一種金屬零件外輪廓形狀的測量方法及加工精度的檢測方法

專利名稱：一種金屬零件外輪廓形狀的測量方法及加工精度的檢測方法
技術領域：
本發明涉及一種金屬零件外輪廓形狀的測量方法及加工精度的檢測方法，具體涉
及具有自由曲面輪廓特征的金屬零件的精度檢測方法。
背景技術：
—般在零件的質量檢測中，首先需要檢查其外輪廓尺寸是否符合設計要求；如果 超出設計公差范圍，即屬于不合格品。如果檢測零件作為其它零件的檢測標準或用于加工 別的零件時，對其外輪廓尺寸的精度要求更為嚴格；以電火花成形加工為例，成型電極的精 度好壞直接影響加工零件的精度，如果檢測零件不符合設計要求，勢必導致相應的加工零 件或待檢測工件單件或成批出現超差。因此，對該類型零件的精度檢測，具有十分重要的意 義。 目前傳統檢測零件精度的方法有游標卡尺和千分尺測量法、樣板測量法、非接觸 測量法、傳統接觸測量法等。 游標卡尺及千分尺測量法作為一般零件的檢測工具，得到了廣泛的應用；但是這 些工具的檢測精度，一是受到工具本身檢測精度的限制；二是受到操作人員的主觀因素影 響；三是對于復雜形狀物體或不方便檢測物體，具體指具有非規則特征的物體或半封閉凹 槽等物體，也難于檢測。樣板檢測方法該測量法是一種最為經典的精度檢測方法，特別是 針對具有非規則特征的復雜物體。它是利用設計時的特征參數制造具有相應檢測特征的樣 板，通過在相應位置觀察樣板與被測截面之間的透光量來判斷零件的形狀誤差；該方法簡 單，直觀，是現今工業生產中較為常用的接觸式檢驗手段。由于其檢驗時需要借助人眼判斷 透光量，所以操作人員的主觀因素在很大程度上影響檢測精度。當零件的形狀較為復雜時， 在不同的截面上具有不同的外形輪廓時；需要制作大量的截面樣板，成本很高。傳統接觸 式測量法該測量法主要是利用三坐標測量機的觸發式測頭(有各種不同直徑和形狀的測 頭)逐點捕捉工件表面數據。這是目前應用最廣的自由曲面三維模型數字化方法之一。該 方法的測量原理可以描述如下觸發式測頭接觸檢測零件表面后，在接觸力的作用下產生 變形從而使得測控電路通斷，進而發出聲光信號來指示數據采集工作的。對于沒有復雜內 部型腔、特征幾何尺寸多，只有少量特征的零件，該測量方法非常有效。其缺點主要表現在 該種原理使得測頭的內部結構復雜，制造難度大，成本高；由于該方法是接觸式測量，易于 損傷探頭和劃傷被測零件表面，不能對軟質材料和超薄形零件進行測量，對細微部分測量 精度也受影響，應用范圍受到限制，由于測頭的半徑而存在三維補償問題；價格較高，對使 用環境有一定要求；測量速度慢，效率低。而且針對深窄槽類零件，采用觸發式測量方法并 不理想，甚至由于測頭過大或探針太短，根本無法測量。非接觸式測量法，該測量法是根據 采用傳感器的不同分為光學測量，該方法可進一步分為激光三角法測量、掃描測量、視覺測 量、激光聚焦測量和超聲測量等。光學測量法中根據光束的提供方式又可分為被動測量和 主動測量兩種方法。其中，被動測量法，所述該測量法不向被測物體發射可控光束，該測量法中的立體視覺法較有前途；主動測量法，該測量法向被測物體發射可控光束，該測量法中 的主動三角法近年來研究較多，是發展較為成熟的一種方法。無論被動測量法還是主動測 量法，均具有非接觸、測量速度快的優點。但用光學測量法測量物體，并不是測量物體本身 的幾何形狀，而是所"看"到的物體像的光學反差結構，除了物體的尺寸特性外，物體的輻射 特性對測量結果也有較大影響。有一系列因素，如照明情況、表面狀態反射情況、陰影、擋 光、對譜線吸引情況等，都會引入附加誤差，所以測量精度與接觸式測量法比較，其精度較 低；另外，對于零件的半封閉曲面及內部輪廓的測量并不理想甚至無法測量。

發明內容
