CN114136251A - 一种大半径小占比圆柱面零件特殊尺寸的检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大半径小占比圆柱面零件特殊尺寸检测方法，分别在圆柱面零件实物外型上和第二圆柱面上取点，然后与圆柱面零件的理论模型在三坐标测量仪的测量软件中通过迭代法进行重合关系的建立，第二次迭代在第一次迭代的基础上进行，当迭代成功后，以理论模型的回转中心测量基准，分别测量圆柱面的半径值和形位公差，其中在测量第三圆柱面同轴度时，将其同轴度转换为位置度和轮廓度的测量。本发明针对大半径小占比圆柱面零件的特点设计了一种测量方法，最大限度的降低构件基准和坐标系时的误差，保证了零件检测的质量和加工质量。

Description

一种大半径小占比圆柱面零件特殊尺寸的检测方法
技术领域
本发明属于曲面零件检测方法技术领域，特别是外型为大半径小占比的圆柱面特殊尺寸的检测方法。
背景技术
如图1所示，为待检测圆柱面零件的外型示意图。首先，该零件外型为三个依次连接的圆柱面(包括第三圆柱面R3、第二圆柱面R2和第一圆柱面R1)，三个圆柱面的曲率半径都很大，同时外型圆柱面弦长占整圆的比例较小，本零件中约为1/36，见图1所示，造成该零件的三个圆柱面近似三个平面；圆周面零件的主要基准为圆柱面回转中心线。由于曲面曲率半径大，同时弦长占比较少，如果直接在三坐标测量仪中采点，会造成构建基准时误差被放大。而该零件需要测量的多个特殊尺寸(半径、形位公差)都会受基准误差放大的影响，因此，必须设计一种解决方法，降低测量误差。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明旨在提供一种大半径小占比圆柱面零件特殊尺寸的检测方法，提高该类圆柱面零件的特殊尺寸(半径、同轴度和位置度)检测效率，保证零件质量。
为实现上述目的，本发明采用了下述技术方案：
一种大半径小占比圆柱面零件特殊尺寸的检测方法，所述圆柱面零件包括同轴且半径分别为R1、R2和R3的第一圆柱面、第二圆柱面以及第三圆柱面，第一圆柱面和第三圆柱面分别位于第二圆柱面轴线方向的两端，且第一圆柱面、第二圆柱面和第三圆柱面的曲率半径大，圆柱面上的弧长占整个圆周的比例小，导致第一圆柱面、第二圆柱面和第三圆柱面近似平面，所述特殊尺寸包括R1、R2和R3的值，第一圆柱面的位置度以及第三圆柱面的同轴度，检测方法采用三坐标测量仪，包括，
步骤一，建立基准，分别在圆柱面零件实物外型上和第二圆柱面上取点，获得第一采样点集合和第二采样点集合，将圆柱面零件对应的理论模型导入三坐标测量仪的测量软件，在设定误差范围内通过迭代法在某一坐标系下建立第一采样点集合中各点与理论模型上对应点的位置重合关系，在前述基础上，在设定误差范围内再次通过迭代法建立第二采样点集合中各点与理论模型上对应点的位置重合关系，做出理论模型的回转中心线，将该回转中心线视作圆柱面零件实物中第二圆柱面的实际回转中心线，并以该实际回转中心线作为后续测量的基准轴；
步骤二，测量半径尺寸R1、R2和R3的值，以步骤一中确定的基准轴作为一条坐标轴建立笛卡尔坐标系，分别测量第一圆柱面、第二圆柱面和第三圆柱面上的点到基准轴的垂直距离，以该垂直距离作为R1、R2和R3的测量值；
步骤三，测量第一圆柱面的位置度，在圆柱面零件实物的第一圆柱面上取点获得第三采样点集合，通过第三采样点集合拟合成实际曲面，计算出实际曲面的实际质心，然后计算实际质心与理论模型中第一圆柱面的理论质心之间的距离，以该距离作为圆柱面零件实物中第一圆柱面的位置度测量值；
