精密模具三坐标测量方案研究综述.pdf

模具制造技术精密模具三坐标测量方案研究综述陶爽奕（长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉43 0 0 1 0）【摘要】三坐标精密测量是保证模具零件加工精度的重要依据，尤其是在精密模具制造过程中。简单零件的三坐标测量方案已经趋于成熟，形成了固定的、高精度的测量方案，对于复杂的零件（异形件、复杂曲面件）需要采用独特的方法才能完成三坐标测量。将从复杂零件的三坐标测量方案和如何降低测量误差、提高测量效率两个方面对三坐标测量方案研究进行介绍,在此基础上，总结了三坐标测量技术在测量方案研究方面的发展趋势。三坐标测量技术在复杂零件的测量方案研究方面有较高的研究空间和价值，也是未来发展的方向。关键词：三坐标精密测量；精密模具；复杂零件；测量方案中图分类号：TH124;TG659DOl:10.12147/ki.1671-3508.2023.10.011Review of the Research on the Measurement Schemefor the Three-Coordinate Measurement of Precision Die&Mold(Changjiang Survey,Planning,Design and Research Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei 430010,CHN)Abstract Three-coordinate precision measurement is an important basis to ensure the machiningaccuracy of die&mold parts,especially in the process of precision die&mold manufacturing.Thecoordinate measurement scheme of simple parts has become mature,forming a fixed,high-precision measurement scheme,for complex parts(shaped parts,complex curved parts)need toadopt a unique method to complete the coordinate measurement.This paper introduces the CMMscheme of complex parts and how to reduce the measurement error and improve the measurementefficiency.Based on this,the development trend of CMM technique in the research of measurementscheme is summarized.CMM technology has high research space and value in the research ofmeasurement scheme of complex parts,and it is also the direction of future development.Key words:three-coordinate precision measurement;precision die&mold;complex parts;measurement scheme文献标识码：BTao Shuangyi1引言精密模具在制造过程中，精密测量是保证精密模具加工精度的重要依据，精密测量分为接触式测量和非接触式测量。检测精密模具的尺寸公差、几何公差常采用接触式测量,其中三坐标测量机是工业中较为广泛使用的设备。三坐标测量机通过与模具进行接触获取点云数据，系统根据点云数据拟合成特征元素，然后再对特征元素进行尺寸评价、几何公差评价，因其较高的测量精度,在精密模具制造过程中被广泛使用-2 1。三坐标测量整个流程包括图纸分析（工件摆放、夹具的选用、测针配置）、测头校验、创建工件坐标系、手动或自动测量、公差评价以及输出报告等环节。简单零件的三坐标测量方案已经趋于成熟，如轴类零件、简单机械加工件等,形成了固定的、高精度的测量方案，对于复杂的零件（异形件、复杂曲面件)需要采用独特的方法才能完成三坐标测量。所以，从事三坐36模具制造2 0 2 3 年第1 0 期模具制造技术标测量的专家和学者，对于复杂零件的三坐标测量方案开展了大量研究工作。