專利名稱：一種針對發動機壓氣機盤類零件輻板型面的在線測量方法
技術領域：
本發明屬于自動化檢測領域，具體涉及一種針對發動機壓氣機盤類零件輻板型面的在線測量方法。
背景技術：
目前發動機零件的制造過程普遍實現了高度專業化、信息化和自動化，不需要人工干預，廣泛應用了高速無人干預加工技術。刀具長度和半徑自動補償技術、零件在線測量技術、自動換刀技術和零件自動裝夾定位技術等多項技術的綜合集成，是先進的數字化、自動化、精確化、復合高度集成化制造技術的一部分，而零件在線測量方法是其中的核心，是數字化制造的重要組成部分。在線測量方法適應于產品制造的全過程，特別適合新產品的研制時，零件定型前，結構和尺寸不斷變化的過程，能夠縮短研制周期，顯著提升加工的效率，避免脫機檢測返修 帶來的二次裝夾定位，保證加工質量，能夠及時對加工中的零件實施修正與補償，以消除廢品、次品的產生，同時能夠拓展數控機床的功能，改善數控機床性能，提高數控機床效率，是新品研制的快速反應、質量保障和降低制造成本的先進技術和重要手段，并對搶占市場先機起到決定性作用，因而受到制造業的推崇和廣泛應用。目前發動機制造行業中利用車削加工得到的的壓氣機盤類零件的結構如附圖I和附圖3所示，由輻臍、輻板型面、與安裝邊組成，其輻板型面由圓弧、線段或樣條曲線(非線性輪廓)組成，上、下輻板型面的每一面通常給出2個特征點供檢查測量輻板的加工尺寸精度，上下兩側共有4個控制點，但是因輻板的幾何形狀為不規則且不平行機床X軸的直線或圓弧，因此常規測量方法需要派制4套專用測具，才可以準確測量輻板形面加工后的尺寸，而采用專用測具測量輻板形面特征點的現有常規工藝方法，還需要專門設計專用測具的結構，再進行制造，成本高，耗費時間長，嚴重制約了新品的研制周期，專用測具的工裝制造時間約占總體研制時間的三分之一至四分之一，如果產品從研制階段到定型階段一旦改型，測具全部報廢，需重新派制。
發明內容
針對上述現有測量方法存在的缺陷，本發明提供一種針對發動機壓氣機盤類零件輻板型面的在線測量方法，目的是擺脫先進的數控加工方式配以落后的手工測量傳統工藝模式的現狀，實現零件加工過程加工一測量自動化一體化，提高數控機床的加工效率。實現本發明的技術方案按照以下步驟進行
(1)規劃測頭的測量路徑將測量系統安裝在立式數控車削加工中心，其中測量系統的信號接收器與數控加工中心的控制器相連，測頭安裝在加工中心的刀具庫中，以待測壓氣機盤類零件前、后端面安裝邊或前、后緣端面所在的水平面為測量基準面，坐標系X原點在零件中心孔的中心軸線上，機床水平導軌方向為X軸，機床主軸為Z軸，建立測量坐標系；
(2)校正測頭球半徑將測頭從刀具庫中調出，裝入主軸，運行測頭校正程序，測頭先加速接近校正球，不取值，加延時補償之后，勻速接近校正球進行觸測，將得到的測頭球半徑數據與測頭的名義值進行比較，當誤差< O. 003mm時，認為測頭是精準的；
(3)確定測頭運動軌跡分析待測壓氣機盤類零件的型面構成，根據其型面的復雜程度，選取型面上的特征點作為測量點，編制測頭的測量運動程序，為了保證測量結果的精確度，每個測量點測量若干次，取其平均值；
(4)優化測頭的運動軌跡在虛擬仿真軟件環境中按照零件實際的三維尺寸及與夾具和機床的相對位置關系，建立機床模型、待測壓氣機盤類零件模型和測頭模型，將測頭運動程序加載到虛擬仿真軟件中，在軟件中模擬運行在線測量，檢查運行報告中測頭與待測零件是否發生干涉碰撞，如果發生碰撞，則返回重新修改測頭的運動程序，直到測頭與待測零件無干涉碰撞，且測頭的運行路徑最短，則將測頭的運動程序用于實際測量；
