刘利剑1,王春华2,贾立红1
(1.河北科技大学机械电子工程学院,河北石家庄 050054;2.河北维尔康制药有限公司,河北石家庄 050051)
摘 要:使用三坐标测量机过程中经常会遇到一些问题影响测量精度,如由于测头配置不合理导致测量误差偏大,小圆弧短直线的测量结果明显偏离实际值,或因同轴度测量误差较大,导致合格品误检为不合格品,有时则因深孔圆柱度测量结果较实际值偏小,使不合格品误检为合格品,在对上述问题的成因进行深入分析的基础上,提出了具体可行的解决方案,为合理使用三坐标测量机奠定了基础。
关键词:三坐标测量机;测头;同轴度;圆柱度
中图分类号:TH17 文献标识码:A
三坐标测量机(CMM)是一种多功能精密计量测试设备。随着现代科学技术及中国经济的不断发展,工业生产自动化程度的日益提高,对产品的可靠性及质量的要求越来越高。因此,三坐标测量机作为质量保证及科研的重要测试手段来替代传统的测试方法也越来越被更多的科研院所、工矿企业所采用。利用三坐标测量机进行零件形位公差检测,既从事数控技术及机电一体化方面的研究。直观又方便,测量结果精度高,免去了常规方法检测用具的设计与制造所需的时间和费用,大幅度降低了生产成本,缩短了生产周期。但是在实际测量工作中,由于测量方法不当,可能会出现比较大的测量误差。笔者进行了仔细分析研究,对经常遇到的几类测量问题提出了相应的解决方法。
1 测头系统的配置
在测量一个工件时首先要配置测头系统,测头系统配置是否合理直接影响测量结果。例如:若配置的测头直径和测杆直径非常接近,测量时由于工件装夹误差导致被测量表面与CMM坐标系不平行,非常容易引起误触发。为保证工件的测量精度,测头系统的配置应遵守以下原则[1]:1)测杆长度尽可能短。测杆触发受力时弯曲或偏斜越大,测量精度将越低,因此在测量时尽可能采用短的测杆。2)连接点尽可能少。每次将测杆与加长杆连接在一起时,就引入了新的潜在弯曲和变形点,因此在应用过程中,应尽可能减少连接点的数目。3)测球尽可大。一方面可以使测球与测杆的空隙加大,减少由于“晃动”而误触发的可能;另一方面,测球直径较大,可削弱被测表面粗糙度对测量精度造成的影响。4)传感器灵敏度尽可能高。测头系统配置的关键器件是传感器,不同型号的传感器具有不同的测量精度和速度,如TP200精度高于TP20,配置前者可以提高测量精度和效率。5)在安装配置好测头系统后,应等待30 min以上然后再校验测头,以便让测头消除弹性变形恢复到自然状态
2 短直线和小圆弧的测量
大半径小圆弧(以下简称小圆弧,指圆心角小于30°的圆弧)中心坐标和直径的测量,以及短直线夹角和距离的测量一直被视为三坐标测量机检测的一项技术难题。影响短直线、小圆弧测量结果准确性的直接原因是采样范围过小,造成采样信息量明显减少,而且测量长度越短,信息量损失越大,测量误差放大倍数越大。
某样件如图1所示(图中R的单位为mm),要测量每一小段的半径值,如果直接在小圆弧上采点,测量结果误差很大,从200件中抽检的20件都确定为不合格。事实上,小圆弧的圆心坐标与半径值在图纸上都标有名义值和公差值,可以根据图样要求和实际情况将其中一个加工精度较高的参数当作已知条件求解另外一个参数。基于这一前提,在三坐标测量机上测量小圆弧有2种方法:一是用理论圆心坐标求其半径,二是用理论半径求其圆心。
如果圆心坐标加工精度比较高,在测量圆弧时,先将圆弧所在平面的参考原点平移到圆弧理论中心上,使之成为新建零件参考系的原点(或直接根据图纸数据在零件坐标系中创建小圆弧的圆心点),然后用圆弧自动测量功能(测头沿法线方向测量)在圆弧上进行采点,每采一点就计算出圆心点到该点的距离,输入圆弧半径名义值及其公差值来判断是否合格。用同样的方法在小圆弧的起点、终点和中间点分别测出其半径值,都在公差范围内为合格,否则就判为不合格。测量完毕后恢复原参考坐标系。
