三坐标测量机在同轴度测量中的应用

三坐标测量机在同轴度测量中的应用

0不测零件的同轴度测量同心轴是检测机械产品的一般因素。对于规则轴类零件,一般可采用V形支架、钢球加杠杆百分表或偏摆仪等专用检具及组合辅具来检测同轴度;对于箱体类零件,一般可采用芯轴加杠杆百分表或利用圆度仪来检测同轴度。但对于一些大型零部件(如机床主轴等)或不规则轴类零件以及箱体零件的不规则孔,采用常规方法测量同轴度则很难实现或相当麻烦。此时,用三坐标测量机(CMM)来测量同轴度是一个不错的选择。与专用同轴度测量相比,CMM测量同轴度的最大优点是无须转动工件,无须专用芯轴或专用支架,无须机械找准,只需用测头探针对工件取点采样,即可快速输出结果。但用CMM测量同轴度时,由于对基准轴线理解的差异,或对被测要素轴线测量方法不同,以及CMM采点误差的影响,有时会出现测量结果误差大,重复性差的现象,即测量结果不能真实反映零件真实的同轴度误差。针对这种情况,本文将探讨如何在CMM上正确测量零件的真实同轴度误差。1圆柱面的轴线与基准轴同轴在国家标准中,轴线的同轴度公差的定义为“公差带是直径为φt的圆柱面内的区域,该圆柱面的轴线与基准轴同轴”。它有以下三种控制要素:1)基准轴线的建立;2)被测物体轴线的建立;3)考虑实际工作或装配要求作变通处理。2采样策略、敏感系数对误差的影响根据同轴度的定义,用CMM测量同轴度时,可以从三个方面考察其测量误差:(1)基准轴线的采集与建立;(2)被测元素轴线的采集与建立;(3)基准轴线与被测元素轴线之间的位置关系的评价。从测量原理上讲,CMM直接测得的是被测工件上一些特征点的坐标位置,为了获得被测参数值,需要通过测量软件的数据处理和运算。因此,被测参数的测量精度主要与CMM的系统误差、测头系统误差、工件形状误差、算法误差、环境误差、采样策略和敏感系数等因素有关,而对于同轴度的测量,采样策略和敏感系数对精度的影响更大。采样策略是指如何在被测物体表面合理安排采样点,采集多少点最为合理,且使检测误差达到最小。所谓合理是指在同一台测量机上,在相同的环境下,测量同一个零件,怎样安排测量点的位置和测量点数,可以获得较高的测量精度,且耗费的时间比较经济。采样数量和采样位置会影响测量结果的原因在于:(1)被测元素并非理想元素,存在形状误差;(2)CMM采点及计算方法有局限性,存在测量误差。由于采样策略对测量结果影响较大,因此如对测量结果有异议,可考虑改变采样策略多测几次,然后分析结果,给出正确的测量数据。敏感系数表示测量结果受初始测量要素影响的大小。对于同轴度测量,被测要素的测量结果受基准误差的影响较大。例如有两个短圆柱,其中一个做基准圆柱,另一个作被测圆柱,在基准圆柱上测量两个截面圆,其连线作基准轴线。被测圆柱上也测量两个截面圆,构造一条直线,然后计算同轴度。假设基准上两个测量截面的距离很小(10mm),基准第一截面与被检第一截面的距离很大(100mm),即此种检测方案同轴度对采点的敏感系数很大,如果基准圆柱第二截面圆的圆心位置有5μm的测量误差,则测量轴线到达被检截面时已偏离了5×100/10=50μm,此时即使被检轴线与基准轴线完全同轴,同轴度误差(等于误差圆柱的直径)的测量结果也会有2×50=100μm的误差。如图1所示,敏感系数表示测量结果参量受初始测量元素影响的大小,对于同轴度测量,被测要素的测量误差受基准误差的影响较大。直接评价的结果之所以较大,是因为两个柱体相距比较远,引入了延长误差。3误差增大的测量方法在测量基准元素时,若第一截面与第二截面间的距离加大,误差将成正比减小。因此,测量时要有意识地拉开基准截面间的距离。若基准截面间的距离够远,同时基准与被检截面相邻,这个问题自然就解决了。(2)旋转轴线位置的影响当基准圆柱与被测圆柱较短且距离较远时,可以采用公共轴线作为基准轴线的方法,在基准圆柱和被测圆柱上测中间截面,取中截面连线作为基准轴线,然后分别计算基准圆柱和被测圆柱对基准轴线的同轴度。取其最大值作为该零件的同轴度误差。当然这样误差会减小,毕竟基准长了,而且是两者的结合,综合考虑了两个轴线的空间位置,减小了误差值。其实,这也是不恰当的,其风险在于,缩小了实际可能比较大的误差,将不合格的零件误判为合格。(3)确定中心内孔的同余同轴度为被测元素和基准元素轴线间最大距离的两倍。