劉小松 湯志鈞

(1.上海局集團公司南京車輛監(jiān)造項目部 江蘇 南京 210031；2.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 江蘇 南京 210031)

產(chǎn)品三坐標(biāo)檢測儀檢測(簡稱3D檢測)是通過人工手動采點或設(shè)備運行程序自動采點兩種方式來記錄待測元素坐標(biāo)位置信息，并通過軟件分析計算得出加工面空間尺寸及形位公差數(shù)值[1-2]。為方便產(chǎn)品在三坐標(biāo)測量機上進行測量，減少外形投影誤差、產(chǎn)品坐標(biāo)系與機床坐標(biāo)系方向不一致產(chǎn)生的結(jié)果放大誤差等累積，提高產(chǎn)品測量準(zhǔn)確性和便捷性，通常對簡單的對稱旋轉(zhuǎn)件產(chǎn)品可通過簡易的工裝將待測產(chǎn)品定位或位置固定以便設(shè)備自動運行程序?qū)崿F(xiàn)批量快速測量。對外形結(jié)構(gòu)不規(guī)則和不具備直接擺放條件的產(chǎn)品，本文提出采用初建坐標(biāo)系法或設(shè)計三坐標(biāo)預(yù)定位工裝兩種方法進行產(chǎn)品三維檢測。

1 初建坐標(biāo)系法進行產(chǎn)品尺寸檢測

1.1 外形不規(guī)則產(chǎn)品檢測難點

外形不規(guī)則產(chǎn)品是指產(chǎn)品外觀結(jié)構(gòu)為弧形、斜面、曲面、凹凸面等結(jié)構(gòu)。這些外形結(jié)構(gòu)導(dǎo)致產(chǎn)品在三坐標(biāo)機上不易擺放，即使在三坐標(biāo)平臺上使用頂鎬或其他輔助支撐將產(chǎn)品支撐起來，也會導(dǎo)致產(chǎn)品擺放高低不平。因此產(chǎn)品在這種狀態(tài)下構(gòu)建的坐標(biāo)系通常與機床坐標(biāo)系方向不一致，產(chǎn)品測量誤差容易被放大，造成產(chǎn)品尺寸誤判。

對于小批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，常用的方法是在三坐標(biāo)平臺上用球面支撐頂鎬將產(chǎn)品初步調(diào)平，測量時采用的是手動模式對產(chǎn)品加工面采點初建坐標(biāo)系，在初建的坐標(biāo)系下用3D設(shè)備自動運行程序采點，利用自動采點的元素構(gòu)建設(shè)計坐標(biāo)系、進行數(shù)據(jù)計算和輸出這一流程對產(chǎn)品尺寸進行檢測。目前初建坐標(biāo)系法進行構(gòu)架3D檢測方法可用于鐵路客車、動車組、地鐵等車型構(gòu)架零部件空間尺寸和形位公差的3D檢測。

1.2 產(chǎn)品初步調(diào)平方法

對于產(chǎn)品外形復(fù)雜的產(chǎn)品，一般在3D檢測平臺上采用半球形支撐頂鎬支撐。半球形支撐頂鎬由半球頭、螺桿頭、底座三部分組成(見圖1)，其工作原理是通過螺桿頭旋轉(zhuǎn)調(diào)整半球頭的高度，當(dāng)螺桿頭伸到一定高度后，半球頭就可在螺桿頭球形槽內(nèi)旋轉(zhuǎn)調(diào)整球頭截面與產(chǎn)品的接觸面積，保證半球頭與產(chǎn)品外截面充分實現(xiàn)面接觸。

