CN114234890B - 一种薄壁零件短轴线孔的轴线与平面的角度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种薄壁零件短轴线孔的轴线与平面的角度测量方法，包括：最大允许误差辨别、确定短轴线孔轴线延长交点、短轴线孔轴线与平面的角度测量和角度差值验证等步骤。在此基础上，本发明还提供一种薄壁安装孔检具的短轴线孔的检验方法。本发明的方法研究最主要对象是典型含有短轴线孔轴线与平面的某薄壁零件安装孔检具，并提出了“短轴线孔轴线延长法”间接测量短轴线孔轴线与平面Q的角度，其通过事前分析和事后检验的构思实现角度的高精度测量。

Description

一种薄壁零件短轴线孔的轴线与平面的角度测量方法

技术领域

本发明属于几何量精密测量技术领域，特别涉及一种薄壁零件短轴线孔的轴线与平面的角度测量方法、以及基于此方法的短轴线孔的检验方法。

背景技术

在几何量精密测量技术领域，薄壁零件中短轴线孔轴线与平面的角度测量一直存在不易测准的困难。例如，一种薄壁安装孔检具，其短轴线孔轴线与平面的角度设计公差为±1′。为确保测量结果准确性和可靠性，按照测量原则，需要满足准确测量±1′精度的测量仪器最大允许误差应不大于±0.33′。

当前，对于含有短轴线孔和平面的薄壁零件中该角度的测量一般采用直接测量法。

1、三坐标测量机直接测量法(如图1中所示原理)：使用三坐标测量机采集指定平面与短轴线孔数据，短轴线孔元素特征以其短圆柱轴线表征，直接利用三坐标测量机测量软件计算指定平面与短圆柱轴线的三维角度。该方法的问题在于：①薄壁零件短轴线孔轴线太短，测量其圆柱轴线数据时重复性差，测量结果难以满足精度要求；②受限于三坐标测量机的测头仅能旋转特定角度，测准的前提下需考虑较大的测量深度，则测针与短轴线孔内壁接触时由于测头本身的直径尺寸而极可能产生干涉，如图1所示；③短轴线孔轴线以圆柱轴线表征时，需多次测量短轴线孔并每次评价其形状和尺寸以确保采集数据质量。

2、影像测量仪直接测量法(如图2中所示原理)：将短轴线孔沿孔轴线方向对切开，使用影像测量仪以光学方式采集薄壁零件短轴线孔轴线和平面投影特征，如图2所示，以影像测量仪测量软件构造被切开的短轴线孔壁两边线的中线模拟孔轴线和指定平面的角度。这种方法的问题在于以破坏工件的代价实现测量，且对短轴线孔形状和尺寸有严格要求。

发明内容

本发明的方法的研究最主要对象是典型含有短轴线孔与平面的某薄壁零件安装孔检具，这类检具一般其短轴线孔直径6mm，轴线长10mm。要准确可靠的测量短轴线孔轴线与平面Q的角度，则需对测量方法的准确性和可靠性提出极高要求。

对此，本发明提出了“短轴线孔轴线延长法”间接测量短轴线孔轴线与平面Q的角度θ。其包括以事前分析和事后检验的构思实现角度的高精度测量，用以提供一种薄壁零件短轴线孔轴线与平面的角度测量方法；同时，针对上述特定检具，提供一种该检具中具有的短轴线孔的检验方法。关键步骤如下：

(1)事前分析：考虑测量准确性和可靠性，依据测量原则，一般来说，所用测量设备固有的最大允许误差与产品要求公差极限的对应值之比为1/3～1/10。产品的角度公差为±1′，要达到此原则，则测量设备最大允许误差应不大于±0.33′。具体到本发明，采用的三坐标测量机最大允许误差为±(1.9+3L/1000)μm(其中，L为测量长度，单位mm)，以薄壁安装孔检具的待测孔深度10mm计算，测角最大允许误差为0.4′，由此可知，通过三坐标测量机的直接测量法并不满足测量原则(最大允许误差应不大于±0.33′)。为此，本发明提供以下的“短轴线孔轴线延长法”。

(2)短轴线孔轴线延长法：在精密测量实验室进行测量，温度范围20±2℃，相对湿度范围≤75％。取平面Q两侧的平面a和平面b上对应设置的各一待测短轴线孔，确定第一短轴线孔一端圆心A与第二短轴线孔的同侧圆心B两点理论间距为L_AB，第一短轴线孔、第二短轴线孔的截面与平面Q的(所夹锐角)角度均为第一短轴线孔与第二短轴线孔的理论轴线AC与BD延长相交于点S，实现了短轴线孔轴线延长，其中，点S位置参数关系计算如下：

