一种金属零件外轮廓形状的测量方法及加工精度的检测方法.pdf

一种金属零件外轮廓形状的测量方法及加工精度的检测方法，涉及具有自由曲面轮廓特征的金属零件的精度检测方法。它解决了现有零件外轮廓尺寸的测量方法存在的受零件外轮廓形状和零件材质的辐射性的限制而导致的测量精度低的问题，测量方法为：使将待测金属零件与测头间的距离大于10μm；在测头与金属零件间加5V直流电压；待测量的表面上选择多个测量点；然后获取每个测量点的坐标参数。加工精度检测方法：将零件的标准数据采用三维建模软件建模，对标准数据的模型进行分析，然后采用本发明的测量方法获得检测数据；对两种数据的误差进行分析，获得零件的检测结果。本发明应用于具有自由曲面轮廓特征的零件的精度检测方法。

1.  一种金属零件外轮廓形状的测量方法，其特征是，它的具体步骤为：
步骤一：将待测金属零件安装在数控机床的数控轴上，并使测头(2)的末端距离待测金属零件表面的距离大于10μm；
步骤二：在测头(2)与金属零件之间施加5V直流电压；
步骤三：在金属零件的待测量的表面上选择多个测量点；
步骤四：逐一获取每个测量点的坐标参数，完成金属零件外形尺寸参数的测量，每个测量点的坐标参数的获得过程为：
步骤四一：将测头(2)移动到法线上，所述法线为待测点所在面的、并且穿过所述待测点的法线；
步骤四二：然后使测头(2)沿所述法线匀速向待测点移动，在移动过程中监测测头(2)和金属零件之间的电压信号；
步骤四三：当所述电压信号发生跳变时，记录此时测头(2)的位置坐标信息作为该测量点的位置坐标信息，并立即停止测头(2)的移动，然后迅速将测头(2)沿该测量点所在面的法线方向移回；
所述测头(2)的前端测针直径为0.5mm，测头(2)的中部为细长金属杆，所述金属杆的长度为15mm，后端通过锥面扩大成直径为4mm的柱体，测头(2)的末端采用M3的螺纹与测针固定连接。

2.  一种金属零件的加工精度的检测方法，它的具体步骤为：
步骤A：将金属零件外形尺寸的标准数据采用三维建模软件进行实体建模，获得标准数据的模型；
步骤B：根据步骤A获得的标准数据的模型，建立检测坐标系；
步骤C：在建立的检测坐标系中，对标准数据进行路径规划，做获取路径规划的信息；
步骤D：根据步骤C获得的路径规划的信息，采用一种金属零件外轮廓形状的测量方法，获得金属零件外形尺寸的检测数据，具体过程为：
步骤一：将待测金属零件安装在数控机床的数控轴上，并使测头(2)的末端距离待测金属零件表面的距离大于10μm；
步骤二：在测头(2)与金属零件之间施加5V直流电压；
步骤三：在金属零件的待测量的表面上选择多个测量点；
步骤四：逐一获取每个测量点的坐标参数，完成金属零件外形尺寸参数的测量，每个测量点的坐标参数的获得过程为：
步骤四一：将测头(2)移动到法线上，所述法线为待测点所在面的、并且穿过所述待测点的法线；
步骤四二：然后使测头(2)沿所述法线匀速向待测点移动，在移动过程中监测测头(2)和金属零件之间的电压信号；
步骤四三：当所述电压信号发生跳变时，记录此时测头(2)的位置坐标信息作为该测量点的位置坐标信息，并立即停止测头(2)的移动，然后迅速将测头(2)沿该测量点所在面的法线方向移回；
所述测头(2)的前端测针直径为0.5mm，测头(2)的中部为细长金属杆，所述金属杆的长度为15mm，后端通过锥面扩大成直径为4mm的柱体，测头(2)的末端采用M3的螺纹与测针固定连接；
步骤E：对步骤D获得的检测数据与步骤A获得的标准数据进行对比，获得检测数据与标准数据的误差；
步骤F：对步骤E获得的误差数据进行分析，获得待测金属零件的加工精度结果。