本發明針對現有零件外輪廓尺寸的測量方法存在的受零件外輪廓形狀和零件材 質的輻射性的限制而導致的測量精度低的問題，本發明提供一種金屬零件外輪廓形狀的測 量方法及加工精度的檢測方法。 本發明的一種金屬零件外輪廓形狀的測量方法為 步驟一 將待測金屬零件安裝在數控機床的數控軸上，并使測頭的末端距離待測 金屬零件表面的距離大于10 P m ; 步驟二 在測頭與金屬零件之間施加5V直流電壓；
步驟三在金屬零件的待測量的表面上選擇多個測量點； 步驟四逐一獲取每個測量點的坐標參數，完成金屬零件外形尺寸參數的測量，每 個測量點的坐標參數的獲得過程為 步驟四一 將測頭移動到法線上，所述法線為待測點所在面的、并且穿過所述待測 點的法線； 步驟四二然后使測頭沿所述法線勻速向待測點移動，在移動過程中監測測頭和 金屬零件之間的電壓信號； 步驟四三當所述電壓信號發生跳變時，記錄此時測頭的位置坐標信息作為該測 量點的位置坐標信息，并立即停止測頭的移動，然后迅速將測頭沿該測量點所在面的法線 方向移回。 所述測頭的前端測針直徑為0. 5mm，測頭的中部為細長金屬桿，所述金屬桿的長度 為15mm，后端通過錐面擴大成直徑為4mm的柱體，測頭的末端采用M3的螺紋與測針固定連 接。 步驟四三中所述的電壓信號發生跳變，是指電壓信號的幅值發生突然的變化的情
況。其原理為當待測金屬零件的表面和測頭之間微接觸時，金屬零件表面與測頭之間形成
微電阻，兩者之間形成通路；此時，待測金屬零件和測頭之間的電壓發生跳變，提取測頭的
位置坐標，能夠精確獲得測頭對應的待測金屬零件表面的測量點的位置坐標信息。 當測頭和金屬零件之間施加5V電壓時，在測頭與金屬零件表面產生微接觸時，待
測金屬零件表面與測頭之間形成微電阻；所述金屬零件的表面和測頭間的電壓跳變，所述
電壓從5V瞬間跳變到2V-3. 5V之間。 本發明采用數控機床作為測試平臺，測頭采用細長的測針或者彎曲狀的測針作為
測頭，能夠實現對復雜零件的任何一處表面進行測量，不受零件形狀的限制。 本發明采用零件與測量頭之間的電壓信號作為判斷依據，不受零件表面質量和色澤的影響，并且能夠實現精確測量的目的。
—種金屬零件的加工精度的檢測方法，它的具體步驟為 步驟A:將金屬零件外形尺寸的標準數據采用三維建模軟件進行實體建模，獲得 標準數據的模型； 步驟B :根據步驟A獲得的標準數據的模型，建立檢測坐標系； 步驟C:在建立的檢測坐標系中，對標準數據進行路徑規劃，獲取路徑規劃的信 息； 步驟D :根據步驟C獲得的路徑規劃的信息，采用本發明的一種金屬零件外輪廓形 狀的測量方法，獲得待測金屬零件外形尺寸的檢測數據； 步驟E :對步驟D獲得的檢測數據與步驟A獲得的標準數據進行對比，獲得檢測數 據與標準數據的誤差； 步驟F :對步驟E獲得的誤差數據進行分析，獲得待測金屬零件的加工精度結果。
本發明的有益效果采用本發明所述的一種金屬零件外輪廓形狀的測量方法，測 量精度高，同時所述零件材質的輻射性也不會影響預測精度；本發明所述的加工精度檢測 方法可以實現對未知零件的尺寸進行精度檢測，同時也可以對已知零件的精度檢測，對已 知零件進行加工精度的檢測時，獲得已知零件的外形尺寸數據的路徑規劃信息，從金屬零 件的輪廓表面依據一定的采點規則進行數據提取，然后將測量數據與標準數據進行精確對 比，逐一獲得每個點的誤差結果，最終獲得金屬零件精度；采用本發明所述的方法，克服了 以往各種檢測方法的缺陷，很好的彌補了其它檢測方法的不足。


圖1是本發明的具體實施方式
一所述的一種金屬零件外輪廓形狀的測量方法的 流程圖，圖2是本發明的一種金屬零件的加工精度的檢測方法的流程圖，圖3是本發明的具 體實施方式一中，步驟四中獲取每個測量點的坐標參數的過程中測頭的軌跡示意圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一 本實施方式所述的一種金屬零件外輪廓形狀的測量方法，它的 具體步驟為 步驟一 將待測金屬零件安裝在數控機床的數控軸上，并使測頭2的末端距離待 測金屬零件表面的距離大于10 P m ; 步驟二 在測頭2與金屬零件之間施加5V直流電壓；
