平面度检测（共7篇）
平面度检测 篇1
0 引言
21世纪的今天已进入了高科技、现代化生产的时代, 产品质量的标准也被进一步的提升了。在机械产品的设计仿真和加工制造过程中, 科学地提高形位公差要求, 做到对误差的精准检测、严格控制, 从而确保产品的高质量、生产当中无事故而又高效率的顺利进行是极其重要的。而平面度在所有形位公差项目当中是相当重要的一种。现在, 平面度误差的检测, 在几何量的数控机床在线检测的测量中的意义是相当重要的。而就目前而言, 对平面度的在线检测所采取的检测方法当中仍然还有一些关键的问题需要解决, 其中检测点的布置方案问题就是一个值得研究和处理的问题。由于在线检测形位误差的布点方案有多种, 而且各种方案得出的结果却又不尽相同, 所以很可能会导致了产品不合格, 进而直接影响产品的加工质量和加工成本[1]。
本文在研究了国内外加工平面检测点的布置方案的基础上, 根据叶序相关理论, 提出了一种用于使加工平面上检测点的布置更合理的叶序布点法, 即应用叶序理论对具有一定形状、一定尺寸的加工平面上的一定数量的检测点进行位置的设定, 使这些检测点的位置能够在总体上达到更进一步的优化, 以使在检测点数不变的情况下, 能够更全面、更精确、更广泛的反映所要检测的加工平面的平面度情况。
1 叶序理论
叶序排布是植物学中一种常见的现象, 指的是植物叶片沿径向以斐波那契数为基础的叶序理论来生长的方式, 并且植物的叶子在径向上都是呈螺旋状排列的。植物之所以以这种方式生长是自然选择的结果[2]。
柱面叶序模型矩形叶序形式是本文所采用的加工平面检测点的布置形式。植物叶序模型生物籽粒、花瓣、鱼鳞结构排布规律模型, 这种结构的排布在几何学上实现空间互补并满足黄金分割率, 此种排布具有表面对光、热辐射的最大吸收能力和均布效应[2]。因此, 在加工平面检测点的分布设计时可把每个检测点看作是植物籽粒点, 并据此模型来布置加工平面检测点, 以期实现加工平面检测点的布置能够充分的反映加工平面的加工情况, 从而提高被检测加工平面的平面度误差的精度[2]。
因植物叶序的特殊生长现象让人们对叶序领域给予愈来愈高的关注, 所以人们逐渐从植物叶序这一奇特现象中总结出了以下特点[3]:植物叶序分布的顺时针螺旋线数目和逆时针螺旋线数目都遵循斐氏级数, 并且顺时针螺旋线数目与逆时针螺旋线数目之比接近黄金分割数:
斐氏级数的角度为360t2, 近似等于137.508°。另外, 柱面叶序模型最初由van Iterson提出, 随后由Erickson做了深入的研究[4]。其数学公式可表述为:圆柱面的相邻序数植物籽粒或籽粒族之间的旋转角度为:
相邻植物籽粒或籽粒族之间的Z轴间距为:
其中n为籽粒或鳞片序数, h为生长系数[3]。
根据公式 (2) 、 (3) 可得到柱面叶序模型, 然后将其转换为平面的矩形叶序模型, 其转换后的矩形叶序展开如图1所示。
2 检测点在加工平面上的布置以及数据获取的建模
2.1 常规矩形布点及其数据获取方案
1) 根据被测实际平面的形状与尺寸以及与其相对应的检测点数的布置要求, 得到实际被测加工平面所需布点的坐标X和Y矩阵。
2) 调用MATLAB当中的meshgrid函数, 以生成网络数据矩阵X1, Y1。
3) 应用MATLAB当中的二维矩阵插值函数interp2, 得到以上各个检测点的Z轴坐标。
常规矩形布点示意图, 如图2所示。
2.2 叶序布点及其数据获取方案
1) 根据被测实际平面的形状与尺寸以及与其相对应的检测点数的布置要求, 还有叶序布点的公式 (2) 和公式 (3) , 将上述公式 (2) 和公式 (3) 转化成平面直角坐标系当中的含有x、y的公式, 最后即可得到实际被测加工平面所需布点的坐标X和Y矩阵。
2) 调用MATLAB中的meshgrid函数, 以生成网络数据矩阵X2和Y2。
3) 应用M A T L A B中的二维矩阵插值函数interp2, 经过相应的插值运算得到叶序检测点的Z轴坐标值。
叶序布点示意图如图3所示。
上述布点和获取数据的方案都是以仿真的加工平面为基础进行的, 其中加工平面三维仿真如图4所示。
3 数据处理部分
3.1 平面度定义及其评定方法
根据国家标准规定, 实际被测平面相对其理想平面的变动量, 此即为平面度误差的定义, 其中理想平面的位置应符合最小条件。平面度最小包容区域的宽度也就是平面度的误差值[5]。