圖1 半球形支撐頂鎬

1.3 坐標(biāo)系構(gòu)造方法

采用頂鎬支撐方法進行產(chǎn)品3D檢測時，坐標(biāo)系分為構(gòu)建初建坐標(biāo)系和構(gòu)建產(chǎn)品設(shè)計坐標(biāo)系兩步進行。產(chǎn)品擺放后會出現(xiàn)以產(chǎn)品加工面構(gòu)建的坐標(biāo)系方向與設(shè)備機床坐標(biāo)系方向不一致，且擺放高底不平的情況。因此產(chǎn)品構(gòu)建初建坐標(biāo)系的目的就是通過已加工完的面、孔構(gòu)造出產(chǎn)品本身的坐標(biāo)系方向，為機床自動運行采點程序指定方向及起始點，確保探頭與工件采點時不會因產(chǎn)品擺放方向問題而被碰掉。產(chǎn)品設(shè)計坐標(biāo)系是在自動運行程序采集產(chǎn)品待測數(shù)據(jù)特征點后，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計圖紙基準(zhǔn)位置要求構(gòu)造出的坐標(biāo)系。產(chǎn)品設(shè)計坐標(biāo)系的X、Y、Z軸為產(chǎn)品設(shè)計圖紙中的X、Y、Z向基準(zhǔn)軸，產(chǎn)品3D檢測數(shù)據(jù)結(jié)果的輸出都是在產(chǎn)品設(shè)計坐標(biāo)系下進行計算得出的值。

產(chǎn)品3D檢測常規(guī)的坐標(biāo)系構(gòu)建方法有兩種：第一種是點、線、面三要素法，即以產(chǎn)品已加工面、圓、孔、槽等要素進行采點，構(gòu)建出一個參考平面，通過參考平面上的線以及線上的點三要素，構(gòu)建的坐標(biāo)系的平面要通過構(gòu)造點、構(gòu)造線、垂直于參考平面。第二種方法是以產(chǎn)品加工面、槽等要素進行采點構(gòu)建出3個相互垂直平面。在坐標(biāo)系構(gòu)建過程中，采點距離大及采點位置均勻分布能有效減少構(gòu)建誤差，對構(gòu)建3個垂直面比較困難的產(chǎn)品推薦點、線、面三要素法構(gòu)建坐標(biāo)系。初建坐標(biāo)系時必須對產(chǎn)品待測要素手動采點，構(gòu)建產(chǎn)品初始坐標(biāo)系時選擇的參考要素要避開產(chǎn)品設(shè)計基準(zhǔn)坐標(biāo)系參考要素，防止兩個坐標(biāo)系重合。下面通過點、線、面三要素法及圖2中的實例介紹產(chǎn)品初建坐標(biāo)系和產(chǎn)品設(shè)計坐標(biāo)系的構(gòu)建過程。

圖2 坐標(biāo)系構(gòu)建圖

初建坐標(biāo)系是以4個彈簧筒墊板面PT1、PT2、PT3、PT4四個平面及Q6位、Q8位兩個彈簧筒?56 mm圓銷來構(gòu)建。初基準(zhǔn)面PL1由4個彈簧筒墊板面PT1、PT2、PT3、PT4以及4個Z平面軟件擬合構(gòu)造而成，坐標(biāo)系原點O′由Q6位?56 mm圓銷圓心CR2、Q8 位?56 mm圓銷圓心CR4兩圓心中點構(gòu)造而成，坐標(biāo)系X′軸由圓心CR2、圓心CR4連線構(gòu)造而成，坐標(biāo)系Z′軸方向由PL1平面法向確定，通過圓點O′垂直X′軸，坐標(biāo)系Y′軸通過圓點O′垂直X′軸和Z′軸。設(shè)計坐標(biāo)系是在數(shù)據(jù)采集完成后以Q1、Q2、Q3、Q4位節(jié)點座?80 mm孔的中心線與側(cè)梁中心線的4個交點構(gòu)建Z向基準(zhǔn)平面，X1和X2分別是Q1和Q2、Q3和Q4的中點，O為X1和X2的中點。坐標(biāo)系X軸由X1和X2連線確定，Z軸通過圓點O垂直基準(zhǔn)面Z，Y軸通過圓點O垂直X軸和Z軸。

對外形結(jié)構(gòu)不規(guī)則的產(chǎn)品用人工采點初建坐標(biāo)系和構(gòu)建設(shè)計坐標(biāo)系的方法是最常用的方法之一，但是采點耗費時間長，產(chǎn)品擺放也不太方便，僅適用于小批量、零散產(chǎn)品的檢測使用。對于批量產(chǎn)品的檢測，可考慮設(shè)計預(yù)定位工裝，方便產(chǎn)品快速擺放及定位，省去初建坐標(biāo)系采點流程，提升檢測效率。

