复杂空间曲面自动化检测专题实验室草案

困难空间曲面自动化检测

专题试验室草案

单位：北京航科发动机限制系统科技有限公司

日期：2012年2月12日

随着高新技术的发展，困难曲面的应用也越来越广泛，其应用主

要取决于两个方面：一方面是力学特性和功能的须要，使设备满意特

定的性能要求，这就要求产品形面达到高精度的数学特征；另一方面

是外观美学效果的须要，满意人们对产品外形的需求。

曲面是相对于平面而言，困难曲曲是相对圆柱面，球面和锥面等

简洁曲面而言。在工程实践中，困难曲面可分为规则困难曲面和自由

曲面。困难刀具，齿轮，凸轮等典型零件的型面属于规则困难曲面；

而模具型腔，涡轮机叶片，各种零件外壳等的型面则为自由型面C在

工程中，为了获得特定的功能或满意某种机理，常将一个整体造型的

曲面人为的分割成几片，基于此，困难曲面又可分为连续型困难曲面

和非连续型困难曲面。非连续型困难曲面又称为断续曲面，其典型代

表有滚刀，剃齿刀等困难刀具的工作表面。

困难曲面测量技术历来是几何量计量检测技术中的一项重要探

讨课题。传统的探讨内容主要注意于被测曲面质量指标的获得与评

判，即曲面测量的主要目的是为了获得曲面的质量信息。近几十年来,

随着反求工程（又称逆向工程）的兴起，困难曲面测量技术的探讨增

加了新的内容，曲面测量的目的不只是为了评定曲面质量，而且要求

获得曲面的几何形态信息。虽然曲面的测量目的各异方法众多，但曲

面一曲线一点集一测点集的分解次序始终是实现困难曲面测量的基

本思路。基于对各种曲面测量方式的分析，整体上可将困难曲面测量

划分为以下三种模式：

(1)模式A：通过测量曲面上的一些特征线，依据对被测

特征线的评定来反映曲面的质量。

(2)模式B：通过测量分布在曲面上的一系列点获得被测

曲面的轮廓度误差，并以此评定曲面的质量。

（3）模式C：通过测量分布在曲面上的一系列点，提取曲

面原始形态信息，通过信息重构被测曲面，实现被测

曲面的数字化。

从本质上看，模式A是将困难曲面的测量简化为困难曲线或平

面曲线甚至直线的测量。假如选取困难曲面的母线或曲面上的工作轨

迹作为被测特征线，则该测量模式能将困难曲面的设计加工和运用统

一起来，因此模式A主要适用于规则困难曲面特殊是回转类困难曲

面的测量。通过测量螺旋面的螺旋线和轴向截型来限制螺旋面的质量

就是一个典型事例。对于模式A的探讨已有很长的历史，期间产生

了两种技术思想：一种以儿何学为基础；另一种则基于刚体运动学。

前者的基本思想是仅仅将被测对象作为几何体借助坐标法（直角坐标

或者极坐标法等）展成法（机械展成法或者电子展成法）等测量方法

测量困难曲面上的特征线；后者的基本思想则是将被测对象作为一个

刚性的功能元件或者传功元件与另一个标准元件作啮合运动，通过测

量啮合运动误差来反求曲面上的特征线误差。后一种技术思想起源于

七十年头初，我国在齿轮测量理论及实践上的突破，经过多年的不断

完善与推广，现已形成A模式下的运动几何测量法。在过去二十年,

与A模式相关的测量技术得到了较快的发展，各种CNC式的专用测

量机，齿轮测量中心，多维测量中心以及坐标测量机已成为生产实际

测量，以及RT-24C,RT-76,RHB2等各型号产品中各种三维叶轮，

三维诱导轮，导向轮，整流罩的测量，还有各种型号壳体表面局部曲

面的测量，以及新品测绘中各种困难空间曲面的测量。现在主要的测

量难点在于：各型号产品中渐开线圆柱齿轮部分参数的测量，各种型

号壳体表面局部曲面的测量以及新品测绘中各种困难空间曲面的测

量。

渐开线圆柱齿轮，属于典型的规则困难曲面类零件。由于它的传

动具有能够传递随意两轴间的运动和动力，传动平稳牢靠，效率高寿

命长，结构紧凑，传动速度和功率范围广等特点，在我厂的各型号产

品中得到广泛的应用。渐开线圆柱齿轮的主要参数包括：齿厚，模数,