最小包容区域法、最小二乘法、对角线平面法和三远点平面法等方法是平面度误差的主要评定方法。最小包容区域法在评定平面度的方法中, 就精度而言是优于其他方法的。所以, 目前在进行平面度评定的过程当中, 最小区域法是最被通常采用的方法。所以, 本文在此主要对最小区域法进行相应的介绍。
3.2 最小区域法数学模型
平面的标准性方程为:
由在线检测系统的接触性探测头测得n (n (29) 3) 个点的坐标为 (xi, yi, zi) (i (28) 1, ..., n) 。
由点到平面的数学公式, 可知:以上各检测点到平面的距离为:
根据最小区域法构造的下列函数即为最小包容区域平面应该满足的方程[6]为:
式中, dimax、dimin分别为di中的最大值和最小值。
当F取最小值时, 对应的A、B、C、D即为最小区域平面标准方程的系数。这样评定最小区域平面度误差的实质也就转化为求解A、B、C、D的最优化问题, 本文采用改进单纯形算法[7]对公式 (6) 进行迭代, 以期得到A、B、C、D的最优值。
3.3 MATLAB的最小区域法程序实现
1) 首先从数控机床在线检测系统的接触式探测头测得的n (n (29) 3) 个点中任意挑选三个随机检测点, 此三点的坐标为P1 (x 1, y1, z1) , P2 (x 2, y2, z2) , P3 (x 3, y3, z3) , 然后将此三点的坐标值代入下列方程[8]中, 即可求出平面方程参数的迭代初值, 即A0、B0、C0、D0。
2) 将用测头获取的n (n (29) 3) 个点的坐标值分别代入上边的距离公式 (5) 中, 从而求出各点到指定平面的距离di;
3) 按照公式 (6) 构造出函数F (A, B, C, D) ;
4) 将A0、B0、C0、D0作为初值代入步骤6) 当中的构造出的函数F (A, B, C, D) , 用改进单纯形算法迭代求出符合此函数和求解精度的标准平面方程参数A、B、C、D, 以这四个参数为标准参数的标准平面方程即为所求的评定基准面的方程。
5) 再根据 (5) 式求出各点相对评定基准面的距离iD;
6) 平面度误差值f (28) Dmax-Dmin即为最终所求, 式中Dmax、Dmin分别为各点相对于评定基准面的距离中的最大和最小偏离值[9]。
4 仿真结果比较
500×600的加工平面仿真如图4所示, 表1为在上述加工仿真平面上常规矩形法所布检测点数和叶序法所布检测点数分别为50、40、30、25、20个点时所得的平面度误差值。
在表1中的这五组数据, 不管是哪一组数据, 采用叶序布点法所得的平面度误差值都要比采用矩形布点法所得的平面度误差值更靠近仿真平面的真实值;另外, 从数据的对比也能看出, 在要求同样的误差精度的前提下, 用叶序布点法所布的点数要小于用常规矩形布点法所布的点数, 比如:要求的误差精度为27.30 mm时, 若采用矩形布点法就得布置50个检测点, 若采用叶序布点法只需布30多个点就能达到这个精度要求。
5 结束语
本文针对平面度的数控加工机床的在线检测, 提出了一种基于叶序理论的加工平面检测点的布置方法。并对该研究所涉及到的加工平面仿真、检测点数据以及加工平面平面度误差的数据获取与计算等重要问题, 给予了相应的研究。最后, 基于MATLAB平台, 开发出加工平面、检测点坐标值的获取的仿真系统, 与此同时也开发出了平面度误差数据计算处理系统, 并对仿真结果进行了验证。验证的结果得出, 用叶序布点法布点得到的平面度误差不但在精度上要优于常规矩形布点法, 并且在效率方面也有了一定的提高, 从而验证了叶序布点法的可行性。
参考文献
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平面度检测 篇2
平面度的高精度测量是机械加工检测过程中的重要环节,平面度的测量方法有很多。小尺寸平面一般以光学平晶为基准平面,利用光的干涉原理,比较测量而得到被测平面的平面度,或者采用三坐标测量机进行平面度的测量。大平面的平面度测量主要有水平仪法、自准直仪法、多测头误差分离法、三坐标测量法、液面法等[1,2,3,4],其中水平仪和自准直仪法应用最广,但测量速度太慢,干扰因素多;多测头分离法可以获得亚微米的高精度,但由于使用传感器多,需要处理的数据量大,结构复杂;三坐标测量法精度随着测量尺寸的增大而降低,而且价格昂贵;液面法采点测量过程需要等待液面稳定,效率较低。
对于直径数米(一米至二三十米)环面,如大型精密转台的轴承安装面、风力发电设备及工程机械的轴承安装面、大型设备的安装基面等,对平面度的精度都提出较高要求(平面度公差为几微米至几百微米), 但上述测量方法都存在一些不足和局限性[5,6]。
