三坐標(biāo)檢測大直徑螺紋尺寸方法

劉廷祥，陳犇，楊峰

中國航發(fā)貴州黎陽航空動力有限公司 貴州貴陽 550000

1 序言

航空發(fā)動機機械加工生產(chǎn)過程中有大量的大直徑（φ D≥80mm）螺紋工件，現(xiàn)有的傳統(tǒng)檢測手段是通過萬能工具顯微鏡“影像法”檢測，但由于螺紋工件直徑較大，萬能工具顯微鏡焦距較小，所以無法清晰顯示螺紋牙型影像。采用樣膏拓印牙型“切片法”檢測，樣膏具有彈性變形特性，人工切片無法保證通過軸線，樣片易形成錐體，從而給測量帶來較大誤差，容易對測量結(jié)果產(chǎn)生誤判，給產(chǎn)品質(zhì)量帶來隱患。為準(zhǔn)確、快速地解決生產(chǎn)現(xiàn)場螺紋工件測量問題，擬研究開發(fā)三坐標(biāo)測量技術(shù)，解決現(xiàn)場螺紋工件幾何尺寸檢測難題[1-3]。

2 圖樣分析

本文以某XX-0100螺紋工件通端為例，其設(shè)計如圖1所示。根據(jù)圖1，結(jié)合螺紋的使用功能，其關(guān)鍵尺寸確定為其中5個重要參數(shù)，即確定檢測項目見表1。

表1 檢測項目

圖1 XX-0100螺紋工件通端設(shè)計示意

3 確定檢測方法

3.1 被測理論點坐標(biāo)值

如圖2所示，要檢測出大徑、中徑、螺距和牙型角的實際值，至少需要測量包含一個螺紋牙型面上8個實際點的坐標(biāo)值，且至少包含3個截面方向上的點，才能按軟件構(gòu)造圓功能計算圓直徑，構(gòu)造線功能按角度計算牙型角，按距離功能構(gòu)造計算螺距實際值。

圖2 測點計算示意

測量點的確定與計算：在圖2所示XOY坐標(biāo)系下，在牙型面上選取8個具有代表性的測量點，根據(jù)給出的已知條件，每個點的理論坐標(biāo)值（X、Y、Z）和法線方向矢量值（I、J、K）計算公式為

（其中n∈｛0，1，2，3，4，5，6，7｝）

根據(jù)圖2，各點坐標(biāo)及法線方向計算結(jié)果見表2。

表2 8點坐標(biāo)（X、Y、Z）及法線方向（I、J、K）

3.2 工件坐標(biāo)系的建立

（1）粗建坐標(biāo)系 螺紋工件擺放如圖3所示，結(jié)合三坐標(biāo)測量軟件功能，手動測量A平面上4點，建立第一軸Z軸，測量中心圓B和牙型上下兩點C、D，構(gòu)造中間點E建立第二軸Y，中心圓B的X、Y坐標(biāo)清零，中間點E的Z坐標(biāo)清零。

圖3 工件擺放示意

（2）精建坐標(biāo)系 在上述粗建坐標(biāo)系的情況下，打開矢量點自動測量窗口，按表2計算出的大徑點1的理論坐標(biāo)值和矢量方向，在圓周4個截面方向自動測量出大徑上的4個點的實際值，構(gòu)造大徑中心圓；打開矢量點自動測量窗口，按表2計算出中徑點3、點5的理論坐標(biāo)值和矢量方向，自動測量出點3、點5的實際值，構(gòu)造計算出中點E，用大徑中心圓和牙型中間點E重新建立第二坐標(biāo)Y，并且圓中心X、Y坐標(biāo)清零，中間點E的Z坐標(biāo)清零。

3.3 自動測量程序的編制

（1）自動測量程序的編制與調(diào)試 精建坐標(biāo)系完成后，打開矢量點自動測量窗口（見圖4），按要求格式依次輸入所有坐標(biāo)點的X、Y、Z、I、J和K值并創(chuàng)建測量程序，試運行測量螺紋工件，直到調(diào)試測量8點成功為止。然后依次旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系90°，掃描測量完成上下左右4個截面上的32個點，直到全部調(diào)試成功。測量結(jié)果圖形窗口如圖5所示。

圖4 矢量點自動測量窗口

圖5 測量結(jié)果圖形窗口

（2）評價、輸出測量結(jié)果報告 測量方法如下。

1）大徑、中徑的評價輸出。如圖6所示，打開構(gòu)造圓功能窗口，選擇測量大徑上的4個對應(yīng)點（4、12、19、27）進(jìn)行構(gòu)造，即可得到大徑d的實際值；選擇測量中徑上的4個對應(yīng)點（6、14、22、30）進(jìn)行構(gòu)造，即可得到中徑d2的實際值。

