激光跟蹤儀在軸鍵槽對(duì)稱(chēng)度測(cè)量上的應(yīng)用

田 永

（常州寶菱重工機(jī)械有限公司，江蘇 常州 213000）

軸鍵槽對(duì)稱(chēng)度是影響傳動(dòng)軸扭矩傳遞精度以及鍵和鍵槽工作壽命的重要參數(shù)。軸在機(jī)加工，裝配，維修等各個(gè)環(huán)節(jié)都需要對(duì)其鍵槽的對(duì)稱(chēng)度進(jìn)行重點(diǎn)評(píng)價(jià)。目前常用的軸鍵槽對(duì)稱(chēng)度測(cè)量方法有的精度較低，例如在檢驗(yàn)平臺(tái)使用百分表，高度尺等傳統(tǒng)量具測(cè)量，有的操作復(fù)雜程序繁瑣耗費(fèi)時(shí)間，例如在數(shù)控機(jī)床或三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上測(cè)量。使用激光跟蹤儀測(cè)量，不但保證了測(cè)量精度，而且不需要很繁瑣的前期準(zhǔn)備，省時(shí)省力，是現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)量的最佳選擇，尤其對(duì)于已經(jīng)安裝在大型機(jī)械上，難以拆卸下來(lái)的齒輪鍵槽的測(cè)量，優(yōu)勢(shì)則更加明顯。文章以齒輪鍵槽為例簡(jiǎn)要介紹激光跟蹤儀在軸鍵槽測(cè)量上的應(yīng)用。

1 軸鍵槽對(duì)稱(chēng)度傳統(tǒng)測(cè)量方法

軸類(lèi)鍵槽的對(duì)稱(chēng)度是典型“面對(duì)線(xiàn)”的對(duì)稱(chēng)度，即鍵槽側(cè)面為被測(cè)要素，齒輪軸線(xiàn)為基準(zhǔn)要素。參考《形狀和位置公差》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB T1182—2008介紹的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法，示意圖如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)軸鍵槽檢測(cè)方法示意圖

基準(zhǔn)軸線(xiàn)由V形塊模擬，被測(cè)中心平面由定位塊模擬，分兩步測(cè)量：

（1）截面測(cè)量：調(diào)整被測(cè)件使定位塊沿徑向與平板平行，測(cè)量定位塊至平板的距離，再將被測(cè)件旋轉(zhuǎn)180°后重復(fù)上述測(cè)量，得到該截面上下兩對(duì)應(yīng)點(diǎn)的讀數(shù)差a,則該截面對(duì)稱(chēng)度誤差：

（2）長(zhǎng)向測(cè)量：沿鍵槽長(zhǎng)度方向測(cè)量，取長(zhǎng)向?qū)?yīng)兩點(diǎn)的最大讀數(shù)差為長(zhǎng)向?qū)ΨQ(chēng)度誤差[1]：

f長(zhǎng)=a高-a低

一般軸類(lèi)鍵槽的槽深h遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于軸徑R，所以在截面方向的對(duì)稱(chēng)度誤差可以忽略不計(jì)，只需要考慮長(zhǎng)向?qū)ΨQ(chēng)度誤差即可。

這種測(cè)量方法適合對(duì)一些體積較小的軸進(jìn)行測(cè)量，如果體積較大，或者已經(jīng)安裝在機(jī)械上，不能輕易拆卸的軸，就不適用了。雖然這種測(cè)量方式有較大局限性，但仍值得借鑒。使用激光跟蹤儀模擬此方法進(jìn)行測(cè)量，取得了不錯(cuò)的效果。

2 激光跟蹤儀功能

2.1 激光跟蹤儀的測(cè)量原理

激光跟蹤儀集合了激光干涉測(cè)距技術(shù)、光電探測(cè)技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)、計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)、現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算理論等多種先進(jìn)技術(shù)，對(duì)空間目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，并能實(shí)時(shí)測(cè)量出目標(biāo)的空間三維坐標(biāo)。激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)本質(zhì)上是一種球坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)。它測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)的距離及水平和豎直方向的偏轉(zhuǎn)角，從而得到以激光跟蹤儀測(cè)量中心為原點(diǎn)的目標(biāo)點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)[2]，如圖2所示。

圖2 激光跟蹤儀測(cè)量原理

2.2 FARO Laser Tracker Vantage激光跟蹤儀主要技術(shù)參數(shù)

以激光跟蹤儀FARO Laser Tracker Vantage E為例，它是一種便攜式高精度三維坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備，如圖3所示。