此外，也有部分专家和学者在如何降低测量误差、提高测量效率方面做了研究。2复杂零件的三坐标测量方案齿轮是机械设备常见的零部件，是传动系统的重要部件，所以,齿轮精度的高低直接影响传动系统的效率，近年来大量专家和学者在齿轮的三坐标测量上进行了研究。2 0 1 8 年刘永平采用三坐标测量机实现了非圆齿轮齿廓误差的测量3,通过逐齿扫描测量得到齿廓数据，然后拟合出齿廓曲线，类比圆齿轮精度公差计算方法，计算出非圆齿轮齿廓的误差。2 0 1 9年王中旺提出了一种齿轮齿形参数的测量方法4,采用三坐标测量获得齿轮齿廓的数据,然后通过CAD软件拟合出齿轮齿廓，通过计算得出齿轮误差，经过实验验证，表明该方法提高了测量精度。2 0 2 0 年宋利民以齿面被测量位置法线方向为测量轨迹5,实现了测头的精准导向，并利用DMI技术进行自动编程，实现对齿轮齿形、齿廓的精准测量。对渐开线齿轮测量常采用专用的测量仪，同年宋爱利提出了一种采用三坐标测量机对渐开线齿轮测量的方法,首先对齿轮进行测量获取测点坐标，然后将测点坐标导入WGEAR软件中进行误差分析，得到渐开线齿轮的测量结果。同年张建兵对螺距和螺纹中径两个螺纹关键参数的测量方法进行了研究7,利用三坐标测量机，通过测量点，首先拟合出螺纹牙和螺纹中径线交点，然后建立螺纹中径线与交点的数学模型,最后利用数学模型推导出螺距和螺纹中径计算公式,并通过实验验证了该方法的有效性。2 0 2 2 年曾彪提出了一种面齿轮齿形误差测量的方法8,首先利用迭代法建立工件坐标系，工件坐标系尽可能与设计的坐标系一致，根据加工误差约束工件坐标系与设计坐标系之间的数学模型,然后在此基础上,建立实际测量点和设计模型理论点之间的数模，以此补偿因加工误差导致的测量误差，提高了测量精度。除了齿轮的测量较复杂外，叶片的测量也比较困难。2 0 2 1 年杨雪针对风扇叶轮提出了一种有效的三坐标测量方法9,通过3-2-1 法和6 点定位法建立坐标系，采用多点测量三维曲线的方法，并对测量数据进行处理，实现了风扇叶轮复杂曲面的测量。2 0 2 2 年胡成昕对轴转子叶片的测量难点进行了分析I0,并提出了解决方案。对叶片薄壁和叶片间隙较小进行测量时，较模具制造2 0 2 3 年第1 0 期为困难,叶片薄壁采用闭环扫描,对叶片尖点扫描以点接触的方式进行补点，然后将补点与扫描的线段通过最佳拟合方式形成完整的闭环线。对于叶片间隙较小时，通过合理设置逼近回退距离，避免发生回退撞针，逼近回退距离以测球半径的一半开始缩减测试。还有一些较复杂的异形件和曲面件也是测量的一个难点。2 0 2 0 年欧阳婷婷分别分析了有基准和无基准时曲面轮廓度的测量方法,有基准的曲面轮廓度测量时应该根据基准创建工件坐标系；无基准的曲面轮廓度测量时，测量点与工件数模在无约束方向最佳拟合，且得出了建坐标系的不同方法对曲面轮廓度的测量无影响的结论。2 0 2 1 年刘心宇提出了一种针对工件内嵌复杂曲面的三坐标测量方法 1 2 ,利用三坐标扫描功能，获取曲面扫描型线，通过扫描型线与数模进行比对分析，得出内嵌复杂曲面的偏差，该方法在保证测量精度的情况下，与高端测量设备相比，降低了质检成本，利于三维测量的发展。2 0 2 1 年栾赫针对零件上的小微孔提出了自动测量方法 1 3 ,采用视觉技术，将测球引导至小微孔的轴线处并距小微孔一定的距离，然后再进行接触式自动测量。2 0 2 1 年马海钊针对飞机导管构件 1 4,开发了一套自动化检测系统，采用了滑动滤波技术和光学测头标定技术分别对测头数据进行滤波处理和获得被测构件相对位置关系，最后通过圆柱拟合方法实现导管构件的测量，该方法实现了高效、精准的自动化测量。2 0 2 1 年张文强采用角位移传感器实现对滑架两个转角误差的测量1 5 ,并在三坐标测量机上得到应用,降低了测量成本。3降低测量误差、提高测量效率除了针对异形件、复杂曲面件的三坐标测量方案的研究，大量专家和学者在测量过程中如何降低测量误差、提高测量效率方面做了深人研究。2 0 1 4年Wang采用误差分离技术将工件与导轨的直线度误差分离出来6 ,分析误差影响因素，最后利用最小二乘法降低了测量机误差。2 0 1 5 年Ali将图形学1 7 、神经网络、聚类算法和接触式测量相结合，应用于三坐标测量,提高了测量效率。同年Bulutsuz分析了影响动态误差的因素1 8,将模糊逻辑方法应用于误差预测模型动态创建中,并验证了该方法的有效性。2 0 1 9年陈宇分析了三坐标测量误差产生的原因9,包括探针校准时产生的误差、测头产生的误差、测针长度产生的37模具制造技术误差以及在测量时工作面选择不合理导致的误差，并根据产生的误差提出了降低误差的方法。