飞机形位误差检测技术研究

随着飞机制造业数字化工程的展开，数字化制造已成为我们航空企业生产发展的方向，这就要求数控检测技术与之相适应，实现对产品的数字化检测，以满足科研生产的快速发展及质量要求。国外先进的航空企业如波音、空客等大型航空制造公司，已将数字化检测技术用于数控测量中。在对形位公差的测量方面，仅借助于测量机的检测功能进行测量，对其测量原理理解不深，测量完全依赖于测量机软件功能，没有充分发挥其数控检测能力的作用。而测量软件对形位误差进行评定，其测量结果只能提供一个定量的误差值，不能定向地说明偏离方向。如测量对称度，其测量结果只能定量地反应出对称度偏差的数值，不能定向地反映出对称度偏差的方向；利用测量软件功能对轮廓度的检测，其结果只能反映出整个面的轮廓度误差，不能准确反映出具体部位超差的数值。所以直接利用测量机功能进行检测，既不便于产品返修，又不便于产品质量分析。因此，有必要对其数字化检测技术进行研究, 实现形位公差的数字化检测。

结合三坐标测量的特点，研究数字化检测形位公差，建立相应的零件坐标系，通过点的坐标值就可以直观地反映实物整个形体质量及偏离方向。这样既便于对不合格产品的返修，又便于工艺部门更准确地对产品质量进行分析，促进工艺方法的改进。数字化检测水平的高低直接影响着产品的质量及交付进度。因此研究产品数字化检测技术，提高工作效率和产品质量，具有重大的现实意义。

面轮廓度检测技术研究

如图1所示，面轮廓度公差带是包络一系列直径为公差值0.200mm的球的两包络面之间的区域，诸球的球心应位于具有理论正确几何形状的面上。当被测要素的理想轮廓相对基准没有位置要求时，属于形状公差；当被测要素的理想轮廓对基准有位置要求时，属于位置公差[1]。

数字化检测面轮廓度误差：在产品CAD模型被测面上提取理论测量点，将得到的型面上点位的理论数据及法矢方向，编辑成一个理论数据文本文件, 再应用数控测量矢量点程序对零件轮廓进行测量，得到实际点位, 通过实际点位与理论点位进行比较, 判断被测点位沿矢量方向的总误差是否满足公差要求[2]。其轮廓度误差评定是沿着被测面每点的法向将X、Y、Z 3个方向综合评定，采用公式：fi=I×(Xi-xi)+J×(Yi-yi)+K×(Zi-zi)（1）式中，I、J、K分别是X、Y、Z 3个方向的矢量分量，Xi、Yi、Zi为各点实际坐标值，xi、yi、zi为各点理论坐标值。

当面轮廓度为形状误差时，可根据测量点的坐标值，与曲面进行最佳拟合，达到所有测量点的最佳状态，进行最终的点位评定。

当面轮廓度为位置误差时，可根据测量点的坐标值，在所给定的位置方向上（所标注的基准上）不能进行平移和旋转，其他方向上可进行任意的平移和旋转，直到所有的点位达到最佳状态，进行最终的点位评定。轮廓度公差分析如图2所示。

如对下面工件进行检测：

根据曲面特征点的布局要求，在产品模型上提取被测部位的理论点位数据。利用矢量点的自动检测功能对这些点进行实际测量，用公式（1）计算出点的总误差，还可以通过观察每个实际测量点的坐标值, 分析出被测轮廓相对于理想轮廓的偏离状态。

线轮廓度的检测技术研究

目前，在做复杂的线轮廓度评价时，常采用牛顿迭代法等优化算法计算被测点到理论轮廓线的最近距离心，计算过程复杂，有些情况甚至无法求解。另外当整个轮廓曲线由多个表达式构成时，还需要先判断被测点所对应的轮廓表达式；对于已给出一系列型值点的轮廓常采用三次样条等函数来拟合理论轮廓，得到拟合的理论轮廓表达式后再依据前面的方法，计算出被测点的轮廓度误差，其中拟合过程必然会有精度损失[3]。

针对目前线轮廓度评价方法的繁琐性和局限性，本文提出了一种基于离散点的轮廓度评价算法，该算法主要计算点到点的最小距离，避免了较为困难的点到不规则曲线最小距离的计算。

线轮廓度误差是指实际被测轮廓线对理论轮廓线的变动量。按轮廓度误差的定义，最基本的评定原则需要满足最小包容区域原则。最小包容区域是指由2条平行曲线包容实际轮廓线时，具有最小宽度的包容区域。在线轮廓度误差的评定中，任何方法都要以该原则为基本原则，但由于直接采用该原则较为困难，常采用最小二乘等近似算法。线轮廓度的评价依据有无基准可分为有基准要求的线轮廓度和无基准要求的线轮廓度。本文以有基准要求的线轮廓度为例，论述基于离散点的轮廓度算法，对于无基准要求的线轮廓度同样适用。

当线轮廓度要求只在任意方向上评定时，其实际测量的要求同面轮廓度是基本相同的，但当线轮廓度要求在任意方向上和规定长度内评定时，其实际测量要求同面轮廓度检测有一定的差异。检测评定时，必须对任意曲线的长度进行控制，在规定的长度内评定线轮廓度，这样的要求，比不规定长度评定相对公差要求松些。本文主要讨论在任意方向上、规定长度内评定线轮廓度的方法。

根据所得到的离散点的理论坐标值和理论法矢量，结合三坐标测量机的自动测点功能，将所有的理论离散点进行自动检测，得到这些理论离散点的实际测量值。

利用离散点进行线轮廓度的评定，即将理论轮廓的离散点P与被测轮廓的离散点Q进行对比计算。首先，对于每一个Q，均在P中搜索一个与其距离最近的点。其次，计算出每个Q对应的最小距离d。最后，计算出数列中的最大值dmax，即被测轮廓的线轮廓度误差。

如图3中零件，在曲面上标注线轮廓度，下框格中，线轮廓度要求被测曲面上沿任一方向和任一200mm长度上，线轮廓度公差为0.200mm，目前CMM测量软件只是在某一平面内评定线轮廓度，无法评定沿任意方向的线轮廓度误差。