一种针对发动机压气机盘类零件辐板型面的在线测量方法

摘要

本发明属于自动化检测领域，具体涉及一种针对发动机压气机盘类零件辐板型面的在线测量方法。本发明方法的步骤是规划测头的测量路径，对测头球半径进行校正，选取压气机盘型面上的特征点作为测量点，编制测头的运动程序，在虚拟仿真软件中优化测头的运动轨迹，运行测头的运动程序，测头历遍所有测量点，将经误差补偿后的每个测量点的测量值取平均值后，与压气机盘类零件的设计理论值进行比较，当测量值处于零件设计的公差带范围之内时，视为测量的压气机盘类零件的加工尺寸合格，否则进行再加工，再测量，直到零件尺寸合格为止。本发明方法改变了目前行业内一个设计特征配备一套测量工装的传统制造模式，节约工装制造成本，节省返修工时、提高产品加工一次合格率，从而降低新产品研制的周期和生产成本。

说明书

技术领域

本发明属于自动化检测领域，具体涉及一种针对发动机压气机盘类零件辐板型面的在线测量方法。

背景技术

目前发动机零件的制造过程普遍实现了高度专业化、信息化和自动化，不需要人工干预，广泛应用了高速无人干预加工技术。刀具长度和半径自动补偿技术、零件在线测量技术、自动换刀技术和零件自动装夹定位技术等多项技术的综合集成，是先进的数字化、自动化、精确化、复合高度集成化制造技术的一部分,而零件在线测量方法是其中的核心，是数字化制造的重要组成部分。

在线测量方法适应于产品制造的全过程，特别适合新产品的研制时，零件定型前，结构和尺寸不断变化的过程，能够缩短研制周期，显著提升加工的效率，避免脱机检测返修带来的二次装夹定位，保证加工质量，能够及时对加工中的零件实施修正与补偿，以消除废品、次品的产生，同时能够拓展数控机床的功能，改善数控机床性能，提高数控机床效率，是新品研制的快速反应、质量保障和降低制造成本的先进技术和重要手段，并对抢占市场先机起到决定性作用，因而受到制造业的推崇和广泛应用。

目前发动机制造行业中利用车削加工得到的的压气机盘类零件的结构如附图1和附图3所示，由辐脐、辐板型面、与安装边组成，其辐板型面由圆弧、线段或样条曲线（非线性轮廓）组成，上、下辐板型面的每一面通常给出2个特征点供检查测量辐板的加工尺寸精度，上下两侧共有4个控制点，但是因辐板的几何形状为不规则且不平行机床X轴的直线或圆弧，因此常规测量方法需要派制4套专用测具，才可以准确测量辐板形面加工后的尺寸，而采用专用测具测量辐板形面特征点的现有常规工艺方法，还需要专门设计专用测具的结构，再进行制造，成本高，耗费时间长，严重制约了新品的研制周期，专用测具的工装制造时间约占总体研制时间的三分之一至四分之一，如果产品从研制阶段到定型阶段一旦改型，测具全部报废，需重新派制。

发明内容

针对上述现有测量方法存在的缺陷，本发明提供一种针对发动机压气机盘类零件辐板型面的在线测量方法，目的是摆脱先进的数控加工方式配以落后的手工测量传统工艺模式的现状，实现零件加工过程加工－测量自动化一体化，提高数控机床的加工效率。

实现本发明的技术方案按照以下步骤进行：

（1）规划测头的测量路径：将测量系统安装在立式数控车削加工中心，其中测量系统的信号接收器与数控加工中心的控制器相连，测头安装在加工中心的刀具库中，以待测压气机盘类零件前、后端面安装边或前、后缘端面所在的水平面为测量基准面，坐标系X原点在零件中心孔的中心轴线上，机床水平导轨方向为X轴，机床主轴为Z轴，建立测量坐标系；    

（2）校正测头球半径：将测头从刀具库中调出，装入主轴，运行测头校正程序，测头先加速接近校正球，不取值，加延时补偿之后，匀速接近校正球进行触测，将得到的测头球半径数据与测头的名义值进行比较，当误差≤0.003mm时，认为测头是精准的；

（3）确定测头运动轨迹：分析待测压气机盘类零件的型面构成，根据其型面的复杂程度，选取型面上的特征点作为测量点，编制测头的测量运动程序，为了保证测量结果的精确度，每个测量点测量若干次，取其平均值；

