一种蜂窝芯类零件孔特征的测量方法与流程

本发明涉及一种蜂窝芯类零件孔特征的孔心位置测量方法。

背景技术：

蜂窝芯材料，指类似蜜蜂巢穴在结构上呈空心六方晶格，有规则的排列的填充材料。此种材料具有重量轻、稳定性好、强度高^[1]等特点，作为填充材料广泛的应用在航空航天、现代造船等工业领域。

对蜂窝芯特征检测，李慧娟[2]等采用三种光学测量方法对蜂窝结构中模拟脱粘缺陷进行检测，但作者并未涉及到孔特征测量；万谷[3]针对航空发动机机匣中蜂窝芯材料提出了采用基于伸缩式圆柱形测针的接触式电感传感器作为表面几何公差的测量手段，但此种方法仅针对环形蜂窝芯有较好效果；李智[4]针对蜂窝陶瓷提出一种线阵CCD摄像机对蜂窝陶瓷扫描以获取图像的方式分析测量，但该论文只考虑了边缘检测。目前利用三坐标测量机测量孔位等参数，在工业中应用较为广泛。通常测量方法为采用手动操作或程序控制选取几个孔壁上点，通过软件拟合得到孔的相关参数。但此种方法只适用于常规材料的孔特征测量，对蜂窝芯类零件孔特征测量无能为力。因为蜂窝芯类零件孔特征截面如图1所示，并无完整孔壁，通常测量方法无法获取孔壁点。

[1]Cheong T W,Zheng L W.Vibroacoustic performance of composite honeycomb structures[J].Noise control engineering journal,2006,54(4):251-262；

[2]李慧娟，霍雁，蔡良续，等.不同光学方法对蜂窝结构中脱粘缺陷检测[J].激光与光电子学进展,2010,47(11)：89-94；

[3]万谷.航空发动机蜂窝表面跳动和同轴度测量技术研究[D].哈尔滨工业大学，2015；

[4]李智.三元催化器蜂窝陶瓷载体质量的视觉检测系统研究[D].江西理工大学，2015。

技术实现要素：

本发明针对现有的测量难点，提出一种测量精度高，操作简单的基于三坐标测量的蜂窝芯类零件孔特征测量方法。技术方案如下：

一种蜂窝芯类零件孔特征的测量方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：计算孔特征理想孔壁与蜂窝芯的交点最小角度范围α；

步骤2：以O₀为初估孔心，孔端面作为基准面，在基准面上孔的五等分线处各设一个圆心角为α的扇面作为采样区，在五个采样区内分别均匀采样测量a个点，测量矢量为孔心O₀在圆心角α内等分射线矢量；

步骤3：分别搜索五个采样区内距离孔心O₀最近的点，并以此五个点拟合得到近似孔心O_a；

步骤4：以O_a为初始孔心，孔端面作为基准面，在上述五个最近点处各设一个圆心角为的扇面作为新的采样区，在五个新的采样区分别均匀密集采样测量m个点，测量矢量为孔心O_a在圆心角内等分射线矢量；

步骤5：分别搜索五个新的采样区内距离孔心O_a最近的点，并以此五个点作为近似孔壁点，拟合得到精确孔心O_m。

进一步的，所述角度α范围内仅存在一个理想孔壁与蜂窝芯的交点，即α圆心角对应孔的弦长等于单个蜂窝孔的最大尺寸，则

其中，R为理论孔半径，l为蜂窝孔最长对角线。

更进一步的，样测量a的取值方法为：当R＜10l时，3<a<5；当R＞10l时，1<a<3。

更进一步的，根据权利要求1所述的蜂窝芯类零件孔特征的测量方法，其特征在于，还包括计算测量的轴向误差δ：用球半径为r的测针球，在精确孔心O_m的圆心角α范围内均匀采样测量n个点，则：

δ＝r-r₁-r₂

其中，r₁为测针球过球心的截面圆与孔在基准面上圆的两交点间的弦到截面圆孔心的弦心距，r₂为该弦到截面圆的拱高。

本发明的有益效果是：利用三坐标测量机寻找孔壁最近点，在最近点基础继续逼近蜂窝芯类零件孔壁，通过近似孔壁点拟合获得孔心参数；并根据三坐标测量机测针参数、蜂窝芯参数以及孔特征理论数据对测量方法的极限误差进行了分析，大大的提高了测量精度，具有操作简单、实用性好的优点。

