CN112066839A - 一种1.5m长度标准件的高精度检测方法 - Google Patents

一种1.5m长度标准件的高精度检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种1.5m长度标准件的高精度检测方法，对于1.5m长的标准件采用两次测量的方法，首先通过长方体孔板构建一个稳定的坐标系，然后在同一个测量范围内设置坐标系并测量标准件的一端，然后平移标准件，在同一个测量范围内构建坐标系并测量另一端，两次测量时通过坐标拟合技术，将两次测量的数据统一在一个坐标系下进行计算，最后通过设计对比试验验证本方法的测量精度，试验结果表明，采用本方法检测1.5m超长标准件的测量不确定度为2.2μm，满足测量不确定度要求，本发明解决了高精超长标准件检测问题，保证了标准件在线量值传递准确，满足了设计图纸尺寸检测要求，从而提升了零件加工质量和效率。

Description

一种1.5m长度标准件的高精度检测方法
技术领域
本发明涉及超长标准件高精度测量技术领域，具体涉及一种1.5m长度标准件的高精度检测方法。
背景技术
对于1.0m～1.5m标准件，其检测长度尺寸为三维空间距离，设计图纸公差要求为L±0.005mm，主要应用于现场检测盘轴环形件和机匣内外壁圆锥面上的直径尺寸。目前，国内外对于端度类大尺寸零件的检测可选测量设备较多，但对于高精度大尺寸空间交点距离的测量只能采用三维高精度三坐标测量机检测，依据测量设备的测量不确定度应为被测零件公差1/4～1/10的检测原则，对于现有的高精度三坐标测量机，存在无法满足检测1.5m超长标准件测量要求的弊端，即测量精度满足要求的三坐标测量机测量范围不够，而测量范围满足要求的三坐标测量机测量精度不满足要求，最高精度的大型三坐标测量机最大允许测量误差为5.9μm，因此，按现有条件检测不能满足超长标准件公差检测要求。
针对超长标准件现存的检测问题，以精度(0.4+L/1000)μm、测量范围1m的三坐标测量机为研究基础条件，扩大高精度测量机测量范围，研究解决满足1.5m超长标准件检测的新方法，L为待测标准件设计值。利用高精度三坐标测量机软件的计算功能，以坐标拟合或坐标转站技术为原理，设计合理分段测量方法。
标准件长度尺寸是保证产品加工质量的关键参数指标，加工保证过程中需要按标准件给出的实测值进行测量和修正。因此，研究完善1m以上超长标准件的检测方法，对于提高标准件检测质量，保证产品加工质量具有非常重要的意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种1.5m长度标准件的高精度检测方法，包括以下步骤：
步骤1：构建待测标准件所在的零件坐标系，包括：
步骤1.1：制作一个长为a、宽为b的长方体孔板，孔板上开有l行、m列的圆孔，圆孔内加工有内螺纹，且满足长方体孔板的宽b大于待测标准件的宽b’；
步骤1.2：将孔板固定在待测标准件上，且满足待测标准件、孔板沿宽度方向的对称轴重合；
步骤1.3：将三个标准球分别放在位于待测标准件两侧的圆孔中，且满足三个标准球不共线，定义垂直于三个标准球所在平面的方向为零件坐标系的Z轴，标准球M1为零件坐标系的原点，标准球M2与标准球M3所在的直线方向为零件坐标系的X轴，垂直于X轴、Z轴的方向定义为零件坐标系的Y轴；
步骤2：将待测标准件一端的被测面S1，与孔板上的三个标准球同时置于三坐标测量机的同一个测量范围中，通过三坐标测量机读取三个标准球的坐标，并通过三坐标测量机设置零件坐标系；
步骤3：通过三坐标测量机分别读取被测面S1的基准面H1上n3个测量点的坐标；
步骤4：通过三坐标测量机分别读取待测标准件被测面S1上n1个测量点的坐标；