3.  根据权利要求2所述的一种金属零件的加工精度的检测方法，其特征在于，步骤E所述的确定检测数据与标准数据的误差的方法是采用误差分析软件实现检测数据与标准数据的误差的方法。

4.  根据权利要求2所述的一种金属零件的加工精度的检测方法，其特征在于，步骤E所述的确定检测数据与标准数据的误差的方法是，将检测数据导入三维建模软件，在步骤B建立的检测坐标系下建立检测数据的模型；将获得的检测数据的模型与标准数据的模型进行对比，获得标准数据与检测数据的误差的方法。

5.  根据权利要求2所述的一种金属零件的加工精度的检测方法，其特征在于，步骤F所述的对误差数据进行分析的方法是通过采用图形文件进行对比分析的方法。

6.  根据权利要求2所述的一种金属零件的加工精度的检测方法，其特征在于，步骤F所述的对误差数据进行分析的方法是通过将数据形成报表文件进行分析的方法。

7.  根据权利要求2所述的一种金属零件的加工精度的检测方法，其特征在于，所采用的三维建模软件为SolidWorks、UG或者ProE。

8.  根据权利要求2所述的一种金属零件的加工精度的检测方法的区别在于，所述待测金属零件的外形尺寸的标准数据未知，首先采用对合格的金属零件的外形轮廓进行检测获得的零件外形尺寸的数据作为标准数据，然后再对待检测的金属零件进行检测，它的具体步骤为：
在执行步骤A之前，采用权利要求1所述的一种金属零件外轮廓形状的测量方法，对一个合格的金属零件的外形轮廓进行测量，获得所述待测金属零件的标准数据；然后开始执行步骤A，对待测金属零件进行检测。