步骤四，测量第三圆柱面的同轴度，测量时，将第三圆柱面的同轴度测量转换为测量第三圆柱面相对于第一圆柱面的位置度以及测量第三圆柱面的轮廓度，然后，根据测量得到的位置度和轮廓度计算第三圆柱面的同轴度，其中，
测量第三圆柱面的位置度时，在圆柱面零件实物的第三圆柱面上取点获得第四采样点集合，通过第四采样点集合拟合成实际曲面，计算出实际曲面的实际质心，然后计算实际质心与理论模型中第三圆柱面的理论质心之间的偏差值，以该偏差值作为第三圆柱面的位置度。
进一步，所述步骤一中，当在圆柱面零件实物的第二圆柱面上采点时，第二采样点集合按照每10㎝2取1个点的方式采样。
进一步，所述步骤一中，当采用迭代法在某一坐标系中建立第一采样点集合和第二采样点集合中各点与理论模型中对应点的位置重合关系时，两次迭代法的迭代误差设定值相同。
进一步，所述步骤一中，三坐标测量仪的测量软件为PC-DMIS，迭代法采用PC-DMIS中的迭代功能模块。
进一步，所述步骤一中，第一采样点集合中的点包括圆柱面零件实物外型上第一圆柱面、第二圆柱面以及第三圆柱面的外轮廓交点。
进一步，所述步骤一中，第一采样点集合和第二采样点集合之间有交集。
进一步，所述步骤一中，第二采样点集合中的点数大于第一采样点集合中的点数。
进一步，所述步骤四中，以步骤一中确定的基准轴为Z轴建立笛卡尔坐标系，然后按照下述公式计算第三圆柱面相对第一圆柱面的位置度W3,
Figure BDA0003372999540000031
其中：
X3为第三圆柱面的实际质心与理论质心之间偏移量沿X轴的矢量分量；
X1为第一圆柱面的实际质心与理论质心之间偏移量沿X轴的矢量分量；
Y3为第三圆柱面的实际质心与理论质心之间偏移量沿Y轴的矢量分量；
按照下述公式计算第三圆柱面相对第一圆柱面的同轴度T3,
T3＝W3+L3，其中：
L3为第三圆柱面的轮廓度。
进一步，大半径小占比圆柱面零件特殊尺寸的检测方法还包括步骤五，计算最大测量值，在步骤二、步骤三和步骤四得出的测量值基础加上圆柱体零件实物与理论模型建立重合关系时迭代方法拟合采用的设定误差，即得到最大测量值。
由于本发明的圆柱面零件形状特殊，无法按照常规的六点迭代法建立坐标(圆柱面零件上缺少特征)，本发明两次采点迭代的目的是为了在某一坐标系中使得圆柱面零件实物的采点数值与理论模型在一定公差范围内重合(例如，在圆柱面零件实物的第二圆柱面上采点，在三坐标测量软件上，使得该采样点的位置与理论模型上第二圆柱面上对应点的位置重合，重叠在一起)，这样在一定公差范围内就可以将理论模型的回转中心当作零件实物的回转中心(基准A)。根据圆柱面零件的结构特点和待测量值(半径和形位公差)，本发明将采点分为两个步骤，两个步骤中建立重合关系利用了上百个点；在于建立重合关系使用理论回转中心后，结合待测量值，在回转中心线上任意指定原点位置，坐标轴可以根据待测量值指定。
与现有技术相比，本发明具备以下特点：
1、针对圆柱面零件的曲面曲率半径大，同时弦长占比较少这个情况，本发明提出了一种使用理论模型回转中心替代实物回转中心实现零件特殊尺寸检测的方法，该方法能够解决直接通过在圆柱面零件的外型上采点构建基准和坐标系进行测量时产生的误差放大问题。
2、针对第三圆柱面相对第一圆柱面同轴度测量的问题，本发明提出了一种同轴度转换测量的计算方法，使得测量结果能更加准确的反应真实值。
附图说明
图1为圆柱面零件外型示意图；