步驟三在金屬零件的待測量的表面上選擇多個測量點； 步驟四逐一獲取每個測量點的坐標參數，完成金屬零件外形尺寸參數的測量，每 個測量點的坐標參數的獲得過程為 步驟四一 將測頭2移動到法線上，所述法線為待測點所在面的、并且穿過所述待 測點的法線； 步驟四二 然后使測頭2沿所述法線勻速向待測點移動，在移動過程中監測測頭2 和金屬零件之間的電壓信號； 步驟四三當所述電壓信號發生跳變時，記錄此時測頭2的位置坐標信息作為該測量點的位置坐標信息，并立即停止測頭2的移動，然后迅速將測頭2沿該測量點所在面的 法線方向移回； 所述測頭2的前端測針直徑為0. 5mm，測頭2的中部為細長金屬桿，所述金屬桿的 長度為15mm，后端通過錐面擴大成直徑為4mm的柱體，測頭2的末端采用M3的螺紋與測針 固定連接。 本實施方式所述的測頭2可以采用彎曲狀的測針。 下面結合圖4舉例說明本實施方式包含步驟四所述的逐一獲取每個測量點的坐 標參數的過程 待測零件的某一截面3上三點，分別為C點、E點和G點為待測點，直線11 、 12和13 分別是穿過C點、E點和G點的待測零件表面的三根法線，直線4為測頭2的測量基準線，在 測量C點、E點和G點的過程中，測頭從點A開始沿直線4向待測零件得表面靠近，當移動 至直線11與所述直線4的交點B時，改變行進路線，沿直線11向待測點C點靠近，在移動 過程中監測測頭2待測零件間的電壓信號，當所述電壓信號發生跳變時，記錄此時測頭2的 位置坐標信息作為待測點C點的位置坐標信息，并立即停止測頭2移動，然后迅速將測頭2 沿原路移回至點B，繼續控制測頭2沿直線4向待測零點表面靠近直到直線4與直線12的 交點D點；然后將測頭2沿直線12勻速向E點移動；在移動過程中監測測頭2待測零件間 的電壓信號，當所述電壓信號發生跳變時，記錄此時測頭2的位置坐標信息作為該測量點E 點的位置坐標信息，并立即停止測頭2的移動，然后迅速將測頭2沿原路移回D點，控制測 頭2沿直線4繼續向零件表面靠近，直到直線4與直線13的交點F點；然后將測頭2沿所 述直線13方向勻速向G點移動；在移動過程中監測測頭2和待測零件間的電壓信號，當所 述電壓信號發生跳變時，記錄此時測頭2的位置坐標信息作為該測量點G點的位置坐標信 息。
具體實施方式
二 本實施方式所述的一種金屬零件的加工精度的檢測方法，它的 具體步驟為 步驟A:將金屬零件外形尺寸的標準數據采用三維建模軟件進行實體建模，獲得 標準數據的模型； 步驟B :根據步驟A獲得的標準數據的模型，建立檢測坐標系； 步驟C:在建立的檢測坐標系中，對標準數據進行路徑規劃，獲取路徑規劃的信 息； 步驟D :根據步驟C獲得的路徑規劃的信息，采用本發明的一種金屬零件外輪廓形 狀的測量方法，獲得待測金屬零件外形尺寸的檢測數據； 步驟E :對步驟D獲得的檢測數據與步驟A獲得的標準數據進行對比，獲得檢測數 據與標準數據的誤差； 步驟F :對步驟E獲得的誤差數據進行分析，獲得待測金屬零件的加工精度結果。
本實施方式所述的檢測數據的路徑規劃信息的過程是 將檢測坐標系內提取的數據轉換為控制檢測設備運動軸的數控設備的G代碼，將 數控設備的測頭2依次移動至待測零件的待測點處，將所述數控機床的測頭2經過待測點 的路徑所獲得的路徑軌跡的信息即為路徑規劃的信息，所述路徑規劃信息為G代碼的格式 存儲的路徑信息。
