對稱孔位置度三坐標(biāo)測量方法的探討

湯志鈞 汪海華

(中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 江蘇 南京 210031)

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對稱孔位置度三坐標(biāo)測量方法的探討

湯志鈞 汪海華

(中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 江蘇 南京 210031)

針對三坐標(biāo)測量機(jī)在位置度測量中出現(xiàn)的誤差，結(jié)合生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題及生產(chǎn)經(jīng)驗，提出了一種切實可行的位置度測量方法。

三坐標(biāo)測量機(jī)；位置度；坐標(biāo)系建立

三維(以下簡稱3D)檢測過程中經(jīng)常會遇到高精度孔的位置度檢測，只有孔的尺寸及位置度達(dá)到要求后才能滿足產(chǎn)品的互換性要求。本文提出利用被測孔輔助構(gòu)建局部坐標(biāo)系來測量產(chǎn)品孔的位置度，試驗對比證明此方法測量相對基準(zhǔn)對稱孔的位置度切實可行，不僅減輕了工作量，同時還可以對龍門加工中心附件頭的精度進(jìn)行監(jiān)測。

1 位置度三坐標(biāo)測量方法及誤差來源

從測量原理上說，用三坐標(biāo)測量機(jī)測量工件的位置度包含3步：第1步是按照產(chǎn)品加工基準(zhǔn)建立1個三維工件坐標(biāo)系。為減小采點誤差對坐標(biāo)系的影響并為3D自動檢測做準(zhǔn)備，需要通過產(chǎn)品已有的孔、面來構(gòu)造初基準(zhǔn)面，平行初基準(zhǔn)面的方向線和原點三要素來初建坐標(biāo)系，并在初坐標(biāo)系下按加工基準(zhǔn)要求構(gòu)建產(chǎn)品工件坐標(biāo)系。第2步在工件坐標(biāo)系下測量被測元素孔、參考元素孔系及參考平面上的特征點坐標(biāo)。第3步通過程序設(shè)置的最小二乘法和最大最小條件法模擬并計算出位置度[1-3]。

由此可見三坐標(biāo)測量機(jī)位置度誤差通常由坐標(biāo)系的建立誤差、被測元素的測量誤差及算法計算誤差三部分組成，其中三坐標(biāo)系建立誤差是位置度誤差產(chǎn)生的主要來源。如果建立坐標(biāo)系時基準(zhǔn)面采點面積過小或基準(zhǔn)面軸線相對被測孔軸線傾斜及距離放大，必然導(dǎo)致被測要素孔系局部坐標(biāo)系相對工件坐標(biāo)系出現(xiàn)平移和旋轉(zhuǎn)，使位置度測量值偏大。

2 三坐標(biāo)測量值位置度的問題分析

(1)測量實例。圖1所示是鐵路客車產(chǎn)品位置度用三坐標(biāo)檢測的1個典型實例。在三坐標(biāo)測量機(jī)上按產(chǎn)品設(shè)計要求建立初坐標(biāo)系和工件(基準(zhǔn))坐標(biāo)系，數(shù)據(jù)采集時在?80mm基準(zhǔn)孔圓周上均勻分布取6個特征坐標(biāo)點，在?20mm被測孔圓周上均勻分布取4個特征坐標(biāo)點，數(shù)據(jù)處理時以?80mm孔模擬生成的圓心作為基準(zhǔn)軸線，以?20mm孔模擬生成的圓心作為被測元素，連續(xù)測量20個產(chǎn)品均出現(xiàn)位置度超差。從制造工藝上來說，只要加工設(shè)備精度滿足要求就能保證?20mm孔位置度符合工藝要求，但是如果因3D測量誤差造成合格產(chǎn)品出現(xiàn)誤判，必然造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

圖1 產(chǎn)品位置度檢測要求

(2)3D位置度測量值與實測位置度值的對比分析。為分析在工件坐標(biāo)系下的3D位置度測量值與實測位置度值之間的誤差，選擇了1件產(chǎn)品的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比和分析，測量結(jié)果如表1所示。

圖2 實測位置度計算方法示意圖

表1 工件坐標(biāo)系下3D位置度測量值與實測位置度值的比較 /mm

從表1可以看出工件坐標(biāo)系下三坐標(biāo)測出的產(chǎn)品位置度數(shù)據(jù)均超差，其中最大測量值和最小測量值相差6倍以上且數(shù)值發(fā)散、無規(guī)律，而通過實測位置度公式計算的位置度值均滿足工藝要求。由此可見在工件坐標(biāo)系下測量?20mm孔相對?80mm孔位置度不可取，主要是因為工件坐標(biāo)系相對?80mm基準(zhǔn)孔局部坐標(biāo)系產(chǎn)生了平移和旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致測量過程中位置度測量值誤差被放大。

