用三坐标测量机正确测量同轴度误差

收稿日期:2006年6月用三坐标测量机正确测量同轴度误差

叶宗茂

神龙汽车有限公司襄樊总厂

同轴度是机械产品检测中常见的一种形位公差项目。对于规则轴类零件,一般可采用V型支架、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;对于箱体孔类零件,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内孔,采用常规方法测量同轴度则很难实现或非常麻烦。此时,用三坐标测量机(C M M)来测量同轴度是一种不错的选择。与专用同轴度测量仪相比,C M M测量同轴度的最大特点是无须转动工件,无须专用芯轴或专用支架,无须机械找正,只需用测头探针对工件取点采样,即可快速输出测量结果。但用C M M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,或对同轴度评价方法不同,以及C M M采点误差的影响等原因,有时会出现测量结果误差较大、重复性较差的现象,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C M M上正确测量零件的真实同轴度误差。

1　C M M测量同轴度的误差原因分析

(1)同轴度公差带的定义

在国家标准中,同轴度公差带的定义是指直径为公差值t,且与基准轴线同轴的圆柱面内的区域,它有三种控制要素:轴线对轴线,轴线对公共轴线,圆心对圆心。

(2)C M M测量同轴度误差放大的原因分析

根据同轴度的定义,用C M M测量同轴度时,可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位置关系的评价。

从测量原理上说,C M M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C M M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。所谓“合理”,是指在相同环境下,用同一台C M M测量同一零件时,怎样安排采样点数和采样位置可以获得最高的测量精度(测量误差最小)。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;②C M M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,然后分析测量结果,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,被测要素的测量误差受基准误差的影响很大。

根据以上分析,采样策略和敏感系数是影响同轴度测量精度的主要原因。因此,

在同轴度检测中采用科学的采样策略和尽量减小敏感系数,有助于提高测量结果的精度水平。例如:有两个短圆柱,求其中一个圆柱相对于另一圆柱的同轴度。如图1所示,在基准圆柱上测量两个截面圆,将其连线作为基准轴;在被测圆柱上也测量两个截面圆,构造一条直线,然后计算其同轴度。假设基准圆柱上两测量截面间的距离较小(10mm),而基准第一截面与被测第一截面间的距离较大(100mm),即该检测方案的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。

图1　同轴度误差放大示意图

2　减小C M M测量同轴度误差的方法采用以下科学合理的采样策略,可将敏感系数

对同轴度测量结果的影响减至最小。

(1)增大基准截面间的距离

在测量基准元素时,若增大第一截面与第二截面间的距离,则误差干扰的比例将相应减小。因此,测量时应尽可能拉大两截面间的距离。若基准足够长,且基准截面与被检截面相邻,则引起的误差可小到忽略不计。

(2)建立公共轴线作为基准轴线当基准圆柱和被测圆柱较短且相距较远时,可采用建立公共轴线作为基准轴线的方法(见图2),即在基准圆柱和被测圆柱上测出中截面,

以中截面的连线作为公共轴线,然后分别计算基准圆柱和被测圆柱相对于公共轴线(基准轴线)的同轴度,取其最大值作为工件的同轴度误差。该方法的评价结果比较接近实际使用情况。

图2　以公共轴线作为基准的同轴度评价方法

(3)变通方法1———以直线度近似替代同轴度

在被测工作截面较短的情况下,可用改测直线度以替代同轴度的变通方法。因为这种情况下轴的倾斜对工件装配影响较小,而轴心偏移对工件装配影响较大,测量轴心偏移实际上就是测量轴心连线的直线度。具体实现方法为:分别在两个小圆柱上测量n 个截面圆,然后选取这n 个圆的圆心拟合一

条三维直线,该直线的直线度可近似替代同轴度(同轴度=2×直线度)。工作截面越短,该方法效果越好

,并且可很方便地制作一个综合量规来验证该方法的准确性。

(4)变通方法2———求距法

同轴度为被测元素与基准元素轴线间最大距离的2倍。考虑工件的实际功能或装配要求,可直接根据几何关系计算出被测元素与基准元素的最大距离,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。

以“长轴短孔”型工件的同轴度测量为例:电机机座前端和后端止口内圆孔的同轴度要求见图3,要求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。由于此类工件尺寸较大,采用常规方法无法检测,但用C M M 测量时,如按图

示基准测量会产生两种相反的测量结果,且重复性较差,测量结果不可靠。为使C M M 测量结果符合设计要求,可利用孔的端面作为基准(端面与孔的轴线有垂直度要求),将两端短圆柱分成若干截面圆进行测量,然后将截面圆投影到端面上,即可得到所有截面圆圆心的坐标位置,通过计算找出最大圆心距:r =

x 2

+y 2

,根据同轴度定义,两端孔的同轴度即为

图3　电机机座的同轴度测量要求

(5)变通处理方法3———位置度法

考虑加工工艺,可将测得的基准元素圆心置于

原点,再测量被测元素,通过其圆心的坐标偏差来判

断其同轴度(见图4)。该方法要求工件的基准面精度较高,且被测元素只能是圆。此外,用多个(4个以上)截圆建立被测元素和基准元素轴线,也可有效减小测量误差。

图4　位置度法测量同轴度示意图

3　同轴度测量方法的合理选择

(1)“长孔(≥6mm )长距”型两元素的同轴度测

量测量元素———孔(轴)较长,不易变形,可供C M M

采集的数据点较多,能较准确地测量出各孔(轴)的位置及轴线的方向,而且同轴度的评价与工件的加工或设计基准无关,只需使用两个孔(轴)的轴线数据即可。但由于两孔之间的距离较长,对两个孔的位置及轴线的方向进行比较时受C M M 误差的影响较大,因此测量方法适宜选用公共轴线法或直线度