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本實施方式中步驟E所述的確定檢測數據與標準數據的誤差的方法是采用誤差 分析軟件實現檢測數據與標準數據的誤差的方法。 本實施方式中步驟E所述的確定檢測數據與標準數據的誤差的方法是，將檢測數 據導入三維建模軟件，在步驟B建立的檢測坐標系下建立檢測數據的模型；將獲得的檢測 數據的模型與標準數據的模型進行對比，獲得標準數據與檢測數據的誤差的方法。
本實施方式所述的誤差的范圍確定是根據針對不同的檢測零件做相應的改變，下 面舉例說明 例1 :設計零件的某個特征要求的公稱尺寸為10mm，誤差范圍在_0. lmm—+0. 1mm 之間；當測得的數據在9. 9mm—10. lmm范圍內，則認為該零件是合格的；當測得的數據在 9. 8mm—-10. 2mm，則認為是超差。 例2 :設計零件的某個特征要求的公稱尺寸為10mm，誤差范圍在-0. 5mm—+0. 5mm 之間；當測得的數據在9. 5mm—10. 5mm范圍內，則認為是合格的，當測得的數據在 9. 8mm—10. 2mm之間，則認為該零件為合格。 本實施方式所述的誤差值根據不同的零件加工要求有不同的誤差范圍值，對普通 零件加工要求的誤差范圍較大，對精密零件加工要求的誤差范圍較小，判斷零件合格與否， 是針對待檢測零件的誤差來確定的，在誤差允許的范圍內確定待檢測零件的合格性。
本實施方式中步驟F所述的對誤差數據進行分析的方法是通過采用圖形文件進 行對比分析的方法。 本實施方式中步驟F所述的對誤差數據進行分析的方法是通過將數據形成報表 文件進行分析的方法。 本實施方式中步驟A所采用的三維建模軟件為SolidWorks、 UG或者ProE。
具體實施方式
三本實施方式與實施方式二的所述的一種金屬零件的加工精度的 檢測方法的區別在于，所述待測金屬零件的外形尺寸的標準數據未知，首先采用對合格的 金屬零件的外形輪廓進行檢測獲得的零件外形尺寸的數據作為標準數據，然后再對待檢測 的金屬零件進行檢測，它的具體步驟為 在執行步驟A之前，采用具體實施方式
一所述的一種金屬零件外輪廓形狀的測量 方法，對一個合格的金屬零件的外形輪廓進行測量，獲得所述金屬零件的標準數據；然后開 始執行步驟A，對待測金屬零件進行檢測。
權利要求
一種金屬零件外輪廓形狀的測量方法，其特征是，它的具體步驟為步驟一將待測金屬零件安裝在數控機床的數控軸上，并使測頭(2)的末端距離待測金屬零件表面的距離大于10μm；步驟二在測頭(2)與金屬零件之間施加5V直流電壓；步驟三在金屬零件的待測量的表面上選擇多個測量點；步驟四逐一獲取每個測量點的坐標參數，完成金屬零件外形尺寸參數的測量，每個測量點的坐標參數的獲得過程為步驟四一將測頭(2)移動到法線上，所述法線為待測點所在面的、并且穿過所述待測點的法線；步驟四二然后使測頭(2)沿所述法線勻速向待測點移動，在移動過程中監測測頭(2)和金屬零件之間的電壓信號；步驟四三當所述電壓信號發生跳變時，記錄此時測頭(2)的位置坐標信息作為該測量點的位置坐標信息，并立即停止測頭(2)的移動，然后迅速將測頭(2)沿該測量點所在面的法線方向移回；所述測頭(2)的前端測針直徑為0.5mm，測頭(2)的中部為細長金屬桿，所述金屬桿的長度為15mm，后端通過錐面擴大成直徑為4mm的柱體，測頭(2)的末端采用M3的螺紋與測針固定連接。
