韓陽(yáng)，余啟輝

航宇救生裝備有限公司 湖北襄陽(yáng) 441003

1 序言

基于航空產(chǎn)品多品種、小批量的特點(diǎn)，數(shù)控機(jī)床在生產(chǎn)過(guò)程中頻繁換產(chǎn)，部分尺寸需要借助專(zhuān)用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（Coordinate Measuring Machine，CMM）測(cè)量，使首件檢驗(yàn)時(shí)間增長(zhǎng)，影響了零件加工效率和產(chǎn)品研發(fā)的總體進(jìn)度。

基于PC-DMIS NC的航空零件在機(jī)測(cè)量（On-Machine Measurement，OMM）方案充分運(yùn)用了先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)和測(cè)量技術(shù)，可在加工過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)量工件，利用現(xiàn)有高精度機(jī)床的資源，不借助專(zhuān)用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，快速完成曲面輪廓尺寸的測(cè)量，有效解決傳統(tǒng)測(cè)量方法存在的問(wèn)題，滿(mǎn)足航空制造領(lǐng)域的高質(zhì)量、高效率及高穩(wěn)定性要求。

2 基于PC-DMIS NC在機(jī)測(cè)量的基本原理

在機(jī)測(cè)量是以機(jī)床硬件為載體，附以相應(yīng)的測(cè)量裝置（機(jī)床測(cè)頭、成像設(shè)備等）和測(cè)量軟件（宏程序、專(zhuān)用測(cè)量軟件等），在加工過(guò)程中，實(shí)時(shí)在機(jī)床上進(jìn)行幾何特征的測(cè)量[1]。

在機(jī)測(cè)量技術(shù)包括多種測(cè)量方式和技術(shù)手段，如接觸測(cè)量、光學(xué)測(cè)量、激光測(cè)量和機(jī)器視覺(jué)測(cè)量等方法。其中接觸測(cè)量是一種廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)的測(cè)量方法，其可靠性和精度都比較高。

使用接觸測(cè)量的在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)裝在數(shù)控機(jī)床上的測(cè)頭碰觸零件表面，獲得碰觸時(shí)機(jī)床的點(diǎn)位坐標(biāo)，在機(jī)測(cè)量軟件根據(jù)這些點(diǎn)位坐標(biāo)和測(cè)頭的補(bǔ)償值計(jì)算出需要測(cè)量的尺寸值。

測(cè)頭測(cè)量的工作原理如圖1所示。機(jī)床控制系統(tǒng)（CNC control）控制機(jī)床測(cè)頭（probe）移動(dòng)，使其接觸工件表面，測(cè)頭內(nèi)部的觸點(diǎn)脫開(kāi)，同時(shí)發(fā)出跳轉(zhuǎn)信號(hào)，信號(hào)傳送至接收器（interface），再由接收器傳到機(jī)床的快速輸入接口，機(jī)床得到此信號(hào)后在跳轉(zhuǎn)指令的作用下會(huì)停止運(yùn)動(dòng)，機(jī)床控制系統(tǒng)記錄當(dāng)前狀態(tài)下的坐標(biāo)系坐標(biāo)值，存入相應(yīng)的系統(tǒng)變量中[2]。

圖1 測(cè)頭測(cè)量工作原理

3 航空零件的特點(diǎn)和測(cè)量需求

航空零件具有高精度、高強(qiáng)度和高可靠性的要求，部分零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形狀不規(guī)則，尺寸測(cè)量難度大。如某些較大型壁板零件，零件結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)有多處減輕槽，且安裝定位孔和螺紋孔數(shù)量多，有些外形尺寸和孔位尺寸、集合公差使用通用測(cè)量工具無(wú)法測(cè)量。某些殼體支座類(lèi)零件加工特征分布在多個(gè)方向，位置尺寸精度要求高，需要多軸加工設(shè)備一次加工成形，部分尺寸為空間尺寸。

隨著航空裝備升級(jí)換代的迫切需求，科研試制的零件比例大幅增長(zhǎng)，零件首件檢驗(yàn)的頻次和數(shù)量加大，三坐標(biāo)測(cè)量資源有限，造成首件檢驗(yàn)的時(shí)間長(zhǎng)，影響零件的生產(chǎn)周期。同時(shí)，研制周期和交付周期進(jìn)一步縮短，對(duì)零件檢測(cè)的效率和數(shù)控加工設(shè)備的利用率提升提出了更高的要求。

4 基于PC-DMIS NC在機(jī)測(cè)量應(yīng)用

4.1 應(yīng)用設(shè)備及測(cè)量前準(zhǔn)備

本次實(shí)施在機(jī)測(cè)量的是型號(hào)分別為PL1200A和DMU80P2的兩臺(tái)立式加工中心，性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 加工中心性能參數(shù)

使用PC-DMIS NC在機(jī)測(cè)量前，需對(duì)測(cè)頭進(jìn)行標(biāo)定。在機(jī)床工作臺(tái)上固定標(biāo)準(zhǔn)球，使用軟件生成的程序測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)球不同截面上的均布點(diǎn)，測(cè)量軟件根據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算測(cè)針的直徑和長(zhǎng)度標(biāo)定值，存入在機(jī)測(cè)量服務(wù)器端，用于測(cè)量過(guò)程中的誤差補(bǔ)償[3]。為能測(cè)量更小直徑的孔，需要更換直徑更小的測(cè)頭探針。