本文针对这类特殊零件的平面度测量要求,提出一种基于光学和图像处理的测量方法。该方法测量精度高,数据处理简单,操作方便,尤其适用于大直径环形件的平面度测量。
1测量原理
测量大直径窄环带平面平面度的装置包括内调焦光管、光纤点光源、CCD探测器、测杆、精密转台和调平机构等,测量原理如图1所示。光纤点光源安装在内调焦光管的焦点位置,内调焦光管安装在精密转台上,精密转台放置在调平机构上,CCD探测器固定在测杆上。
内调焦光管是一种高精度的光学仪器,通过调节内调焦光管中调焦透镜的位置,它可以把光纤点光源投射成像于500 mm至数十米远的光轴上,测量时根据被测环带直径大小调节点光源像点至合适位置,精密转台带动点光源的像点旋转在空间画圆,以此圆所在的平面作为基准,CCD探测器接收点光源像点,根据脱靶量测出被测点与基准平面的距离。这个距离y是相位角 θ 的周期函数,测量原理的数学模型如图2所示。
因此可以将这个周期函数展开成傅里叶级数[7]。
式中 :为n次谐波的 幅值 ,为n次谐波的初始相位角。
分析可知,并不是傅里叶级数的每一项都是圆环的平面度成分。平行移动基准平面S,只改变常数项C0, 此项是由测杆长度及转台摆放位置等所造成的。绕与圆环轴线OO′垂直相交的直线AA′旋转基准平面S到S ′ ,旋转角度为 Δφ ,则圆环面到基准平面S ′ 的距离为
其中:θ0′1是初始相位角,与直线AA′方向相关。
由上式可知,旋转基准平面只改变一次项,此项是由精密转台的调平所造成的。常数项和一次项是由基准平面的位置所决定,而基准平面的位置受到测杆长度、转台摆放位置及转台调平的影响,因此,测量数据的傅里叶级数去除常数项及一次项,剩余数据即是圆环的平面度信息。
根据GB/T1182-2008/ISO 1101:2004产品几何技术规范,平面度公差带是距离为公差值的两平行平面之间的区域,两平行平面的间距还应符合最小条件。
因此,每个测点的傅里叶级数去除常数项及一次项后,再用最小二乘法拟合,然后计算每点到最小二乘直线的距离,最后计算得出平面度。
测量时,首先在被测圆环中心架设内调焦光管,被测圆环不必精确调整水平,光轴与精密转台旋转轴线不必严格垂直,转台旋转轴与被测圆环中心尽量重合;然后在被测圆环面上安放测杆及CCD探测器; 然后调节内调焦光管,使光纤点光源像点成像在CCD靶面上;然后使用转台调平机构调整精密转台旋转轴方向,使光纤点光源像点旋转形成的基准平面尽量与被测圆环面平行,方法是在圆环圆周均布的三点上依次放置测杆进行测量,使点光源像点在CCD靶面竖直方向上的位置相同;然后依次对圆环上的各点进行测量,记录像点质心在CCD靶面竖直方向的脱靶量;最后,进行数据处理,把测量数据展开成傅里叶级数,各测点去除常数项和一次项,再用最小二乘法拟合,然后计算每点到最小二乘直线的距离,最后计算得出平面度。
2实验与测量不确定度分析
2.1测量实验
对一圆环零件(外径5 m、内径4.4 m、高0.5 m)上宽度为100 mm的环带进行平面度的精确测量实验, 该零件上的环带平面度要求较高(公差为0.04 mm),在机床上磨削加工完毕,打表测量端面跳动法检测合格。
使用轴系晃动优于0.5"的精密转台,转台基座具有三点调平机构;光纤点光源激光器波长为635 nm, 光纤芯径为单模4 μm;CCD探测器象元尺寸为3.2 μm,靶面尺寸为2 048×1 536。
首先,把精密转台安放在被测圆环中心位置,仔细调整,使转台中心与圆环中心尽量重合;然后把测杆及CCD探测器放在被测环面上,调节内调焦光管,使点光源像点在CCD靶面上成像清晰,如图3所示; 然后调平精密转台,使光纤点光源像点旋转形成的基准平面尽量与被测圆环面平行。移动CCD探测器, 在圆环面上等间隔测量12点,共测量四次,实验图片如图4所示,测量数据见表1。
把四次测量结果的平均值y′ 展开成傅里叶级数,由于高阶项影响较小,可忽略不计,本文只把测量结果的前五次谐波展开进行研究。各次谐波系数见表2。
则各次谐波的表达式为
四次测量结果的平均值y′及展开成傅里叶级数后各次谐波函数曲线如图5所示。
平面度误差函数:
平面度误差函数曲线如图6所示。对圆周均布的12点数据在平面内进行最小二乘拟合[8,9],拟合直线的方程为
其中: A=6.995, B=-1,C=-28.53。
然后计算各点到拟合直线的距离:
最后计算平面度(Flatness)误差:
同理,把四次测量数据分别展开成傅里叶级数进行谐波分析,各自计算平面度误差,数据见表3。
