我國航空、航天及軍工等部門的精密機械零件的機械加工生產(chǎn)的主要特點是：高精度、復雜形狀和難加工材料的零件多，新型號多、品種多、批量少，很多零件屬于試制性生產(chǎn)。很多關鍵性零件由于精度很高、配合上有特殊要求等，對于配合零件在工藝上多采用“偶件配做”或“試驗篩選”的方式制造。這種生產(chǎn)方式需要一種特殊的檢測方式伴隨著零件的加工制造過程。 

　　本文以電液伺服機構中的關鍵部件電液伺服閥的零件為例闡述先進工藝檢測技術及其應用。電液伺服機構廣泛應用于航空、航天等需要功率大、快速、精確反應的控制場合，有制造難度大、成本高的缺點。這些缺點尤其突出出現(xiàn)在電液伺服閥的各零件的加工制造過程中。在電液伺服閥閥芯和閥套（見圖1）的制造中，目前我國所有軍品生產(chǎn)廠家均未做到互換性加工。不論是徑向尺寸直徑D ，還是軸向尺寸A 、B 、C （和A 1 、B 1 、C 1）都是采用偶件配磨的方式加工，閥芯閥套一一對應，沒有互換性。以加工軸向尺寸的配做為例，一般是先加工好閥套方孔工作邊的尺寸A 、B 、C ；然后將閥芯裝在閥套內(nèi)一起測量軸向配合尺寸情況；再根據(jù)測量結(jié)果磨削閥芯端面，從而保證閥芯工作邊與閥套工作邊軸向尺寸的配合要求。

圖1 電液伺服閥滑閥副示意圖

　　從上述舉例可以看出，此種加工與傳統(tǒng)的互換性調(diào)整法機械加工不同，它是采用加工-測量-再加工-再測量的反復多次的工藝過程，最終達到技術要求的。伺服閥的加工要求特殊，因此在生產(chǎn)中需要很多專門的工藝方法和專用的儀器檢測方法和設備。 

　　先進工藝檢測技術的概念 

　　傳統(tǒng)批生產(chǎn)互換性制造工藝中，檢測工序一般是中間檢驗和最終檢驗。其目的大多是控制廢品率和作為調(diào)整機床和維護工藝裝備的依據(jù)。其形式一般采用專用工序或直接送計量室、檢定站等專業(yè)部門檢測。 

　　區(qū)別于上述檢測工序，在航空航天等精密制造領域特有的檢測技術，是與加工制造工藝為一體的，是精密零件制造中為達到某一關鍵技術要求所采用的整個工藝方法中的一部分。因此，我們將這種隨制造工藝過程而進行的、現(xiàn)場的、在位的，甚至是在線的檢測稱之為“工藝檢測”。 

　　根據(jù)上述定義，不難看出“工藝檢測”技術有以下特點：  

　　（1）不是驗證性檢驗，亦即不是給出“合格”與“不合格”的信息，而是要給出進一步加工的數(shù)值和方向，因此是屬于“邊干邊看”制造方式中不可缺少的“看”的過程，對工藝方法影響極大； 

　?。?）是在加工現(xiàn)場的檢測、計量，一般不是由專門的檢驗人員操作完成，往往直接由加工者檢測，是一種現(xiàn)場的、在位的或在線的實時檢測； 

　?。?）檢測設備和方法往往是專用的，一般必須結(jié)合具體工藝需要試驗、設計、研制專門測量方法和儀器設備； 

　　（4）精度和效率都有較高要求。 

　　上述的“工藝檢測”技術的特點決定了其專用性強，使用面窄，故國內(nèi)也始終沒有專業(yè)生產(chǎn)廠家生產(chǎn)制造有關工藝檢測的設備儀器。因此，國內(nèi)軍工生產(chǎn)部門在生產(chǎn)過程中還部分采用一些較為落后的工藝方法和儀器檢測設備，甚至在某些關鍵零件的加工中還采取了較為原始、落后的所謂“土辦法”來適應生產(chǎn)需要。這種測量方法操作繁瑣，工作量大，還需計算，讀數(shù)誤差大，效率低，制約了精密零件制造工藝的發(fā)展。 

　　為了提高航空航天等行業(yè)精密零件工藝檢測的水平，我們提出了先進工藝檢測技術的概念。先進工藝檢測技術是將現(xiàn)代計算機、微電子技術和傳感器技術應用于工藝檢測中，結(jié)合精密零件制造的工藝特點，采用先進的工藝檢測方法，實現(xiàn)精密零件的高精度、自動化檢測。先進工藝檢測技術包括兩個方面的內(nèi)容。 