步骤5：平移待测标准件，使得待测标准件另一端的被测面S2，与孔板上的三个标准球同时置于三坐标测量机的同一个测量视野中，通过三坐标测量机读取三个标准球的坐标，并通过三坐标测量机设置零件坐标系；
步骤6：通过三坐标测量机分别读取被测面S2的基准面H2上n4个测量点的坐标；
步骤7：通过三坐标测量机分别读取待测标准件被测面S2上n2个测量点的坐标；
步骤8：通过三坐标测量机中的坐标拟合技术，将步骤2中设置的零件坐标系与步骤5中设置的零件坐标系转换为同一个零件坐标系，然后通过n1个测量点拟合得到被测面S1对应的测量面S'1，通过n2个测量点拟合得到被测面S2对应的测量面S'2，通过n3个测量点与n4个测量点共同拟合得到一个测量基准面H'；
步骤9：通过三坐标测量机将测量基准面H'沿Z轴上移高度h，得到一个新测量基准面
Figure BDA0002686726530000022
，h表示待测标准件距离基准面的距离；
步骤10：通过三坐标测量机求解新测量基准面
Figure BDA0002686726530000021
与测量面S'1的相交线l′1，求解新测量基准面
Figure BDA0002686726530000023
与测量面S'2的相交线l'2，然后计算出两条相交线l′1、l'2之间的距离L，L即为待测标准件的长度。
进一步地，当构建的零件坐标系与待测标准件被测面上的点矢量方向不垂直时，如果通过三坐标测量机测量的同一个面上的n个测量点均以单点的形式进行存储时，输出的测量值会存在余弦误差，为避免两次测量时计算结果中存在余弦误差，通过三坐标测量机测量的同一个面上的n个测量点，需要首先拟合为一个面，然后以面的形式进行存储，如果n个测量点必须以每个点的形式进行存储时，可以将每个测量点与周围的测量点进行拟合得到一个微平面，然后以微平面的形式进行存储。
本发明的有益效果是：
本发明提出了一种1.5m长度标准件的高精度检测方法，通过构建长方体孔板建立零件坐标系，基于坐标拟合技术，实现通过两次测量得出1.5m标准件的高精度测量，解决了高精超长标准件的检测问题，保证了标准件量值传递准确，满足了设计图纸尺寸检测要求，从而提升了零件加工质量和效率，现场检测精度高、使用便捷、测量效率高，同时可实现大型环型工件的准确、效率检测，对于提高产品质量，提高生产效率具有重要意义。
附图说明
图1为本发明中长方体孔板、基于长方体孔板构建零件坐标系的示意图，其中图(a)表示长方体孔板的构建示意图，图(b)表示基于长方体孔板的零件坐标系构建示意图；
图2为本发明中长度标准件的测量示意图；
图3为本发明中两次测量位置示意图，其中图(a)表示第一次测量位置示意图，图(b)表示第二次测量位置示意图；
图4为本发明中两次测量原理示意图；
图5为本发明中零件坐标系稳定性验证试验图；
图6为本发明中测量精度验证试验图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施实例对发明做进一步说明。
公司现有1.0m～1.5m标准件80余件，其检测长度尺寸为三维空间距离，设计图纸公差要求为L±0.005mm，L为待测标准件的设计值，主要应用于现场检测盘轴环形件和机匣内外壁圆锥面上的直径尺寸，目前，国内外对于端度类大尺寸零件的检测可选测量设备较多，但对于高精度大尺寸空间交点距离的测量只能采用三维高精度三坐标测量机检测，其测量示意图如图2所示，图中θ1、θ2为被测面倾斜角度值，h表示待测标准件距基准面的距离。
为满足检测1.5m超长标准件的测量不确定度不大于2.5μm，研究三坐标测量机坐标拟合分段测量技术，合理设计规划检测方案，确定扩大三坐标测量机测量范围的新方法，通过测量不确定度分析和试验验证，最终实现满足1.5m超长标准件的高精度检测要求。
一种1.5m长度标准件的高精度检测方法，包括如下步骤：
步骤1：构建待测标准件所在的零件坐标系，包括：