利用y′计算得出的平面度误差为285.4 μm,与被测件的平面度公差要求(0.04 mm)相差较大,为了验证测量数据的正确与否,使用徕卡激光跟踪仪对被测圆环面进行复测,共测量六次,各次的平面度误差由测量软件自动计算得出,数据见表4。
2.2测量结果分析
由表3及表4可以得出,本文方法测量得出的平面度误差较大,但重复性较好;使用激光跟踪仪测量得出的平面度误差与本文方法测量误差相差不大,但重复性较差。测量精度是系统误差与随机误差的综合表征。重复性体现随机误差,与激光跟踪仪测量结果均值的比对体现系统误差,因此验证了本文测量方法的正确性,本文方法测量重复性较好,说明本文方法较激光跟踪仪测量平面度的精确度更高,体现了这种专用测量大圆环件平面度方法的优越性和必要性。
根据四次测量的平均值用傅里叶级数进行谐波分析,常数项及一次谐波不影响平面度的测量误差,从图5及图6可以看出,平面度误差主要是二次谐波分量,分析圆环件的支撑状态,该件径厚比较大,且为圆环零件,刚度较差,从机床上移开后放在六个基墩上,由于基墩的高度不等及地面不平,造成圆环件的变形。通过平面度误差曲线分析可知,120°及300°两个位置的基墩较高,为主要受力点。因此,对于这种刚度较差的大尺寸圆环零件,也可以通过修研安装面或调整其支撑点的高度,使其平面度满足要求。
2.3测量不确定度分析
分析测量方法可知,对平面度的测量不确定度影响显著的主要因素有:测杆与被测面接触重复性引起的不确定度u1;精密转台轴系晃动引起的不确定度u2;CCD探测器像点质心提取精度引起的不确定度u3; 光纤点光源激光器稳定性引起的不确定度u4;数据处理引起的不确定度u5;温度及振动等因素引起的不确定度u6。
分析这些不确定度的特点可知,不确定度u1、u2可以统计分析,故采用A类评定,u3、u4、u5、u6根据经验估计,采用B类评定方法[10]。
1) 测杆与被测面接触重复性引起的不确定度u1:使用测杆对被测面上的同一点进行多次重复测量,记录各次测量的数值,计算其标准差为0.004 mm,则u1=0.004 mm。
2) 精密转台轴系晃动引起的不确定度u2:转台轴系晃动为α=0.4″(均方根值),被测环直径φ=4.8 m,故
3) CCD探测器像点质心提取精度引起的不确定度u3:由于像点成像质量较好,取u3=0.002 mm。
4) 光纤点光源激光器稳定性引起的不确定度u4:根据激光器质量,取u4=0.003 mm。
5) 数据处理引起的不确定度u5:取u5=0.001 mm。
6) 温度及振动等因素引起的不确定度u6:整个采点测量周期小于十分钟,在测量现场环境条件下,保持整个系统不动,记录统计CCD脱靶量在十分钟内的最大变化值为0.009 mm,则u6=0.009/3=0.003 mm。
各项误差引起的不确定度分量相互独立,则相关系数为零,测量平面度的合成标准不确定度为
3结论
平面度误差可视化评定系统研究 篇3
关键词：平面度误差,LabVIEW,可视化,最小二乘法
0 引言
平面是构成机械零件的重要几何要素,它常常被作为检测的基准面,因此对平面度误差进行有效和准确的评定具有重要的实际意义[1]。平面度误差的评定方法较多,常用的有最小二乘法、对角线平面法、三远点平面法和最小包容区域法。目前对于平面度误差评定主要有两大类方法,最小二乘法和最小区域法。前者具有数学理论成熟、方法简单、计算迅速、结果稳定、对误差具有平均作用、测量准确度也较高等特点,本文基于虚拟仪器技术,应用Lab VIEW8.5及C语言,针对平面度误差中最小二乘法进行实例编程验证,实现从数据采集到误差分析的一整套功能。
1 最小二乘法误差评定原理
最小二乘法是以最小二乘平面作为评定基准的方法,如图1所示,设被测平面上任一点的坐标值为Pij(Xi,Yj,Zij),理想平面的方程为:=a X+b Y+c,按最小二乘法的基本思想,由测量点拟合的该理想平面应使测量点到该平面的坐标值的平方和最小:
对a、b、c求偏微商,再使偏微商等于零,得到a、b、c应满足式(1)。
式(1)化简得:
式(2)用矩阵表示如下:
式(3)通过线性代数即可求出a、b、c,即确定了理想平面的位置,再将各测点相应的坐标Pij(Xi,Yj,Zij)代入平面方程,即可得对应的方向坐标值,所以平面度误差为:
其最大值与最小值之差即为直线度误差f。通过Lab VIEW中求最大最小值函数可实现。
最小二乘平面的a、b、c可利用Lab VIEW中公式节点,采用C语言编程实现,设a1代表ΣXi2,b1为ΣYi2,c1为ΣXi,d为ΣYi,e为ΣXiYi,f为ΣXiZi,g为ΣYiZi,h为ΣZi,程序如下:
如图2所示,通过创建数组函数、重排数组函数得到式(3)中的前两个矩阵,对其中3×3矩阵进行逆矩阵转化,可求出a、b、c,即得到最小二乘平面方程,再通过平面上任一点的坐标值与对应的最小二乘平面的Z值相减Zij-(a Xi+b Yj+c),得到一数组,将该数组中的最大值与最小值相减,得出平面度误差。
2 实例编程
系统平台由电感式测微仪、PCI-6221数据采集卡及PC机等组成。通过采集程序保存数据,实测数据以电子表格的形式保存。可改变采样的直线数和每条直线上的采样点数,本例在采集平面均布4条直线,采用网格布点法,横向4个点,纵向取4个点,采样点数16,通过数据分析程序读出数据,数据分析前面板如图3所示,图中显示4条直线的波形图。误差分析程序可以快速准确得出三维曲面图、最小二乘平面方程、采样点偏差值Z和平面度误差,得到的结果如图4所示,采样点的测量数据如表1所示,评定的误差结果为0.15635mm,最小二乘平面方程为
3 结束语
用最小二乘法进行平面度误差评定,可以快速准确地完成采集、保存和误差分析,并给出三维曲面图及平面度误差值,开发的系统界面友好,实现了测试过程的自动化、数字化、可视化,提高了平面度误差测试效率、数据处理速度和测试精度。
参考文献
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平面度检测 篇4
材料与方法首先, 我们要获取TPS平面剂量的数据。第一步:在TPS中以Step&shoot照射方式设计了3个IMRT照射野, 射野大小分别为5×5cm2、10×10cm2、20×20cm2, 在每个照射野分别手动添加7个互不相同的控制点后进行剂量计算。计算完毕后将设计后的3个IMRT照射野数据导出通过局域网传输到V600 MLC控制台备用。第二步:利用TPS的平面剂量工具分别添加5个5×5cm2照射野的平面剂量, 每个平面剂量的解释度分别设为0.5mm, 1mm, 1.5mm, 2mm及3mm。同理添加10×10cm2照射野和20×20cm2照射野的平面剂量, 总共15个平面剂量。将15个平面剂量的SPD均设为102.4cm, PDD均设为100cm。第三步:计算平面剂量并记录每个平面剂量的计算时间。计算完毕后将平面剂量数据以文本方式导出通过网络传输到安装OmniPro的计算机备用。
接下来我们将对3个IMRT照射野进行实测数据采集。第一步:将V600的机架角调整为零度, 并使MatrixX的十字线与V600照射野十字线重合。第二步:在MatrixX表面覆盖2cm等效平面模体, 并调整V600到等效平面模体表面的SSD为100cm。第三步:在V600 MLC控制台分别调用5×5cm2、10×10cm2、20×20cm2的IMRT照射野, 启动V600对MatrixX进行动态照射, 利用OmniPro实时采集各照射野在MatrixX的照射数据并保存。
最后, 我们将对两种平面剂量进行GAMMA比较。在OmniPro的DataSet1 中以通量图方式导入TPS计算所得的5个5×5cm2照射野平面剂量数据, DataSet2打开MatrixX采集的5×5cm2照射野平面剂量数据, 逐个调整DataSet1和DataSet2的最大剂量为相同值并作GAMMA比较, 记录每个GAMMA比较的结果。同理, 将TPS计算所得的5个10×10cm2照射野平面剂量数据与MatrixX采集的10×10cm2照射野平面剂量数据作GAMMA比较并记录结果;将TPS计算所得的5个20×20cm2照射野平面剂量数据与MatrixX采集的20×20cm2照射野平面剂量数据作GAMMA比较并记录结果 (结果如表1) 。
2结果
我们将每个平面剂量在TPS的计算时间及在OmniPro的GAMMA结果进行整理后可得出表1。
同上表我们可以看出, 0.5mm解释度的平面剂量比较结果在均大于97%, 符合验证要求, 但是计算时消耗的时间最多, 约8～13 min;大于等于1.5mm解释度的平面剂量虽然消耗计算时间较少, 但比较结果都小于95%, 不符合验证要求;1mm解释度的平面剂量比较结果在大于等于97%, 与0.5mm解释度的平面剂量比较结果比较接近, 符合验证要求, 消耗计算时间约为4～6 min, 比0.5mm解释度的平面剂量计算时间少了约一倍;而大于1.5mm解释度虽然计算时间最少, 在其GAM-MA结果均小于95%, 不符合验证要求。从验证精度及减少TPS运算量方面来看, 1mm解释度的平面剂量在IMRT平面剂量验证中应该比较适中。