一种金属零件外轮廓形状的测量方法及加工精度的检测方法
技术领域
本发明涉及一种金属零件外轮廓形状的测量方法及加工精度的检测方法，具体涉及具有自由曲面轮廓特征的金属零件的精度检测方法。
背景技术
一般在零件的质量检测中，首先需要检查其外轮廓尺寸是否符合设计要求；如果超出设计公差范围，即属于不合格品。如果检测零件作为其它零件的检测标准或用于加工别的零件时，对其外轮廓尺寸的精度要求更为严格；以电火花成形加工为例，成型电极的精度好坏直接影响加工零件的精度，如果检测零件不符合设计要求，势必导致相应的加工零件或待检测工件单件或成批出现超差。因此，对该类型零件的精度检测，具有十分重要的意义。
目前传统检测零件精度的方法有：游标卡尺和千分尺测量法、样板测量法、非接触测量法、传统接触测量法等。
游标卡尺及千分尺测量法作为一般零件的检测工具，得到了广泛的应用；但是这些工具的检测精度，一是受到工具本身检测精度的限制；二是受到操作人员的主观因素影响；三是对于复杂形状物体或不方便检测物体，具体指具有非规则特征的物体或半封闭凹槽等物体，也难于检测。样板检测方法：该测量法是一种最为经典的精度检测方法，特别是针对具有非规则特征的复杂物体。它是利用设计时的特征参数制造具有相应检测特征的样板，通过在相应位置观察样板与被测截面之间的透光量来判断零件的形状误差；该方法简单，直观，是现今工业生产中较为常用的接触式检验手段。由于其检验时需要借助人眼判断透光量，所以操作人员的主观因素在很大程度上影响检测精度。当零件的形状较为复杂时，在不同的截面上具有不同的外形轮廓时；需要制作大量的截面样板，成本很高。传统接触式测量法：该测量法主要是利用三坐标测量机的触发式测头(有各种不同直径和形状的测头)逐点捕捉工件表面数据。这是目前应用最广的自由曲面三维模型数字化方法之一。该方法的测量原理可以描述如下：触发式测头接触检测零件表面后，在接触力的作用下产生变形从而使得测控电路通断，进而发出声光信号来指示数据采集工作的。对于没有复杂内部型腔、特征几何尺寸多，只有少量特征的零件，该测量方法非常有效。其缺点主要表现在：该种原理使得测头的内部结构复杂，制造难度大，成本高；由于该方法是接触式测量，易于损伤探头和划伤被测零件表面，不能对软质材料和超薄形零件进行测量，对细微部分测量精度也受影响，应用范围受到限制，由于测头的半径而存在三维补偿问题；价格较高，对使用环境有一定要求；测量速度慢，效率低。而且针对深窄槽类零件，采用触发式测量方法并不理想，甚至由于测头过大或探针太短，根本无法测量。非接触式测量法，该测量法是根据采用传感器的不同分为光学测量，该方法可进一步分为激光三角法测量、扫描测量、视觉测量、激光聚焦测量和超声测量等。光学测量法中根据光束的提供方式又可分为被动测量和主动测量两种方法。其中，被动测量法，所述该测量法不向被测物体发射可控光束，该测量法中的立体视觉法较有前途；主动测量法，该测量法向被测物体发射可控光束，该测量法中的主动三角法近年来研究较多，是发展较为成熟的一种方法。无论被动测量法还是主动测量法，均具有非接触、测量速度快的优点。但用光学测量法测量物体，并不是测量物体本身的几何形状，而是所“看”到的物体像的光学反差结构，除了物体的尺寸特性外，物体的辐射特性对测量结果也有较大影响。有一系列因素，如照明情况、表面状态反射情况、阴影、挡光、对谱线吸引情况等，都会引入附加误差，所以测量精度与接触式测量法比较，其精度较低；另外，对于零件的半封闭曲面及内部轮廓的测量并不理想甚至无法测量。
发明内容
本发明针对现有零件外轮廓尺寸的测量方法存在的受零件外轮廓形状和零件材质的辐射性的限制而导致的测量精度低的问题，本发明提供一种金属零件外轮廓形状的测量方法及加工精度的检测方法。
本发明的一种金属零件外轮廓形状的测量方法为：
步骤一：将待测金属零件安装在数控机床的数控轴上，并使测头的末端距离待测金属零件表面的距离大于10μm；
步骤二：在测头与金属零件之间施加5V直流电压；
步骤三：在金属零件的待测量的表面上选择多个测量点；
步骤四：逐一获取每个测量点的坐标参数，完成金属零件外形尺寸参数的测量，每个测量点的坐标参数的获得过程为：
步骤四一：将测头移动到法线上，所述法线为待测点所在面的、并且穿过所述待测点的法线；
步骤四二：然后使测头沿所述法线匀速向待测点移动，在移动过程中监测测头和金属零件之间的电压信号；