2 三坐標(biāo)預(yù)定位工裝設(shè)計及運用

三坐標(biāo)預(yù)定位工裝是在工裝平臺上安裝定位基準(zhǔn)座，并通過工裝定位基準(zhǔn)座與產(chǎn)品焊接的定位螺栓密貼來實現(xiàn)產(chǎn)品X、Y、Z三個方向的自由度約束定位。由于產(chǎn)品上焊接的定位螺栓變形收縮量小于0.5 mm，因變形量小的特點，定位螺栓常常作為產(chǎn)品的定位基準(zhǔn)使用，廣泛用于產(chǎn)品加工工裝和產(chǎn)品三維檢測工裝定位上。因此在三坐標(biāo)測量工裝上引入產(chǎn)品定位螺栓和工裝定位基準(zhǔn)面定位法，保證產(chǎn)品每次擺放的位置不變，每件產(chǎn)品利用第一件產(chǎn)品構(gòu)建的初建坐標(biāo)系運行自動采點程序就能滿足產(chǎn)品檢測要求，可以節(jié)省每件產(chǎn)品初建坐標(biāo)系時間和產(chǎn)品擺放找正時間，在生產(chǎn)中省時省力。

2.1 定位基準(zhǔn)

定位基準(zhǔn)是產(chǎn)品加工定位基準(zhǔn)尺寸的簡稱，在生產(chǎn)中將產(chǎn)品上焊接的定位螺栓面到產(chǎn)品設(shè)計基準(zhǔn)之間的距離稱為定位基準(zhǔn)尺寸?？梢愿鶕?jù)產(chǎn)品外觀截面形狀、特點及生產(chǎn)的便利性自行確定產(chǎn)品定位基準(zhǔn)尺寸，但須確保工裝上的定位基準(zhǔn)面和產(chǎn)品上焊接的定位螺栓面確定的定位基準(zhǔn)尺寸是一致的。這樣設(shè)計一方面方便產(chǎn)品與工裝之間的快速定位、擺正和裝夾，另一方面方便通過產(chǎn)品定位螺栓面確定的定位基準(zhǔn)尺寸與設(shè)計基準(zhǔn)尺寸之間的轉(zhuǎn)換及產(chǎn)品加工坐標(biāo)系的計算和建立。

產(chǎn)品定位基準(zhǔn)座由標(biāo)準(zhǔn)螺栓、支撐螺母、基準(zhǔn)塊三部分組成，如圖3所示。產(chǎn)品定位螺栓是在產(chǎn)品加工前焊接的，焊接產(chǎn)品定位螺栓有兩種。第1種是工裝平衡法，該方法是將產(chǎn)品放在工裝上，通過工裝上的面、銷軸、孔驗證產(chǎn)品的狀態(tài)，保證檢測項點在產(chǎn)品上能自由通過后從工裝平臺中心線偏移定位基準(zhǔn)尺寸來焊接產(chǎn)品定位基準(zhǔn)座。第2種方法是三維劃線法，該方法是通過三維劃線儀找出產(chǎn)品設(shè)計基準(zhǔn)線，保證產(chǎn)品尺寸合格后從設(shè)計基準(zhǔn)線偏移定位基準(zhǔn)的尺寸來焊接產(chǎn)品定位基準(zhǔn)座。