即计算出被测元素和基准元素的最大距离ds后,乘以2即可。考虑工件的实际功能或装配要求,可直接根据集合关系计算出被测要素与基准要素的最大距离,乘以2即为同轴度。计算最大距离时,应投影到一个平面上来计算,因此该平面与基准轴的垂直度应较好。例如长轴短孔的处理:电机机座前端和后端止口内圆孔的同轴度要求(如图2所示),以一端内孔轴线为基准求另一端内孔轴线与基准轴线的同轴度误差。如果按照上述基准进行测量就会产生两种相反的测量结果,且重复性很差,检测数据不可靠。为了使三坐标测量机测得的数据符合原设计要求,设想利用孔的端面作为基准(抱轴箱有端面与孔的垂直度要求),将两端短圆柱分成若干个截面圆进行测量,然后将截面圆投影到端面上,即可得到所有截面圆的圆心的坐标位置,通过计算找出最大的圆心距;r2=X2+Y2,则根据同轴度的定义,两端孔的同轴度φf=2r。利用孔的端面作为基准来检测同轴度误差的方法,均能达到满意的测量效果。(4)被检工件截面较短短壳体的测量在被测元素和基准元素上多采截面,然后用圆心构造出一条3d直线,近似用直线度代替同轴度(直线度×2=同轴度)。资料证明,当一个截面的点数超过80个以上时,点数的影响才可以忽略,当然在实际的测量工作中不可能去采如此之多的点(虽然能够做到),但增加截面数和点数,将无疑逼近被测元素的实际形状,无疑减小了测量的误差。对于被检工件截面较短(短圆柱)的情况,可以采用变通的方法,改测同轴度为测直线度(图3)。因为这种情况下轴的倾斜对装配影响很小,而轴心偏移对装配影响较大,轴心偏移的测量,实际就是测量轴心连线的直线度。具体实现方法是:分别在两个小圆柱测n个截面圆,然后选择几个圆,建立一条直线,这条直线的直线度就可显示出来。这种方法截面越短,效果越好。用一个综合量规来验证这种方法的正确性。(5)具有真实转速比的旋转转速自适应法考虑加工工艺,可将测得的基准要素圆心置于原点,再测量被测要素,通过其圆心的坐标偏差来判断其同轴度(如图4所示)。该方法要求工件的基准面精度较高,且被测要素只能是圆。此外,用多个(4个以上)截圆建立被测要素和基准要素轴线,也可有效减小测量误差。(6)小直径社会主义质量的测量将两个圆柱作为一个圆柱(如果两个基准的直径要求一样)来测量,评价其圆柱度大小及直径大小。因为圆柱度综合反映了轴线、素线直线度和截面圆度的情况。如果圆柱度小于同轴度公差的一半,尺寸满足要求,则认为同轴度合格。4建立同轴度偏差的测定(1)被测孔(轴)和基准孔(轴)为“1刀加工”时,可以建立公共轴线(那么建立公共轴线的两个圆就要尽量靠近两端,这样拟合的轴线就会最大包容这个柱体);然后被评价的圆柱与拟合的公共轴线进行评价。(2)如果不是1刀加工的,需要将坐标系建在基准圆投影在端面上的位置。然后测量被评价柱体的多个截面,求这些截面在该工作平面内的最大偏差,然后将此数值×2即为最终的同轴度偏差。(3)在检测同轴度时,有时测量超差的原因并非检测方法不对,而是由其他原因如碰杆、表面缺陷、表面粗糙度、圆度、油污、夹具变形、摆放不正等原因引起,应作具体分析及相应处理。5理想轴线偏误的影响在测量中将同轴度的测量情况分为以下四种情况,并制定了以工件类型分类的对策表:(1)薄孔短距;(2)薄孔长距;(3)长孔短距;(4)长孔长距。注意事项:(1)如果采集的点数太少,将不能很全面地反映被测圆柱的实际特征,即直径、方向矢量、圆柱度误差等,以此建立的基准将与实际要素的理想轴线有偏离,从而导致被测元素的同轴度误差增大。(2)另外一个方面,当基准元素的形状误差,即圆柱度误差较大时,将产生很大的影响。一方面由于采集的点数有限,如果柱度误差大,则意味着每增加一个点,计算机计算生成的圆柱轴线方向矢量将与前者产生大的偏离,由此,再来测量被测元素的同轴度也将产生很大的偏差。如图5为一个截面的采点情况,假设原来均匀采四个点,沿坐标方向,形成如图所示的圆心O,当增加左下方45°方向的两个点时,圆心将可能向左下方移动到O′,从而轴线产生偏移。(3)再者,截面数太少也会影响方向矢量。一个圆柱如果只采集两端的两个截面,则不能反映中间截面的情况,从而使得轴线产生较大的偏离。如图6,如果只采集两端面的两个截面,则轴线为虚线方向,如果增加一个中间截面,则轴线为实线方向。事实上,如果截面越多,将越逼近理想位置。当然,在实际测量中,不可能测量很多截面,而且中间截面很难测到,