（4）优化测头的运动轨迹：在虚拟仿真软件环境中按照零件实际的三维尺寸及与夹具和机床的相对位置关系，建立机床模型、待测压气机盘类零件模型和测头模型，将测头运动程序加载到虚拟仿真软件中，在软件中模拟运行在线测量，检查运行报告中测头与待测零件是否发生干涉碰撞，如果发生碰撞，则返回重新修改测头的运动程序，直到测头与待测零件无干涉碰撞，且测头的运行路径最短，则将测头的运动程序用于实际测量； 

（5）在线测量：运行测头的运动程序，测头历遍所有测量点，测量特征点的相对于基准面的深度数据Z _p，测头将数据信号发送给接收器，接收器将信号输入立式加工中心的控制器，控制器将测量数据输送到指定的数据寄存器中，在寄存器中查看测量结果，并对测量结果进行误差补偿，将经误差补偿后的每个测量点的测量值取平均值后，与压气机盘类零件的设计理论值进行比较，当测量值处于零件设计的公差带范围之内时，视为测量的压气机盘类零件的加工尺寸合格，否则将测量值与设计理论值的差值输入到刀具补偿中，进行误差补偿，机床主轴调出加工刀具，运行数控加工程序，进行再加工，加工后再测量，直到零件尺寸合格为止。

对测量结果进行误差补偿的方法之一，是通过应用下述公式获得真正的测量点P的深度值：

L=R/cosα                   （1）；

△h＝L－R                 （2）；  

其中，α为测量点P所在辐板型面与水平面的夹角；L为测头球心距测量点P的高度；R为测头半径；△h为补偿高度；

则对于测量点P来说，其真正的深度值为：Z _p= Z _p’＋△h （3），Z _p’′为测头的测量值；

对测量结果进行误差补偿的方法之二，是X向平移法，即采用下列公式，将测头实际接触点P′的坐标X _p’、Z _p’，通过计算分别位移△X、△Z，使得测头与工件的接触点从P′点改为P点，接触点的测量结果Z _p’值加上补偿值△Z刚好是P点的深度值Zp，△X、△Z的计算方法如下：

△X＝R*sinα               （4）；

△Z＝△X*ctg（90°－α）   （5）；

其中，α为测量点P所在辐板型面与水平面的夹角；R为测头半径；

在测头的测量程序中，直接调用坐标X+ △X，得到测量点P的真正的深度值Z _p，如附图2所示。

与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：

本发明方法是利用装配在数控车削加工中心上的精密测量仪器和加工中心控制系统的在线测量基础功能模块，对加工中心的在线测量功能进行深度开发，通过对在线测量系统的高精度校正技术、测量数据的采集及传输技术、在线测量的数据快速处理和分析技术、在线测量快速刀位轨迹修正、轮廓测量及误差补偿生成技术的研究，实现了在机床上不拆卸零件，在当前的加工工位上，完成了对发动机压气机盘类零件几何尺寸的测量，并能够根据尺寸测量结果直接进行零件的修正加工，直至获得合格的产品。

本发明方法中测头运动轨迹的规划基于简洁、实用、检测路径最短原则，同时遵循设计基准、工艺基准和测量基准重合的原理，测量坐标系的选定与零件的工艺基准重合，以避免基准不重合带来的误差，当测量结果需要用CAD模型进行分析比较时，要按照CAD模型的要求建立零件坐标系，使零件的坐标系与CAD模型的坐标系一致，才能编程测量。

由于本发明方法中车加工中心控制系统所配备的在线测量模块功能具有一定的测量局限性，不具备对非线性轮廓或斜面上特征点的连续扫描功能和单点测量功能，只能测量平面到基准面的轴向高度，只能按被测点的Z向进行测头半径补偿，不能按测量点的法向进行补偿，而本发明方法的测量对象发动机压气机盘类零件辐板型面测量点所在的平面并不是真正意义上的水平面，而通常为与水平面呈一定角度的斜面或曲面，当测头从指定的测量点P点的Xp坐标向下方运动时，由于被测型面为一斜面，测头与实际辐板型面的接触点为P′，在P′点触发，触发后测量系统给出P′点深度Z_p′值，此时，P′与P点的深度值差为△h，当斜面角度α愈大，同时测头半径愈大时，误差△h愈大，此时获得的深度值h应小于理论被测点的实际值，因此需要对测量点的数据进行误差补偿。