步骤1.1：制作一个长为a、宽为b的长方体孔板，孔板上开有l行、m列的圆孔，圆孔内加工有内螺纹，且满足长方体孔板的宽b大于待测标准件的宽b’；
步骤1.2：将孔板固定在待测标准件上，且满足待测标准件、孔板沿宽度方向的对称轴重合；
步骤1.3：将三个标准球分别放在位于待测标准件两侧的圆孔中，且满足三个标准球不共线，定义垂直于三个标准球所在平面的方向为零件坐标系的Z轴，标准球M1为零件坐标系的原点，标准球M2与标准球M3所在的直线方向为零件坐标系的X轴，垂直于X轴、Z轴的方向定义为零件坐标系的Y轴；
如图1所示给出了零件坐标系的构建示意图，图中三个标准球的安装位置大致呈三角形状态，且相互间的距离应该尽量加大，因为距离越大，形成的坐标系稳定性越高，被测标准件位于长方形孔板的中间位置，整个测量过程中应保持两者紧固为一体；
在被测长度方向上进行二次分段测量，两次测量位置如图3所示，并使三个不共线的标准球及一端的被测面在三坐标测量机的有效测量范围内，即在同一个测量范围内构建坐标系并测量一端的被测面，然后平移待测标准件，使三个不共线的标准球及另一侧的被测面在三坐标测量机的有效测量范围内，即在同一个测量范围内构建坐标系并测量另一端的被测面，两次测量的坐标系方向和原点位置设置方式应保持一致，通过两次测量后进行坐标系拟合，使其被测元素之间建立统一的联系，并按图纸要求计算两段长度尺寸在同一坐标系下的值，最终得到测量结果，具体表述如下：
步骤2：将待测标准件一端的被测面S1，与孔板上的三个标准球同时置于三坐标测量机的同一个测量范围中，通过三坐标测量机读取三个标准球的坐标，并通过三坐标测量机设置零件坐标系；
步骤3：通过三坐标测量机分别读取被测面S1的基准面H1上n3个测量点的坐标；
步骤4：通过三坐标测量机分别读取待测标准件被测面S1上n1个测量点的坐标；
步骤5：平移待测标准件，使得待测标准件另一端的被测面S2，与孔板上的三个标准球同时置于三坐标测量机的同一个测量视野中，通过三坐标测量机读取三个标准球的坐标，并通过三坐标测量机设置零件坐标系；
步骤6：通过三坐标测量机分别读取被测面S2的基准面H2上n4个测量点的坐标；
步骤7：通过三坐标测量机分别读取待测标准件被测面S2上n2个测量点的坐标；
步骤8：通过三坐标测量机中的坐标拟合技术，将步骤2中设置的零件坐标系与步骤5中设置的零件坐标系转换为同一个零件坐标系，然后通过n1个测量点拟合得到被测面S1对应的测量面S'1，通过n2个测量点拟合得到被测面S2对应的测量面S'2，通过n3个测量点与n4个测量点共同拟合得到一个测量基准面H'；
步骤9：通过三坐标测量机将测量基准面H'沿Z轴上移高度h，得到一个新测量基准面
Figure BDA0002686726530000041
，h表示待测标准件距离基准面的距离；
步骤10：通过三坐标测量机求解新测量基准面
Figure BDA0002686726530000052
与测量面S'1的相交线l′1，求解新测量基准面
Figure BDA0002686726530000053
与测量面S'2的相交线l'2，然后计算出两条相交线l′1、l'2之间的距离L，L即为待测标准件的长度，其测量原理示意图如图4所示。
当构建的零件坐标系与待测标准件被测面上的点矢量方向不垂直时，如果通过三坐标测量机测量的同一个面上的n个测量点均以单点的形式进行存储时，输出的测量值会存在余弦误差，为避免两次测量时计算结果中存在余弦误差，通过三坐标测量机测量的同一个面上的n个测量点，需要首先拟合为一个面，然后以面的形式进行存储，如果n个测量点必须以每个点的形式进行存储时，可以将每个测量点与周围的测量点进行拟合得到一个微平面，然后以微平面的形式进行存储。
对于上述方法进行对比试验验证如下：
(1)坐标系稳定性验证，以三个标准球建立坐标系，测量第四个标准球的坐标值，变换不同位置多次测量，以最大坐标差值确定坐标系稳定性，试验过程为：