附图说明

图1为孔特征截面示意图。

图2为α角度内理想孔壁与蜂窝芯的交点示意图。

图3为α角度极限位置。

图4为五个测量区域示意图。

图5为轴向δ误差示意图。

图6测针球半径分解示意图。

具体实施方式

下面根据附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。本方法是利用三坐标测量机密集逼近孔壁并获得大量的测量点坐标，再通过测量点拟合获得孔心参数。这种方法的关键是确定包含孔壁的最小圆心角范围，在此范围内密集测量，选取距离孔心位置最近的测量点作为近似孔壁点。

具体步骤如下：

步骤1：计算孔特征理想孔壁与蜂窝芯的交点最小角度范围α。

为保证在α角度范围内存在至少一个理想孔壁与蜂窝芯的交点，如图2所示，则需圆心角α对应孔的弦长不小于单个蜂窝孔的最大尺寸l(最长对角线尺寸)。为了减少测量范围，α取值与蜂窝孔的最大尺寸相等，即在α角度范围内仅存在一个理想孔壁与蜂窝芯的交点，也即α圆心角对应孔的弦长等于单个蜂窝孔的最大尺寸。极限情况如图3所示。可求得α：

其中，R为理论孔半径，l为蜂窝孔最长对角线。

步骤2：以初估孔心位置O₀作为三坐标测量机测针的初始位置，孔端面作为基准面，在基准面上圆的五等分线处各设一个圆心角为α的扇面作为采样区，如图4所示，在五个采样区内分别均匀采样测量a个点，测量矢量为孔心O₀在圆心角α内等分射线矢量。

五区域测量意义及a值确定：

由于测量孔会发生倾斜，截面为椭圆特征。平面内至少需要五个点才能确定椭圆方程，进而计算孔心位置。测量过程中测量误差均为径向向外，在五等分位置测量可有效降低拟合近似孔心的位置误差。

a值确定应综合考虑两个方面，当R＜10l时，建议a取值3～5之间；当R＞10l时，建议a取值1～3之间。

步骤3：分别搜索五个采样区内距离孔心O₀最近的点(a_short1,a_short2,a_short3,a_short4,a_short5)，并以此五个点拟合得到初始心O_a。

通过五个点拟合孔心：设平面内一般椭圆方程为：Ax²+Bxy+Cy²+Dx+Ey+1＝0，将五个点带入即可得到椭圆方程，则孔心坐标为：O＝[(BE-2CD)/(4AD–B²)，(BD–2AE)/(4AD–B²)]。

拟合近似孔心O_a的目的包括两个方面，一是降低初估孔心位置的偏差对拟合孔心位置的影响，二是减少测量角度范围，降低工作量。

步骤4：以O_a位置作为三坐标测量机测针的初始位置，孔端面作为基准面，在五个最近点(a_short1,a_short2,a_short3,a_short4,a_short5)处各设一个圆心角为的扇面作为新的采样区，在五个新的采样区分别均匀采样测量m个点，测量矢量为孔心O_a在圆心角内等分射线矢量。

步骤5：分别搜索五个新的采样区内距离孔心O_a最近的点(m_short1,m_short2,m_short3,m_short4,m_short5)，并以此五个点作为近似孔壁点，拟合得到精确的孔心坐标O_m。

本测量方法的误差来源为测量点与实际孔壁的距离误差。误差又分为孔的轴向和径向两个方向。在径向方向孔倾斜造成的误差，由于倾斜角度较小，测针球半径也远小于孔径，产生误差可忽略不计；而在轴向方向均匀采样过程点数m增大时，测量点会接近孔壁上的点，但仍有误差，误差示意图如图5所示，δ即为轴向误差。

设δ为测量误差，测针球半径为r，在角度α内均匀采样点为n个。将测针球半径分解后如图6所示，误差δ可由球半径r与弦心距r₁、拱高r₂间几何关系求得，其中，r₁为测针球过球心的截面圆与基准面上圆的两交点间的弦到截面圆孔心的弦心距，r₂为该弦到截面圆的拱高。

δ＝r-r₁-r₂