2）螺距的評價輸出。如圖7所示，打開距離功能窗口，選擇兩個相鄰中徑點（6、11）求距離，即可得到螺距實際值。

圖7 距離功能窗口

3）牙型角的評價輸出。如圖8所示，先打開構(gòu)造線功能窗口，選擇大徑上的兩個點（4、9）構(gòu)造直線1，再選擇牙型面上的兩個點（5、6）構(gòu)造直線2，退出到角度計算功能窗口（見圖9），選擇直線1和直線2創(chuàng)建，即可得到角度實際值。

圖8 構(gòu)造線功能窗口

圖9 角度計算功能窗口

小徑在牙槽底部，測尖采點發(fā)生干涉，無法接觸測量，但由于小徑要求為≤201.43mm，因此可以用樣膏法測量。

測量結(jié)果報告如圖10所示。

圖10 測量結(jié)果報告窗口

（3）自動測量程序 簡略如下。

4 誤差分析

4.1 測量不確定度的計算

以通端中徑為例，經(jīng)過12次檢測，結(jié)果統(tǒng)計見表3。

從表3 中數(shù)據(jù)計算可得，測量平均值為202.045mm，不確定度為0.0035，即中徑測量結(jié)果為d2＝202.045mm，不確定度為0.0035，達(dá)到不確定度≤0.02×1/4＝0.005的要求。

4.2 測量結(jié)果對比

通過三坐標(biāo)測量、螺紋綜合儀測量，對比6件螺紋工件的4個參數(shù)測量結(jié)果，其結(jié)果見表4。

表4 測量結(jié)果對比

由表4 可知，按照測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)測量結(jié)果最大差值不超過尺寸公差的2 5%判斷原則，螺紋工件大徑檢測結(jié)果相差最大為0.005m m，滿足≤0.028×25%=0.007（m m）的要求；螺紋工件中徑檢測結(jié)果相差最大為0.003m m，滿足≤0.014×25%=0.0036（m m）的要求；螺紋工件螺距檢測結(jié)果相差最大為0.002mm，滿足≤0.01×25%=0.004（mm）的要求；螺紋工件牙側(cè)角檢測結(jié)果相差最大為7′，滿足≤32′×25%=8′的要求，測量可行。

5 關(guān)鍵測量技術(shù)

5.1 測尖半徑補償原理

三坐標(biāo)測量過程中，需要手動測量建立坐標(biāo)系。由于測量面傾斜，其采點方向如圖11所示，目標(biāo)點和實際接觸點不一致，因此導(dǎo)致產(chǎn)生測尖半徑補償誤差△R。經(jīng)過分析計算，得出其補償計算公式為：△R＝AC＝OA－OC＝OB/sinα－OC＝R/sinα－R＝R（1/sinα－1），其中OB＝OC＝R，為已知測尖半徑，α為已知斜面角度。

圖11 測尖半徑余弦誤差示意

5.2 避免測尖在狹小空間干涉

以牙型角為60°、螺距為1.5m m、測尖直徑為0.5mm為例，測尖采點時只能在圖2所示的點3和點4之間的直線空間移動，長度為1.5/2－0.5＝0.25（mm）。因此，測尖采點的回退距離應(yīng)≤0.25mm，否則就會發(fā)生干涉，碰撞測尖，三坐標(biāo)測量機出現(xiàn)停機狀態(tài)。

6 結(jié)束語

本文對如何在三坐標(biāo)上檢測大直徑螺紋工件的幾何尺寸方法進(jìn)行了研究，分析了如何在1.5mm的螺距間采點、測尖半徑補償原理、螺紋牙型面上矢量點計算以及自動測量程序測量編制等一系列技術(shù)問題。文中對如何實現(xiàn)自動測量進(jìn)行了詳細(xì)的說明，對測量結(jié)果和測量不確定度進(jìn)行了計算分析，并與螺紋綜合測量儀的測量結(jié)果進(jìn)行對比，誤差完全在許可范圍內(nèi)，驗證了該方法確實可行，解決了傳統(tǒng)方法準(zhǔn)確測量大直徑螺紋工件尺寸的難題，提高了生產(chǎn)現(xiàn)場檢測效益，縮短了檢測生產(chǎn)周期，消除了來回送計量或其他權(quán)威部門檢測的時間。