参考文献
[1]胡逸民.肿瘤放射物理学[M].北京:原子能出版社, 1999:89-93, 458-462, 538-541
平面度检测 篇5
1.1 前言
由于风电塔筒上段顶部法兰总装时与风机机舱推力轴承相连接, 所以对其装焊形位公差控制要求相当严格。我公司承制的许继2000KW/80m风电塔筒顶部法兰总装后图纸要求法兰平面度不大于0.35mm, 表面光洁度为5级。远高于东汽风电塔筒对法兰焊后平面度0.6mm的要求。
1.2 保证顶部法兰要求平面度0.6mm以内的上段塔筒传统的加工工艺
为保证风电塔架上段塔筒顶部法兰的焊后平面度, 对于顶部法兰要求平面度0.6mm以内的上段塔筒, 我们通常采用如下的加工工艺。我们在塔架上段塔筒上、下法兰整体辗制成型后机加工时预留适当的法兰内倾反变形量。塔架上段塔筒厂内装焊时, 采用先将上、下法兰与与之相邻的筒节在平台上竖装, 将焊缝间隙调整均匀, 点焊定位加固成组件;再将上段其余筒节按排板图也装配成组件, 定位加固;最后将二法兰组件与筒节组件总装。检验合格后, 制定严密、科学的焊接方法、焊接规范及合理的焊接顺序, 然后认真施焊, 从而尽可能地减小焊接变形。如果采用我们传统的加工方法, 将难以保证许继塔筒顶部法兰焊后平面度要求, 生产将不能正常进行, 进而影响产品的正常交货周期。
2 改进方法探讨
顶部法兰机加工时在法兰端面予留5mm厚度余量作为焊后加工余量。结合我公司设备现状, 我们制订了二种加工方案:
2.1 方案一
顶部法兰与筒节T1装焊后, 用6.5m立车加工法兰端面。6.5m立车加工范围φ3.2m～φ3.3m, 加工最大高度3.5m。
由于加工部件刚性不足, 立车加工时振动较大, 表面光洁度不能达到图纸要求。6.5m立车的加工精度虽可保证0.3mm～0.5mm, 但由于后续环缝焊接时, 焊接变形还会加大顶部法兰的平度变形。故采用此方案, 最终不一定能满足图纸要求。
2.2 方案二
顶部法兰与筒节T1、T2、T3装焊后, 先用TJK6916数控落地铣镗床加工法兰端面。设备加工范围:行程3×8m;工作台2.5×3m;工作台承重40000Kg。加工部件总重13245Kg, 长度7.41m, 经现场实测加工设备及其周围空间环境完全能够满足机械加工要求。
由于该设备本身加工能力强、精度高;况且三节筒节与顶部法兰成组件后加工, 减小了总装时焊接变形对顶部法兰平面度的影响。经综合评估, 我们认为该方法能够较好地保证加工质量。
3 方案实施
3.1 提高被加工组件刚性
顶部法兰机加工时在法兰端面予留5mm厚度余量作为焊后加工余量, 将顶部法兰与筒节T1、T2、T3装焊好后, 用TJK6916数控落地铣镗床加工法兰端面。同时为提高被加工组件加工时的刚性, 减小加工后法兰表面可能产生的弹性变形, 我们在筒节T3外口处如图点焊一δ16环形加强筋。
3.2 设计铣镗床定位夹紧专用工装
由于铣镗床工作台面较小, 且风电塔架上段塔筒为锥筒, 我们必须设计一套专用工装, 既要保证塔筒定位后锥筒中心线平行于铣镗床工作台面, 又要能保证工件与铣镗床工作台紧固在联接在一起。为此, 我们设计了许继上塔筒顶部法兰端面加工夹具定位支撑Ⅰ、Ⅱ。
使用时, 需先将夹具支撑Ⅰ、Ⅱ, 分别用M24螺栓压紧在数控铣镗床工作台上;将待加工组件轻轻放置在定位支撑上, 并分别用拉杆将抱箍与支撑件联接牢靠;在被加工组件尾部用千斤顶将工件支撑平稳, 以防加工时振动。装夹好后, 在机床主轴用百分表对顶部法兰端面四个象限分别测量, 调整工件直至塔架上段塔筒顶部法兰端面加工余量分布均匀后, 方可开始加工。
加工完毕后, 用EASY-Laser激光找正仪测量顶法兰平面度为0.07mm;粗糙度远高于图纸要求。
4 结论
加工后, 将风电塔架上段塔筒顶法兰组件与上段塔筒下法兰筒节组件及上段塔筒其余筒节组件按拼板图装配、定位焊。按图示测量上段塔筒, A、B、C、D四个象限斜边长 (在45°C方向上测量) , 对角线长差值在3mm以内为合格;否则返修。用EASY-Laser激光找正测量仪测量上段塔筒上、下法兰平行度。合格后, 焊接终结环缝。最后用EASY-Laser激光找正仪测量上段塔筒顶法兰最终平面度, 实测为0.18mm, 远高于图纸及规范要求。
实践证明该方案科学、合理、经济、适用、高效, 完全能够满足生产要求, 适合在风电塔筒顶法兰平面度要求较高时推广使用。
参考文献
[1]徐灏.机械设计手册第四卷[M].北京∶机械工业出版社, 1995.