本发明采用在线测量系统，通过安装在机床上的测头和相应的测软件，并进行进一步的开发，就能实现加工零件自动装夹、准确定位，并获得工件准确尺寸，机床在线测量方法在机械加工行业有着广阔的应用前景，将促使数控机床成为加工和检测一体化的数控加工单元体，在线测量改变了现有技术中，某些具有典型特征的工件只能单一离线测量，必须派制专用工装的方式，改变了目前行业内一个设计特征配备一套测量工装的传统制造模式，节约工装制造成本，节省返修工时、提高产品加工一次合格率，从而降低新产品研制的周期和生产成本，是加快新产品研制切实可行的手段和产品加工过程实施有效质量监控手段。

附图说明

图1是发动机压气机盘类零件的结构示意图；

图2是本发明中对在线测量结果进行补偿的原理之一示意图；

图3是本发明中对在线测量结果进行补偿的原理之二示意图；

图4是本发明中测量的压气机盘零件的辐板型面的截面示意图；

其中，1：测量特征点1；2：测量特征点2；3：测量基准面；4：前缘；5：辐脐；6：辐板；7：安装基准面；

图5是本发明的在线测量程序的软件流程图。

具体实施方式

本发明中用于在线测量的系统是由数控车削加工中心上随机床配备的英国Renishaw公司精密测量仪器和西门子机床控制系统Sinumeric840D的在线测量基础模块组成的，所采用的测头是Renishaw公司MP10触发式测头，测头校正程序为机床控制系统自带，并在测量过程中调用了在线测量基础模块中的CYCLE973 校准工件测头循环和CYCLE974 工件点测量循环指令；

本发明中对于机床模型，待测压气机盘类零件模型和测头模型，是在VERICUT 7.0虚拟仿真软件环境下进行的；

本发明中使用的校正球尺寸为直径￠16.012mm，被测量轮盘直径在￠400mm～￠800mm之间。

实施例1

对图3中所示的压气机盘零件的在线测量步骤是：

（1）规划测头的测量路径：测量系统位于立式数控车削加工中心上，其中测量系统的信号接收器与数控加工中心的控制器相连，测头安装在加工中心的刀具库中，以待测压气机盘类零件前、后端面安装边或前、后缘端面所在的水平面为测量基准面，坐标系X原点在零件中心孔的中心轴线上，机床水平导轨方向为X轴，机床主轴为Z轴，建立测量坐标系；  

（2）校正测头球半径：校正测头球半径：将测头从刀具库中调出，装入主轴，运行测头校正程序，测头先加速接近校正球，不取值，加延时补偿之后，匀速接近校正球进行触测，将得到的测头球半径数据与测头的名义值进行比较，当误差≤0.003mm时，认为测头是精准的；

（3）确定测头运动轨迹：在待测压气机盘辐板型面上，选取如图3中所示的1、2两点作为测量点，据此确定测头的采点布距，编制测头的运动程序，因被测表面低于工件的最上表面，测量过程中测头的移动轨迹需要避开最上表面，以免产生碰撞，撞断测头，在测头运动程序中，第一步将测头的初始运动点（原点）设在零件中心孔的中心轴上，并高于测量基准面200mm处，第二步测头平移到测量点1的正上方，高度不变，第三步下降高度，快速移到被测点上方10mm处，第四步慢速向下测量，触发声响后，慢速移到被测点上方10mm处，快速移到原点，然后测量测量点2，如此重复8次，即每个测量点取值8次；

（4）优化测头的运动轨迹：在虚拟仿真软件中按照实际的三维及相对位置、大小关系，建立机床模型，待测压气机盘类零件模型和测头模型，将测头运动程序加载到虚拟仿真软件中，在软件中模拟运行在线测量，检查运行报告中测头与待测零件是否发生干涉碰撞，如果发生碰撞，则返回修改测头的运动轨迹程序，直到测头与待测零件无干涉碰撞，且测头的运行路径最短，则将测头的运动程序用于实际测量； 

（5）在线测量：运行测头的运动程序，测头历遍测量点，得到测量点相对于基准面的深度数据Z _p，测头将数据信号发送给接收器，接收器将信号输入立式加工中心的控制器，控制器将测量数据输送到指定的数据寄存器中，在寄存器中查看测量结果，并对测量结果进行误差补偿，得到将经误差补偿后的测量值取平均值，其中测量点1的测量平均值为10.161mm，测量点2的测量平均值为10.660mm，与压气机盘测量点1的设计理论值10.15±0.015mm，测量点2的设计理论值10.65±0.015mm相比较，测量值处于零件设计的公差带范围之内时，压气机盘的加工尺寸视为合格，不需要进行再加工。