由下式(a)获得点S到圆心A的距离L_SA：

平面a与平面b相交于点E，可通过三坐标测量机直接测得平面Q与点E间的距离L_EF，则最终通过下式(b)(带入式(a))获得点S到平面Q的距离L_SF：

依据上述公式，可以计算出点S的理论坐标并在测量软件中实现点S坐标的构造创建。以此“短轴线孔轴线延长法”可大幅延长测量长度，基于经延长的被测延长轴线长度L_SA，使得采用的三坐标测量机的测角最大允许误差低于0.15′，由此返回步骤(1)可确定其满足测量原则(最大允许误差应不大于±0.33′)。

(3)短轴线孔轴线与平面的角度测量：将安装孔检具平稳地放置在三坐标测量机台面上固定夹紧。以测针不干涉为前提，控制三坐标测量机测针以手动方式触测采集待测参数元素特征：平面Q、平面a、平面b，第一短轴线孔两端截面圆与第二短轴线孔两端截面圆，采用三坐标测量机测量软件构造满足上述参数要求的S点，连接直线AS、直线CS、直线BS、直线DS，形成了短轴线孔的延长轴线。通过测量软件分别评价计算直线AS、直线CS、直线BS、直线DS与平面Q的角度，对应角度值分别为θ₁、θ₂、θ₃、θ₄。θ₁、θ₂为第一短轴线孔的轴线AC与平面Q的角度，θ₃、θ₄为第二短轴线孔的轴线BD与平面Q的角度。

(4)事后检验：通过实测角度θ₁、θ₂和θ₃、θ₄可判定两短轴线孔的轴线与平面Q的角度θ是否满足设计指标±1′，以“角度差值验证法”进行判断，即角度θ₁和θ₂均满足设计指标±1′；用两角度差的绝对值ε＝|θ₁-θ₂|≤U(U为角度测量不确定度)来进行验证，如ε小于等于U则证明角度θ₁和θ₂为短轴线孔1与平面Q的真实角度，反之，不成立。同理，角度θ₃和θ₄以相同方法判定。

(5)综合考虑采用上述测量方法的三坐标测量机的最大允许误差、人为因素及测试环境因素等，可定量评估并确定该方法测量薄壁零件短轴线孔轴线与平面的角度测量不确定度最优为U＝0.18′，其包含因子k＝2(包含概率约为95％)。因此可准确可靠的测量薄壁零件短轴线孔轴线与平面的角度区间。由此，检验第一短轴线孔轴线AC与平面Q间的角度、第二短轴线孔轴线BD与平面Q间的角度是否满足设计指标。

本发明的角度测量和短轴线孔检验方法具有以下优势：

1、解决了薄壁零件短轴线孔轴线与平面间的角度不易测准的难题，为短轴线孔轴线与平面间的角度测量提供了有效途径。

2、“短轴线孔轴线延长法”至少将测角精度提升了2倍，可满足更高精度角度的测量需求。

3、“角度差值验证法”增加了测角的准确性和可靠性，几乎可以避免对角度实测值误判而造成对零件误废。

本发明提供的角度测量方法，在实际应用中还是一种对零件的短轴线孔的检验方法，基于以下问题：①在绝大多数情况下，几何量精密测量结果仅仅参考仪器设备实际测得的量值，不将设计理论的参数特征用于实际测量分析过程；而本发明的方法结合设计理论的参数(理论间距L_AB、角度等)，在测量和验证孔的合格性的同时也是在检验各理论参数的过程；②孔轴线与参考对象的角度测量一般只采集孔自身长度轴线进行评价，即便采用文中类似的方法构造出点S，评价角度时也仅给出θ₁和θ₃而不会再测量θ₂和θ₄进行事后验证，这是受测量原理固化思维决定的；本发明的方法在对短轴线孔上下两个圆心连线的夹角进行测量，通过确定角度测量不确定度U，对于此前的交点S构建和最终获得的角度θ的事后检验，都是对于整个方法的必要检验和工件合格检验的必要手段；③构造合理的孔轴线采用间接测量法可以获取更优的测量不确定度，满足更高精度的测量要求；④将事前分析和事后检验的思想应用于几何量精密测量过程，保证了测量结果的准确性和可靠性。

