基于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的圓柱度檢測(cè)過程分析

趙晶晶

（鄭州工程技術(shù)學(xué)院機(jī)電與車輛工程學(xué)院，河南鄭州 450044）

0 引言

三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x(Coordinate Measuring Machine，CMM)是光學(xué)刻尺或激光干涉儀在一個(gè)由六面組成的空間內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。通過測(cè)頭和測(cè)量對(duì)象的接觸，由測(cè)頭的坐標(biāo)來(lái)獲取對(duì)象的形狀信息。它是一種新型、高速、精密的測(cè)量?jī)x，它對(duì)環(huán)境的要求比較苛刻，只有環(huán)境的溫度和濕度在一定的范圍內(nèi)才可以測(cè)量出精確的數(shù)據(jù)[1]。在實(shí)際測(cè)量中，首先將工件放置在工作臺(tái)上，并用夾具進(jìn)行固定，然后通過測(cè)頭打點(diǎn)的方法建立工作坐標(biāo)系。探測(cè)頭可在3個(gè)相互垂直的導(dǎo)軌上移動(dòng)，所以可以根據(jù)需要在任何位置建立工作坐標(biāo)系的原點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)量方法的不足，加快復(fù)雜工件的檢測(cè)。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)可以檢測(cè)的項(xiàng)目有平面度、直線度、圓度、圓柱度等，利用Calypso對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而快速準(zhǔn)確地得到結(jié)果。此外，三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x還可以做逆向工程，為工件的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)。

1 圓柱度的概念

在實(shí)際的生產(chǎn)加工及裝配中，工件不可避免地會(huì)產(chǎn)生變形，從而產(chǎn)生形狀誤差，例如車床主軸、液壓柱的軸頸，汽缸的缸頸。形狀誤差不僅影響零件的互換性，還會(huì)影響整個(gè)工件的質(zhì)量，降低工件的使用壽命，因此需要將形狀誤差控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，即公差。圓柱度，符號(hào)，是用來(lái)控制實(shí)際圓柱面的形狀誤差，是實(shí)際被測(cè)要素相對(duì)于理想要素所允許的最大誤差量。其公差帶形狀為兩個(gè)同軸圓柱面所限定的區(qū)域，半徑差為公差值[2]。

2 圓柱度的測(cè)量方法

圓柱度是形狀誤差的一種，形狀誤差反映的是實(shí)際要素與理想要素之間的偏差。若偏差值小于公差值，則認(rèn)為被測(cè)要素是符合要求的，反之則認(rèn)為被測(cè)要素不符合要求。

2.1 兩點(diǎn)法

該方法需要用到L形座，L形座的長(zhǎng)度應(yīng)大于被測(cè)圓柱面的長(zhǎng)度。測(cè)量時(shí)，工件緊靠其垂直面放在L形座上，指示器進(jìn)行橫向測(cè)量。工件在L形座上回轉(zhuǎn)，指示器在工件若干橫向截面上測(cè)量。記錄最大值和最小值，最大值和最小值之差的一半為圓柱度誤差值。

2.2 三點(diǎn)法

該方法需要用到V形座，V形座的長(zhǎng)度應(yīng)大于被測(cè)圓柱面的長(zhǎng)度。測(cè)量時(shí)，運(yùn)用兩個(gè)不同夾角的V形座進(jìn)行組合測(cè)量。工件由其中一個(gè)V形座支撐后，指示器選若干橫截面進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量完畢后，取指示器的最大值和最小值之差的一半為圓柱度誤差值。然后，工件換由另外一個(gè)V形座支撐，同樣指示器選若干橫截面進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量完畢后，取指示器的最大值和最小值之差的一半為圓柱度誤差值[3]。最后，取兩者中的較大值為被測(cè)表面的圓柱度誤差值。

2.3 三坐標(biāo)測(cè)量法

通過三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)圓柱度誤差的方法稱為三坐標(biāo)測(cè)量法。在測(cè)量過程中可直接在Calypso軟件中編程，且需要輸入?yún)?shù)的地方都設(shè)置了缺省值，只有很少的地方會(huì)高亮顯示以提示需要手動(dòng)輸入數(shù)據(jù)。此外，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)可以在屏幕上顯示清晰的CAD模型，得到測(cè)量過程的細(xì)節(jié)。還可以及時(shí)輸出全部的測(cè)量結(jié)果，用戶也可以根據(jù)需要選擇要輸出的結(jié)果文件和格式。所以，這種測(cè)量方法節(jié)約成本，縮短測(cè)量周期，但若測(cè)量方法不當(dāng)也會(huì)引起較大的誤差。