　?。?）采用當代先進的計算機數(shù)據(jù)采集和控制測量過程技術，利用傳感器等先進手段，進行自動化測量、數(shù)據(jù)采集處理和結(jié)果打印、輸出記錄存檔等。 

　?。?）采用區(qū)別于傳統(tǒng)工藝檢測方法的先進工藝檢測原理，利用相對法測量、非接觸式測量等先進測量技術，使工藝檢測更具科學性、合理性。 

　　以下結(jié)合我們的科研成果，介紹一些先進工藝檢測技術的方法和應用。 

　　自動化流體式測量技術 

　　自動化流體式測量技術是一種利用現(xiàn)代計算機技術和傳感器技術，以測量流體的流量或壓力來間接測量微小幾何量的一種工藝檢測技術。這種檢測方法不僅僅是單純的流體特性測量，流體特性測量是為工藝檢測服務的。流體式工藝檢測所利用的測量介質(zhì)可以根據(jù)需要選用氣體或者液體，相應的可區(qū)分為氣動測量和液動測量兩種類型。這里主要以電液伺服閥的滑閥副疊合量配磨測量為例，介紹自動化流體式測量的基本原理和方法。 

　　伺服閥的疊合量是伺服閥、滑閥加工過程中需要嚴格保證精度的關鍵的設計和工藝參數(shù)，它是指滑芯在閥套中位時，閥芯臺肩的工作棱邊和閥套相應方孔的工作邊的軸向配合尺寸。對于最常用的四開口滑閥（見圖2），由于有4個閥口，因此相應有4個疊合量需要保證，即圖2中的L a~L d。伺服閥疊合量的實質(zhì)是滑閥中位時各個節(jié)流口的開口形式。

圖2 滑閥疊合量示意圖

　　由于疊合量對伺服閥的性能有很大影響，因此在設計上對伺服閥滑閥疊合量的要求非常嚴格，一般配合精度為1~2μm的范圍[2-3]。疊合量的加工都是采用偶件配作的方式進行，由于一般采取磨削閥芯臺肩去配已提前加工好的閥套的方法，所以疊合量的加工稱為“配磨”[3]。開始配磨時滑閥各節(jié)流口疊合量通常留有幾百微米的加工余量，到最后加工完畢要經(jīng)過“測量-磨削-測量”幾次反復的過程，疊合量加工的精度需要用測量來保證。 

　　從原理上講，可以按疊合量的定義分別計量閥套方孔4個平面之間的相對位置尺寸和閥芯4個臺肩端面之間的相對位置尺寸，即可計算出疊合量的數(shù)值。但事實上并沒有采取這種測量的方法，這種方法也不可能準確地測量出滑閥的真實疊合量。主要原因：疊合量實際上是棱邊之間的距離，而測量點只能是落在形成工作棱邊的端面上，不可能落在閥口工作棱邊上，這就造成了測量的不準確性。而且閥口棱邊處有可能存在有塌邊、圓角以及必然存在的徑向間隙等諸多非理想情況，所以間接測量的方法不能反映閥口的實際情況。真正實用的辦法是利用某種裝置使各閥口通過某種流體介質(zhì)，利用介質(zhì)的流量或壓力等參量的變化來間接反映各閥口之間在軸向的相對位置關系（即疊合量），可以稱之為疊合量的流體式測量法。 

　　早期氣動測量方法較為原始，采用手動的氣動綜合測量法[4-5]。這種測量方法最初尚能應付試制性軍品生產(chǎn)方式下的單件小批生產(chǎn)規(guī)模，但當批量稍大，精度要求更高時就難以滿足生產(chǎn)要求了。 

　　1 基于壓力式氣動測量的疊合量測量 

　　如圖3所示將伺服閥的環(huán)形節(jié)流口展開后可以看成是一種噴嘴蓋板機構。經(jīng)穩(wěn)壓后的壓縮空氣P g流經(jīng)面積梯度為w 開口量為x 的方孔，再流經(jīng)節(jié)流噴嘴d 溢入大氣。改變開口量x 可以改變P c的大小，故可通過測量P c來度量x 的大小。