1.1)如图5所示，将四个标准球分别放在长方体孔板上，其中球1、球2、球3三个不共线的球用于构建坐标系，球4为被测点；
1.2)设置坐标系：以球1、球2、球3中心点构建第一基准平面，以球1、球2中心点所在的连线构建另一坐标轴方向，以球2中心点为坐标系原点；
1.3)在三坐标测量机的不同位置分别放置长方体孔板(即与三坐标测量机的X轴分别成0°、45°、180°、225°)，并在每个位置测量球4的三次坐标值并存储，试验数据如表1所示。
表1坐标系稳定性验证时的试验数据表
Figure BDA0002686726530000051
试验结论：坐标系稳定性最大差值为0.7μm。
(2)测量精度验证，试验过程如下：
2.1)如图6所示，分两次测量1m长的标准量块，将安装有三个标准球的长方体孔板固定在量块的中间位置；
2.2)将被测面1与三个标准球同时置于三坐标测量机的同一个测量范围内，以球1、球2、球3中心点构建第一基准平面，以球1、球2中心点所在的连线构建另一坐标轴方向，以球3中心点为坐标系原点；
2.3)测量基本面1、基准面1′和被测面1，并存储三次测量的试验数据；
2.4)平移量块，使得被测面2所在一端位于三坐标测量机工作台的中间位置，即被测面2与三个标准球同时置于三坐标测量机的同一个测量范围内，以球1、球2、球3中心点构建第一基准平面，以球1、球2中心点所在的连线构建另一坐标轴方向，以球3中心点为坐标系原点；
2.5)测量基本面2、基准面2′和被测面2，并存储三次测量的试验数据；
2.6)将两次试验数据采用坐标拟合方法进行计算，用基准面1、基准面2和基准面1′、基准面2′作为评价基准来确定量块长度；
2.7)采用常规测量法测量，即同时将量块的被测面1、被测面2置于三坐标测量机的同一个测量范围内，构建一次坐标系的情况下测量出量块的长度值，试验数据如表2所示；
表2测量精度验证时的试验数据表
Figure BDA0002686726530000061
(3)二次测量后通过坐标拟合技术得出测量值的不确定度验证分析：
3.1)三坐标测量机的最大允许误差引入的测量不确定度分量
由于采用2次测量，每次测量长度约为700mm，按三坐标测量机最大允许误差(0.4+L/1000)μm计算，多次测量取最大允许误差的正态均匀分布(正态分布的置信因子取3)，则最大允许误差引入的测量不确定度分量μ1为：
μ1＝(1.25+1.25)÷3＝0.83μm
3.2)温度误差引入的测量不确定度分量
测量设备温度偏离20℃时的影响
由于恒温间调控，温度可控制在0.1℃，设大理石膨胀系数为9.0×10-6，则该项误差为：
Δ1＝Lа光栅(20.1-20)℃＝0.75×9.0×0.1/2＝0.34μm
式中，L表示被测标准件的设计值，а光栅表示三坐标测量机上光栅尺的温度膨胀系数；被测件与设备温差造成的影响
设被测件与设备温差Δt＝0.1℃，则该项误差为：
Δ2＝L·(а工件-а光栅)·Δt/2＝0.75×2.5×0.1/2＝0.10μm
式中，а工件表示被测标准件的温度膨胀系数；
因此，两次测量时由于温度温差引入的测量不确定度分量μ2：
Figure BDA0002686726530000071
(4)测量重复性引入的测量不确定度分量
由测量精度验证试验的试验数据可得：最大重复性差值为0.3μm，对于本发明中的二次测量通过坐标拟合后计算测量值的方法，其重复性引入的标准测量不确定度分量μ3为：
Figure BDA0002686726530000072
(5)两次测量时坐标拟合误差引入的测量不确定度分量
由测量精度验证试验的试验数据可得：两次测量时坐标拟合的最大单向误差为0.7μm，按均匀分布(均匀分布的置信因子取
Figure BDA0002686726530000073