3 三坐標(biāo)位置度測量解決方案

如果要消除工件坐標(biāo)系平移和旋轉(zhuǎn)對?20mm孔位置度測量值的影響，必須以?80mm孔創(chuàng)建局部坐標(biāo)系來測量?20mm孔位置度。通常創(chuàng)建1個坐標(biāo)系需要3個要素：基準(zhǔn)面、平行基準(zhǔn)面的方向線和坐標(biāo)系原點，通過?80mm孔及外端面僅能確定基準(zhǔn)面和坐標(biāo)系原點，缺少平行于基準(zhǔn)面的方向線。

(1)構(gòu)造局部坐標(biāo)系中平行于基準(zhǔn)面的方向線

在?80mm孔局部坐標(biāo)系下共有2個?20mm孔和1個?80mm孔。構(gòu)造方向線的方法有2種：一種是通過?20mm孔和?80mm孔心連線構(gòu)造平行于基準(zhǔn)面的方向線；另一種是通過2個?20mm孔心連線構(gòu)造平行于基準(zhǔn)面的方向線。從產(chǎn)品設(shè)計角度來看，?20mm孔相對?80mm孔位置度控制主要是保證?20mm圓銷和?80mm軸與圖1中產(chǎn)品裝配時在圓周方向不會竄動，確保定位牢固。也就是保證3孔在一條直線上且誤差越小越好，而2個?20mm孔圓心連線相對?80mm孔圓心是否產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)對組裝性能并沒有影響。顯然第1種方法測出的2個位置度一個值為0，另外一個值會非常大，是不可行的。第2種方法構(gòu)造?80mm孔局部坐標(biāo)系方向矢量測量誤差最小，可行性最好。

(2)構(gòu)造?80mm孔局部坐標(biāo)系

①用三坐標(biāo)測量機(jī)探頭在?80mm孔前后端圓周方向均勻取6個特征坐標(biāo)點(共12個點)構(gòu)造?80mm圓柱孔軸線；②在節(jié)點座?80mm孔外側(cè)面取5個特征坐標(biāo)點構(gòu)造基準(zhǔn)平面，?80mm孔模擬生成的軸線與基準(zhǔn)平面交于點O；③在2個?20mm孔圓周方向分別均勻取4個特征坐標(biāo)點(共8個點)，通過模擬構(gòu)造2個圓在基準(zhǔn)面上的投影點來構(gòu)造方向線，并將方向線平移到交點O處構(gòu)造出?80mm孔局部坐標(biāo)系。

(3)產(chǎn)品測量結(jié)果驗證

為了驗證在?80mm孔局部坐標(biāo)系下?20mm孔相對?80mm孔位置度測量值的改善效果，與實測位置度進(jìn)行了對比和分析，結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出：在?80mm孔局部坐標(biāo)系下?20mm孔位置度3D測量數(shù)值都合格，且數(shù)值與位置度實測數(shù)值相近。因此，以?80mm孔建局部坐標(biāo)系測?20mm孔相對?80mm孔位置度不僅可行，還可以對設(shè)備附件頭的精度進(jìn)行監(jiān)測。

表2 局部坐標(biāo)系下3D位置度測量值與實測位置度值比較 /mm

4 結(jié)束語

(1)測量孔系位置度時因受到零件采點面的大小、待采點孔和面加工誤差的影響，所建立的工件坐標(biāo)系產(chǎn)生平移和旋轉(zhuǎn)會使測量的位置度誤差值放大。

(2)在測量對稱孔位置度時，在滿足設(shè)計裝配要求前提下用被測孔輔助構(gòu)建局部坐標(biāo)系的方法不僅可行，且操作簡單方便，可減輕工作量，提高效率。

[1] 葉宗茂.位置度的三坐標(biāo)測量方法[J].汽車工藝與材料，2005(04)：30-32.

[2] 李洪全.實用坐標(biāo)測量技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2007.

[3] 李 梅.三坐標(biāo)測量孔系位置度方法的實踐[J].計量與測試技術(shù)，2008，35(12)：27-28.□

(編輯：李琳琳)

2095-5251(2016)04-0050-02

2015-12-26

湯志鈞(1984-)，男，碩士研究生學(xué)歷，工程師，從事鐵路客車轉(zhuǎn)向架工藝研究工作。

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