压力角，齿圈径向跳动量，齿廓总误差，齿向公差，齿距极限偏差和

齿距累积误差等。主要难点在于齿廓总误差，齿向公差，齿距极限偏

差和齿距累积误差四项参数的计量。其中，齿廓总偏差是在计值范围

内，包涵实际齿廓迹线的两条设计齿廓迹线间的距离。齿廓误差会导

致齿轮传动中一对齿轮啮合过程中的瞬时速比改变，形成传动的冲

击、振动和噪声，对齿轮传动的平稳性有较大影响；齿向公差是在分

度圆柱面上，齿宽有效范围内，包涵实际齿形最小两条设计齿线之间

的端面距离，对载荷的分布的匀称性有较大影响；齿距偏差是指在分

度圆上，实际齿距与公称齿距之差，齿距极限偏差是齿距偏差的极值,

而齿距累积误差则是在分度圆上随意两个同侧齿面间的实际弧长与

公称弧长之差的最大肯定值。这四个参数对齿轮传动的精确性，平稳

性有着重大影响，但我厂目前缺乏专业的齿轮综合检测设备，无法对

其进行精确的测量，只能外送中国计量院进行计量，这样既增加了成

本，测量的刚好性也得不到保证，生产安排也常常因此受到影响。

凸轮，也属于规则困难曲面类零件。在我厂的RT-20,RT-24,

RT-61等各型号产品中包含大量二维凸轮和三维凸轮参数须要测量。

凸轮的主要测量参数包括理论转角与升程，目前最具通用性的方法是

以坐标测量机为主要手段的坐标测量法，重点主要集中在：数据获得,

曲面重构，测头半径补偿三个方面。①数据获得。基于坐标法的困

难曲面（曲线）测量过程事实上是利用一系列离散点提取曲面（曲线）

的原始几何信息的过程，其基本问题是曲面上测点的数目及分布。由

于在坐标测量机上测量困难曲面一般采纳扫描的测量方式，因此这一

基本问题的实质是采样方式的选择。它包括两个方面：一是在采样点

数相同的状况下，哪一种测点分布能最大程度的反应曲面的原始形态

信息，即测量精确度最高；一是在测量精确度相同的状况下，哪一种

测点分布可以削减采样点数。②曲面重构。曲面重构是依据测点集

对曲面建模，在困难曲面测量中，需对测头中心轨迹与实际曲面轮廓

进行两次建模，前者用于测头半径补偿，后者用于曲面误差评定或曲

面的数字化。③测头半径补偿。用球形测头测量曲面时，测头与被

测曲面为点接触，测头半径补偿的关键是确定曲面在接触点的法矢。

我厂目前采纳的就是这种以坐标测量机为主要手段的坐标测量法，运

用leitz超高精度PMM-C型三坐标测量机，PC-DMIS三坐标测量软

件系统。在测量过程中，首先依据图纸建立数学模型并输入三坐标测

量机，PC-DIMS三坐标测量软件系统依据数学模型生成测量点并自

动测量，然后自动进行测头补偿并依据测点集对曲面建模，生成测得

模型与原图纸相比较。

其他的各种三维叶轮，三维诱导轮，导向轮，整流罩的测量方法

与凸轮类似，但这种测量方法的难点在于必须要有图纸，假如没有图

纸则无法生成数学模型，测量软件系统也就无法依据数学模型生成测

量点并进行测量。所以特殊在新品测绘时，须要在无图纸状况下对各

种困难空间曲面测量，就不得不靠手动采集测量点进行测量，不仅测

量速度慢，测量精度也大大降低。

鉴于以上在困难空间曲面测量工作过程中的种种问题，我厂拟建

立困难空间曲面自动化检测专题试验室，配置要求如下：

一场地

⑴场地的选择应避开下列诸外界因素：电磁场，易燃物或易

燃性气体，爆炸物品，电力杂讯，潮湿气，腐蚀性气体以

及灰尘等。

⑵场地铺设木地板，仪器设备间入口处应设置防静电门帘，

操作人员在运用仪器时也应佩戴白手套。

⑶设备间地板的负载足以支持仪器设备的重量。

(4)避开阳光照耀。

⑸仪器搬运路途有足够的宽度与高度容许仪器设备搬运至运

用场地。

(6)仪器设备安装后应当仍有足够的空间由操作或修理人员运

用，同时设备前后左右也应有足够的散热空间。

⑺便利人员及设备的进出。

（8）有适合的紧急出口。

二环境

⑴试验室的标准温度为20C,一般检测间及试验间的温度应