步骤四三：当所述电压信号发生跳变时，记录此时测头的位置坐标信息作为该测量点的位置坐标信息，并立即停止测头的移动，然后迅速将测头沿该测量点所在面的法线方向移回。
所述测头的前端测针直径为0.5mm，测头的中部为细长金属杆，所述金属杆的长度为15mm，后端通过锥面扩大成直径为4mm的柱体，测头的末端采用M3的螺纹与测针固定连接。
步骤四三中所述的电压信号发生跳变，是指电压信号的幅值发生突然的变化的情况。其原理为：当待测金属零件的表面和测头之间微接触时，金属零件表面与测头之间形成微电阻，两者之间形成通路；此时，待测金属零件和测头之间的电压发生跳变，提取测头的位置坐标，能够精确获得测头对应的待测金属零件表面的测量点的位置坐标信息。
当测头和金属零件之间施加5V电压时，在测头与金属零件表面产生微接触时，待测金属零件表面与测头之间形成微电阻；所述金属零件的表面和测头间的电压跳变，所述电压从5V瞬间跳变到2V-3.5V之间。
本发明采用数控机床作为测试平台，测头采用细长的测针或者弯曲状的测针作为测头，能够实现对复杂零件的任何一处表面进行测量，不受零件形状的限制。
本发明采用零件与测量头之间的电压信号作为判断依据，不受零件表面质量和色泽的影响，并且能够实现精确测量的目的。
一种金属零件的加工精度的检测方法，它的具体步骤为：
步骤A：将金属零件外形尺寸的标准数据采用三维建模软件进行实体建模，获得标准数据的模型；
步骤B：根据步骤A获得的标准数据的模型，建立检测坐标系；
步骤C：在建立的检测坐标系中，对标准数据进行路径规划，获取路径规划的信息；
步骤D：根据步骤C获得的路径规划的信息，采用本发明的一种金属零件外轮廓形状的测量方法，获得待测金属零件外形尺寸的检测数据；
步骤E：对步骤D获得的检测数据与步骤A获得的标准数据进行对比，获得检测数据与标准数据的误差；
步骤F：对步骤E获得的误差数据进行分析，获得待测金属零件的加工精度结果。
本发明的有益效果：采用本发明所述的一种金属零件外轮廓形状的测量方法，测量精度高，同时所述零件材质的辐射性也不会影响预测精度；本发明所述的加工精度检测方法可以实现对未知零件的尺寸进行精度检测，同时也可以对已知零件的精度检测，对已知零件进行加工精度的检测时，获得已知零件的外形尺寸数据的路径规划信息，从金属零件的轮廓表面依据一定的采点规则进行数据提取，然后将测量数据与标准数据进行精确对比，逐一获得每个点的误差结果，最终获得金属零件精度；采用本发明所述的方法，克服了以往各种检测方法的缺陷，很好的弥补了其它检测方法的不足。
附图说明
图1是本发明的具体实施方式一所述的一种金属零件外轮廓形状的测量方法的流程图，图2是本发明的一种金属零件的加工精度的检测方法的流程图，图3是本发明的具体实施方式一中，步骤四中获取每个测量点的坐标参数的过程中测头的轨迹示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式所述的一种金属零件外轮廓形状的测量方法，它的具体步骤为：
步骤一：将待测金属零件安装在数控机床的数控轴上，并使测头2的末端距离待测金属零件表面的距离大于10μm；
步骤二：在测头2与金属零件之间施加5V直流电压；
步骤三：在金属零件的待测量的表面上选择多个测量点；
步骤四：逐一获取每个测量点的坐标参数，完成金属零件外形尺寸参数的测量，每个测量点的坐标参数的获得过程为：
步骤四一：将测头2移动到法线上，所述法线为待测点所在面的、并且穿过所述待测点的法线；
步骤四二：然后使测头2沿所述法线匀速向待测点移动，在移动过程中监测测头2和金属零件之间的电压信号；
步骤四三：当所述电压信号发生跳变时，记录此时测头2的位置坐标信息作为该测量点的位置坐标信息，并立即停止测头2的移动，然后迅速将测头2沿该测量点所在面的法线方向移回；
所述测头2的前端测针直径为0.5mm，测头2的中部为细长金属杆，所述金属杆的长度为15mm，后端通过锥面扩大成直径为4mm的柱体，测头2的末端采用M3的螺纹与测针固定连接。
本实施方式所述的测头2可以采用弯曲状的测针。
下面结合图4举例说明本实施方式包含步骤四所述的逐一获取每个测量点的坐标参数的过程：
