劉心宇，曹陽，劉廣東，吉有勝

（黑龍江省機(jī)械科學(xué)研究院，哈爾濱 150040）

0 引言

在對工件復(fù)雜曲面的檢測中，內(nèi)嵌復(fù)雜曲面是其中較為復(fù)雜的一項(xiàng)，本文以一種噴嘴環(huán)作為示例說明其檢測方法。噴嘴環(huán)工件是內(nèi)嵌復(fù)雜曲面工件中最具有代表性的工件之一，此類工件廣泛應(yīng)用于各種渦輪體、發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等設(shè)備中。在生產(chǎn)加工中，對此類工件的內(nèi)嵌葉片精度要求較高，所以如何精準(zhǔn)檢測噴嘴環(huán)的內(nèi)嵌葉片型線偏差成為了生產(chǎn)加工噴嘴環(huán)的重中之重[1]。目前，傳統(tǒng)檢測方法要求使用三坐標(biāo)測量機(jī)依照3D數(shù)字模型全觸測式對噴嘴環(huán)的內(nèi)嵌葉片進(jìn)行掃描，此種方法的優(yōu)點(diǎn)是掃描精度高，但是卻需要高配置的三坐標(biāo)測量機(jī)，提高了檢測成本，增大了企業(yè)的負(fù)擔(dān)。本文提出一種利用三坐標(biāo)測量機(jī)的基礎(chǔ)掃描功能檢測噴嘴環(huán)內(nèi)嵌葉片的方法，使用只有傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測量機(jī)造價(jià)幾分之一的最基礎(chǔ)型三坐標(biāo)測量機(jī)即可，檢測精度與傳統(tǒng)方法相當(dāng)，效率也不低于傳統(tǒng)檢測方法，并且在測量中不需要3D數(shù)字模型的配合，所使用的測針角度也只有一種，測量過程簡單[2]。經(jīng)過反復(fù)的試驗(yàn)論證，證明本文提出的檢測方法穩(wěn)定有效，適合用于內(nèi)嵌式復(fù)雜曲面（如噴嘴環(huán)）的檢測工作。

1 三坐標(biāo)檢測機(jī)工作原理及內(nèi)嵌復(fù)雜曲面檢測分析

1.1 三坐標(biāo)測量機(jī)工作原理

三坐標(biāo)測量機(jī)是利用3個(gè)相互垂直的方向上有導(dǎo)軌、測長元器件、數(shù)字顯示裝置測量記錄被測工件坐標(biāo)位置的電氣一體化檢測設(shè)備,配備有一個(gè)高精度且應(yīng)力釋放完全的大理石平臺，測頭可以以手動或自動方式準(zhǔn)確地移動到被測點(diǎn)上,由讀數(shù)設(shè)備和數(shù)顯裝置把被測點(diǎn)的坐標(biāo)值記錄下來，并由測量軟件（如PC-DIMS）計(jì)算出所測尺寸及形位公差。三坐標(biāo)測量機(jī)在檢測機(jī)械工件方面具有準(zhǔn)確性高、自動化程度高、效率高等顯著優(yōu)勢，在機(jī)械產(chǎn)品檢測飛速發(fā)展的今天，已廣泛應(yīng)用于加工制造行業(yè)。

1.2 內(nèi)嵌復(fù)雜曲面檢測分析

所謂內(nèi)嵌復(fù)雜曲面，就是工件本身承載的復(fù)雜曲面鑲嵌于工件內(nèi)部，只裸露出曲面的一部分，在傳統(tǒng)方法利用三坐標(biāo)測量機(jī)測量復(fù)雜曲面時(shí)，通常采用的轉(zhuǎn)角測量方式對此類工件顯然是不適用的，所以在此類工件的測量中，要考慮如下幾個(gè)問題：1）內(nèi)嵌式復(fù)雜曲面在測量中要選用合適的測量角度，避免發(fā)生干涉。由于內(nèi)嵌式復(fù)雜曲面裸露出的可測量面比較單一，所以可選用的測針角度范圍也比較小。2）由于本文提出的測量方法不需要3D數(shù)字模型配合，所以在觸測過程中要考慮觸測矢量的問題，避免造成觸測滑針。3）利用基本掃描所掃描出的型線文件，要導(dǎo)出與UG相匹配識別的文件格式。

2 內(nèi)嵌式復(fù)雜曲面檢測方法

2.1 三坐標(biāo)測量機(jī)測量前參數(shù)調(diào)整及測針選擇

1）本文例舉的噴嘴環(huán)工件（如圖1），形體較小，選用紅寶石球徑為φ2 mm、測桿長度為40 mm的球形測針。2）根據(jù)噴嘴環(huán)葉片的表面方位，選用測針角度為A0°B0°。3）由于噴嘴環(huán)均布葉片間隔較小，為避免觸測時(shí)發(fā)生干涉，需要修改三坐標(biāo)測量機(jī)逼近距離為0.5 mm，回退距離為0.5 mm。4）為避免測頭移動中發(fā)生干涉，需要設(shè)置安全平面沿Z正方向避讓平面20 mm，沿Z正方向避讓經(jīng)過軸20 mm并激活安全平面。