4.2 測(cè)量誤差

將定檢周期內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)（直徑50mm）固定在工作臺(tái)上，使用在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)環(huán)規(guī)的內(nèi)孔進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量10次，取測(cè)量結(jié)果的平均值，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2，兩臺(tái)加工中心的測(cè)量誤差分別是0.012mm和0.008mm。該測(cè)量誤差決定在機(jī)測(cè)量可測(cè)尺寸公差大小。

表2 標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)測(cè)量結(jié)果

4.3 試件測(cè)量驗(yàn)證

針對(duì)某航空產(chǎn)品零件常見(jiàn)需要在機(jī)測(cè)量的尺寸，設(shè)計(jì)并加工用于比對(duì)在機(jī)測(cè)量精度的金屬試件（見(jiàn)圖2），其尺寸包括孔徑尺寸、位置度尺寸、角度尺寸和交點(diǎn)位置尺寸。

圖2 在機(jī)測(cè)量試件尺寸

在DMU80P2加工中心上對(duì)試件的尺寸進(jìn)行在機(jī)測(cè)量，其中5類(lèi)尺寸的測(cè)量結(jié)果與三坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果的對(duì)比見(jiàn)表3?？梢钥闯?，在機(jī)測(cè)量的位置尺寸（位置度、角度和孔位尺寸）與三坐標(biāo)測(cè)量的偏差較小（≤0.01mm）；孔徑尺寸偏差0.02mm；交點(diǎn)尺寸是兩直線(xiàn)要素延伸后相交的點(diǎn)的位置尺寸，偏差0.022mm。

表3 試件測(cè)量結(jié)果對(duì)比

4.4 零件測(cè)量實(shí)例

（1）支座類(lèi)零件在機(jī)測(cè)量 在DMU80P2加工中心上加工某型支座零件，使用在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了在機(jī)測(cè)量。零件圖樣如圖3所示。

圖3 某型支座零件圖樣

該工序需要測(cè)量61個(gè)尺寸，本次在機(jī)測(cè)量了43個(gè)尺寸，所有尺寸均合格。統(tǒng)計(jì)三坐標(biāo)測(cè)量和在機(jī)測(cè)量?jī)煞N方式所需測(cè)量的尺寸數(shù)和所用時(shí)間，對(duì)比見(jiàn)表4。使用在機(jī)測(cè)量，以前手工測(cè)量的尺寸可改為自動(dòng)測(cè)量，使手工測(cè)量尺寸的數(shù)量大大減少，提高測(cè)量的效率及測(cè)量精度和可靠性。

表4 支座零件在機(jī)測(cè)量時(shí)間對(duì)比

（2）板類(lèi)零件在機(jī)測(cè)量 在加工中心PL1200A上加工的某型壁板零件（銑內(nèi)腔工步）圖樣如圖4所示。測(cè)量尺寸共60個(gè)，其中45個(gè)尺寸手工測(cè)量，其余15個(gè)尺寸需要三坐標(biāo)測(cè)量。從首件加工結(jié)束到完成首件檢驗(yàn)，共耗時(shí)大約7h。

圖4 某型壁板零件圖樣

在該設(shè)備上使用PC-DMIS NC軟件在機(jī)測(cè)量，需要自動(dòng)測(cè)量的尺寸45個(gè)，其余15個(gè)尺寸（包括厚度、倒角和圓角）手工測(cè)量。機(jī)床在機(jī)測(cè)量時(shí)間約40min，測(cè)量零件并完成首件檢驗(yàn)時(shí)間可控制在3h以?xún)?nèi)，比以前采用的方式縮短4h，也就是可以減少機(jī)床停機(jī)等待時(shí)間4h。

板類(lèi)零件的外形尺寸較大，且尺寸多，手工測(cè)量的工作量相對(duì)較大。因此除了測(cè)量尺寸耗費(fèi)的時(shí)間，首檢、互檢和專(zhuān)檢重復(fù)手工測(cè)量也是影響首件檢驗(yàn)時(shí)間的重要因素。在機(jī)測(cè)量可以大大縮減此類(lèi)零件手工測(cè)量尺寸所浪費(fèi)的時(shí)間。

5 結(jié)束語(yǔ)

在航空產(chǎn)品零件生產(chǎn)中使用在機(jī)測(cè)量，需要分析尺寸測(cè)量的需求，選擇合適的在機(jī)測(cè)量軟件。PC-DMIS NC在機(jī)測(cè)量軟件通過(guò)圖形界面交互式編程，幾乎可涵蓋所有類(lèi)別測(cè)量尺寸。在機(jī)測(cè)量的載體為數(shù)控加工中心，因此，采用全閉環(huán)伺服控制方式、定位精度更高的加工中心在機(jī)測(cè)量誤差更小。在測(cè)量零件前，需要對(duì)探頭進(jìn)行標(biāo)定，并對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的誤差進(jìn)行實(shí)測(cè)計(jì)算。

針對(duì)需要三坐標(biāo)測(cè)量進(jìn)行首件檢驗(yàn)的零件，使用在機(jī)測(cè)量可以提高檢測(cè)效率，減少等待時(shí)間。同時(shí)可以根據(jù)測(cè)量結(jié)果，在不拆卸零件的情況下對(duì)超差的部位進(jìn)行返修。但批量生產(chǎn)過(guò)程中或者工序后的測(cè)量檢驗(yàn)，會(huì)占用機(jī)床加工時(shí)間，影響機(jī)床利用率，因此更建議在首件檢驗(yàn)中使用在機(jī)測(cè)量。