米乐m6官方网站 精确测量工业机器零件形状的新技术

米乐m6官方网站工程测量标准研究部渡边麻里，研究员，佐藤修，研究组组长，松崎和也，首席研究员，川岛真理子，研究组附件，渡边司，高级首席研究员，苫藤洋一，副研究主任，高辻俊之名誉研究员开发了一种提高工业机械零件曲面形状测量可靠性的技术。

一些工业机械零件需要微米级的精度模制。对于发电机和发动机中使用的涡轮叶片来说，与设计形状的微小偏差不仅会影响发电效率和旋转效率，而且还会在运行过程中造成故障。因此，成型件的形状为3D坐标测量机进行精确评估（坐标测量机；CMM）。然而，使用接触式坐标测量机，曲率半径测量曲面形状时，由于使用半径约为1毫米的有限尺寸的探针球体进行测量的原理，可能会出现几微米的误差。

本次接触式三坐标测量机将用于测量、图像处理中的噪声去除以及表面粗糙度测量形态处理，我们开发了一种将测量变化减少到亚微米量级的技术。我们还将这项技术应用于测量涡轮叶片的横截面形状，并证明它可以减少测量变化。这有望提高工业机器零件形状评估的可靠性，并有助于确保加工精度和安全性等质量。

此研究结果的详细信息将于 2024 年 9 月 11 日发布。精密工程

一些工业机器零件的形状影响整个工业机器的性能。特别小的零件需要微米级精度的成型。例如，除了涡轮叶片表面的光滑度之外，边缘的形状也极大地影响通过涡轮的气体流量。如果与理想设计形状偏差较大，气流就会受到干扰，不仅会降低涡轮机的发电效率和旋转效率，还会引起叶片损坏等问题。工业机器零件的形状评估对于确保工业机器的安全性和其他性能非常重要。

CMM 通常用于评估工业机器零件的形状。其中，接触式坐标测量机因其精度高且可以测量复杂形状而得到广泛应用。然而，如果评估目标包括曲率半径较小的形状，则传统方法会错误地估计校正接触式坐标测量机探头球体半径的方向，从而导致数微米的测量偏差，从而导致测量结果与实际形状不同。为了确保工业机械的安全，需要评估加工精度是否满足要求。因此，由于测量变化，实际适合的形状必须被评估为不合格，这可能导致不必要的高成本。

AIST致力于确保工业机械零件等的三维形状测量的精度，迄今为止已开发出评估齿轮形状测量精度的方法和评估3D打印机建模精度的方法。此外，近年来，随着汽车行业质量管理体系标准IATF16949的发布，对工业机械零部件的质量要求变得更加严格，因此我们将测量范围扩大到包括涡轮叶片等各种工业机械零部件，并一直在开发提高形状测量可靠性的技术。

为了保证工业机器零件的加工精度，需要使用接触式三坐标测量机对形状进行高精度评估。特别是曲率半径较小的曲面，其形状变化较大，因此必须以精细的间隔进行测量。使用接触式三坐标测量机进行测量时，将测球放在被测物体上时即可获得测球的中心位置。在传统方法中，通过计算垂直于连接相邻探针球体中心位置的直线或平面的方向来估计应校正探针球体半径的方向，并在该方向上校正探针半径。然而，由于接触式三坐标测量机等机械误差，所获得的探针球体中心位置包含亚微米量级的噪声，因此相邻探针球体中心位置形成的直线是倾斜的，并且校正探针半径的方向被估计为偏离。此时存在的问题是，测量曲率半径为几毫米或更小的曲面形状越接近，相邻探头球体中心位置形成的直线就越倾斜，从而增大了校正探头半径方向的偏差，导致几微米的测量偏差。

因此，我们开发了一种通过对接触式坐标测量机的测量值应用用于图像处理和表面粗糙度测量的形态处理来校正探头半径的方法。形态处理通过在图像数据中添加或减去特定特征（例如圆圈）来消除噪声并增强轮廓。这次，假设探针球体是一个完美的圆形，我们通过计算从探针球体中心位置生成的与圆形体相切的曲线来估计物体的形状（见图）。所开发的方法与传统方法的不同之处在于，它消除了在探头球体经过的区域内进行探头半径校正的可能性，从而减少了测量变化。

图1显示了使用接触式坐标测量机对涡轮叶片的横截面形状进行三次测量的结果，作为具有小曲率半径的工业机械部件的示例，并对每次测量结果应用了开发的探头半径校正方法。纵轴表示轮廓形状，以正圆的部分圆弧为标准形状（纵轴0），从被测探头球体的中心位置确定涡轮叶片截面形状的曲率半径，得到轮廓形状。当采样间隔变得更细（例如 16 µm 或 8 µm）时，传统的探头半径校正技术会显示出几微米的测量变化。另一方面，我们发现，无论采样间隔如何，所开发的方法都能够将测量变化减少到亚微米量级。这项研究成果有望提高工业机器零件形状评估的可靠性，有助于确保加工精度。

新开发的接触式坐标测量机测量探头半径校正方法也可应用于涡轮叶片以外的工业机械部件的形状评估。为了实现更精确的形状评估技术，我们将进一步发展这次假设探针球体为正圆的结果，并将探针球体的实际形状纳入计算中，进一步提高曲面形状测量的精度。

出版的杂志：精密工程
论文标题：使用 CMM 进行精确的表面轮廓测量，无需估计尖端校正矢量
作者：M Watanabe、O Sato、K Matsuzaki、M Kajima、T Watanabe、Y Bitou、T Takatsuji
DOI：101016/j precisioneng202409009

坐标测量机 (CMM)

在可以获得三维坐标的测量空间中，通过称为探针球的球面接触被测物体，并根据此时获得的探针球的中心位置校正探针的半径，来测量物体的尺寸和形状的装置。[返回来源]

曲率半径

表示曲线或曲面的弯曲程度的指数。当曲线的一部分被视为圆弧时，圆的半径。[返回来源]

形态处理

一种通过计算处理来分析几何形状的方法。存在诸如通过向目标形状添加诸如圆形的形状元素来扩大目标形状、以及通过从目标形状减去形状元素来缩小目标形状等处理。应用于图像处理中的噪声去除和表面粗糙度测量中的特征提取。[返回来源]

图2形态处理