复杂空间曲面自动化检测专题实验室草案

复杂空间曲面自动化检测专题实验室草案单位：北京航科发动机控制系统科技有限公司日期：2012年2月12日随着高新技术的发展，复杂曲面的应用也越来越广泛，其应用主要取决于两个方面：一方面是力学特性和功能的需要，使设备满足特定的性能要求，这就要求产品形面达到高精度的数学特征；另一方面是外观美学效果的需要，满足人们对产品外形的需求。曲面是相对于平面而言，复杂曲面是相对圆柱面，球面和锥面等简单曲面而言。在工程实践中，复杂曲面可分为规则复杂曲面和自由曲面。复杂刀具，齿轮，凸轮等典型零件的型面属于规则复杂曲面；而模具型腔，涡轮机叶片，各种零件外壳等的型面则为自由型面。在工程中，为了获得特定的功能或满足某种机理，常将一个整体造型的曲面人为的分割成几片，基于此，复杂曲面又可分为连续型复杂曲面和非连续型复杂曲面。非连续型复杂曲面又称为断续曲面，其典型代表有滚刀，剃齿刀等复杂刀具的工作表面。复杂曲面测量技术历来是几何量计量检测技术中的一项重要研究课题。传统的研究内容主要注重于被测曲面质量指标的获取与评判，即曲面测量的主要目的是为了获取曲面的质量信息。近几十年来，随着反求工程（又称逆向工程）的兴起，复杂曲面测量技术的研究增加了新的内容，曲面测量的目的不只是为了评定曲面质量，而且要求获取曲面的几何形状信息。虽然曲面的测量目的各异方法众多，但曲面→曲线→点集→测点集的分解次序始终是实现复杂曲面测量的基本思路。基于对各种曲面测量方式的分析，整体上可将复杂曲面测量划分为以下三种模式：（1）模式A：通过测量曲面上的一些特征线，根据对被测特征线的评定来反映曲面的质量。（2）模式B：通过测量分布在曲面上的一系列点获取被测曲面的轮廓度误差，并以此评定曲面的质量。（3）模式C：通过测量分布在曲面上的一系列点，提取曲面原始形状信息，通过信息重构被测曲面，实现被测曲面的数字化。从本质上看，模式A是将复杂曲面的测量简化为复杂曲线或平面曲线甚至直线的测量。如果选取复杂曲面的母线或曲面上的工作轨迹作为被测特征线，则该测量模式能将复杂曲面的设计加工和使用统一起来，因此模式A主要适用于规则复杂曲面特别是回转类复杂曲面的测量。通过测量螺旋面的螺旋线和轴向截型来控制螺旋面的质量就是一个典型事例。对于模式A的研究已有很长的历史，期间产生了两种技术思想：一种以几何学为基础；另一种则基于刚体运动学。前者的基本思想是仅仅将被测对象作为几何体借助坐标法（直角坐标或者极坐标法等）展成法（机械展成法或者电子展成法）等测量方法测量复杂曲面上的特征线；后者的基本思想则是将被测对象作为一个刚性的功能元件或者传功元件与另一个标准元件作啮合运动，通过测量啮合运动误差来反求曲面上的特征线误差。后一种技术思想起源于七十年代初，我国在齿轮测量理论及实践上的突破，经过多年的不断完善与推广，现已形成A模式下的运动几何测量法。在过去二十年，与A模式相关的测量技术得到了较快的发展，各种CNC式的专用测量机，齿轮测量中心，多维测量中心以及坐标测量机已成为生产实际中的主要检测手段。B模式下的复杂曲面精密测量过去一直是精密检测领域中经常遇到而不易解决的技术难题。传统的轮廓度误差测量方法有轮廓样板法，仿形测量法，轮廓投影法和光学跟踪法等。近几十年来，随着精密数控和软件工程等相关技术的快速发展，使B模式下的复杂曲面精密测量成为可能，其主要检测手段为CNC式坐标测量机。C模式主要针对数学模型未知的复杂曲面测量。C模式下的复杂曲面测量是反求工程的关键技术之一。虽然C模式的研究历史并不长，但其发展却十分迅速，目前经常使用的方法有激光扫描三角测量技术，光栅投影法，莫尔条纹技术，三坐标测量机，层析三维数学化技术，CT和MRI等。其中，将线结构光三维视觉与三坐标测量机信息集成而成的集成式测量技术以测量精度高，速度快等优点而成为一种很有前途的新型测量方法。虽然A,B,C三种测量模式彼此的测量目的不尽相同，各自的技术侧重点存在差异，其发展历史也有长有短，但三种测量模式所涉及的基本技术问题是相通的。