圖3 單閥口氣動測量氣路

　　由氣動測量的理論可知，當節(jié)流噴嘴直徑d 和氣源壓力P g都選定時，P c與x 的關系如圖4所示。

圖4 P c與x 的關系曲線

　　由于P c與方孔開口量x 是非線性的關系（見圖4）。為了能方便地找出零開口位置，必須將特征方程線性化。通過測量不同開口大小的P c值，并進行線性化處理就可以得到xv -Y 的測量曲線，從而獲得閥口的零開口位置，并以此計算出伺服閥的疊合量L a~L d。 

　　采用公式變換法來線性化特征方程，將特征方程改寫為

　　在實際測量過程中，由于上式為線性方程，所以對于各個節(jié)流口只需測出一組（P ci，x i）值，再利用式（2）算出Y i。對測量點采用最小二乘法進行線性回歸計算，就可得到線性回歸方程Y =A x +B 。 

　　對入滑閥副的4個節(jié)流口可以得到如圖5所示的4個零開口位置x a0，x b0，x c0，x d0后。選定一個基準點坐標x 0=（x b0+x c0）/2，再分別計算出各邊的疊合量數(shù)值。

圖5 壓力式氣動測量特性曲線

　　采用計算機測控技術、傳感器技術，并基于以上原理設計并開發(fā)了疊合量氣動自動測量系統(tǒng)，替代了傳統(tǒng)的手動測量土辦法。 

2 基于流量式液動測量的疊合量測量 

　　氣動測量法具有分辨率高、適應能力強、易于實現(xiàn)多參數(shù)綜合測量等優(yōu)點。但是氣動測量法采用的介質(zhì)與伺服閥實際使用的介質(zhì)航空液壓油不一致，且氣體無粘性，對泄漏敏感。經(jīng)分析，對于額定流量大的伺服閥更益采用液動法進行測量[6-7]。 

　　流量式液動測量原理如圖6所示，壓力為Pg的液壓油通過伺服閥滑閥的矩形節(jié)流口，并流經(jīng)流量計后回到油箱。閥口的開口量xv可以通過測量通過閥口流量的大小來間接測量。

圖6 流動式液動測量原理圖

　　閥口的流動狀態(tài)可以用薄壁孔口淹沒出流的流量計算公式來描述。流量的計算公式為：

　　式中，Q 為通過閥口的體積流量；△p為閥口前后壓力差； ρ為液壓油密度；A 為閥口的過流面積，對于理想滑閥閥口A =nwxv；C d為流量系數(shù)，在一定條件下為常數(shù)。 

　　當閥口壓差△p恒定，液壓油可以看作不可壓縮流體，因此密度ρ也為常數(shù)。根據(jù)式（3），各個閥口的流量可寫為Q =Kxv +B 。類似氣動法疊合量測量的處理方法，可以得到滑閥副的疊合量值[8]。 

　　3 氣動窄縫掃描測量 

　　閥芯和閥口所形成的閥口節(jié)流工作棱邊是電液伺服閥的關鍵結(jié)構，其加工質(zhì)量直接影響電液伺服閥的整體性能。棱邊端跳動為閥口節(jié)流工作棱邊的加工質(zhì)量的重要指標。然而，由于節(jié)流工作棱邊處于閥套內(nèi)側(cè)、精度要求高、易于損壞等原因，棱邊端跳動無法利用通用測量設備進行檢測。 

　　測頭做成窄縫狀，當其沿著被測棱邊運動時，就能夠?qū)⒈粶y棱邊的端跳動測量出來。如圖7所示，這種方法可稱為“氣動窄縫掃描測量法”。

圖7 氣動窄縫掃描測量法基本原理

　　如圖8所示，根據(jù)不同測量對象的具體形狀和測量要求來設計專用的氣動窄縫掃描測量法測頭。用于測量閥套方孔工作棱邊跳動，測頭可設計成圖8所示的芯型。

圖8 利用氣動窄縫掃描法進行閥套和閥芯工作棱邊跳動測量

　　保持測頭與閥芯軸向位置關系不變，旋轉(zhuǎn)閥芯或測頭時，閥芯棱邊軸向幾何誤差必然反映到開度S 的變化上，從而引起pc值的變化。通過壓力傳感器把壓力轉(zhuǎn)化為長度尺寸量、可以將幾何形狀精度（軸向跳動量）測量出來。 