图2为坐标系建立示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施案例对本发明作进一步的说明，但不应就此理解为本发明所述主题的范围仅限于以下的实施案例，在不脱离本发明上述技术思想情况下，凡根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种修改、替换和变更，均包括在本发明的范围内。
本发明中针对图1所示的大半径小占比圆柱面零件的特殊尺寸(主要为半径、形位公差)进行检测，图1中D代表零件回转中心即基准A(理论回转中心偏置后)，C代表该位置的中间结构进行了简化，未画出详细结构，E代表回转中心，其主要思路方案如下：
(1)建立基准。如图1所示，圆柱面零件的初始基准为A基准。同时A基准为零件的外型圆柱面回转中心，由于外型圆柱面弦长占整圆的比例较小，如果在圆柱面零件实物上直接采点建立回转中心，误差将很大，故借助圆柱面零件的理论模型建立A基准，同时零件图纸中第一圆柱面、第三圆柱面都有形位公差要求，为保证第一圆柱面、第二圆柱面、第三圆柱面同轴，故建立基准A时主要在第二圆柱面上采点。
首先，在圆柱面零件实物上采取部分外轮廓交点(第一圆柱面、第二圆柱面和第三圆柱面交界处，这些点是实物和理论模型上容易识别的点)的坐标值，在某一坐标系中使得采取的点与理论模型上对应点的位置相重合。该步骤采点时不用刻意避开第二圆柱面上的点，可以有部分点与下一个步骤中的采点位置重合。
其次，在圆柱面零件实物第二圆柱面上采取部分点坐标值，按照10㎝2取一点，在某一坐标系中使得采取的点与零件理论模型上对应点的位置相重合，即在某一坐标系中使得圆柱面零件实物中第二圆柱面所采取的点与理论模型中第二圆柱面上对应点的位置相重合。
最后，在三坐标测量仪的测量软件上画出理论模型的回转中心，此时的回转中心即可作为圆柱面零件实物的回转中心，即为测量的基准A。
(2)尺寸测量。基准A搭建完成后，主要尺寸测量方法如下：
①半径尺寸R1、R2、R3的测量。半径尺寸按照测量曲面上的点至回转中心(基准A)的距离。
②第一圆柱面位置度
Figure BDA0003372999540000051
的测量。由于根据圆柱面零件实物第二圆柱面构建的中心线误差较大，故使用曲面的质心代替中心线进行判断。故第二圆柱面位置度为实际质心与理论质心的偏差。
③第三圆柱面的同轴度
Figure BDA0003372999540000052
的测量。第三圆柱面同轴度可以转换成位置度与轮廓度，故先测量出第三圆柱面相对于第一圆柱面的位置度及第三圆柱面的轮廓度。第三圆柱面相对于第一圆柱面的位置度同第一圆柱面位置度
Figure BDA0003372999540000053
的测量方式相同，不同的是第一圆柱面位置度考查的是沿某一坐标系的偏移量，第三圆柱面的位置度考查的是沿两个坐标系的偏移量。将第一圆柱面位置度公差的方向设定为为X轴。然后再根据公式1算出第三圆柱面相对于第一圆柱面的位置度偏移量，最后再根据公式2加上第三圆柱面的轮廓度，结果即为同轴度
Figure BDA0003372999540000054
的测量值。
公式1：
X＝|X3–X1|；
Figure BDA0003372999540000055
X3:第三圆柱面的实际质心与理论质心之间偏移量沿X轴的矢量分量；
X1:第一圆柱面的实际质心与理论质心之间偏移量沿X轴的矢量分量；
Y3:第三圆柱面的实际质心与理论质心之间偏移量沿Y轴的矢量分量；
