針對數(shù)控加工套管零件的角度、圓弧和空間尺寸，介紹各種測量方法的優(yōu)勢和缺點(diǎn)，并且在簡易樣板、三坐標(biāo)測量機(jī)、光學(xué)投影測量或者輪廓儀測量方法之間，兼顧測量的準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性，選擇一種基于傳統(tǒng)檢測樣板和改制量具的新型測量方法，在滿足測量精度的前提下提高效率、降低成本，為精益測量提供理論依據(jù)。
1 序言
在實際生產(chǎn)加工中，某些零件的角度尺寸、圓弧尺寸、圓心距以及空間尺寸是比較難通過簡單方法進(jìn)行精準(zhǔn)測量的，如果操作人員和質(zhì)檢人員僅通過傳統(tǒng)硬質(zhì)量具進(jìn)行尺寸檢測，則其測量精度及準(zhǔn)確性往往不能滿足設(shè)計要求[1]?，F(xiàn)代制造行業(yè)中使用數(shù)控機(jī)床加工錐面、圓弧面等復(fù)雜型面的優(yōu)勢明顯，加工出的零件尺寸精度、形狀精度遠(yuǎn)高于普通機(jī)床。在實際生產(chǎn)中，既要考慮測量的準(zhǔn)確性，又要考慮測量的精益性。不能因為檢測方法而制約生產(chǎn)進(jìn)度，這對測量方法提出了更高的要求。如果使用高精度測量儀輔助測量，如輪廓度儀、三坐標(biāo)測量機(jī)、光學(xué)影像測量儀或者工業(yè)CT測量機(jī)等，則其測量精度可以滿足設(shè)計圖樣的要求，但設(shè)備采購及維護(hù)成本十分高昂，測量時間較長，需要專業(yè)人員操作，這些現(xiàn)實問題可能是一般企業(yè)難以接受的。如果僅使用傳統(tǒng)硬質(zhì)量具測量，可能無法滿足設(shè)計圖樣要求，還可能存在根本無法測量的情況。在實際生產(chǎn)中將傳統(tǒng)量具、改制量具、數(shù)控測量機(jī)與繪
圖軟件有效地組合使用，可以解決大部分尺寸的測量問題。本文針對套管類零件角度、圓弧尺寸和空間尺寸的測量問題，提出了一種基于傳統(tǒng)檢測樣板和改制量具的精益測量方法，既可以滿足較高的測量精度要求，又可以滿足一般企業(yè)的經(jīng)濟(jì)性要求。
2 測量方法
1 ）樣板測量法
零件在設(shè)計之初，為了滿足結(jié)構(gòu)的整體性、協(xié)調(diào)性和零件的強(qiáng)度，設(shè)計人員會在零件上增加圓弧、圓角及空間位置關(guān)系等特征。對于零件加工工藝性和尺寸檢測方式，設(shè)計人員往往是不做太多考慮的，這給生產(chǎn)制造增加了難點(diǎn)。在實際生產(chǎn)加工中，圓角和圓弧的檢測，通常優(yōu)先采用樣板測量，也稱作R規(guī)比較測量法。這種圓角、圓弧測量方法十分簡單快捷，但是也存在弊端，由于圓弧樣板只能測量出具有特定尺寸的圓弧，比如僅僅可以測量R5mm、R6mm等固定尺寸，無法精確測量出圓弧半徑尺寸，并且非標(biāo)準(zhǔn)圓弧尺寸是無法選用R規(guī)進(jìn)行精準(zhǔn)測量的，因此對于某些圓弧尺寸精度要求高的零件，樣板測量方法無法滿足要求。針對非標(biāo)準(zhǔn)圓弧的測量，也可用線切割機(jī)床把所需的圓弧尺寸在薄鋼板上切割出來，通過計量校準(zhǔn)合格后，可以在實際生產(chǎn)中作為外形樣板進(jìn)行零件圓弧測量。同樣，角度樣板可以測量一些標(biāo)準(zhǔn)角度。在實際生產(chǎn)中，車工對刀時使用角度樣板較多。在一些零件角度相對位置好的情況下，還是使用角度尺測量更加科學(xué)和準(zhǔn)確。但是，在很多實際生產(chǎn)中，角度尺無法精確測量內(nèi)部角度和與角度尺存在干涉的小角度，此時需要角度樣板與塞尺配合使用，可以測量大多數(shù)角度。
2）輪廓儀測量法