　　4 伺服閥小孔配對測量 

　　雙噴嘴擋板力反饋兩級電液伺服閥是電液伺服閥的主要類型，是目前應用廣泛的電液伺服閥之一。 

　　噴嘴是雙噴嘴擋板閥的重要零件，雙噴嘴擋板閥為對稱式結(jié)構，即在一個噴嘴擋板閥中有兩個噴嘴，對于它們前端的節(jié)流小孔有嚴格的對稱性要求，一方面體現(xiàn)在結(jié)構上的對稱性，另一方面體現(xiàn)在流體性能上的對稱性要求。雙噴嘴擋板閥的結(jié)構對稱性可在伺服閥在液壓零位調(diào)整時通過調(diào)整噴擋間隙來保證。而對流體性能對稱性，需要通過對一批噴嘴進行壓差流量測量，然后再根據(jù)測量數(shù)據(jù)進行配對，篩選出對稱性好的兩個噴嘴（即兩者的壓差流量值之差小于配對要求）來保證。我們研究了一種伺服閥噴嘴自動流量配對測量技術，并研制了一系列計算機控制的噴嘴壓差流量自動測量系統(tǒng)，實現(xiàn)了噴嘴流量的自動測量和配對[9-14]。 

　　配對測量包括了壓差—流量和壓力測量兩個部分。其中壓差—流量特性的測量原理如圖9所示。采用壓力傳感器1和2分別測出噴嘴前端的壓力值和出口處的壓力值，用齒輪式流量計測量此壓差下通過噴嘴的流量值，進行一系列的調(diào)壓和測試后得出噴嘴的一系列壓差值和對應的流量值。

圖9 壓差—流量特性的測量原理

　　壓力特性測量原理如圖10所示，在噴嘴前面串聯(lián)一個標準節(jié)流孔，控制前后壓力差在要求范圍內(nèi)，即△P=P1-P2 ，采集中間傳感器P 0對應的壓力值。根據(jù)液流連續(xù)定律，通過標準節(jié)流孔和被測噴嘴的流量相同，若被測孔的節(jié)流特性高于標準節(jié)流孔則P 0值會升高，反之則會下降。記錄下每個噴嘴的壓力值P 0，然后選擇壓力值之差在配對范圍之內(nèi)的兩個噴嘴配對使用。

圖10 壓力特性測量原理

　　編制測試系統(tǒng)軟件，通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫存儲的測量數(shù)據(jù)，并根據(jù)算法實現(xiàn)了伺服閥小孔零件的自動配對。 

　　智能化電動式測量技術 

　　用電量（電壓或電流等電參數(shù)）的變化來測量幾何量（如尺寸、形狀和位置）或物理量等非電量的方法稱為電動式測量。電動式測量的工作原理是將被測參量（如微小位移）變化，轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)放大或運算等處理后，用指示表指示，用記錄器記錄，或去控制一定的執(zhí)行機構。 

　　先進工藝檢測技術中，電動式測量方法應用很廣泛，本文僅介紹具有代表性的伺服閥中的關鍵彈性元件彈簧管的剛度值的測量方法。 

　　為了改變測量精密彈性元件的落后狀況，我們研究了剛度測量技術。采用傳感器、微處理器等先進技術實現(xiàn)了剛度測量的全自動化測量，現(xiàn)已得到廣泛應用。適用范圍也由測量伺服閥中反饋桿彈簧管等發(fā)展到測量更高精度的陀螺儀中的撓性接頭、扭桿、擺桿等。 

如圖11所示，將彈簧管裝在夾具中夾緊，并在彈簧管頭上裝測量桿，通過旋動手輪推動施力頭向上平行運動，與測桿接觸后產(chǎn)生向上的推力F 1，在此推力作用下彈簧管產(chǎn)生變形，測桿頭部上升△S=S1-S0。分別通過力傳感器測出F 0和F 1，位移傳感器測出S 0和S 1，則剛度值為：

圖11 彈簧管剛度測量的變形示意圖

　　光學CCD顯微檢測技術 

　　航天精密零件加工中有些場合需要非接觸式高精度的多參數(shù)綜合測量，如閥口工作邊微觀形貌，噴嘴環(huán)帶幾何形狀誤差在位測量等。為此，我們研究了光學CCD顯微檢測技術。 