平面度检测 篇6
线性滚珠导轨已进行标准化生产, 由于运动精度高、耐磨性好、负载能力强、高刚性和安装方便, 在机床、非标设备、工装夹具等方面应用已非常广泛、普遍。由于生产工艺和在运输过程中的影响, 线性滚珠导轨存在一定的直线度误差。在应用过程中使用两条平行导轨配对安装使用时, 常因安装两条直线导轨的基面相距较大, 加工基面时, 两个基面在同一平面的平面度存在误差, 对于装配精度要求高的线性导轨, 安装时需要刮研、调校, 在调校工作过程中容易发生误判, 造成调校效率低, 浪费时间。还有可能因误判, 错误对基面进行铲刮而造成工件报废。本文对怎样采用正确的调校方法防止调校过程中误判并节省安装调整时间做出分析。
2 造成误判的原因分析
两个安装导轨的基面因相距一定的距离, 有些较大工件加工两个安装基面时, 需要二次装夹, 因加工机床本身的精度误差和二次装夹引起的误差, 造成两个安装基面在同一平面内的平面度很难保证满足安装要求。在安装较大工件的两条线性导轨时, 为了保证两条线性导轨上平面在同一平面内的平面度要求, 常需对安装两条线性导轨的基面进行人工手动铲刮校平。常用方法是先将两条线性导轨分别固定在两个安装基面上 (如图1) , 在其中一条固定好的线性导轨滑块上吸上磁力表座, 安装好百分表或千分表, 表头触在另一导轨的上平面上, 缓慢均匀地往返移动滑块至导轨两端, 记录表针的最大跳动数据差, 就为平面度的误差数据。
如图1所示, 因导轨安装基准面A、B相隔一定距离, 加工后两平面在同一平面内的平面度存在一定误差, 假若以B基面为基准, A基面与B基面平面度误差值为C, 在安装紧固螺钉的A导轨滑块上连接好测量支架和磁力表座架, 千分表头适度地触碰在已紧固好安装螺钉需水平调整的B导轨上, 沿导轨直线方向缓慢均匀地往返推动导轨滑块, 千分表的跳动最大差值为A、B导轨安装后在同一平面内的平面度误差值。这种判定方法表面上看是合理的, 在线性导轨调校工作中很多安装调试人员都会使用这种方法, 做出判断, 铲刮修正A、B导轨安装表面的平面度。实际上这种判断方法存在问题, 给导轨安装调校人员造成了误解, 有可能实际存在的误差值被多倍地放大。
例如:如图1, 假若测量得到的误差值为X, 实际存在的平面度误差值为C, 导轨的安装宽度为L时, X=C×D/L, 如:D为600mm、L为30mm、C为0.05mm, 那么X=0.05×600/30=1.00mm (而实际上两条导轨的平面度误差C只有0.05mm) 。一般而言, 对于平面直线导轨安装后两上平面的平面度要求为≤0.10mm, 按图1检测要求得出的结论为, 图示B基面与A基面平面度相差1mm, 严重不合格, 需铲刮或返修加工B基面, 造成实际的A、B安装基面平面度差值越来越大。
前面例子中提到导轨宽30mm, 两导轨安装基面宽600mm, 是导轨宽的20倍。如果A导轨的基面平面度差0.05mm, 测量支架与另一导轨的上平面成一夹角, 放大了固定导轨的平面度误差值, 考虑到测量支架加上磁力表架的长度是A导轨宽的20倍。测量两平面度差就成了1mm。给装配人员造成平面度误差太大, 不能手工修复的假象。这就是图1的测量方法不正确, 造成了人为误判。
3 正确的判定方法
在安装直线滚珠导轨的过程中, 如遇到这种情况, 要在B导轨上装上滑块, 固定好测量支架和磁力表架, 用千分表头触到A导轨表面, 缓慢均匀地往返移动B导轨上的滑块, 来测量A导轨与B导轨上的平面度差, 按前面假定的B基面平面度数据, 千分表测量的结果就为0.05mm, 符合安装要求。如果B面的平面度有误差, 测量结果也会被放大, 这时就要用到精度较高平尺 (或合适的精度较高的小平板) 和塞规来做判定, 如图2, 将平尺 (或尺寸合适的平板) 架在A、B两个基面上, 选用合适的塞规从各个角度插入平尺 (或平板) 与A、B两个基面之间的缝隙, 能插入的最大厚度值为两个基面表面在同一平面内的平面度差值, 如发现不合格或需提高精度, 只需铲刮A、B两条导轨安装基面的高点, 比较容易修复, 达到我们所要的高精度要求。
4 结语
平面度检测 篇7
随着自动化产业的发展, 点胶成形导电橡胶工艺因其独特的使用方式、自动化程度高、高屏蔽性能和较低生产的成本, 使其在空间体积小、复杂结构腔体中应用越来越多。由于腔体在加工成形后平面度严重超差, 引起点胶针头与导电橡胶成形面之间的高度改变, 从而影响导电橡胶的外形尺寸。因此解决复杂型腔加工后平面度问题成为实施点胶成形导电橡胶工艺的关键。文章从实际加工工艺角度出发, 试验分析不同工艺流程对平面度的影响, 进而得到有效的加工工艺流程, 满足了点胶成形导电橡胶工艺的使用要求。
1复杂型腔平面度问题分析
复杂型腔的使用材料一般为冷轧制铝板其牌号为6061-T651, 由铝合金牌号6061和热处理状态T651组成, T651代表的意思是:T6-固溶处理后人工时效;Tx51-为消除固溶处理后的残余应力进行拉伸处理, 板材有0.5%~3%的永久变形, X代表3、4、6或8, 如T351、T651、T851, 拉伸消除应力后不做任何矫正时效。其成分如表1所示。