附图说明

图1为三坐标测量机直接测量法中测针与孔壁干涉示意图。

图2为影像测量仪直接测量法中影像测量仪测量示意图。

图3为本发明的测量方法针对的安装孔检具的示意图。

图4为图3中安装孔检具的D-D截面示意图。

图5为本发明的测量方法中的安装孔检具的角度差值验证示意图。

图6为本发明的测量方法针对的薄壁安装孔检具使用态下的三维示意图。

图7为薄壁安装孔检具的示例规格视图。

具体实施方式

结合附图对本发明的“短轴线孔轴线延长法”的角度测量方法及对示例的薄壁安装孔检具的检验/校准方法作进一步地说明。

取如图3所示的薄壁安装孔检具(示例尺寸参见图7)，如图3至图7所示，该检具一般短轴线孔直径6mm，轴线长10mm(针对这一特定检具，轴线长度一般为L≤10mm)。按照如下方法对平面a中孔1和平面b中孔2的轴线AC、BD与平面Q间的角度进行测量并验证该检具开孔是否合格：

1、事前分析：考虑测量准确性和可靠性，依据测量原则，一般来说，所用测量设备固有的最大允许误差与产品要求公差极限的对应值之比为1/3～1/10。产品的角度公差为±1′，要达到此原则，则测量设备最大允许误差应不大于±0.33′。具体到本发明，采用的三坐标测量机最大允许误差为±(1.9+3L/1000)μm(其中，L为测量长度，单位mm)，以薄壁安装孔检具的待测孔深度10mm计算，测角最大允许误差为0.4′，由此可知，通过三坐标测量机的直接测量法并不满足测量原则(最大允许误差应不大于±0.33′)。为此，需要采用如下“短轴线孔轴线延长法”。

2、短轴线孔轴线延长法：在精密测量实验室进行测量，温度20.5℃，相对湿度21％，取平面Q两侧的平面a和平面b上对应设置的各一待测短轴线孔1、2，确定短轴线孔1上端(远离交点S的一端)圆心A与短轴线孔2的上端圆心B两点间的理论间距为L_AB，短轴线孔1、短轴线孔2截面与平面Q间所夹的锐角角度均为(为理论值，实际测量过程中通过三坐标测量机验证)，短轴线孔1与短轴线孔2理论轴线AC与BD延长相交于点S，实现了短轴线孔轴线延长，其中，点S位置参数关系计算如下：

点S到圆心A的距离L_SA：

平面a与平面b相交于点E，可通过三坐标测量机直接测得平面Q与点E间的距离L_EF，则点S到平面Q的距离L_SF：

依据上述公式，可以计算出点S的理论坐标并在测量软件中实现点S坐标的构造创建。以此“短轴线孔轴线延长法”可大幅延长测量长度，使测角最大允许误差低于0.15′。由步骤1验证该值满足测量原则。

3、短轴线孔轴线与平面的角度测量：将安装孔检具平稳地放置在三坐标测量机台面上固定夹紧。如图4所示，以测针不干涉为前提，控制三坐标测量机测针以手动方式触测采集待测参数元素特征：平面Q、平面a、平面b，短轴线孔1两端截面圆与短轴线孔2两端截面圆，采用三坐标测量机测量软件构造满足上述参数要求的S点，连接直线AS、直线CS、直线BS、直线DS，形成了短轴线孔的延长轴线。通过测量软件分别评价计算直线AS、直线CS、直线BS、直线DS与平面Q的角度，对应角度值分别为θ₁、θ₂、θ₃、θ₄。θ₁、θ₂即为短轴线孔1的轴线AC与平面Q的角度，θ₃、θ₄即为短轴线孔2的轴线BD与平面Q的角度。

4、事后检验：通过实测角度θ₁、θ₂和θ₃、θ₄可判定两短轴线孔轴线与平面Q的角度是否满足设计指标±1′，以“角度差值验证法”进行判断，即角度θ₁和θ₂均满足设计指标±1′，ε＝|θ₁-θ₂|≤U(U为角度测量不确定度)，则证明角度θ₁和θ₂为短轴线孔1与平面Q的真实角度，反之，不成立。同理，角度θ₃和θ₄以相同方法判定。

5、综合考虑三坐标测量机最大允许误差(0.15′)、人为因素及测量环境因素等，可定量评估该方法测量薄壁零件短轴线孔轴线与平面的角度测量不确定度最优为U＝0.18′，包含因子k＝2(包含概率约为95％)。因此可准确可靠的测量薄壁零件短轴线孔轴线与平面的角度区间。进一步的，在评判获得真实角度θ的基础上，进一步判定短轴线孔1和2的轴线与平面Q间的角度是否满足检具本身设计指标。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (8)

