机夹式型线铣刀刀片槽检测技术研究

杨林建，刘淑香，徐化文，张金华

(1.四川工程职业技术学院，四川德阳 618000;2.东方汽轮机集团公司，四川德阳 618000)

1 刀体结构建模

2273-091092A 机夹式型线刀体为圆柱状旋转结构，其主要特点为每圆周四层节圆上均匀分布计48 个刀片槽，并且每层刀片槽相对上层刀片槽有22.5°的角度，因刀片槽数量多，尺寸小，每层刀片槽相对上层刀片槽有非90°角度，精度要求在±0.005 mm 以内，精度要求高，故增大检测难度。模型结构见图1。

图1 2273 -091092A 机夹式型线刀体三维模型

2 数据要求

该刀体用于刀具研究人员进行数据分析，也用于实际生产，检测数据要求直观、易分析，工艺要求各刀片槽位置尺寸按±0.005 mm 控制。

面构成要素可用一线及一点方式，即测量出平面上一条线及一个点进行平面定位，此方法结果为线的质心点坐标、角度及平面所通过点的坐标值。因刀片槽平面很小，所检测出的角度误差很大，计算如下:arctan (0.01/3)≈10'，当检测的实际值与理论值差0.01 mm 时，反映在面上的角度值就差10'，该检测数据不能真实、直观反映出实际刀具与理论刀具差值，不利于数据分析及评价。

如采用三点确定面，即测量出面上3 个实际点，此方法的结果是面所通过3 个点的坐标值，也就是实际点与理论面距离，检测数据直观，方便刀具研究人员对检测数据进行分析。但点是平面元素，在测量中误差较大，误差分析及数据见图2 和表1。

图2 点平面误差分析

表1 误差分析表 μm

最终想要获得红宝石球与工件表面接触的特征点，两个点之间间距为触测方向(矢量方向)上的测针半径值，这需要通过测头补偿来实现，即将红宝石球心点沿测针触测方向补偿测针半径之后，得到工件表面的特征点。矢量在软件中重要作用是利用矢量方向进行测头半径补偿。当测量一点后，机器沿着与被测点矢量方向相反方向进行触测，测头补偿也是沿着同样方向。如果触测方向不正确，将引起“余弦误差”。

为方便刀具研究人员分析数据，检测元素为点，48 个刀片槽共144 个点，人为手动测量，工作量大，必须使用三维模型来实现自动化检测。但如在三维模型上读取理论点坐标来实现自动化，虽减轻了手动采点的劳动强度，但要在48 个面上读取144 个理论点，且每组理论值不一致，理论检测数据不直观，耗费的时间多，不利于刀具研究人员进行数据分析。

其次检测数据正负号不能代表工件实体高低，是在测量中长期以来存在的难题，因此不能很直观地判断面的高低，给科研人员进行数据分析带来了极大不便，坐标处理见图3。

图3 所示设点1 的理论坐标值Y1=+40 mm，实测值Y=+40.02 mm，偏差为0.02 mm。点1 实测值应越大越高，反之低。现实测值比理论值大，则证明实体高出理论，则偏差符号为正。

图3 坐标处理

图3 设点2 的理论值为Y2=20 mm，实测值为Y=19.99 mm，偏差为-0.01 mm。点2 实测值应越大越低，反之高。现实测值比理论值小，则证明实体高出理论，现偏差符号为-，要减少科研人员数据分析的时间，就必须使实体高低符号化。

由于程序中名称变量只允许在末尾，要满足高效的自动检测，只能将面的序号名作为变量，所以只能将面的序号放在名称末尾，而不能将点的序号作为变量。检测出的结果排列不直观是因为点的序列号在面的序列号之前，因此检测结果优先按点排列，故一个面上的3 点分布在不同的位置，并且每个平面上的点的理论数据不一致，且偏差结果不可靠，检测出来的数据只有通过刀具研究人员在Pro/E 模型上逐点输入后进行对比，如检测出现误差，则无法及时发现，且刀具在检测完成后，依然要占用仪器，直到数据分析完成后才可取下刀具进行其他工件的检测。如何解决数据排列及结果偏差的直观性是检测中的难点。

3 检测方案设计

3.1 仪器选择

刀体的诸多结构特点以及其较高的精度要求，同时为了保证高效率的检测，必须使用三维模型来实现自动化检测，因此，选择一台能够实现三维测量的高精度仪器进行该刀体的测量。2011年12 月引进一台海克斯康Reference600 三坐标测量仪，其主要性能体现在能够导入三维模型、精度高、检测过程依靠程序实现、可开发性强，在进行批量检测时效果尤为明显。

3.2 测针选用

针对刀体结构复杂，测量面小，只能选用直径尽可能小、测杆尽可能长的测针，并且要具备不同的方向，所以选用φ1.5 mm×30 mm 的测针。为避免测针干涉，选用水平4 个星型测针对刀体进行测量，如图4 所示。