3 三坐標(biāo)的圓柱度檢測(cè)

3.1 啟動(dòng)Calypso

采用Carl Zeiss生產(chǎn)的COUNTER G2型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，測(cè)量軟件為Calypso，Calypso的開發(fā)使測(cè)量工作變得更加容易，它集編程、顯示、結(jié)果輸出為一體。Calypso屏幕中的CAD模型視圖就是我們要測(cè)量的元素。Calypso將讀取這個(gè)元素的所有特征。例如：有一個(gè)圓，可以從中知道這個(gè)圓的直徑、圓心坐標(biāo)、圓度等。打開計(jì)算機(jī)后，雙擊桌面上的Calypso圖標(biāo)即可進(jìn)入Calypso軟件。

3.2 探針校準(zhǔn)

探測(cè)系統(tǒng)為旋轉(zhuǎn)接觸掃描式探測(cè)系統(tǒng)RDS VAST XXT，該探測(cè)系統(tǒng)可在X-Y平面和Z向?qū)崿F(xiàn)±1 800°旋轉(zhuǎn)，擁有極大的測(cè)量范圍，由探頭、吸盤和探針組成，最小步進(jìn)角度為2.50°。在測(cè)量時(shí)，如果安裝未校準(zhǔn)過的新探針或者環(huán)境溫度發(fā)生變化則需要校準(zhǔn)探針。校準(zhǔn)探針不僅可以正確確定探針的實(shí)際位置，還可以補(bǔ)償測(cè)球的半徑及探針變形撓度誤差。在校準(zhǔn)時(shí)，需先校準(zhǔn)主探針，以確定參考球的位置，否則會(huì)產(chǎn)生傳遞系統(tǒng)誤差。然后測(cè)量探針根據(jù)主探針記錄標(biāo)準(zhǔn)球的位置對(duì)探針組進(jìn)行校準(zhǔn)[4]。在校準(zhǔn)時(shí)需要正確輸入標(biāo)準(zhǔn)球的位置信息，標(biāo)準(zhǔn)球與桿的位置關(guān)系（從+Z方向觀察），斜角是桿座與桿的夾角，轉(zhuǎn)角是球心與連桿線與+X軸的夾角。

3.3 建立坐標(biāo)系

在三坐標(biāo)測(cè)量過程中涉及到3種坐標(biāo)系：機(jī)器坐標(biāo)系、工件坐標(biāo)系、基本坐標(biāo)系。其中機(jī)器坐標(biāo)系是機(jī)器測(cè)量和運(yùn)行的基礎(chǔ)。然而，將其用于定位某個(gè)工件的測(cè)量是不切實(shí)際的。所以在測(cè)量時(shí)需要用戶自定義基于工件的工件坐標(biāo)系，它定位了測(cè)量臺(tái)上工件的位置。一個(gè)工件可能有多個(gè)工件坐標(biāo)系，但是我們只能將其中的一個(gè)工件坐標(biāo)系定義為基本坐標(biāo)系，則工件上其他的坐標(biāo)系可以轉(zhuǎn)化為相對(duì)于基本坐標(biāo)系計(jì)算。建立基本坐標(biāo)系的方法有：點(diǎn)/線/面；面/圓/圓；面/面/面。

3.4 設(shè)置安全平面

在確定基本坐標(biāo)系之后需要設(shè)置安全平面，使測(cè)量機(jī)可以在CNC狀態(tài)下繞著工件運(yùn)行，這些安全平面一起形成了一個(gè)安全立方體，保護(hù)探針避免碰撞?？赏ㄟ^操作手柄、手動(dòng)輸入數(shù)據(jù)或者CAD獲取的方法建立安全平面，通過操作手柄建立時(shí)，將測(cè)針移動(dòng)到工件相對(duì)于基本坐標(biāo)系各軸正方向絕對(duì)坐標(biāo)值最大的角點(diǎn)位置，并且該角點(diǎn)的XYZ坐標(biāo)在各方向上都距離工件或夾具最遠(yuǎn)端10 mm左右。

