基于PC-DMIS NC的航空零件在机测量应用

韩阳，余启辉

航宇救生装备有限公司 湖北襄阳 441003

1 序言

基于航空产品多品种、小批量的特点，数控机床在生产过程中频繁换产，部分尺寸需要借助专用三坐标测量机（Coordinate Measuring Machine，CMM）测量，使首件检验时间增长，影响了零件加工效率和产品研发的总体进度。

基于PC-DMIS NC的航空零件在机测量（On-Machine Measurement，OMM）方案充分运用了先进的数控技术和测量技术，可在加工过程中实时测量工件，利用现有高精度机床的资源，不借助专用三坐标测量机，快速完成曲面轮廓尺寸的测量，有效解决传统测量方法存在的问题，满足航空制造领域的高质量、高效率及高稳定性要求。

2 基于PC-DMIS NC在机测量的基本原理

在机测量是以机床硬件为载体，附以相应的测量装置（机床测头、成像设备等）和测量软件（宏程序、专用测量软件等），在加工过程中，实时在机床上进行几何特征的测量[1]。

在机测量技术包括多种测量方式和技术手段，如接触测量、光学测量、激光测量和机器视觉测量等方法。其中接触测量是一种广泛应用于各种行业的测量方法，其可靠性和精度都比较高。

使用接触测量的在机测量系统通过装在数控机床上的测头碰触零件表面，获得碰触时机床的点位坐标，在机测量软件根据这些点位坐标和测头的补偿值计算出需要测量的尺寸值。

测头测量的工作原理如图1所示。机床控制系统（CNC control）控制机床测头（probe）移动，使其接触工件表面，测头内部的触点脱开，同时发出跳转信号，信号传送至接收器（interface），再由接收器传到机床的快速输入接口，机床得到此信号后在跳转指令的作用下会停止运动，机床控制系统记录当前状态下的坐标系坐标值，存入相应的系统变量中[2]。

图1 测头测量工作原理

3 航空零件的特点和测量需求

航空零件具有高精度、高强度和高可靠性的要求，部分零件结构复杂、形状不规则，尺寸测量难度大。如某些较大型壁板零件，零件结构上设计有多处减轻槽，且安装定位孔和螺纹孔数量多，有些外形尺寸和孔位尺寸、集合公差使用通用测量工具无法测量。某些壳体支座类零件加工特征分布在多个方向，位置尺寸精度要求高，需要多轴加工设备一次加工成形，部分尺寸为空间尺寸。

随着航空装备升级换代的迫切需求，科研试制的零件比例大幅增长，零件首件检验的频次和数量加大，三坐标测量资源有限，造成首件检验的时间长，影响零件的生产周期。同时，研制周期和交付周期进一步缩短，对零件检测的效率和数控加工设备的利用率提升提出了更高的要求。

4 基于PC-DMIS NC在机测量应用

4.1 应用设备及测量前准备

本次实施在机测量的是型号分别为PL1200A和DMU80P2的两台立式加工中心，性能参数见表1。

表1 加工中心性能参数

使用PC-DMIS NC在机测量前，需对测头进行标定。在机床工作台上固定标准球，使用软件生成的程序测量标准球不同截面上的均布点，测量软件根据测量结果计算测针的直径和长度标定值，存入在机测量服务器端，用于测量过程中的误差补偿[3]。为能测量更小直径的孔，需要更换直径更小的测头探针。

4.2 测量误差

将定检周期内的标准环规（直径50mm）固定在工作台上，使用在机测量系统对环规的内孔进行测量。测量10次，取测量结果的平均值，测量结果见表2，两台加工中心的测量误差分别是0.012mm和0.008mm。该测量误差决定在机测量可测尺寸公差大小。

表2 标准环规测量结果

4.3 试件测量验证

针对某航空产品零件常见需要在机测量的尺寸，设计并加工用于比对在机测量精度的金属试件（见图2），其尺寸包括孔径尺寸、位置度尺寸、角度尺寸和交点位置尺寸。

图2 在机测量试件尺寸

在DMU80P2加工中心上对试件的尺寸进行在机测量，其中5类尺寸的测量结果与三坐标测量结果的对比见表3。可以看出，在机测量的位置尺寸（位置度、角度和孔位尺寸）与三坐标测量的偏差较小（≤0.01mm）；孔径尺寸偏差0.02mm；交点尺寸是两直线要素延伸后相交的点的位置尺寸，偏差0.022mm。

表3 试件测量结果对比

4.4 零件测量实例

（1）支座类零件在机测量 在DMU80P2加工中心上加工某型支座零件，使用在机测量系统进行了在机测量。零件图样如图3所示。

图3 某型支座零件图样

该工序需要测量61个尺寸，本次在机测量了43个尺寸，所有尺寸均合格。统计三坐标测量和在机测量两种方式所需测量的尺寸数和所用时间，对比见表4。使用在机测量，以前手工测量的尺寸可改为自动测量，使手工测量尺寸的数量大大减少，提高测量的效率及测量精度和可靠性。

表4 支座零件在机测量时间对比

（2）板类零件在机测量 在加工中心PL1200A上加工的某型壁板零件（铣内腔工步）图样如图4所示。测量尺寸共60个，其中45个尺寸手工测量，其余15个尺寸需要三坐标测量。从首件加工结束到完成首件检验，共耗时大约7h。

图4 某型壁板零件图样

在该设备上使用PC-DMIS NC软件在机测量，需要自动测量的尺寸45个，其余15个尺寸（包括厚度、倒角和圆角）手工测量。机床在机测量时间约40min，测量零件并完成首件检验时间可控制在3h以内，比以前采用的方式缩短4h，也就是可以减少机床停机等待时间4h。

板类零件的外形尺寸较大，且尺寸多，手工测量的工作量相对较大。因此除了测量尺寸耗费的时间，首检、互检和专检重复手工测量也是影响首件检验时间的重要因素。在机测量可以大大缩减此类零件手工测量尺寸所浪费的时间。

5 结束语

在航空产品零件生产中使用在机测量，需要分析尺寸测量的需求，选择合适的在机测量软件。PC-DMIS NC在机测量软件通过图形界面交互式编程，几乎可涵盖所有类别测量尺寸。在机测量的载体为数控加工中心，因此，采用全闭环伺服控制方式、定位精度更高的加工中心在机测量误差更小。在测量零件前，需要对探头进行标定，并对测量系统的误差进行实测计算。

针对需要三坐标测量进行首件检验的零件，使用在机测量可以提高检测效率，减少等待时间。同时可以根据测量结果，在不拆卸零件的情况下对超差的部位进行返修。但批量生产过程中或者工序后的测量检验，会占用机床加工时间，影响机床利用率，因此更建议在首件检验中使用在机测量。