待测零件的某一截面3上三点，分别为C点、E点和G点为待测点，直线11、12和13分别是穿过C点、E点和G点的待测零件表面的三根法线，直线4为测头2的测量基准线，在测量C点、E点和G点的过程中，测头从点A开始沿直线4向待测零件得表面靠近，当移动至直线11与所述直线4的交点B时，改变行进路线，沿直线11向待测点C点靠近，在移动过程中监测测头2待测零件间的电压信号，当所述电压信号发生跳变时，记录此时测头2的位置坐标信息作为待测点C点的位置坐标信息，并立即停止测头2移动，然后迅速将测头2沿原路移回至点B，继续控制测头2沿直线4向待测零点表面靠近直到直线4与直线12的交点D点；然后将测头2沿直线12匀速向E点移动；在移动过程中监测测头2待测零件间的电压信号，当所述电压信号发生跳变时，记录此时测头2的位置坐标信息作为该测量点E点的位置坐标信息，并立即停止测头2的移动，然后迅速将测头2沿原路移回D点，控制测头2沿直线4继续向零件表面靠近，直到直线4与直线13的交点F点；然后将测头2沿所述直线13方向匀速向G点移动；在移动过程中监测测头2和待测零件间的电压信号，当所述电压信号发生跳变时，记录此时测头2的位置坐标信息作为该测量点G点的位置坐标信息。
具体实施方式二：本实施方式所述的一种金属零件的加工精度的检测方法，它的具体步骤为：
步骤A：将金属零件外形尺寸的标准数据采用三维建模软件进行实体建模，获得标准数据的模型；
步骤B：根据步骤A获得的标准数据的模型，建立检测坐标系；
步骤C：在建立的检测坐标系中，对标准数据进行路径规划，获取路径规划的信息；
步骤D：根据步骤C获得的路径规划的信息，采用本发明的一种金属零件外轮廓形状的测量方法，获得待测金属零件外形尺寸的检测数据；
步骤E：对步骤D获得的检测数据与步骤A获得的标准数据进行对比，获得检测数据与标准数据的误差；
步骤F：对步骤E获得的误差数据进行分析，获得待测金属零件的加工精度结果。
本实施方式所述的检测数据的路径规划信息的过程是：
将检测坐标系内提取的数据转换为控制检测设备运动轴的数控设备的G代码，将数控设备的测头2依次移动至待测零件的待测点处，将所述数控机床的测头2经过待测点的路径所获得的路径轨迹的信息即为路径规划的信息，所述路径规划信息为G代码的格式存储的路径信息。
本实施方式中步骤E所述的确定检测数据与标准数据的误差的方法是采用误差分析软件实现检测数据与标准数据的误差的方法。
本实施方式中步骤E所述的确定检测数据与标准数据的误差的方法是，将检测数据导入三维建模软件，在步骤B建立的检测坐标系下建立检测数据的模型；将获得的检测数据的模型与标准数据的模型进行对比，获得标准数据与检测数据的误差的方法。
本实施方式所述的误差的范围确定是根据针对不同的检测零件做相应的改变，下面举例说明：
例1：设计零件的某个特征要求的公称尺寸为10mm，误差范围在-0.1mm--+0.1mm之间；当测得的数据在9.9mm--10.1mm范围内，则认为该零件是合格的；当测得的数据在9.8mm---10.2mm，则认为是超差。
例2：设计零件的某个特征要求的公称尺寸为10mm，误差范围在-0.5mm--+0.5mm之间；当测得的数据在9.5mm--10.5mm范围内，则认为是合格的，当测得的数据在9.8mm--10.2mm之间，则认为该零件为合格。
本实施方式所述的误差值根据不同的零件加工要求有不同的误差范围值，对普通零件加工要求的误差范围较大，对精密零件加工要求的误差范围较小，判断零件合格与否，是针对待检测零件的误差来确定的，在误差允许的范围内确定待检测零件的合格性。
本实施方式中步骤F所述的对误差数据进行分析的方法是通过采用图形文件进行对比分析的方法。
本实施方式中步骤F所述的对误差数据进行分析的方法是通过将数据形成报表文件进行分析的方法。
本实施方式中步骤A所采用的三维建模软件为SolidWorks、UG或者ProE。
具体实施方式三：本实施方式与实施方式二的所述的一种金属零件的加工精度的检测方法的区别在于，所述待测金属零件的外形尺寸的标准数据未知，首先采用对合格的金属零件的外形轮廓进行检测获得的零件外形尺寸的数据作为标准数据，然后再对待检测的金属零件进行检测，它的具体步骤为：
在执行步骤A之前，采用具体实施方式一所述的一种金属零件外轮廓形状的测量方法，对一个合格的金属零件的外形轮廓进行测量，获得所述金属零件的标准数据；然后开始执行步骤A，对待测金属零件进行检测。