1.一种薄壁零件短轴线孔的轴线与平面的角度测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)最大允许误差辨别：采用三坐标测量机进行所述角度的测量，根据三坐标测量机最大允许误差为±(1.9+3L/1000)μm，其中，L为被测长度，单位mm，来计算待测短轴线孔轴线测量过程的最大允许误差，从而判断是否满足测量原则；对于不满足测量原则的待测短轴线孔采用以下的“短轴线孔轴线延长法”；

(2)确定短轴线孔轴线延长交点：取平面Q两侧的平面a和平面b上对应设置的各一待测短轴线孔，确定第一短轴线孔的上表面圆心A与第二短轴线孔的同侧圆心B间的理论间距L_AB、第一/第二短轴线孔的截面与平面Q间的角度设定第一短轴线孔与第二短轴线孔的理论轴线AC与BD延长相交于点S，计算出所述点S的理论坐标并实现点S坐标的构造创建；

(3)短轴线孔轴线与平面的角度测量：根据步骤(2)中构造的所述点S，连接直线AS、直线CS、直线BS和直线DS，由此获得直线AS、直线CS、直线BS、直线DS与平面Q的角度，对应角度值分别为θ₁、θ₂、θ₃、θ₄；

(4)角度差值验证：比较θ₁和θ₂，将差值与角度测量不确定度U进行比较，如给定ε＝|θ₁-θ₂|≤U成立，则判定θ₁和θ₂为所述第一短轴线孔轴线与所述平面Q间的真实角度；同样比较θ₃和θ₄，来判定θ₃和θ₄是否为所述第二短轴线孔轴线与所述平面Q间的真实角度。

2.根据权利要求1所述的角度测量方法，其特征在于，步骤(2)中，根据下式(a)和(b)分别计算点S到圆心A的距离L_SA和点S到平面Q的距离L_SF，从而确定点S的位置：

点S到圆心A的距离L_SA：

平面a与平面b延长线相交于点E，可通过三坐标测量机直接测得平面Q与点E间的距离L_EF，点S到平面Q的距离L_SF则通过将式(a)带入式(b)获得：

3.根据权利要求1所述的角度测量方法，其特征在于，步骤(1)中，所述三坐标测量机的最大允许误差应不大于±0.33′。

4.根据权利要求1所述的角度测量方法，其特征在于，步骤(1)中，所述待测短轴线孔轴线的所述被测长度L为10mm。

5.根据权利要求1-4任一所述的角度测量方法，其特征在于，步骤(4)中，定量评估所述方法测量薄壁零件的短轴线孔轴线与所述平面Q的角度测量不确定度最优为U＝0.18′，其中，包含因子k＝2，其包含概率为95％。

6.一种薄壁安装孔检具的短轴线孔的检验方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)确定短轴线孔轴线延长交点：取平面Q两侧的平面a和平面b上对应设置的各一待测短轴线孔，通过三坐标测量机来确定第一短轴线孔的上表面圆心A与第二短轴线孔的同侧圆心B间的理论间距L_AB、第一/第二短轴线孔的截面与所述平面Q间的角度设定所述第一短轴线孔与所述第二短轴线孔的理论轴线AC与BD延长相交于点S，计算出所述点S的理论坐标并实现所述点S坐标的构造创建；

(2)短轴线孔轴线与平面的角度测量：根据步骤(1)中构造的所述点S，连接直线AS、直线CS、直线BS、直线DS，由此获得直线AS、直线CS、直线BS、直线DS与所述平面Q的角度，对应角度值分别为θ₁、θ₂、θ₃、θ₄；

(3)角度差值验证：比较θ₁和θ₂，将差值与角度测量不确定度U进行比较，如给定ε＝|θ₁-θ₂|≤U成立，则判定所述第一短轴线孔轴线与所述平面Q间的角度满足设计指标；同样比较θ₃和θ₄，来判定第二短轴线孔轴线与所述平面Q间的角度是否满足设计指标。

7.根据权利要求6所述的检验方法，其特征在于，步骤(1)中，根据下式(a)和(b)计算点S到圆心A的距离L_SA和点S到平面Q的距离L_SF，从而确定点S的位置：

点S到圆心A的距离L_SA：

平面a与平面b延长线相交于点E，可通过三坐标测量机直接测得平面Q与点E间的距离L_EF，点S到平面Q的距离L_SF则通过将式(a)带入式(b)获得：

8.根据权利要求6或7所述的检验方法，其特征在于，步骤(3)中，定量评估所述方法测量薄壁零件的短轴线孔轴线与所述平面Q的角度测量不确定度最优为U＝0.18′，其中，包含因子k＝2，其包含概率为95％。