圖3 產(chǎn)品定位基準(zhǔn)座

2.2 三坐標(biāo)預(yù)定位工裝設(shè)計和應(yīng)用

三坐標(biāo)預(yù)定位工裝主要作用是通過產(chǎn)品上焊接的定位基準(zhǔn)座上的螺栓面與工裝定位面快速貼合，實現(xiàn)產(chǎn)品在三坐標(biāo)機上的位置固定。因此設(shè)計工裝時核心在定位座的設(shè)計上面，不僅要考慮控制產(chǎn)品X、Y、Z3個方向的移動自由度，還要考慮不同產(chǎn)品之間的裝夾兼容性。對產(chǎn)品X、Y、Z3個方向移動自由度的控制通常采用點、線、面三要素約束法。為了方便產(chǎn)品水平擺放，選擇的面一般會采用三點定位螺栓面支撐約束設(shè)計，若產(chǎn)品實物比較重、三點定位螺栓支撐無法保證產(chǎn)品水平，可以采用四點定位螺栓面支撐提高產(chǎn)品擺放穩(wěn)定性。構(gòu)架找正方向控制常采用2個定位螺栓面進行約束。因此三坐標(biāo)預(yù)定位工裝設(shè)計上要有1套三向(如X、Y、Z)定位基準(zhǔn)座、1套兩向(如Y、Z)定位基準(zhǔn)座、1套或2套單向(如Z)定位基準(zhǔn)座，即定位螺栓面含4個或3個Z方向、2個Y方向和1個X方向定位約束。

三坐標(biāo)預(yù)定位工裝4個定位支撐座可以采用柔性化、兼容性設(shè)計。柔性化設(shè)計方案是延長定位基準(zhǔn)支撐座長度和定位面長度，保證一個定位座同時兼容多個產(chǎn)品定位螺栓貼合使用，換產(chǎn)時也無須拆卸工裝。兼容性設(shè)計方案是在三坐標(biāo)預(yù)定位工裝上預(yù)先設(shè)置支撐螺桿的凹槽平面接口，保證工裝不僅可以通過定位基準(zhǔn)座快速擺放和定位，同時可以通過支撐螺桿將構(gòu)架調(diào)平采用初建坐標(biāo)系和構(gòu)架設(shè)計坐標(biāo)系的方法進行產(chǎn)品3D檢測。圖4、圖5為三坐標(biāo)預(yù)定位工裝設(shè)計模型，圖6為三坐標(biāo)預(yù)定位工裝產(chǎn)品兼容模型。

圖4 三坐標(biāo)預(yù)定位工裝設(shè)計模型

圖5 三坐標(biāo)預(yù)定位工裝應(yīng)用

圖6 三坐標(biāo)預(yù)定位工裝產(chǎn)品兼容模型

由于生產(chǎn)中引入了定位螺栓面定位方式，因此構(gòu)架加工工裝和三坐標(biāo)預(yù)定位柔性工裝采用共同的定位方式和定位基準(zhǔn)尺寸，保證產(chǎn)品加工坐標(biāo)系與產(chǎn)品3D檢測構(gòu)建的坐標(biāo)系重合，為自動運行程序提供了條件。將三坐標(biāo)柔性預(yù)定位工裝固定在三坐標(biāo)檢測儀工作臺上，工裝安裝調(diào)試完成后就固定不動。對于換產(chǎn)的產(chǎn)品在檢測時，只需將產(chǎn)品落裝在工裝對應(yīng)產(chǎn)品定位面上就可直接運行檢測程序，省去了產(chǎn)品調(diào)平、采點初建坐標(biāo)系等工序，使預(yù)定位和初建坐標(biāo)系總時間可減小10 min以上，同時還可以兼容鐵路客車、動車組、地鐵、空軌等車型構(gòu)架零部件空間尺寸和形位公差的3D檢測。

3 結(jié)束語

針對結(jié)構(gòu)外形不規(guī)則、檢測要素較多的復(fù)雜產(chǎn)品尺寸檢測可以得出以下幾點結(jié)論：

(1)對小批量零散產(chǎn)品的檢測可以考慮通過點、線、面三要素法初建坐標(biāo)系，在坐標(biāo)系下進行產(chǎn)品尺寸檢測可以規(guī)避產(chǎn)品擺放狀態(tài)對產(chǎn)品測量尺寸的影響。

(2)對批量產(chǎn)品加工檢測可以在產(chǎn)品上焊接定位基準(zhǔn)，通過設(shè)計產(chǎn)品加工工裝和三坐標(biāo)預(yù)定位工裝，保證產(chǎn)品定位螺栓基準(zhǔn)面和工裝定位座基準(zhǔn)面密貼，確保加工坐標(biāo)系和3D檢測坐標(biāo)系方向一致性，提高檢測效率。