在20±5C,线值计量标准间为20±2℃。

⑵试验室内的相对湿度一般应保持在50—70%。

⑶试验室的气压应当是在730"760mmHg的范围。

（4）试验室保持清洁少尘。

三人员

⑴试验室计量人员必需参与理论考核及操作考核，取得计量

人员检定员证书，才能从事计量工作。计量实习人员必需

在有证人员的指导下进行操作和维护。

⑵试验室计量人员必需熟识所操作的仪器的性能、精确度等

级、运用操作维护方法。

⑶试验室计量人员应努力学习上级有关规定，平安规程和本

公司各项平安制度，保证计量工作平安进行，保证仪器仪

表精确牢靠。

四设备

⑴克林贝格P40齿轮测量中心

克林贝格P40齿轮测量中心，由德国克林贝格集团制造，是世界

上最先进的齿轮检测中心之一，可以检测各种不同结构设计的直齿和

斜齿圆柱齿轮以及各种齿轮刀具，如插齿刀、剃齿刀和滚刀。也可以

检测蜗轮、蜗杆、直齿锥齿轮和螺旋锥齿轮。此外，还可检测旋

转对称工件（轴类）的尺寸和形位误差，以及凸轮和平面凸轮的

运转轨迹。

技术特点：

采纳4轴测量技术的高精度系统及软件支持的精度最优化

高性能计算机限缶IJ器（PowerPC）

按人机工程学设计的具有集成的工业计算机的操作系统

LDT直线电机驱动技术

全自动检测过程

自动探针定位

新一代的克林贝格专利K3D多轴三维数字式测量系统，数字

传感测量值，带有严密的防撞爱护技术

采纳高精度温度■中性光栅（陶瓷玻璃）及温度补偿，使机床

结构适合运用在生产区域近旁.

立式工件安装

工件由顶尖夹紧，有自动滑动识别功能.

高精度顶尖支承优化，操作简洁.

机床结构新奇紧凑，符合功能化设计.

综合的，模块化的检测软件（选购）

克林贝格评估软件

主要技术参数:

模数范围：（0.2）0.5-15mm

展长测量范围：±115mm

垂直测量范围：550mm

最大工件外径：400mm

可测量螺旋角：0-90度

顶尖距离：15-800mm

机器精度：一级Classi

最大允许工件重量：300kg

压缩空气：6bar/601/h

净重：1900kg

⑵MC027-3903A型齿轮测量中心

MC027-3903A型齿轮测量中心采纳X、Y、Z、（p四坐标测

量系统，德国进口长光栅、圆光栅传感器，密珠滚动导轨。可测

量齿轮的齿廓偏差，螺旋线偏差，齿距偏差，径向跳动等，并且

还可测量滚刀、插齿刀、剃齿刀、径向剃齿刀、蜗轮、蜗杆、直

齿锥齿轮、斜齿锥齿轮、凸轮等工件的相应参数。在被测齿轮一

次装夹中，自动完成齿轮齿廓、螺旋线、齿距、径跳测量项目的

检测，微机限制全自动完成测量循环，速度快。此外，还可以依

据被测工件，选择被测项目。圆柱齿轮被测结果按国际齿轮精度

标准自动进行评值。对于特殊要求，齿廓有K图、凸度、螺旋线

有鼓度特定公差带进行评估。

主要技术参数：

模数范围：l-12mm

展长测量范围：±100mm

垂直测量范围：400mm

最大工件外径：300mm

可测量螺旋角：0-9()度

上下顶尖距离：15-800mm

测头距下顶尖距离：10-300mm

最大允许工件重量：80kg

净重：1200kg

⑶GMX275齿轮测量仪

GMX275齿轮测量仪是德国马尔公司生产的最新一代全自

动齿轮测量仪，能够自动检测直齿齿轮及斜齿圆柱齿轮，弧齿锥

齿轮及准双曲面锥齿轮，圆柱蜗杆，锥形圆柱齿轮，扇形齿轮，

剃齿刀，齿轮滚刀，插齿刀，同步齿轮，带中心定位及倾斜工作

台的外形测量，凸轮轴、曲轴及活塞等多种零件各种参数。

技术特点：

带自动顶针座的4轴测量系统.

高精度3-D扫描测量头

运用计算机限制的超高速测量，实现极短的测量周期

柱齿轮和锥齿轮测量与分析功能

齿轮工具测量，如剃齿刀和滚齿刀

通过角度调整补偿软件，实现校正误差全自动修正

单圆周和多齿轮轴测量分析.