圖3 FARO Vantage激光跟蹤儀

Vantage系統(tǒng)由激光跟蹤儀、設(shè)備電源、回射目標(biāo)（SMR）和運(yùn)行測(cè)量軟件的計(jì)算機(jī)組成。其主要技術(shù)參數(shù)如下：

a）工作范圍：測(cè)距半徑0～35 m

b）水平旋轉(zhuǎn)角：360°

c）垂直旋轉(zhuǎn)角：+77.9°至-52.1°

d）距離測(cè)量精度：16 μm+0.8 μm/m；

e）角度測(cè)量精度：20 μm+5 μm/m。

f）工作溫度：-15 ℃～+50 ℃

3 使用激光跟蹤儀測(cè)量軸鍵槽對(duì)稱(chēng)度

3.1 測(cè)量前準(zhǔn)備

1）激光跟蹤儀的現(xiàn)場(chǎng)安裝及注意事項(xiàng)。首先連接FARO vantage激光跟蹤儀的各種線(xiàn)纜，包括電源線(xiàn)，數(shù)據(jù)線(xiàn)，材料溫度傳感器等。再次確認(rèn)后打開(kāi)激光跟蹤儀電源開(kāi)關(guān)。打開(kāi)Laser Tracker 時(shí)，軟件對(duì)話(huà)窗口將顯示一個(gè)"倒計(jì)時(shí)器"，該計(jì)時(shí)器可倒計(jì)時(shí)跟蹤儀達(dá)到熱穩(wěn)定所需的時(shí)間，使用跟蹤儀內(nèi)部溫度傳感器，不僅用于跟蹤儀相對(duì)于環(huán)境溫度的加熱程度，還用于從左向右分配熱量。

按下“跳過(guò)預(yù)熱階段”按鈕，可以跳過(guò)預(yù)熱。跳過(guò)時(shí)，將顯示警告。不建議跳過(guò)預(yù)熱用于高精度工作。但是如果必須跳過(guò)它，最好盡早跳過(guò)它，而不是預(yù)熱一會(huì)再跳過(guò)它。在其中一個(gè)階段的中途或結(jié)束時(shí)跳過(guò)都可能會(huì)降低精度，而不僅僅是讓跟蹤儀自然地到達(dá)正確的工作溫度。激光跟蹤儀的擺放位置需要特別注意，根據(jù)激光跟蹤儀的技術(shù)參數(shù)分析可知其測(cè)角誤差大于測(cè)距誤差，所以在等距情況下儀器的旋轉(zhuǎn)角應(yīng)盡量小，必要時(shí)可適當(dāng)增加距離以獲得盡量小的旋轉(zhuǎn)角度。整個(gè)開(kāi)機(jī)自檢過(guò)程大概40 min。

2）激光跟蹤儀快速補(bǔ)償及注意事項(xiàng)。Faro Vantage激光跟蹤儀具有快速補(bǔ)償功能，為保證測(cè)量準(zhǔn)確性，減小測(cè)量誤差，需要在開(kāi)機(jī)自檢完成后進(jìn)行快速補(bǔ)償。這里需要注意，不建議在起始位置（Home）處運(yùn)行快速補(bǔ)償。除非SMR距離跟蹤儀超過(guò)起始位置200 mm，否則快速補(bǔ)償不會(huì)執(zhí)行自動(dòng)測(cè)量。如果快速補(bǔ)償在距離跟蹤儀約1～2 m處執(zhí)行，則距離跟蹤儀10 m處的后視可能會(huì)有誤差。但是，如果快速補(bǔ)償在距離8～10 m處執(zhí)行，則1～2 m的后視點(diǎn)應(yīng)該在公差范圍內(nèi)。當(dāng)應(yīng)用需要進(jìn)一步測(cè)量時(shí)，在距離待測(cè)工件較遠(yuǎn)的地方進(jìn)行補(bǔ)償，通常認(rèn)為這是不合理的。選擇合適的位置進(jìn)行快速補(bǔ)償，待快速補(bǔ)償完成即可展開(kāi)正式測(cè)量。整個(gè)快速補(bǔ)償過(guò)程大概5 min。

3.2 開(kāi)始測(cè)量

首先用cam2測(cè)量軟件內(nèi)置的測(cè)量曲面點(diǎn)功能，在鍵槽兩側(cè)面上均勻測(cè)得6個(gè)曲面點(diǎn)（采集曲面點(diǎn)建議采集的點(diǎn)數(shù)是3個(gè)），分別命名為a1，a2，a3，a4，a5，a6。然后再使用測(cè)量圓柱功能測(cè)量齒輪軸，將測(cè)得的圓柱（測(cè)量圓柱建議采集的點(diǎn)數(shù)是8個(gè)，如果需要圓柱度則需要采集點(diǎn)為13個(gè)，盡量擴(kuò)大采集點(diǎn)范圍，范圍越大圓柱擬合精度越高）命名為軸1。圓柱 中點(diǎn)命名為o1。測(cè)量軟件截圖如圖4所示。