圖1 噴嘴環(huán)

2.2 坐標(biāo)系的建立

本文例舉的噴嘴環(huán)產(chǎn)品（如圖2），由于其葉片均布、外形對稱，所以采用3.2.1法建立坐標(biāo)系，定位角向以方便以后工作中的批量測量[3]，具體編程步驟如下。

圖2 噴嘴環(huán)內(nèi)嵌葉片

1）首先將內(nèi)嵌葉片貼近工件外壁最近的一側(cè)向上擺放并固定（如圖3）。觸測噴嘴環(huán)上端的表面為平面1，觸測噴嘴環(huán)大口圓為圓1，觸測噴嘴環(huán)側(cè)耳小孔為圓2，利用面圓圓模式建立坐標(biāo)系A(chǔ)1。代碼如下：

圖3 噴嘴環(huán)

2）在A1坐標(biāo)系下，自動再次觸測參與建立A1坐標(biāo)系的元素，獲取平面2、圓3、圓4建立初始坐標(biāo)系A(chǔ)2。代碼如下：

2.3 內(nèi)嵌葉片掃描程序

在精建坐標(biāo)系A(chǔ)2下，噴嘴環(huán)所有尺寸都在測量機(jī)標(biāo)注范圍下，可以繼續(xù)進(jìn)行所有相關(guān)尺寸的觸測及掃描檢測，本文以掃描內(nèi)嵌曲面的葉片為例（如圖4），部分代碼如下：

圖4 噴嘴環(huán)型線掃描坐標(biāo)系

2.4 翻轉(zhuǎn)建立同葉片掃描程序的方法

由于內(nèi)嵌式曲面包裹于工件內(nèi)部，無法進(jìn)行一次性閉合掃描，所以在檢測此類產(chǎn)品時(shí)必須進(jìn)行雙程序擬合檢測，必須保證兩次所掃描的曲線在同一擬合坐標(biāo)系下，且形成掃描曲線為閉合曲線才能體現(xiàn)真實(shí)加工情況。方法如下：

1）在進(jìn)行第一掃描程序后，需手動翻轉(zhuǎn)工件，翻轉(zhuǎn)方法為保證X軸不變，將工件翻轉(zhuǎn)180°并固定牢靠。

2）觸測噴嘴環(huán)上端的表面為平面1，觸測噴嘴環(huán)大口圓為圓1，觸測噴嘴環(huán)側(cè)耳小孔為圓2，利用面圓圓模式建立坐標(biāo)系A(chǔ)1。此時(shí)建立的坐標(biāo)系必須按照工件理論值進(jìn)行偏置，否則與第一檢測程序存在產(chǎn)品理論高度值同等數(shù)值的誤差。代碼如下：

3）在A1坐標(biāo)系下，自動再次觸測參與建立A1坐標(biāo)系的元素，獲取平面2、圓3、圓4建立初始坐標(biāo)系A(chǔ)2。代碼如下：

2.5 內(nèi)嵌葉片掃描程序

在精建坐標(biāo)系A(chǔ)2下，噴嘴環(huán)所有尺寸都在測量機(jī)標(biāo)注范圍下，可以繼續(xù)進(jìn)行所有相關(guān)尺寸的觸測及掃描檢測（如圖5），部分代碼如下：

圖5 噴嘴環(huán)掃描型線

2.6 數(shù)據(jù)的導(dǎo)出與比對

1）在雙掃描程序執(zhí)行完成后，程序中將每個(gè)內(nèi)嵌葉片記錄兩組各9段曲線，這9段曲線可以完美形成3條閉合曲線，在PC-dims中利用軟件自帶的文件導(dǎo)出功能，將曲線數(shù)據(jù)導(dǎo)出為dat格式并依照掃描順序命名[4]。

2）在UG中將噴嘴環(huán)產(chǎn)品加工所用的數(shù)字模型打開，導(dǎo)入.dat格式的掃描數(shù)據(jù)與數(shù)字模型貼合，即可直觀地觀察實(shí)際加工尺寸與理論尺寸的偏差（如圖6）。

圖6 噴嘴環(huán)數(shù)字模型

3 結(jié)語

按照本文所述的內(nèi)嵌曲面掃描方法，可以在不用高端三坐標(biāo)測量機(jī)及藍(lán)光掃描儀等昂貴設(shè)備的前提下，精準(zhǔn)檢測產(chǎn)品的曲面尺寸。與使用高端檢測設(shè)備進(jìn)行檢測的情況相比，本文所述方法在保證檢測精度與檢測效率的同時(shí)，大大降低了企業(yè)的質(zhì)檢成本，同時(shí)也為利用優(yōu)化坐標(biāo)系技術(shù)開發(fā)三坐標(biāo)測量機(jī)基礎(chǔ)功能提供了新的思路，有利于將三維檢測推向更寬廣的平臺。