輪廓儀主要用于機(jī)械加工零件外表面和內(nèi)表面形狀輪廓的測量，在不損傷零件表面的前提下，通過接觸傳感器探針檢測零件內(nèi)外表面的直徑、圓弧、中心距、弦長和角度尺寸等。輪廓儀測量方法為接觸式表面輪廓傳感器探針直接與零件內(nèi)外表面接觸，在電動機(jī)驅(qū)動作用下，沿著零件被測表面緩慢滑動，滑動過程中，傳感器將接收到的輪廓信息轉(zhuǎn)化為電信號，電信號以數(shù)字量被儲存到計算機(jī)中，工程測量軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，同時在計算機(jī)屏幕上顯示出被測零件輪廓信息，可以選擇特征輪廓進(jìn)行計算測量，包括圓弧半徑、弦長、弧度、中心距、角度、直線位置關(guān)系和距離等。探針的針尖半徑和非直線運(yùn)動軌跡可以通過后處理程序進(jìn)行補(bǔ)償來提高零件測量精度，同時輪廓儀測量軟件可以將測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存并配置數(shù)據(jù)輸出打印功能，還能將測量數(shù)據(jù)存入硬盤和以文檔形式導(dǎo)出[2]。輪廓儀測量法的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在既可以直接測量某些零件難以檢測的內(nèi)外輪廓尺寸，又可以按某種特定標(biāo)準(zhǔn)直接精確描繪出零件內(nèi)外表面輪廓，其測量結(jié)果可以通過軟件直接輸出。但是輪廓儀測量法也存在一些缺點(diǎn)，即被測表面容易被探針劃傷，對檢測人員素質(zhì)要求較高，對一些零件上的閉角，測量后繪制的曲線精度相對較低。
3）三坐標(biāo)測量機(jī)測量法
目前，三坐標(biāo)測量機(jī)作為通用性強(qiáng)、自動化程度高及檢測精度高的測量設(shè)備，被廣泛應(yīng)用在航空航天生產(chǎn)制造和科學(xué)技術(shù)研究中。三坐標(biāo)測量機(jī)通過測頭將所拾取的各個幾何要素的測量轉(zhuǎn)化為這些幾何要素的點(diǎn)、線、集的坐標(biāo)位置的測量[3]，測量出各個幾何元素的坐標(biāo)后，通過專用工程軟件按照內(nèi)置特定的規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)計算出這些幾何要素的形狀、尺寸、角度和空間相對位置等信息。從測量原理上講，任何零件的全部幾何要素都可以通過三坐標(biāo)測量機(jī)檢測，并且精密等級高的三坐標(biāo)測量機(jī)的坐標(biāo)測量精度可達(dá)到微米級。三坐標(biāo)測量機(jī)的優(yōu)點(diǎn)很明顯，測量精確、快速和方便；缺點(diǎn)是對于一般企業(yè)來說，其使用和維護(hù)成本十分高昂，從而造成測量資源的浪費(fèi)。
4）光學(xué)投影測量法
光學(xué)投影測量機(jī)檢測功能和輪廓儀相近，測量精度略低于輪廓儀。測量時，把被測零件水平放置在測量機(jī)工作臺上，通過光照射零件，透光部分與遮光部分形成差別，通過內(nèi)置程序根據(jù)相應(yīng)法則計算，在屏幕上顯示出被測零件放大輪廓，通過工程專用軟件處理，可以計算出所選擇輪廓的圓弧半徑、弧長、兩直線間的夾角、直線段或角度位置關(guān)系和距離等幾何參數(shù)。但是，光學(xué)測量機(jī)存在明顯缺點(diǎn)，在測量回轉(zhuǎn)體凹槽時，需要剖開零件測量截面位置，測量精度誤差相對較大，而且無法對每件零件都進(jìn)行檢測；通過光學(xué)陰影形成的輪廓，計算機(jī)計算出的可拾取曲線精度相對較差。
5）影像測量儀測量法
影像測量儀是近幾年工業(yè)上新興的一種精密測量儀器，隨著圖像分析、后處理技術(shù)的快速發(fā)展，影像測量儀已經(jīng)逐漸成為航空航天零件及裝配車間檢測零件尺寸、裝配關(guān)系及零件形貌的常用測量儀器之一[4]。影像測量儀是采用數(shù)字影像機(jī)拍攝零件，通過圖像傳感器識別與處理，將零件以圖片的形式顯示在屏幕上，通過專用的工程分析軟件利用圖像處理技術(shù)，識別并提取零件表面各種復(fù)雜形狀的特征點(diǎn)及坐標(biāo)點(diǎn)，再通過信息處理技術(shù)和特征點(diǎn)坐標(biāo)計算，形成測量空間中各種幾何要素，最終通過軟件計算得到被測零件的形狀、尺寸和位置關(guān)系等。