(5)在線測量運行測頭的運動程序，測頭歷遍所有測量點，測量特征點的相對于基準面的深度數據Z p，測頭將數據信號發送給接收器，接收器將信號輸入立式加工中心的控制器，控制器將測量數據輸送到指定的數據寄存器中，在寄存器中查看測量結果，并對測量結 果進行誤差補償，將經誤差補償后的每個測量點的測量值取平均值后，與壓氣機盤類零件的設計理論值進行比較，當測量值處于零件設計的公差帶范圍之內時，視為測量的壓氣機盤類零件的加工尺寸合格，否則將測量值與設計理論值的差值輸入到刀具補償中，進行誤差補償，機床主軸調出加工刀具，運行數控加工程序，進行再加工，加工后再測量，直到零件尺寸合格為止。對測量結果進行誤差補償的方法之一，是通過應用下述公式獲得真正的測量點P的深度值
L=R/cosα(I)；
Ah = L-R(2)；
其中，α為測量點P所在輻板型面與水平面的夾角；L為測頭球心距測量點P的高度；R為測頭半徑h為補償高度；
則對于測量點P來說，其真正的深度值為z p= Zp,+Ah (3)，Z p，，為測頭的測量值；
對測量結果進行誤差補償的方法之二，是X向平移法，即采用下列公式，將測頭實際接觸點P,的坐標X p，、Z p，，通過計算分別位移Λ X、Δ Ζ，使得測頭與工件的接觸點從P,點改為P點，接觸點的測量結果Z ρ,值加上補償值Λ Z剛好是P點的深度值Ζρ，ΔΧ,ΔΖ的計算方法如下
Δ X = R*sin a(4)；
Λ Z =Λ X*ctg (90。一 α ) (5)；
其中，α為測量點P所在輻板型面與水平面的夾角；R為測頭半徑；
在測頭的測量程序中，直接調用坐標X+ ΛΧ，得到測量點P的真正的深度值2 p，如附圖2所示。與現有技術相比，本發明的特點和有益效果是
本發明方法是利用裝配在數控車削加工中心上的精密測量儀器和加工中心控制系統的在線測量基礎功能模塊，對加工中心的在線測量功能進行深度開發，通過對在線測量系統的高精度校正技術、測量數據的采集及傳輸技術、在線測量的數據快速處理和分析技術、在線測量快速刀位軌跡修正、輪廓測量及誤差補償生成技術的研究，實現了在機床上不拆卸零件，在當前的加工工位上，完成了對發動機壓氣機盤類零件幾何尺寸的測量，并能夠根據尺寸測量結果直接進行零件的修正加工，直至獲得合格的產品。本發明方法中測頭運動軌跡的規劃基于簡潔、實用、檢測路徑最短原則，同時遵循設計基準、工藝基準和測量基準重合的原理，測量坐標系的選定與零件的工藝基準重合，以避免基準不重合帶來的誤差，當測量結果需要用CAD模型進行分析比較時，要按照CAD模型的要求建立零件坐標系，使零件的坐標系與CAD模型的坐標系一致，才能編程測量。由于本發明方法中車加工中心控制系統所配備的在線測量模塊功能具有一定的測量局限性，不具備對非線性輪廓或斜面上特征點的連續掃描功能和單點測量功能，只能測量平面到基準面的軸向高度，只能按被測點的Z向進行測頭半徑補償，不能按測量點的法向進行補償，而本發明方法的測量對象發動機壓氣機盤類零件輻板型面測量點所在的平面并不是真正意義上的水平面，而通常為與水平面呈一定角度的斜面或曲面，當測頭從指定的測量點P點的Xp坐標向下方運動時，由于被測型面為一斜面，測頭與實際輻板型面的接觸點為P，在P點觸發，觸發后測量系統給出P點深度Zp,值，此時，P'與P點的深 度值差為Ah，當斜面角度α愈大，同時測頭半徑愈大時，誤差Ah愈大，此時獲得的深度值h應小于理論被測點的實際值，因此需要對測量點的數據進行誤差補償。本發明采用在線測量系統，通過安裝在機床上的測頭和相應的測軟件，并進行進一步的開發，就能實現加工零件自動裝夾、準確定位，并獲得工件準確尺寸，機床在線測量方法在機械加工行業有著廣闊的應用前景，將促使數控機床成為加工和檢測一體化的數控加工單元體，在線測量改變了現有技術中，某些具有典型特征的工件只能單一離線測量，必須派制專用工裝的方式，改變了目前行業內一個設計特征配備一套測量工裝的傳統制造模式，節約工裝制造成本，節省返修工時、提高產品加工一次合格率，從而降低新產品研制的周期和生產成本，是加快新產品研制切實可行的手段和產品加工過程實施有效質量監控手段。
圖I是發動機壓氣機盤類零件的結構示意 圖2是本發明中對在線測量結果進行補償的原理之一示意 圖3是本發明中對在線測量結果進行補償的原理之二示意 圖4是本發明中測量的壓氣機盤零件的輻板型面的截面示意 其中，I :測量特征點I ;2 :測量特征點2 ；3 :測量基準面；4 :前緣；5 :輻臍；6 :輻板；7 安裝基準面；