　　在伺服閥的生產(chǎn)中往往采用工具顯微鏡觀察棱邊的加工質(zhì)量，但都是定性地看看是否有較大的微觀毛刺和較大的塌邊、蹦口等，不能定量地測量具體加工質(zhì)量指標，因此只能作為一種質(zhì)量監(jiān)視的參考手段用于生產(chǎn)。分析光學顯微鏡觀察不能進行定量測量的原因，主要是難以準確讀數(shù)和記錄，若采用投影儀或讀數(shù)顯微鏡等儀器測量，則測量效率低，人為讀數(shù)誤差較大，難以實現(xiàn)自動讀數(shù)、記錄和數(shù)據(jù)處理，生產(chǎn)中也很少采用。 

　　為了測量閥口棱邊加工質(zhì)量，我們研制了一套CCD光學顯微檢測系統(tǒng)，其測量原理如圖12所示，將CCD攝像頭對準傾斜45°的閥芯棱邊，使棱邊成像于面陣CCD棱邊上，經(jīng)圖象采集卡采集到計算機中，并顯示于顯示器屏幕上，棱邊圖像可放大500倍以上，其微觀幾何形貌清晰可見，經(jīng)過計算機圖像處理后，可以得到微觀形貌的測量值（棱邊粗糙度R a）。若將棱邊的閥芯水平放置，鏡頭沿切線方向?qū)书y芯，則可以觀測棱邊圓角和毛刺參數(shù)。

圖12 CCD顯微測量閥口微觀形貌原理

　　加工檢測一體化技術 

　　直接由設備自動完成“邊加工邊檢測”的全自動加工過程，才是真正意義上的“加工檢測一體化技術”[15]。我們研究了基于微驅(qū)動及在線測量技術的閥芯工作邊精密磨削技術，并開發(fā)了“閉環(huán)控制滑閥軸向配磨系統(tǒng)”?，F(xiàn)介紹一下加工檢測一體化技術的基本思想和實現(xiàn)方法。 

　　對于伺服閥滑閥偶件的軸向配合尺寸——疊合量的保證，由于其精度要求太高，國內(nèi)生產(chǎn)中幾乎均不采用互換式加工，而全部采用偶件配做的形式生產(chǎn)，也就是所謂的“配磨”。配磨的過程是：加工-測量-加工-再測量，往往是需要幾個反復的過程，到最后階段，經(jīng)常遇到去除1~2μm余量的情況。這時全憑工人的經(jīng)驗和操作技巧來完成磨削任務。磨削量很難嚴格控制，稍有不慎，就會出現(xiàn)廢品。 

　　針對上述情況，我們研制自動控制的微進給系統(tǒng)（見圖13），同時安裝測頭直接測量工件被磨削表面，做到邊磨削邊監(jiān)測，一旦達到預先設置的磨削量，立即停止進給，退回工件，完成加工。這樣一種思想即為閉環(huán)軸向磨削控制的原理。

圖13 閥芯磨削微進給系統(tǒng)原理圖

　　系統(tǒng)的工作原理是：微進給頂尖在驅(qū)動電源輸出的直流電壓的驅(qū)動下推動工件右移，電感測頭直接測量被磨削工件的加工面，并且通過調(diào)整機構安裝在后頂尖上，與工件一起運動，當工件加工表面被砂輪磨去時，測頭擺動將磨削量變化的電信號反饋給驅(qū)動控制器內(nèi)的單片機，單片機判斷是否到加工終點，如果沒到，則繼續(xù)控制頂尖伸長，直到加工結(jié)束。由于微進給裝置是可控的，所以整個磨削進給過程也是受控的，根據(jù)需要可以采用各種不同的進給方式和加工速度曲線，如“先快后慢”或“勻速進給”等。 

　　傳感器采用側(cè)擺式位移傳感器，測頭安裝在滑動尾座上，可以在閥芯軸向和徑向方向上進行調(diào)整，并且有繞閥芯軸向旋轉(zhuǎn)的自由度，方便拆卸閥芯。 

　　結(jié)束語 

先進工藝檢測技術是一種伴隨精密零件制造工藝過程的、采用現(xiàn)代計算機和傳感器技術的新型檢測技術。本文介紹了自動化流體式測量技術、智能化電動式測量技術、光學CCD顯微檢測技術和加工檢測一體化技術等采用先進工藝檢測技術的方法，對先進工藝檢測技術的應用進行論述。應該指出，先進工藝檢測技術目前在已有研究的基礎上，還處于進一步發(fā)展階段，而研究在位的，甚至是在線的加工檢測一體化技術，開發(fā)高效率、智能化的新型檢測設備，是先進工藝檢測技術進一步發(fā)展的方向。