摘要:大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)能夠?qū)ζ嚮剞D(zhuǎn)軸類零部件進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量,增強(qiáng)我國汽車回轉(zhuǎn)軸類零部件的校準(zhǔn)精度。目前,我國大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)主要依賴進(jìn)口,國內(nèi)暫未研究出完備且專業(yè)的校準(zhǔn)體系。為此,闡述大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)的應(yīng)用價(jià)值,分析其在汽車回轉(zhuǎn)軸類零部件制造中的應(yīng)用,探討其基本結(jié)構(gòu),并以德國HOMMEL的OPTIC C1023大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)為例,分析相應(yīng)的校準(zhǔn)方法,以期為我國大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)的研制以及專業(yè)校準(zhǔn)方法的制定提供一定的參考。
關(guān)鍵詞:大型軸類回轉(zhuǎn);光學(xué)測(cè)量機(jī);校準(zhǔn)方法
中圖分類號(hào):U467? 收稿日期:2023-11-17
DOI:1019999/jcnki1004-0226202401023
1 前言
大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)具有高精度特點(diǎn),且測(cè)量效率較高,該機(jī)器已經(jīng)逐漸取代傳統(tǒng)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)過程中的回轉(zhuǎn)軸類測(cè)量方法。但是目前我國在進(jìn)行該測(cè)量機(jī)的校準(zhǔn)時(shí),國內(nèi)外的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)以及需求之間的適配度相對(duì)較低,主要依托國外專業(yè)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行機(jī)器校準(zhǔn),相應(yīng)的校準(zhǔn)費(fèi)用較高。因此,相關(guān)部門應(yīng)將該機(jī)器校準(zhǔn)規(guī)程制定作為研究重點(diǎn),逐步擺脫對(duì)國外校準(zhǔn)技術(shù)的依賴。
2 大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)的應(yīng)用價(jià)值
使用大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)能夠提高生產(chǎn)效率,實(shí)現(xiàn)汽車回轉(zhuǎn)軸類零部件的精準(zhǔn)測(cè)量。相較傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)軸類測(cè)量方法,大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)的應(yīng)用在縮短測(cè)量時(shí)間的前提下,保證了測(cè)量的精準(zhǔn)度,提高了相應(yīng)的機(jī)械零部件生產(chǎn)效率。
a.大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)汽車回轉(zhuǎn)軸類零部件的快速測(cè)量。傳統(tǒng)的測(cè)量方式主要是以人工為主,測(cè)量人員手動(dòng)完成測(cè)量工作。這種測(cè)量方式不僅需要耗費(fèi)大量的時(shí)間,還極易出現(xiàn)測(cè)量失誤,并且需要相應(yīng)的測(cè)量人員具有一定的技術(shù)經(jīng)驗(yàn),使得汽車回轉(zhuǎn)軸類零部件測(cè)量具有較高的人工成本。而大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)可以利用現(xiàn)代化信息技術(shù),自動(dòng)完成汽車回轉(zhuǎn)軸類零部件校準(zhǔn)工作,使得生產(chǎn)效率大幅提升。
b.大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)能夠強(qiáng)化測(cè)量精度,并且實(shí)現(xiàn)汽車回轉(zhuǎn)軸類零部件的重復(fù)測(cè)量。汽車質(zhì)量檢測(cè)過程中,相應(yīng)的零部件的形狀、尺寸等對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量起到絕對(duì)的影響作用。大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)能夠重復(fù)獲取相關(guān)零部件的外形、質(zhì)量等參數(shù),極大地保證了產(chǎn)品的性能以及產(chǎn)品生產(chǎn)安全,提高我國汽車發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量。
c.大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)具有自動(dòng)化及數(shù)據(jù)化測(cè)量優(yōu)勢(shì)。它可以與CAD等技術(shù)軟件相融合,在測(cè)量機(jī)內(nèi)部建立相應(yīng)的零部件測(cè)量數(shù)據(jù)庫。根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的信息自動(dòng)完成零部件的測(cè)量以及校準(zhǔn)工作。減少該環(huán)節(jié)對(duì)于人工的依賴性,簡化了相應(yīng)的工序流程。
此外,大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)能夠保證汽車回轉(zhuǎn)軸類零部件生產(chǎn)的產(chǎn)品一致性,避免零部件生產(chǎn)過程中不同零部件存在參數(shù)差異,保證零部件產(chǎn)品的質(zhì)量。并且,使用大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)能夠提高汽車回轉(zhuǎn)軸類零部件生產(chǎn)及校準(zhǔn)的自動(dòng)化程度。目前,該類測(cè)量機(jī)在數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)傳輸過程中已經(jīng)具有較高的靈活性,且已經(jīng)具備了動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)功能,能夠根據(jù)汽車回轉(zhuǎn)軸類零部件的生產(chǎn)及校準(zhǔn)環(huán)境自動(dòng)調(diào)整校準(zhǔn)參數(shù),具有高度的環(huán)境適應(yīng)性。