圖5是本發明的在線測量程序的軟件流程圖。
具體實施例方式本發明中用于在線測量的系統是由數控車削加工中心上隨機床配備的英國Renishaw公司精密測量儀器和西門子機床控制系統Sinumeric840D的在線測量基礎模塊組成的，所采用的測頭是Renishaw公司MPlO觸發式測頭，測頭校正程序為機床控制系統自帶，并在測量過程中調用了在線測量基礎模塊中的CYCLE973校準工件測頭循環和CYCLE974工件點測量循環指令；本發明中對于機床模型，待測壓氣機盤類零件模型和測頭模型，是在VERICUT 7. O虛擬仿真軟件環境下進行的；
本發明中使用的校正球尺寸為直徑0 16. 012mm，被測量輪盤直徑在0 400mm 0800mm之間。實施例I
對圖3中所示的壓氣機盤零件的在線測量步驟是
(1)規劃測頭的測量路徑測量系統位于立式數控車削加工中心上，其中測量系統的信號接收器與數控加工中心的控制器相連，測頭安裝在加工中心的刀具庫中，以待測壓氣機盤類零件前、后端面安裝邊或前、后緣端面所在的水平面為測量基準面，坐標系X原點在零件中心孔的中心軸線上，機床水平導軌方向為X軸，機床主軸為Z軸，建立測量坐標系；
(2)校正測頭球半徑校正測頭球半徑將測頭從刀具庫中調出，裝入主軸，運行測頭 校正程序，測頭先加速接近校正球，不取值，加延時補償之后，勻速接近校正球進行觸測，將得到的測頭球半徑數據與測頭的名義值進行比較，當誤差< O. 003mm時，認為測頭是精準的；
(3)確定測頭運動軌跡在待測壓氣機盤輻板型面上，選取如圖3中所示的1、2兩點作為測量點，據此確定測頭的采點布距，編制測頭的運動程序，因被測表面低于工件的最上表面，測量過程中測頭的移動軌跡需要避開最上表面，以免產生碰撞，撞斷測頭，在測頭運動程序中，第一步將測頭的初始運動點(原點)設在零件中心孔的中心軸上，并高于測量基準面200mm處，第二步測頭平移到測量點I的正上方，高度不變，第三步下降高度，快速移到被測點上方IOmm處，第四步慢速向下測量，觸發聲響后，慢速移到被測點上方IOmm處，快速移到原點，然后測量測量點2，如此重復8次，即每個測量點取值8次；
(4)優化測頭的運動軌跡在虛擬仿真軟件中按照實際的三維及相對位置、大小關系，建立機床模型，待測壓氣機盤類零件模型和測頭模型，將測頭運動程序加載到虛擬仿真軟件中，在軟件中模擬運行在線測量，檢查運行報告中測頭與待測零件是否發生干涉碰撞，如果發生碰撞，則返回修改測頭的運動軌跡程序，直到測頭與待測零件無干涉碰撞，且測頭的運行路徑最短，則將測頭的運動程序用于實際測量；
(5)在線測量運行測頭的運動程序，測頭歷遍測量點，得到測量點相對于基準面的深度數據Z p，測頭將數據信號發送給接收器，接收器將信號輸入立式加工中心的控制器，控制器將測量數據輸送到指定的數據寄存器中，在寄存器中查看測量結果，并對測量結果進行誤差補償，得到將經誤差補償后的測量值取平均值，其中測量點I的測量平均值為10. 161mm，測量點2的測量平均值為10. 660mm,與壓氣機盤測量點I的設計理論值10. 15±0· 015mm，測量點2的設計理論值10. 65±0· 015mm相比較，測量值處于零件設計的公差帶范圍之內時，壓氣機盤的加工尺寸視為合格，不需要進行再加工。
權利要求