W3：第三圆柱面相对于第一圆柱面的位置度。
公式2：
T3＝W3+L3；
T3:第三圆柱面相对于第一圆柱面的同轴度；
L3:第三圆柱面的轮廓度。
④计算最大测量值。所有尺寸的测量值加上圆柱面零件实物与理论模型重合关系迭代拟合时的设定误差(最大允许误差)，即为最大测量值。
根据上述思路，本发明测量圆柱面零件的特殊尺寸时按照下述步骤实施：
步骤1：建立基准。首先，在圆柱面零件外轮廓上采取部分交点(第一圆柱面、第二圆柱面和第三圆柱面交界处)的坐标值，使用PC-DMIS测量软件的迭代功能，迭代误差为D1mm,在某一坐标系中使所有采取点的位置与理论模型上对应点的位置相重合。其次，在圆柱面零件实物第二圆柱面上采取点，按照10㎝2取一点，使用PC-DMIS测量软件的迭代功能，迭代误差为D1mm,即在某一坐标系中使得零件实物第二圆柱面所采取的点与理论模型第二圆柱面上对应点的位置相重合。最后，在三坐标测量软件PC-DMIS上画出理论模型的回转中心，此时的回转中心即可作为圆柱面零件实物的回转中心，即为测量的基准A。
将基准A设为Z轴，将第一圆柱面位置度公差方向设定为X轴，同时将X轴正向设置为远离零件，根据X轴、Z轴确定出Y轴。
步骤2：测量半径尺寸R1、R2、R3。分别测量圆柱面零件实物上第一圆柱面、第二圆柱面、第三圆柱面上的点至Z轴的距离。
步骤3：第一圆柱面位置度
Figure BDA0003372999540000061
的测量。先在第一圆柱面上采点，根据采取的点拟合成实际曲面，测量出实际曲面的质点与理论曲面的质点的距离，质点之间的距离即为位置度实测值。同时建立辅助坐标系1，原点在第一圆柱面的理论质点处，坐标轴方向同图2相同，在坐标系中分解出实际质点沿X轴方向坐标矢量为X1。
步骤4：第三圆柱面的同轴度
Figure BDA0003372999540000062
的测量。先根据步骤3测量出第三圆柱面实际质点与理论曲面的质点。建立辅助坐标系2，原点在第三圆柱面的理论质点处，坐标轴方向同图2相同，在坐标系中分解出实际质点沿X轴、Y轴方向坐标矢量分量分别为X3、Y3，根据公式1算出W3。然后，再测量出第三圆柱面的轮廓度，轮廓度的测量方法为常规方法，此处不做赘述。最后根据公式2计算出T3。
步骤5：计算最大测量值，步骤2～步骤4所有的实测值加上迭代误差D1mm，结果即为最大实测值。

Claims (9)

1.一种大半径小占比圆柱面零件特殊尺寸的检测方法，所述圆柱面零件包括同轴且半径分别为R1、R2和R3的第一圆柱面、第二圆柱面以及第三圆柱面，第一圆柱面和第三圆柱面分别位于第二圆柱面轴线方向的两端，且第一圆柱面、第二圆柱面和第三圆柱面的曲率半径大，圆柱面上的弧长占整个圆周的比例小，导致第一圆柱面、第二圆柱面和第三圆柱面近似平面，所述特殊尺寸包括R1、R2和R3的值，第一圆柱面的位置度以及第三圆柱面的同轴度，其特征在于：检测方法采用三坐标测量仪，包括，
步骤一，建立基准，分别在圆柱面零件实物外型上和第二圆柱面上取点，获得第一采样点集合和第二采样点集合，将圆柱面零件对应的理论模型导入三坐标测量仪的测量软件，在设定误差范围内通过迭代法在某一坐标系下建立第一采样点集合中各点与理论模型上对应点的位置重合关系，在前述基础上，在设定误差范围内再次通过迭代法建立第二采样点集合中各点与理论模型上对应点的位置重合关系，做出理论模型的回转中心线，将该回转中心线视作圆柱面零件实物中第二圆柱面的实际回转中心线，并以该实际回转中心线作为后续测量的基准轴；