如果圆弧半径加工精度比较高,在利用PC2DMIS软件进行内外圆弧测量时,调用自动测圆功能后须先给定一个理论圆弧直径,然后再在圆弧上进行若干采点,三坐标测量机便自动计算出圆弧的中心坐标,这样就能判断圆心坐标是否加工合格。在给定图样公差范围内适当调整理论圆弧直径,看其原测量圆弧中心坐标的变化,若两者均在公差范围内就视为合格。
对短直线进行测量时,要注意图纸上元素的关联。要测量2条短直线的角度,如图1所示,如用常规的直接测量2条短直线求夹角的方法,由于直线太短、采点距离过近,造成求解直线时误差放大,再由直线求夹角时结果自然就很不准确。对图纸进行仔细分析,发现2条短直线的交点正好位于小圆孔的中心点上,把中心点引入来构造2条直线,就能解决短直线夹角的测量问题。具体方法:在PC2DMIS软件自动方式下执行矢量点功能,先在1条短直线上打1点,与圆孔中心点一起构造1条直线,然后同样在另1条短直线上打1点,再与圆孔中心点一起构造1条直线,2条直线夹角即为所求。总之,短直线的测量要尽量避免将短直线延长后再求值,而测量思路是要么把短直线缩小为一个点来处理,要么把短直线和理论上与短直线在同一直线的点虚拟成长直线来处理。
3 同轴度测量
同轴度的测量误差往往比实际误差大(甚至不可信)是三坐标测量领域的另一个常见问题,主要原因是对工件分析不深入,测头组件配置不合理,测量方法不恰当。用以下的2种方法可有效解决同轴度测量问题。
方法1 如图2 a)所示(图中长度单位为mm),当被检测零件的基准轴线长度较长并且基准轴线与被测轴线距离较近时,如果用标准测杆(长度为20mm)测量基准轴线,则第1截面和最后截面的距离肯定小于20 mm,这样到被测轴线时测量误差已经放大10倍以上,测量结果当然难以置信。因此,测量这类零件时,应加大基准轴线首尾2个截面之间的距离,由此减小由于基准轴线偏离而引起的误差。实际操作中,首先选用适当的加长杆使之测量长度足够大,其次选用合适的测头组件,如大的测球或星形测头,以便在测量过程中测杆与工件不发生干涉。
方法2 如图2 b)所示(图中长度单位为mm),当基准轴线与被测轴线较短并且距离较远时,如果用通常的方法评价同轴度,即将测量的基准轴线延长至被测轴线处,再计算出被测轴线与基准轴线的最大距离的2倍得到同轴度误差,这样的测量结果误差往往很大,并且不符合实际情况。在这种情况下,应当采用先建立公共轴线再评价同轴度的方法。具体方法:先在基准轴线上取2个截面,再在被测轴线上取2个截面,用4个截面的圆心点来构造一条公共轴线,然后分别计算基准轴线和被测轴线对公共轴线的同轴度,取最大值作为同轴度误差[2]。
4 深孔圆柱度问题
很多深孔圆柱度的测量结果较实际值偏小,把不合格品计为合格。其原因主要是测头组件配置过短,测量深度不够,以至不能发现圆孔锥度问题。解决办法:1)给测头配上适当的加长杆,使其能够到达深孔底部;2)将标准的球形测杆换成星形测头或盘形测头,使其在测量过程中不至于发生误触发;3)设置好三坐标测量机的探测距离和回退距离等参数,使其在测量直径较小的孔时不至于撞上圆柱侧壁。
5 结 语
1)用三坐标测量机测量工件时,测量结果明显不合理在很多情况下是由于工件坐标系的建立不准确,因此在测量刚刚开始并需要建立一个工件坐标系时,必须符合以大孔、长轴线、大截面建立坐标系的准则,然后再严格按照测量规程和国家标准进行规定内容的测量。
2)用三坐标测量机测量工件是一项实践性很强、讲究科学性、注重技巧性的工作,只有不断实践,接触各种类型的工件,才能发现问题并解决问题,总结出指导性很好的测量技巧。
参考文献:
[1] 王启江,沈雁华,杨万波.坐标测量机测量短基准零件同轴度时误差过大问题的分析与解决[J].工具技术,2001,35(11):36238.
[2] 吴永清,刘书桂,张国雄.智能三坐标测量机检测规划问题的研究综述[J].中国机械工程,2001,12(7):8282831.