3 套管零件尺寸測量
圖1所示套管零件是飛機(jī)燃油系統(tǒng)的重要組成部分，其特點(diǎn)為批量大、尺寸精度高。零件尺寸公差小，空間尺寸多，幾何公差和表面質(zhì)量要求高。其測量難點(diǎn)為凹槽、角度、圓弧和空間尺寸。為了保證零件生產(chǎn)進(jìn)度和尺寸精度，測量工具選擇傳統(tǒng)量具（R規(guī)、角度檢測樣板、角度尺、游標(biāo)卡尺和塞尺）及改制量具（改制千分尺）。零件上的圓角半徑多數(shù)＜1mm，并且為轉(zhuǎn)接半徑，其公差值可以為正、負(fù)值，尺寸精度相對寬泛，可以通過小R規(guī)進(jìn)行比較測量，判定零件加工圓角精度[5]。零件上的環(huán)槽外圓角度無法全部使用角度尺測量，凹槽內(nèi)角度可以選擇角度檢測樣板和塞尺共同測量出合格區(qū)間。角度檢測樣板如圖2所示，樣板中的88°為零件理論角度。測量時，樣板最長邊以零件尺寸4.1mm豎邊定位，樣板88°斜邊與零件槽底斜邊接觸。如果樣板88°斜邊與零件槽底斜邊存在縫隙，通過塞入塞尺來判斷零件角度是否合格。樣板中的45°是為了避免測量時與零件凹槽中R0.8mm和R1.2mm干涉。角度檢測樣板的使用如圖3所示。
圖1 套管零件
圖2 角度檢測樣板
圖3 角度檢測樣板使用示意
零件中還存在φ72.3mm、φ72.4mm和φ67.1mm等空間交點(diǎn)尺寸，并且尺寸精度要求較高。由于這些尺寸無法在生產(chǎn)現(xiàn)場直接通過硬質(zhì)量具測量，可以通過價格高昂的輪廓儀、三坐標(biāo)測量機(jī)及工業(yè)CT測量機(jī)等先進(jìn)數(shù)控設(shè)備測量，但存在加工效率低和測量成本不經(jīng)濟(jì)的問題，所以需要選擇一種既準(zhǔn)確又經(jīng)濟(jì)快速的測量方法，來保證生產(chǎn)線的正常運(yùn)行。為此，兼顧測量的準(zhǔn)確性和精益性，總結(jié)出一種基于傳統(tǒng)量具和改制量具的新型測量方法，間接測量尺寸，減少對高端測量設(shè)備的依賴。
套管外圓上的空間尺寸φ72.3mm、φ72.4mm可以通過尺寸間接測量法，用外徑千分尺測量套管凹槽圓角R0.2mm與其斜面相交的外圓兩側(cè)距離；套管凹槽空間尺寸φ67.1mm可以通過理論尺寸轉(zhuǎn)換，將該尺寸間接轉(zhuǎn)化到凹槽圓角R1.2mm與其斜面相交的最小外徑尺寸，通過改制的外徑葉片千分尺可以精確地測量該尺寸。改制后葉片千分尺的葉片如圖4所示。
圖4 改制后葉片千分尺的葉片
4 結(jié)束語
本文綜述了實際生產(chǎn)中，零件尺寸測量的常用方法及優(yōu)缺點(diǎn)，為技術(shù)人員選擇合適的測量方法提供參考。目前對于角度、圓弧和空間尺寸的測量主要采用以下兩種方法。
1）使用成本較低的外形樣板和角度樣板進(jìn)行比較測量，此類方法適用于零件尺寸精度要求較低的情況。
2）使用維護(hù)成本較高的三坐標(biāo)測量機(jī)或者輪廓儀進(jìn)行測量，此類方法適用于零件尺寸精度要求較高的情況。
在實際生產(chǎn)中，大多數(shù)零件的尺寸精度要求一般，檢測方法在滿足測量精度的前提下，還需要考慮實際生產(chǎn)效率和測量成本，實踐證明，本文中基于傳統(tǒng)量具和改制量具的新型測量方法，可滿足特定的套管零件角度、空間尺寸及一般性圓弧測量的需要，具有很好的實用性和經(jīng)濟(jì)性。
專家點(diǎn)評
該文敘述了套管零件圓弧、角度和空間尺寸的各種測量方法，客觀分析了簡易樣板、三坐標(biāo)測量機(jī)、光學(xué)投影及輪廓儀測量的優(yōu)點(diǎn)和不足。提出了以傳統(tǒng)檢測樣板和改制量具為主、相對簡單且保證精度的精益測量方法，符合一般企業(yè)的經(jīng)濟(jì)性要求。
文章的亮點(diǎn)是精益測量方法，兼顧測量的準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性，既可以滿足較高的測量精度要求，又可以降低測量成本，減少對高端測量設(shè)備的依賴，具有創(chuàng)新性和實用性。