步骤二，测量半径尺寸R1、R2和R3的值，以步骤一中确定的基准轴作为一条坐标轴建立笛卡尔坐标系，分别测量第一圆柱面、第二圆柱面和第三圆柱面上的点到基准轴的垂直距离，以该垂直距离作为R1、R2和R3的测量值；
步骤三，测量第一圆柱面的位置度，在圆柱面零件实物的第一圆柱面上取点获得第三采样点集合，通过第三采样点集合拟合成实际曲面，计算出实际曲面的实际质心，然后计算实际质心与理论模型中第一圆柱面的理论质心之间的距离，以该距离作为圆柱面零件实物中第一圆柱面的位置度测量值；
步骤四，测量第三圆柱面的同轴度，测量时，将第三圆柱面的同轴度测量转换为测量第三圆柱面相对于第一圆柱面的位置度以及测量第三圆柱面的轮廓度，然后，根据测量得到的位置度和轮廓度计算第三圆柱面的同轴度，其中，
测量第三圆柱面的位置度时，在圆柱面零件实物的第三圆柱面上取点获得第四采样点集合，通过第四采样点集合拟合成实际曲面，计算出实际曲面的实际质心，然后计算实际质心与理论模型中第三圆柱面的理论质心之间的偏差值，以该偏差值作为第三圆柱面的位置度。
2.根据权利要求1所述的一种大半径小占比圆柱面零件特殊尺寸的检测方法，其特征在于：所述步骤一中，当在圆柱面零件实物的第二圆柱面上采点时，第二采样点集合按照每10㎝2取1个点的方式采样。
3.根据权利要求1所述的一种大半径小占比圆柱面零件特殊尺寸的检测方法，其特征在于：所述步骤一中，当采用迭代法在某一坐标系中建立第一采样点集合和第二采样点集合中各点与理论模型中对应点的位置重合关系时，两次迭代法的迭代误差设定值相同。
4.根据权利要求1所述的一种大半径小占比圆柱面零件特殊尺寸的检测方法，其特征在于：所述步骤一中，三坐标测量仪的测量软件为PC-DMIS，迭代法采用PC-DMIS中的迭代功能模块。
5.根据权利要求1所述的一种大半径小占比圆柱面零件特殊尺寸的检测方法，其特征在于：所述步骤一中，第一采样点集合中的点包括圆柱面零件实物外型上第一圆柱面、第二圆柱面以及第三圆柱面的外轮廓交点。
6.根据权利要求1所述的一种大半径小占比圆柱面零件特殊尺寸的检测方法，其特征在于：所述步骤一中，第一采样点集合和第二采样点集合之间有交集。
7.根据权利要求1所述的一种大半径小占比圆柱面零件特殊尺寸的检测方法，其特征在于：所述步骤一中，第二采样点集合中的点数大于第一采样点集合中的点数。
8.根据权利要求1所述的一种大半径小占比圆柱面零件特殊尺寸的检测方法，其特征在于：所述步骤四中，以步骤一中确定的基准轴为Z轴建立笛卡尔坐标系，然后按照下述公式计算第三圆柱面相对第一圆柱面的位置度W3,
Figure FDA0003372999530000021
其中：
X3为第三圆柱面的实际质心与理论质心之间偏移量沿X轴的矢量分量；
X1为第一圆柱面的实际质心与理论质心之间偏移量沿X轴的矢量分量；
Y3为第三圆柱面的实际质心与理论质心之间偏移量沿Y轴的矢量分量；
按照下述公式计算第三圆柱面相对第一圆柱面的同轴度T3,
T3＝W3+L3，其中：
L3为第三圆柱面的轮廓度。
9.根据权利要求1所述的一种大半径小占比圆柱面零件特殊尺寸的检测方法，其特征在于：还包括步骤五，计算最大测量值，在步骤二、步骤三和步骤四得出的测量值基础加上圆柱体零件实物与理论模型建立重合关系时迭代方法拟合采用的设定误差，即得到最大测量值。
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