图4 测针结构及安装

要避免测量时采点的误差，就需要使用三维模型自动采集，提取面的点来消除点的测头补偿误差;即要保证高效检测，又保证数据的可分析性，就必须让程序实现三维模型自动检测，且保证每一层的4 组刀片槽理论数据一致;要保证实体高低符号化，即必须提取实测面的矢量方向来计算实测值;为了检测数据直观、减少分析及结果评价时间，需要用程序实现检测数据按面的方式排列。

4 检测

4.1 探针校验

多数测量任务中，需要在不同坐标平面内进行不同性质测量，比如点、直线、平面、内/外圆柱面、距离、角度等。要完成这些任务，不但需要选用长度、直径、方位等参数和测针，还要求所选测针球心之间的相对位置关系，才可能使不同测针测出的几何元素具有正确的坐标关系。测针校准的目的就是确定各个测针的参数及它们相互间位置关系。探针校验如图5 所示。

图5 探针校验

4.2 确定检测基准及工件装夹

坐标测量机测量工件时，通常不需要对被测工件进行精确调整定位，根据软件功能建立工件坐标系，即柔性定位。为了能做到合理地建立工件坐标系，选择测量基准时应按使用基准、设计基准、加工基准的顺序来考虑。因加工时以刀具柄部圆锥面作为基准，故检测以柄部圆锥面作为第一检测基准;为了利于数据分析和结果判定，以第一周刀片槽最大的面作为第二基准，装夹时将刀片槽向左旋转5°～10°，以避免测针干涉。如图6 所示。

图6 工件装夹旋转示意图

该铣刀精度要求高，需要加入温度补偿，须设置并调用可靠的机器参数。因使用时以刀具柄部进行装夹定位，根据检测基准的选用原则，使用基准为首选，采用CadLoadModel 语句导入理论模型后，进行元素分组，粗建坐标系，手动在圆锥的一个截面上采集一个圆粗建坐标系确定X、Y，手动采集第一层第一个XZ 面作为第二基准确定Y 方向，采用GENCON程序自动计算出理论圆锥测量点及调取第二基准面和确定Z 轴高度进行自动测量，测量圆锥时先设置多方向测针的安全距离以防止干涉。自动测量完成后，精建坐标系，如图7 所示;机器坐标系与模型坐标系统一，如图8 所示。

图7 精建坐标系

图8 坐标系建立

为了后续自动写入评价偏差，避免手动评价，提高检测效率，坐标系建立完成后，将±0.02 分别赋值给UTL 及LTL。

采用循环语句DO、ENDDO 完成检测不同层及不同组的刀片槽。为了消除测头补偿误差，程序采用MEPLA 语句进行面的测量，避免重复测量，收集已采面的点，所测即为红宝石球与工件表面接触的特征点;为使实体高低符号化，提取点的矢量U、V、W，乘以实际值减去理论值的差，赋值给DEV 即可。检测过程如图9、10 所示。

图9 检测过程图(一)

图10 检测过程图(二)

3 结论

根据刀体结构，采用循环语句DO、ENDDO 语句完成不同面的测量;

采用指令CRSUBTYP 可以将公差、计算的实际值(符号)加到元素上，无需手动评价，提高了检测效率。

程序采用三维模型自动测量，因刀体结构的限制，为使测针测量时不发生干涉，以高效率完成检测，刀体第一层的测量与第四层的测量方法基本一致，而第二层的测量与第三层的测量方法基本一致，这样即完成了高效的检测，程序思路也较清晰。

以往的刀体检测主要采用其他三坐标完成，因仪器的局限性，48 个刀片槽上的144 个点必须人为进行采点测量，由于要消除测头半径补偿的误差，测量出来的结果必须进行处理，才能得到真实的检测结果，效率低下，检测一个刀体的时间至少为一天;而刀具研究人员对结果的评价必须在数模上逐点输入进行对比，其工作量极其繁琐，且容易出错，评价的时间至少一天。由于理论数据不直观，数据分析的时间无法估量，采用Leitz Reference 600 三坐标和三维模型编制程序实现自动检测，大大减少了劳动强度，其效率至少提高了10 倍以上，如果进行批量检测，效果提高更为明显。

［1］张梅，费业泰，盛立.三坐标测量机测端动态有效作用直径影响因素分析［J］.中国机械工程，2010，21(9):1018 -1021.

［2］汪平平，费业泰，林慎旺.柔性三坐标测量臂的标定技术研究［J］.西安交通大学学报，2006，40(3):284 -288.

［3］张永红，朱耀华，胡滨.基于数控加工机床的自由曲面测量新方法［J］.矿山机械，2010(12):25 -27.

［4］XIONG Z H，LI Z X.Probe Radius Compensation of Workpiece Localization［J］.Transactions of ASME，Journal of Manufacturing Science and Engineering，2003，125:100 -104.

［5］吕晓明，郑叔芳.在线三维几何量测量软件研究［J］.南京航空航天大学学报，1995(3):326 -332.

［6］孙科，贾美薇，田怀文.三坐标测量机测头半径实用补偿算法［J］.制造业自动化，2009(4):67 -68.

［7］刘勇，杨洪涛.三坐标测量机测头系统动态特性研究［J］.工具技术，2008(5):75 -77.