复杂型腔在加工过程中由于去除表面硬化层产生内应力、加工内腔体过程中产生的加工内应力和装夹内应力, 导致加工后复杂腔体的平面度严重超差。传统复杂型腔装配是使用导电橡胶条进行电磁屏蔽密封, 通过螺钉紧固后腔体自然整平, 通过自然时效后内应力会逐渐消退。但如果复杂腔体进行点胶成形导电橡胶工艺, 加工后平面度必须满足后续工艺使用要求。
加工后复杂型腔由于内应力不均匀而产生变形, 从而导致平面度不能满足后续工序要求。
引起内应力不均的主要原因有如下三个:
(1) 6061-T651属于冷轧制铝板, 表面有一层硬化层, 材料未加工之前处于应力平衡状态, 在加工过程中, 由于硬化层被去除, 导致材料内部应力不均 (如图1所示) 。
(2) 另一个主要原因可能是复杂腔体材料切削去除量较大, 导致腔体与腔体之间产生复杂应力。
(3) 腔体在装夹过程中产生的装夹应力。
2拟定工艺试验方案
依照上述原因, 分析引起复杂腔体平面度问题的主要原因可能是内应力分布不均, 解决这一问题常用的方法为去应力退火, 而解决由内应力引起变形的问题常用模具退火校形, 零件在模具的限制下, 通过退火得到一个平衡的内应力, 从而达到校形目的。
根据点胶工艺选用复杂腔体如图2所示, 厚度为5.8mm, 腔深4.3mm, 圆柱凸台高为0.5mm, 筋宽为3mm。依据上述原因对策分析及以往复杂腔体加工经验拟定如下四种加工工艺流程进行试验:
(1) 采用螺装工艺装夹毛坯, 铣表面余量, 保证屏蔽盒厚度尺寸———铣凸台———铣型腔———铣孔位———铣外形落料。在此加工工艺中毛坯背面不加工。
(2) 采用螺装工艺装夹毛坯, 铣表面余量0.5mm, 反面装夹, 依然采用螺装工艺装夹, 铣表面余量保证厚度尺寸———铣凸台———铣型腔———铣孔位———铣外形落料。
(3) 下料后, 对毛坯进行去应力退火, 退火参数为升温30min至180℃后保温2.5h, 空气冷却。然后加工方法与方案1一致。
(4) 对采用方案1加工后的复杂腔体进行去应力退火整形。退火工艺为:采用45#钢板制作工装将零件装夹在中间, 四周用螺栓夹紧, 升温30min至300℃后保温2.5~3h, 空冷。
3工艺试验结果及分析
使用三坐标测量分析仪对上述4种不同加工工艺流程的零件进行平面度测量, 结果如表2所示。通过表2可以发现方案1平面度最差, 而方案2和3平面度相对较好, 但仍不能满足点胶成形导电橡胶工艺使用要求, 这说明去除表面硬化层和加工前对材料进行去应力退火, 对于改善平面度是有一定作用的。
为对比方案4中退火整形对平面度的影响, 先对试验件进行检测后, 再进行退火整形处理, 然后再次测量平面度, 对比其效果。测量后得到复杂型腔平面度如表3所示。
通过表3得知整形退火后的平面与加工工艺方案2、3的结果相差不大, 同样未达到点胶成形工艺的使用要求。通过查阅资料和分析得知, 引起上述问题的原因可能是由于冷却方法不得当造成的, 要尽可能延长冷却时间, 让零件内应力得到更好的释放, 从而达到所期望的内应力平衡状态, 达到整平的效果。
在后续试验中, 改进了退火工艺参数, 将空冷改为随炉冷却, 12h后取出。对方案1中三个试样进行上述参数试验后得到复杂腔体平面度如表4所示。
由表4看出改善退火工艺参数后, 复杂腔体平面度有了显著的改善, 较之前的退火处理也有了较大的改善, 说明延长退火冷却时间对复杂型腔整平有着关键作用。
但是考虑到实际生产过程中复杂腔体的多样性, 尤其对于背面有台阶的复杂腔体, 如果每套复杂腔体制作相应配套夹具, 会严重增加加工成本以及降低加工效率。针对上述问题, 根据点胶复杂型腔的特点———两个型腔对应配套使用, 制作配套模板 (如图3所示) 夹在两复杂腔体中间, 然后用M2.5螺钉紧固, 紧固时用力矩扳手, 力矩大小为2.5N·m。将“装配”好的复杂腔体放入真空炉, 进行退火处理, 退火工艺参数同上, 测量得到平面度结果如表5所示。
通过表5对比表4可以看出, 采用复杂型腔配对装配后退火整平的方法相比使用夹具退火整平的方法有一定差异, 前者可以得到平面度小于0.2mm复杂型腔, 已能够满足点胶成形导电橡胶工艺的使用要求。
4结束语
针对点胶成形提出复杂型腔平面度问题, 作者结合以往加工经验, 对其进行了加工工艺试验, 整形试验。通过试验结果我们得知:
(1) 根据复杂腔体制作夹具, 进行退火热处理整形可以显著改善其平面度, 退火处理的关键是保温后零件冷却速度。根据其使用特点配对螺钉装配后退火整平的工艺方法, 可针对复杂型腔种类多, 外形复杂的特点, 节约生产成本, 提高生产效率。
(2) 从加工的角度看, 对于6061-T651型号铝合金, 表面具有硬化层, 从表2也可以看出, 两面去除表面余量的加工方法相比单面加工的平面度是有优势的。也就是说, 从加工方法出发, 仍有改善的余地。
参考文献
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