集成全自动GleasonGage4Win界面用于闭环测量

专用分析模块，用于伞齿轮和其他特殊类型齿轮

支持多种评定标准，如DIN,ISO,JIS,AGMA标准等.

集成远程诊断系统

主要技术参数：

模数范围：(0.2)0.5-15mm

展长测量范围：±70mm

垂直测量范围：300mm

最大工件外径:225mm

可测量螺旋角：0-90度

顶尖距离：15-500mm

机器精度：一级Classi

最大允许工件重量：250kg

净重：1000kg

(4)ZBJE型激光扫描坐标测量机

ZBJE型激光扫描坐标测量机是在三维坐标空间中，被测量对

象随意安放，采纳激光扫描，快速完成各类几何形体的特征点、

线、面，自由两面的扫描探测，主要用于逆向工程设计、困难曲

面的快速扫描、抄数以及工件的三维测量。配置触发测头，可以

对各类几何实际轮廓和虚拟的点、线、面的各类坐标点进行探测

和完成尺寸、角度及形位公差的测量，还可以配置不同规格精度

等级的光栅尺系统、传感器测头系统，可实现开环、闭环式运动

限制，实现扫描、检验测量多种扩展功能，此外，悬挂触发式测

头可实现三坐标测量功能。

主要技术参数：

量程：X:300-1000mm

Y：200〜1200mm

Z：200〜800mm

运动方式：手动、机动、自动的开环、闭环多种方式

激光扫描测头：Nxsensor激光扫描传感器

激光扫描测头辨别率：0.005mm

激光扫描测头精度：0.025mm

激光扫描精度：(0.03+L/20)mm

采样速度：最大每秒钟6400点

激光扫描软件：Nxclonelaserscanningsoftware

触发测头系统:Renishaw触发式测头

触发测头测量辨别率：0.001mm

触发测头测量系统精度：(0.0()5+L/200)mm

触发测头测量系统软件：DELCAMPINLITE、DELCAM

INSPECTX-DMIS

(5)LeitzInfinity型三坐标测量机

LeitzInfinity型三坐标测量机是由Leitz公司生产的业界最高

精度水准三坐标测量机，采纳动态单点探测技术或高速扫描技术

(HSS),实现了对已知和未知轮廓的高效率测量与扫描。同时，通

过配备超高性能和低探测力的LSP-S4探测系统，LeitzInfinity

能够完成超高精度的光学镜头以及曲面测量任务。

技术特点：

封闭框架设计，具有固定框架和活动工作台，确保长期精密性能

优质陶瓷光栅，热膨胀系数接近于零，具有超高辨别率

整体采纳花岗石和铸钢材料，确保系统长期稳定性

基于独特的封闭框架和移动工作台设计，质量比在操作过程中保

持恒定，的电控系统能够保持最优的机器动态

伺服驱动和精密滚珠丝杠传动确保高加速度的同时，保证定位精

度在纳米区间

符合最现代化理念的电控系统，能够完成困难的移动轨迹以及测

量数据的评价

具有最完善的平安及防撞功能

主要技术参数：

量程：X:1200mm

Y：1000mm

Z：700mm

最大允许承载：1000kg

最大齿轮承载：750kg

模数范围：0.5・100mm

最大齿轮宽度：700mm

最大轴长：1200mm

直齿最大齿轮直径：950mm

斜齿最大齿轮直径：700mm

计量工作是科研生产和经营管理的重要技术基础，做好计量工

作，对保证产品质量、提高劳动生产率、保障平安生产、节约资源都

起着重要的作用，新的空间困难曲面自动化检测试验室计量工作，安

排从以下几个方面进行开展：

1）加强对计量器具的管理

在空间困难曲面自动化检测工作中，要运用大量的计量器具和

仪器设备，要保证计量和生产的质量，就应保障计量器具检定工

作有序合理的开展，这就要求我们加强对计量器具的管理工作。

计量器具应严格按国家计量检定规程或规范进行检定，以确保计

量器具在有效期内的正常运行和精确牢靠。为了能够科学合理的

管理好计量器具，我们拟建立计量器具数据库，对计量器具进行

分类管理，实现了动态管理的目标，在数据库中反映计量器具的

检定、送检等状况，干脆进行送检率的考核工作。对所检定的计

量器具进行跟踪，定期进行核查工作，确保每一件在用计量器具

正常运做，做到了科学有效的管理，严珞监督，杜绝运用未经捡

定或超过检定周期的计量器具和仪器设备。同时，还实行肯定的

爱护措施，加强对计量标准器的维护保养，良好的维护保养能保持

计量标准器各项计量