目前，三中测量模式相比较，C模式的测量精度要求一般低于B模式，而A模式仍然是控制规则曲面质量的主要模式。目前，我厂的生产加工及新品研制工作中，复杂空间曲面检测的工作十分繁重。复杂空间曲面检测种类繁多，既包括RT-61，RT-66，RCB11，RLB30等各型号产品中各种渐开线圆柱齿轮参数的测量，也有RT-20，RT-24，RT-61等各型号产品中各种二维凸轮和三维凸轮的测量，以及RT-24C，RT-76，RHB2等各型号产品中各种三维叶轮，三维诱导轮，导向轮，整流罩的测量，还有各种型号壳体表面局部曲面的测量，以及新品测绘中各种复杂空间曲面的测量。现在主要的测量难点在于：各型号产品中渐开线圆柱齿轮部分参数的测量，各种型号壳体表面局部曲面的测量以及新品测绘中各种复杂空间曲面的测量。渐开线圆柱齿轮，属于典型的规则复杂曲面类零件。由于它的传动具有能够传递任意两轴间的运动和动力，传动平稳可靠，效率高寿命长，结构紧凑，传动速度和功率范围广等特点，在我厂的各型号产品中得到广泛的应用。渐开线圆柱齿轮的主要参数包括：齿厚，模数，压力角，齿圈径向跳动量，齿廓总误差，齿向公差，齿距极限偏差和齿距累积误差等。主要难点在于齿廓总误差，齿向公差，齿距极限偏差和齿距累积误差四项参数的计量。其中，齿廓总偏差是在计值范围内，包容实际齿廓迹线的两条设计齿廓迹线间的距离。齿廓误差会导致齿轮传动中一对齿轮啮合过程中的瞬时速比变化，形成传动的冲击、振动和噪声，对齿轮传动的平稳性有较大影响；齿向公差是在分度圆柱面上，齿宽有效范围内，包容实际齿形最小两条设计齿线之间的端面距离，对载荷的分布的均匀性有较大影响；齿距偏差是指在分度圆上，实际齿距与公称齿距之差，齿距极限偏差是齿距偏差的极值，而齿距累积误差则是在分度圆上任意两个同侧齿面间的实际弧长与公称弧长之差的最大绝对值。这四个参数对齿轮传动的准确性，平稳性有着重大影响，但我厂目前缺乏专业的齿轮综合检测设备，无法对其进行准确的测量，只能外送中国计量院进行计量，这样既增加了成本，测量的及时性也得不到保证，生产计划也经常因此受到影响。凸轮，也属于规则复杂曲面类零件。在我厂的RT-20，RT-24，RT-61等各型号产品中包含大量二维凸轮和三维凸轮参数需要测量。凸轮的主要测量参数包括理论转角与升程，目前最具通用性的方法是以坐标测量机为主要手段的坐标测量法，重点主要集中在：数据获取，曲面重构，测头半径补偿三个方面。①数据获取。基于坐标法的复杂曲面（曲线）测量过程实际上是利用一系列离散点提取曲面（曲线）的原始几何信息的过程，其基本问题是曲面上测点的数目及分布。由于在坐标测量机上测量复杂曲面一般采用扫描的测量方式，因此这一基本问题的实质是采样方式的选择。它包括两个方面：一是在采样点数相同的情况下，哪一种测点分布能最大程度的反应曲面的原始形状信息，即测量准确度最高；一是在测量准确度相同的情况下，哪一种测点分布可以减少采样点数。②曲面重构。曲面重构是根据测点集对曲面建模，在复杂曲面测量中，需对测头中心轨迹与实际曲面轮廓进行两次建模，前者用于测头半径补偿，后者用于曲面误差评定或曲面的数字化。③测头半径补偿。用球形测头测量曲面时，测头与被测曲面为点接触，测头半径补偿的关键是确定曲面在接触点的法矢。我厂目前采用的就是这种以坐标测量机为主要手段的坐标测量法，使用leitz超高精度PMM-C型三坐标测量机，PC-DMIS三坐标测量软件系统。在测量过程中，首先根据图纸建立数学模型并输入三坐标测量机，PC-DIMS三坐标测量软件系统根据数学模型生成测量点并自动测量，然后自动进行测头补偿并根据测点集对曲面建模，生成测得模型与原图纸相比较。其他的各种三维叶轮，三维诱导轮，导向轮，整流罩的测量方法与凸轮类似，但这种测量方法的难点在于必须要有图纸，如果没有图纸则无法生成数学模型，测量软件系统也就无法根据数学模型生成测量点并进行测量。