同年张现东提出了一种适用于翼型曲线测量的优化采样算法 2 0,提高了测量精度。2 0 2 0 年魏舜昊通过FNN（模糊神经网络)模型补偿动态误差 2 ,利用正交试验法分析了定位速度、逼近速度、定位距离和逼近距离四大影响因子对动态误差的影响，通过补偿的方式降低了误差，提高了测量精度。2 0 2 1 年杨胜华对于测量一些复杂曲面的零件 2 ,如发动机零部件、飞机型体、汽车外壳等，提出了通过补偿方法来提高测量精度。同年农宏海将三坐标测量软件PC-DMIS和办公软件Microsoft Excel 相结合 2 3 ,从固化测量程序和测量数据的自动化存储两个方面分析，统一了测量方法，使数据输出和管理更便捷、有效和系统化，降低了因人工操作的错误率,提高了测量的效率。4结论三坐标测量技术在测量方案研究方面得到了广大学者的青睐,形成了较多有效的测量方法。三坐标测量方案对于常规零件已经趋于成熟,形成了固化程序，实现了快速化、便捷化和精准化。对于复杂零件的测量是三坐标测量技术发展的一个重要方向,对于复杂零件如何装夹、定位、创建工件坐标系、自动测量等是测量方案研究的重点,也是三坐标测量技术发展的一个难点。总之，三坐标测量技术在复杂零件的测量方案研究方面有较高的研究空间和价值，也是未来发展的方向。参考文献1曾德强。机械加工中常用的精密测量技术 .仪器仪表标准化与计量,2 0 2 1,(0 2)：42 44+482 Edwin Bos,Ton Moers,Martijn van Riel.Design andverification of an ultra-precision 3D-coordinate measuringmachine with parallel drivesJJ.Measurement Science andTechnology,2015,26(08):1521553刘永平，王秀梅,安建民等.基于三坐标测量机的非圆齿轮误差测量 J.机床与液压,2 0 1 8,46(2 2)：7 6 7 943王中旺，蒋全胜，李华等。一种基于三坐标测量机的齿形参数精密测量方法 J.机床与液压,2 0 1 9,47(1 2)：3 3 3 85 宋利民，王伟东，李良燕等.基于三坐标测量仪的双圆弧齿轮自动测量技术 J新技术新工艺，2 0 2 0，（1 2)：6 7 7 06 宋爱利，庞敏，宋慧等.基于三坐标测量机的渐开线齿轮测量方法 J。金属加工（冷加工）,2 0 2 0，（0 5)：7 7 8 07 张建兵，王洋洋，张晓梅等.油套管螺纹关键参数的三坐标测量方法 J.石油机械,2 0 2 0,48(0 4)：1 3 5 1 41388曾彪,周元生，王圣晖等.基于通用三坐标测量机的面齿轮齿形误差测量 .航空动力学报，2 0 2 2,3 7(0 4)：8 5 6 8 6 89】杨雪,王娟,谢雨菁等三坐标测量机在风扇叶轮检测中的应用探究 J.机械工程与自动化,2 0 2 1，（0 6)：1 3 8 1 3 9+1 4110胡成昕,刘心宇,刘广东.三坐标测量机在航空航天飞行器零部件检测中的应用 J.机械工程师，2 0 2 2，（0 9）：1 41 1 4311 欧阳婷婷，刘延平，彭江涛等基于三坐标测量机的曲面轮廓度坐标测量技术 J.航天制造技术,2 0 2 0，（0 2）：4 812刘心宇，曹阳,刘广东等关于三坐标测量机基础扫描功能在工件内嵌复杂曲面测量的应用 J.机械工程师,2 0 2 1,(12):828413栾赫。基于三坐标测量机的小微孔自动测量方法及系统D.合肥：合肥工业大学,2 0 2 1.14】马海钊,陈雪梅,李光俊等导管构件的三坐标测量机自动化检测技术的研究与应用 .锻压技术,2 0 2 1,46(0 4)：17217915张文强,许立磊。用于三坐标测量机的低成本转角误差测量方法 .机床与液压,2 0 2 1,49(1 9)：5 8 6 216WangFF,He WM.Online Measurement Experimentand Data Analysis of the Slideway Straightness MotionError for CMMJJ.Applied Mechanics and Materials,2014,(529):32933317 Kamrani,A.,Nasr,E.A.,Al-Ahmari A,et al.Feature-baseddesign approach for integrated CAD and 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