2. —種金屬零件的加工精度的檢測方法，它的具體步驟為步驟A:將金屬零件外形尺寸的標準數據采用三維建模軟件進行實體建模，獲得標準 數據的模型；步驟B :根據步驟A獲得的標準數據的模型，建立檢測坐標系；步驟C :在建立的檢測坐標系中，對標準數據進行路徑規劃，做獲取路徑規劃的信息；步驟D :根據步驟C獲得的路徑規劃的信息，采用一種金屬零件外輪廓形狀的測量方 法，獲得金屬零件外形尺寸的檢測數據，具體過程為步驟一將待測金屬零件安裝在數控機床的數控軸上，并使測頭(2)的末端距離待測 金屬零件表面的距離大于10 P m ;步驟二 在測頭(2)與金屬零件之間施加5V直流電壓；步驟三在金屬零件的待測量的表面上選擇多個測量點；步驟四逐一獲取每個測量點的坐標參數，完成金屬零件外形尺寸參數的測量，每個測 量點的坐標參數的獲得過程為步驟四一 將測頭(2)移動到法線上，所述法線為待測點所在面的、并且穿過所述待測 點的法線；步驟四二 然后使測頭(2)沿所述法線勻速向待測點移動，在移動過程中監測測頭(2) 和金屬零件之間的電壓信號；步驟四三當所述電壓信號發生跳變時，記錄此時測頭(2)的位置坐標信息作為該測 量點的位置坐標信息，并立即停止測頭(2)的移動，然后迅速將測頭(2)沿該測量點所在面 的法線方向移回；所述測頭(2)的前端測針直徑為0.5mm，測頭(2)的中部為細長金屬桿，所述金屬桿的 長度為15mm，后端通過錐面擴大成直徑為4mm的柱體，測頭(2)的末端采用M3的螺紋與測針固定連接；步驟E :對步驟D獲得的檢測數據與步驟A獲得的標準數據進行對比，獲得檢測數據與 標準數據的誤差；步驟F :對步驟E獲得的誤差數據進行分析，獲得待測金屬零件的加工精度結果。
3. 根據權利要求2所述的一種金屬零件的加工精度的檢測方法，其特征在于，步驟E所述的確定檢測數據與標準數據的誤差的方法是采用誤差分析軟件實現檢測數據與標準數 據的誤差的方法。
4. 根據權利要求2所述的一種金屬零件的加工精度的檢測方法，其特征在于，步驟E 所述的確定檢測數據與標準數據的誤差的方法是，將檢測數據導入三維建模軟件，在步驟B 建立的檢測坐標系下建立檢測數據的模型；將獲得的檢測數據的模型與標準數據的模型進 行對比，獲得標準數據與檢測數據的誤差的方法。
5. 根據權利要求2所述的一種金屬零件的加工精度的檢測方法，其特征在于，步驟F所 述的對誤差數據進行分析的方法是通過采用圖形文件進行對比分析的方法。
6. 根據權利要求2所述的一種金屬零件的加工精度的檢測方法，其特征在于，步驟F所 述的對誤差數據進行分析的方法是通過將數據形成報表文件進行分析的方法。
7. 根據權利要求2所述的一種金屬零件的加工精度的檢測方法，其特征在于，所采用 的三維建模軟件為SolidWorks、 UG或者ProE。
8. 根據權利要求2所述的一種金屬零件的加工精度的檢測方法的區別在于，所述待測 金屬零件的外形尺寸的標準數據未知，首先采用對合格的金屬零件的外形輪廓進行檢測獲 得的零件外形尺寸的數據作為標準數據，然后再對待檢測的金屬零件進行檢測，它的具體 步驟為在執行步驟A之前，采用權利要求1所述的一種金屬零件外輪廓形狀的測量方法，對一 個合格的金屬零件的外形輪廓進行測量，獲得所述待測金屬零件的標準數據；然后開始執 行步驟A，對待測金屬零件進行檢測。
全文摘要
一種金屬零件外輪廓形狀的測量方法及加工精度的檢測方法，涉及具有自由曲面輪廓特征的金屬零件的精度檢測方法。它解決了現有零件外輪廓尺寸的測量方法存在的受零件外輪廓形狀和零件材質的輻射性的限制而導致的測量精度低的問題，測量方法為使將待測金屬零件與測頭間的距離大于10μm；在測頭與金屬零件間加5V直流電壓；待測量的表面上選擇多個測量點；然后獲取每個測量點的坐標參數。加工精度檢測方法將零件的標準數據采用三維建模軟件建模，對標準數據的模型進行分析，然后采用本發明的測量方法獲得檢測數據；對兩種數據的誤差進行分析，獲得零件的檢測結果。本發明應用于具有自由曲面輪廓特征的零件的精度檢測方法。
文檔編號G01B7/16GK101745845SQ200910310998
公開日2010年6月23日 申請日期2009年12月7日 優先權日2009年12月7日
發明者李茂盛, 王振龍, 遲關心, 黃海鵬 申請人:哈爾濱工業大學