圖4 cam2測(cè)量軟件界面

采點(diǎn)過(guò)程需要注意：在默認(rèn)狀態(tài)下，每個(gè)點(diǎn)采樣是1 000樣本，大概需要0.062 5 s，這個(gè)過(guò)程盡量保持SMR不要晃動(dòng)。取點(diǎn)過(guò)程中SMR晃動(dòng)過(guò)大，會(huì)造成樣本均方根RMS值偏大，可能造成測(cè)量誤差。此過(guò)程用時(shí)10 min。

3.3 建立坐標(biāo)系

首先將圓柱中點(diǎn)o1作為坐標(biāo)系原點(diǎn)，將軸線(xiàn)作為第一要素，并定義為Z軸。由于軸類(lèi)件的基準(zhǔn)是軸線(xiàn)，找到符合國(guó)標(biāo)對(duì)稱(chēng)度定義且通過(guò)基準(zhǔn)軸線(xiàn)的中心平面，是評(píng)價(jià)軸類(lèi)對(duì)稱(chēng)度的關(guān)鍵。國(guó)標(biāo)沒(méi)有提供測(cè)量基準(zhǔn)中心平面的標(biāo)準(zhǔn)方法，設(shè)計(jì)三坐標(biāo)測(cè)量方法、建立基準(zhǔn)中心平面成為關(guān)鍵[3]。基準(zhǔn)中心平面測(cè)量思路是:在槽深1/2處測(cè)得的兩曲面點(diǎn)a2，a5構(gòu)造中點(diǎn)a0，通過(guò)原點(diǎn)o1，中點(diǎn)a0兩點(diǎn)構(gòu)造一條直線(xiàn)L1。并以L(fǎng)1作為第二要素，并定義為X軸，XZ平面就是基準(zhǔn)中心平面。坐標(biāo)系由此建立。測(cè)量軟件內(nèi)進(jìn)階坐標(biāo)系建立選項(xiàng)卡截圖如圖5所示。

圖5 進(jìn)階坐標(biāo)系的建立

這里需要注意：坐標(biāo)系建立遵循6自由度原則，六自由度（6自由度）是指實(shí)體能夠在三維空間中自由移動(dòng)的特定軸數(shù)。它定義了獨(dú)立參數(shù)的數(shù)量，這些參數(shù)定義了系統(tǒng)的配置。具體來(lái)說(shuō)，實(shí)體可以在X，Y和Z軸上沿三個(gè)維度移動(dòng)，并且可以通過(guò)通常稱(chēng)為俯仰，滾動(dòng)和偏航的旋轉(zhuǎn)來(lái)改變這些軸之間的方向。

3.4 數(shù)據(jù)分析

觀察6個(gè)曲面點(diǎn)的坐標(biāo)值(Y軸坐標(biāo)）。6個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值如圖6所示。

圖6 進(jìn)階坐標(biāo)系

計(jì)算鍵槽兩側(cè)對(duì)應(yīng)兩點(diǎn)的差值①a1-a6=0.006 mm；②a2-a5=0 mm；③a3-a4=0.003 mm。選其中最大值作為鍵槽對(duì)稱(chēng)度誤差F=|a1-a2|max=0.006 mm。

4 總結(jié)

此次測(cè)量耗時(shí)如下：①設(shè)備安裝，開(kāi)機(jī)自檢的過(guò)程大概50 min；②然后設(shè)備自我校準(zhǔn)，快速補(bǔ)償大概5 min；③測(cè)量，信息采集的過(guò)程大概10 min，④最后建立坐標(biāo)系，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析大概5 min。從設(shè)備安裝到完成數(shù)據(jù)分析整個(gè)過(guò)程不超過(guò)70 min。綜上所述，使用激光跟蹤儀測(cè)量軸鍵槽的對(duì)稱(chēng)度，顯著節(jié)省了測(cè)量時(shí)間，縮短了制造周期，縮減了制造成本。但是使用激光跟蹤儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量也存在以下問(wèn)題：①車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)的震動(dòng)對(duì)儀器的測(cè)量精度存在一定影響，所以在測(cè)量過(guò)程中應(yīng)盡量減少現(xiàn)場(chǎng)的行車(chē)或其他震源對(duì)測(cè)量工作的干擾；②機(jī)加工車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)不是密閉環(huán)境，空氣流通等因素也造成現(xiàn)場(chǎng)的溫度波動(dòng)較大，在測(cè)量過(guò)程中務(wù)必使用材料溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工件溫度，并進(jìn)行溫度補(bǔ)償，減少因材料熱脹冷縮造成的誤差；③激光跟蹤儀的精度與距離和角度都有直接關(guān)系，因此激光跟蹤儀的擺放位置應(yīng)本著距離近，旋轉(zhuǎn)角度小的原則。這些問(wèn)題需要在測(cè)量過(guò)程中重點(diǎn)注意，避免測(cè)量出現(xiàn)較大偏差，造成不必要的損失。