)计算，其两次测量时坐标拟合引入的最大测量不确定度分量μ4：
Figure BDA0002686726530000074
(6)标准测量不确定度分量的合成量μc：
Figure BDA0002686726530000075
(7)扩展测量不确定度U：
置信因子k'取2，U＝k'uc＝2×1.1＝2.2μm
(8)结论：对于测量1.5m范围的标准件，其公差为±0.005mm，其测量不确定度为2.2μm，按其测量不确定度应不大于被测零件1/4～1/10原则，该测量方法可以满足1.5m范围内的标准件检测要求。

Claims (2)

1.一种1.5m长度标准件的高精度检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：构建待测标准件所在的零件坐标系，包括：
步骤1.1：制作一个长为a、宽为b的长方体孔板，孔板上开有l行、m列的圆孔，圆孔内加工有内螺纹，且满足长方体孔板的宽b大于待测标准件的宽b’；
步骤1.2：将孔板固定在待测标准件上，且满足待测标准件、孔板沿宽度方向的对称轴重合；
步骤1.3：将三个标准球分别放在位于待测标准件两侧的圆孔中，且满足三个标准球不共线，定义垂直于三个标准球所在平面的方向为零件坐标系的Z轴，标准球M1为零件坐标系的原点，标准球M2与标准球M3所在的直线方向为零件坐标系的X轴，垂直于X轴、Z轴的方向定义为零件坐标系的Y轴；
步骤2：将待测标准件一端的被测面S1，与孔板上的三个标准球同时置于三坐标测量机的同一个测量范围中，通过三坐标测量机读取三个标准球的坐标，并通过三坐标测量机设置零件坐标系；
步骤3：通过三坐标测量机分别读取被测面S1的基准面H1上n3个测量点的坐标；
步骤4：通过三坐标测量机分别读取待测标准件被测面S1上n1个测量点的坐标；
步骤5：平移待测标准件，使得待测标准件另一端的被测面S2，与孔板上的三个标准球同时置于三坐标测量机的同一个测量视野中，通过三坐标测量机读取三个标准球的坐标，并通过三坐标测量机设置零件坐标系；
步骤6：通过三坐标测量机分别读取被测面S2的基准面H2上n4个测量点的坐标；
步骤7：通过三坐标测量机分别读取待测标准件被测面S2上n2个测量点的坐标；
步骤8：通过三坐标测量机中的坐标拟合技术，将步骤2中设置的零件坐标系与步骤5中设置的零件坐标系转换为同一个零件坐标系，然后通过n1个测量点拟合得到被测面S1对应的测量面S'1，通过n2个测量点拟合得到被测面S2对应的测量面S'2，通过n3个测量点与n4个测量点共同拟合得到一个测量基准面H'；
步骤9：通过三坐标测量机将测量基准面H'沿Z轴上移高度h，得到一个新测量基准面H，h表示待测标准件距离基准面的距离；
步骤10：通过三坐标测量机求解新测量基准面
Figure FDA0002686726520000011
与测量面S'1的相交线l′1，求解新测量基准面
Figure FDA0002686726520000012
与测量面S'2的相交线l'2，然后计算出两条相交线l′1、l'2之间的距离L，L即为待测标准件的长度。
2.根据权利要求1所述的一种1.5m长度标准件的高精度检测方法，其特征在于，当构建的零件坐标系与待测标准件被测面上的点矢量方向不垂直时，如果通过三坐标测量机测量的同一个面上的n个测量点均以单点的形式进行存储时，输出的测量值会存在余弦误差，为避免两次测量时计算结果中存在余弦误差，通过三坐标测量机测量的同一个面上的n个测量点，需要首先拟合为一个面，然后以面的形式进行存储，如果n个测量点必须以每个点的形式进行存储时，可以将每个测量点与周围的测量点进行拟合得到一个微平面，然后以微平面的形式进行存储。
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