1.一種針對發動機壓氣機盤類零件輻板型面的在線測量方法，其特征在于按照以下步驟進行 (1)規劃測頭的測量路徑將測量系統安裝在立式數控車削加工中心，其中測量系統的信號接收器與數控加工中心的控制器相連，測頭安裝在加工中心的刀具庫中，以待測壓氣機盤類零件前、后端面安裝邊或前、后緣端面所在的水平面為測量基準面，坐標系X原點在零件中心孔的中心軸線上，機床水平導軌方向為X軸，機床主軸為Z軸，建立測量坐標系； (2)校正測頭球半徑將測頭從刀具庫中調出，裝入主軸，運行測頭校正程序，測頭先加速接近校正球，不取值，加延時補償之后，勻速接近校正球進行觸測，將得到的測頭球半徑數據與測頭的名義值進行比較，當誤差< O. 003mm時，認為測頭是精準的； (3)確定測頭運動軌跡分析待測壓氣機盤類零件的型面構成，根據其型面的復雜程度，選取型面上的特征點作為測量點，編制測頭的測量運動程序，為了保證測量結果的精確度，每個測量點測量若干次，取其平均值； (4)優化測頭的運動軌跡在虛擬仿真軟件環境中按照零件實際的三維尺寸及與夾具和機床的相對位置關系，建立機床模型、待測壓氣機盤類零件模型和測頭模型，將測頭運動程序加載到虛擬仿真軟件中，在軟件中模擬運行在線測量，檢查運行報告中測頭與待測零件是否發生干涉碰撞，如果發生碰撞，則返回重新修改測頭的運動程序，直到測頭與待測零件無干涉碰撞，且測頭的運行路徑最短，則將測頭的運動程序用于實際測量； (5)在線測量運行測頭的運動程序，測頭歷遍所有測量點，測量特征點的相對于基準面的深度數據Z p，測頭將數據信號發送給接收器，接收器將信號輸入立式加工中心的控制器，控制器將測量數據輸送到指定的數據寄存器中，在寄存器中查看測量結果，并對測量結果進行誤差補償，將經誤差補償后的每個測量點的測量值取平均值后，與壓氣機盤類零件的設計理論值進行比較，當測量值處于零件設計的公差帶范圍之內時，視為測量的壓氣機盤類零件的加工尺寸合格，否則將測量值與設計理論值的差值輸入到刀具補償中，進行誤差補償，機床主軸調出加工刀具，運行數控加工程序，進行再加工，加工后再測量，直到零件尺寸合格為止。
2.根據權利要求I所述的一種針對發動機壓氣機盤類零件輻板型面的在線測量方法，其特征在于對測量結果進行誤差補償的方法，是通過應用下述公式獲得真正的測量點P的深度值 L=R/cosα(I)； Ah = L-R(2)； 其中，α為測量點P所在輻板型面與水平面的夾角；L為測頭球心距測量點P的高度；R為測頭半徑h為補償高度； 則對于測量點P來說，其真正的深度值為zp, = Zp +Ah (3)，Zp為測頭的測量值。
3.根據權利要求I所述的一種針對發動機壓氣機盤類零件輻板型面的在線測量方法，其特征在于對測量結果進行誤差補償的方法，是X向平移法，即采用下列公式，將測頭實際接觸點P^的坐標X p,、z p,，通過計算分別位移Λ Χ、Λ Ζ，使得測頭與工件的接觸點從P點改為P點，接觸點的測量結果Z ρ,值加上補償值Λ Z剛好是P點的深度值Ζρ，Λ X、Λ Z的計算方法如下 Δ X = R*sin a(4)；Λ Z =Λ X*ctg (90。一 α ) (5)； 其中，α為測量點P所在輻板型面與水平面的夾角；R為測頭半徑；在測頭的測量程序中，直接調用坐標X+ Δ X，得到測量點P的真正的深度值Z p。
全文摘要
本發明屬于自動化檢測領域，具體涉及一種針對發動機壓氣機盤類零件輻板型面的在線測量方法。本發明方法的步驟是規劃測頭的測量路徑，對測頭球半徑進行校正，選取壓氣機盤型面上的特征點作為測量點，編制測頭的運動程序，在虛擬仿真軟件中優化測頭的運動軌跡，運行測頭的運動程序，測頭歷遍所有測量點，將經誤差補償后的每個測量點的測量值取平均值后，與壓氣機盤類零件的設計理論值進行比較，當測量值處于零件設計的公差帶范圍之內時，視為測量的壓氣機盤類零件的加工尺寸合格，否則進行再加工，再測量，直到零件尺寸合格為止。本發明方法改變了目前行業內一個設計特征配備一套測量工裝的傳統制造模式，節約工裝制造成本，節省返修工時、提高產品加工一次合格率，從而降低新產品研制的周期和生產成本。
文檔編號B23B25/06GK102814512SQ20121030452
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月24日 優先權日2012年8月24日
發明者胡曉群, 李家永, 李丹 申請人:沈陽黎明航空發動機(集團)有限責任公司