佳擬合后，該工裝曲面輪廓度誤差最大值為0.25mm。

5 結(jié)束語(yǔ)

詳細(xì)論述了三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)曲面輪廓度坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)，關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)主要包括：

a. 不完全基準(zhǔn)約束的曲面輪廓度測(cè)量，應(yīng)注意分析被測(cè)輪廓度公差帶的約束方向，測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)與被測(cè)件理論模型只能在公差帶未被約束的方向上最佳擬合。

b. 完全基準(zhǔn)約束的曲面輪廓度測(cè)量，應(yīng)按照被測(cè)曲面的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)建立測(cè)量坐標(biāo)系，且不應(yīng)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)與被測(cè)件理論模型最佳擬合，輪廓度實(shí)測(cè)值直接在測(cè)量坐標(biāo)系下評(píng)價(jià)。

c. 無(wú)基準(zhǔn)約束的曲面輪廓度測(cè)量，應(yīng)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)與被測(cè)件理論模型六自由度無(wú)約束最佳擬合，以獲取準(zhǔn)確的輪廓度實(shí)測(cè)值。

d. 不同的測(cè)量坐標(biāo)系建立方法對(duì)無(wú)基準(zhǔn)約束的曲面輪廓度的實(shí)測(cè)值基本無(wú)影響。

1 王林艷，王建華. 基于坐標(biāo)法的復(fù)雜曲面輪廓度的誤差評(píng)定[J]. 西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，26(3)：228～229

2 王伯平，曾建潮. 一種自調(diào)整的空間面輪廓度誤差的評(píng)定方法[J]. 計(jì)量學(xué)報(bào)，2002，23(2)：106

3 李明，費(fèi)麗娜. 幾何坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012

Measuring Technique of Surface Profile Based on Coordinate Measurement Machines

Ouyang Tingting Liu Yanping Peng Jiangtao Ning Lixia Han Jin

(Tianjin Long March Rocket Aerospace Manufacturing Co., Ltd., Tianjin 300462)

Aiming to solve the problems in measuring surface profile with three dimensional coordinate measuring machine, the paper analyzes the differences between the methods with and without datum constraints in measuring two aerospace product toolings. When the surface profile is measured with incomplete datum constraint, the measured point and the theoretical model can be best fit in the tolerance zone without constraint, while in the condition of complete datum constraint, the best fitting shall not be processed and measuring coordinate system shall be set up according to the designed datum of the measured surface. In the surface profile measuring without datum constraint, 6-DOF best fitting shall be processed, and various measuring methods have no influence on the measured surface.

three-dimensional measuringmachine；surfaceprofile；coordinate measuring technique

歐陽(yáng)婷婷（1988），工程師，精密測(cè)量專(zhuān)業(yè)；研究方向：航天產(chǎn)品精密檢測(cè)技術(shù)。

2020-01-08