3.5 提取被測(cè)要素

分析零件圖，確定需要的特性及特性所在的元素。所謂元素指的是具有規(guī)則的幾何形狀，包含幾何形狀的名義值，可以用來(lái)評(píng)定大小、形狀和位置。然后通過手動(dòng)采點(diǎn)的方法讓Calypso自動(dòng)識(shí)別元素。測(cè)圓柱度時(shí)被測(cè)元素是一個(gè)圓柱，需打8個(gè)點(diǎn)，即在圓柱上打2個(gè)圓。

3.6 安全“5項(xiàng)”

安全“5項(xiàng)”是程序運(yùn)行參數(shù)，確保測(cè)量機(jī)在CNC狀態(tài)下繞著工件運(yùn)行，保護(hù)探針避免碰撞。安全“5項(xiàng)”包括安全平面、安全距離、回退距離、探針、測(cè)針。程序在運(yùn)行過程中，從一個(gè)元素到另一個(gè)元素，測(cè)針始終是在安全平面上運(yùn)動(dòng)，然后從安全距離接近，在元素內(nèi)部測(cè)一個(gè)點(diǎn)發(fā)生一個(gè)回退量，再測(cè)下一個(gè)點(diǎn)，直到單個(gè)元素測(cè)量完畢，接著沿著安全距離方向離開，到安全距離位置升到該元素所設(shè)置的安全平面。探針是一個(gè)組合，一個(gè)探針下面可有1個(gè)或者多個(gè)測(cè)針，測(cè)針直接用來(lái)測(cè)量。

3.7 測(cè)量策略

在使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量時(shí)，只需知道被測(cè)要素的種類和位置即可。若考慮到測(cè)量的特殊性，則需要選擇測(cè)量策略，使測(cè)量機(jī)輸出最優(yōu)的測(cè)量結(jié)果。一個(gè)測(cè)量報(bào)告可有多個(gè)測(cè)量策略，選擇不同的測(cè)量策略，Calypso會(huì)有不同的運(yùn)行表現(xiàn)。對(duì)于圓柱度的測(cè)量其策略有兩條圓路徑（截面）、一條圓路徑（截面）、直線路徑、螺旋路徑（2周）、螺旋路徑（變量）。

3.8 元素評(píng)定

CALYPSO使用的最佳擬合方法有最小二乘法、最小區(qū)域法、L1元素法、最小外接法、最大內(nèi)切法等，對(duì)于圓柱度的評(píng)定常用的評(píng)定方法是最小區(qū)域法[5]。此外，CA?LYPSO也可以從文件中讀取濾波和粗差過濾的設(shè)置。濾波可以分離幾何元素的波形，以去除表面粗糙度的影響，其類型有高斯、樣條、2RC。濾波的方法有低通、帶通、高通。

4 誤差分析

利用三坐標(biāo)測(cè)量圓柱度時(shí)，誤差常由測(cè)頭系統(tǒng)、坐標(biāo)系建立、評(píng)定方法三方面引起[6]。探針、測(cè)針和標(biāo)準(zhǔn)球共同構(gòu)成了測(cè)頭系統(tǒng)，測(cè)針的選用和標(biāo)定是測(cè)頭系統(tǒng)誤差的主要來(lái)源[8]。因此在標(biāo)定測(cè)針的時(shí)候，要求標(biāo)準(zhǔn)球牢固、清潔，測(cè)針在標(biāo)準(zhǔn)球上的取點(diǎn)盡量垂直進(jìn)行。在三坐標(biāo)測(cè)量時(shí)建立的零件坐標(biāo)系要和零件圖紙上的保持一致，這樣測(cè)量的數(shù)值才能和圖紙上的形位公差進(jìn)行對(duì)比。評(píng)定方法選取的不同將使測(cè)量結(jié)果不同，在評(píng)定圓柱度時(shí)應(yīng)盡可能選取多的點(diǎn)，并且取點(diǎn)要均勻，不可集中在某一個(gè)部位[6]。

5 結(jié)論

圓柱度的三坐標(biāo)檢測(cè)過程分為：?jiǎn)?dòng)CALYPSO、探針（測(cè)針）校準(zhǔn)、坐標(biāo)系的建立、設(shè)置安全平面、提取被測(cè)要素、設(shè)置安全五項(xiàng)、測(cè)量策略的選取、元素評(píng)定。只有合理設(shè)置評(píng)定參數(shù)，才能獲得可靠性高、重復(fù)性好的數(shù)據(jù)。