所以特别在新品测绘时，需要在无图纸情况下对各种复杂空间曲面测量，就不得不靠手动采集测量点进行测量，不仅测量速度慢，测量精度也大大降低。鉴于以上在复杂空间曲面测量工作过程中的种种问题，我厂拟建立复杂空间曲面自动化检测专题实验室，配置要求如下：一场地⑴场地的选择应避免下列诸外界因素：电磁场，易燃物或易燃性气体，爆炸物品，电力杂讯，潮湿气，腐蚀性气体以及灰尘等。⑵场地铺设木地板，仪器设备间入口处应设置防静电门帘，操作人员在使用仪器时也应佩戴白手套。⑶设备间地板的负载足以支持仪器设备的重量。⑷避免阳光照射。⑸仪器搬运路线有足够的宽度与高度容许仪器设备搬运至使用场地。⑹仪器设备安装后应该仍有足够的空间由操作或维修人员使用，同时设备前后左右也应有足够的散热空间。⑺方便人员及设备的进出。⑻有适合的紧急出口。二环境⑴实验室的标准温度为20℃,一般检测间及试验间的温度应在20±5℃，线值计量标准间为20±2℃。⑵实验室内的相对湿度一般应保持在50－70％。⑶实验室的气压应该是在730~760mmHg的范围。⑷实验室保持清洁少尘。三人员⑴实验室计量人员必须参加理论考核及操作考核，取得计量人员检定员证书，才能从事计量工作。计量实习人员必须在有证人员的指导下进行操作和维护。⑵实验室计量人员必须熟悉所操作的仪器的性能、准确度等级、使用操作维护方法。⑶实验室计量人员应努力学习上级有关规定，安全规程和本公司各项安全制度，保证计量工作安全进行，保证仪器仪表准确可靠。四设备⑴克林贝格P40齿轮测量中心克林贝格P40齿轮测量中心，由德国克林贝格集团制造，是世界上最先进的齿轮检测中心之一，可以检测各种不同结构设计的直齿和斜齿圆柱齿轮以及各种齿轮刀具，如插齿刀、剃齿刀和滚刀。也可以检测蜗轮、蜗杆、直齿锥齿轮和螺旋锥齿轮。此外，还可检测旋转对称工件（轴类）的尺寸和形位误差，以及凸轮和平面凸轮的运转轨迹。技术特点：采用4轴测量技术的高精度系统及软件支持的精度最优化高性能计算机控制器(PowerPC)按人机工程学设计的具有集成的工业计算机的操作系统LDT直线电机驱动技术全自动检测过程自动探针定位新一代的克林贝格专利K3D多轴三维数字式测量系统，数字传感测量值，带有严密的防撞保护技术采用高精度温度-中性光栅（陶瓷玻璃）及温度补偿,使机床结构适合使用在生产区域近旁.立式工件安装工件由顶尖夹紧,有自动滑动识别功能.高精度顶尖支承优化,操作简单.机床结构新颖紧凑,符合功能化设计.综合的，模块化的检测软件（选购）克林贝格评估软件主要技术参数：模数范围：（0.2）0.5-15mm展长测量范围：±115mm垂直测量范围：550mm最大工件外径：400mm可测量螺旋角：0-90度顶尖距离：15-800mm机器精度：一级ClassI最大允许工件重量：300kg压缩空气：6bar/60l/h净重：1900kg⑵MC027-3903A型齿轮测量中心MC027-3903A型齿轮测量中心采用X、Y、Z、φ四坐标测量系统，德国进口长光栅、圆光栅传感器，密珠滚动导轨。可测量齿轮的齿廓偏差，螺旋线偏差，齿距偏差，径向跳动等，并且还可测量滚刀、插齿刀、剃齿刀、径向剃齿刀、蜗轮、蜗杆、直齿锥齿轮、斜齿锥齿轮、凸轮等工件的相应参数。在被测齿轮一次装夹中，自动完成齿轮齿廓、螺旋线、齿距、径跳测量项目的检测，微机控制全自动完成测量循环，速度快。此外，还可以根据被测工件，选择被测项目。圆柱齿轮被测结果按国际齿轮精度标准自动进行评值。对于特殊要求，齿廓有K图、凸度、螺旋线有鼓度特定公差带进行评估。主要技术参数：模数范围：1-12mm展长测量范围：±100mm垂直测量范围：400mm最大工件外径：300mm可测量螺旋角：0-90度上下顶尖距离：15-800mm测头距下顶尖距离：10-300mm最大允许工件重量：80kg净重：1200kg⑶GMX275齿轮测量仪GMX275齿轮测量仪是德国马尔公司生产的最新一代全自动齿轮测量仪，能够自动检测直齿齿轮及斜齿圆柱齿轮，弧齿锥齿轮及准双曲面锥齿轮，圆柱蜗杆，锥形圆柱齿轮，扇形齿轮，剃齿刀，齿轮滚刀，