3 大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)在汽車回轉(zhuǎn)軸類零部件制造中的應(yīng)用
3.1 汽車回轉(zhuǎn)軸類零部件的精度檢測(cè)
隨著人們生活水平的提升,民眾對(duì)于汽車產(chǎn)品的需求也逐漸向著多元化方向發(fā)展,這對(duì)汽車回轉(zhuǎn)軸類零部件的生產(chǎn)及測(cè)量水平提出更高的要求。大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)的出現(xiàn),實(shí)現(xiàn)了汽車回轉(zhuǎn)軸類零部件測(cè)標(biāo)高的精準(zhǔn)化發(fā)展。
現(xiàn)階段,大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)在汽車回轉(zhuǎn)軸類零部件精度檢測(cè)主要包括零部件的表面形狀、位姿、尺寸等的測(cè)量。在進(jìn)行表面形狀測(cè)量時(shí),需要基于光學(xué)理論利用激光干涉儀等技術(shù),快速獲取零部件的表面形狀信息。在進(jìn)行位姿測(cè)量時(shí),主要是借助面陣相機(jī)等技術(shù)設(shè)備,獲取零部件的空間位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)。并且,還可以完成零部件的大面積測(cè)量,滿足零部件生產(chǎn)的自動(dòng)化需求。在進(jìn)行尺寸測(cè)量時(shí),利用光學(xué)影像測(cè)量儀等技術(shù)設(shè)備,獲取零部件尺寸信息。
3.2 汽車回轉(zhuǎn)軸類零部件的質(zhì)量檢測(cè)
大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)將采用光學(xué)三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù),完成汽車回轉(zhuǎn)軸類零部件的質(zhì)量檢測(cè),快速獲取汽車回轉(zhuǎn)軸類零部件的尺寸形狀、位置參數(shù)等。并與大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對(duì),將比對(duì)結(jié)果作為汽車回轉(zhuǎn)軸類零部件是否合格的判定標(biāo)準(zhǔn)。一旦發(fā)現(xiàn)零部件出現(xiàn)質(zhì)量問題,便于相應(yīng)的工作人員及時(shí)進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)整,最大程度地降低企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失,提高產(chǎn)品的質(zhì)量。并且,在質(zhì)量檢測(cè)過程中,采用的技術(shù)設(shè)備等均屬于無接觸式測(cè)量原理,避免人為操作誤差,提高質(zhì)量檢測(cè)的精度以及效率。
4 大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)的基本結(jié)構(gòu)
大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)回轉(zhuǎn)軸類的測(cè)量,比如凸輪軸、曲軸的測(cè)量[1]。但是,由于國內(nèi)無法對(duì)國外的量傳體系進(jìn)行有效監(jiān)控,存在一定的風(fēng)險(xiǎn),所以曲軸光學(xué)測(cè)量機(jī)的維護(hù)及校準(zhǔn)完全掌握在國外原供應(yīng)商手中。大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)的基本結(jié)構(gòu)主要由五部分構(gòu)成。
a.測(cè)量機(jī)機(jī)座。測(cè)量機(jī)的機(jī)座需要承擔(dān)大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)的全部重量,所以對(duì)于其機(jī)座的牢固性有著一定的要求。為了保證測(cè)量機(jī)機(jī)座的穩(wěn)定可靠,需要選擇大理石這類牢固度較強(qiáng)的材料作為機(jī)座材料,確保其機(jī)座在重力的作用下不會(huì)發(fā)生變形。
b.上下頂尖夾持系統(tǒng)。在進(jìn)行回轉(zhuǎn)軸類測(cè)量過程中,需使用上下頂尖夾持系統(tǒng)進(jìn)行回轉(zhuǎn)精度測(cè)量。為保證該系統(tǒng)夾裝的可靠性,需要保證上下頂尖系統(tǒng)具有一定的柔性,其上下頂尖要可以保持上下縱向浮動(dòng)[2]。
c.高度測(cè)量基準(zhǔn)。該結(jié)構(gòu)主要是利用光柵來確定測(cè)量方向的尺寸,保證該機(jī)器的測(cè)量精度在10 [μm]以下。
d.徑向測(cè)量基準(zhǔn)。該結(jié)構(gòu)主要是依托照相技術(shù),利用照相測(cè)量方法,將大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)與照相機(jī)相結(jié)合,能夠使軸向尺寸的測(cè)量精度控制在5 [μm]以下。這種徑向測(cè)量基準(zhǔn)能夠滿足絕大部分綜合軸向和徑向的軸類測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí),照相測(cè)量方法的工作效率較高,且為非接觸的測(cè)量模式,因此不會(huì)對(duì)于機(jī)器的測(cè)量頭產(chǎn)生任何損害,有助于避免測(cè)量頭磨損,延長該機(jī)器的使用壽命。
e.自校系統(tǒng)。大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)一般都含自校準(zhǔn)件,可利用其進(jìn)行自動(dòng)化校準(zhǔn)。該自校準(zhǔn)件會(huì)根據(jù)相應(yīng)的回轉(zhuǎn)軸類零部件的自校標(biāo)準(zhǔn)件等,進(jìn)行零件精度校準(zhǔn)檢測(cè),結(jié)合檢測(cè)結(jié)果,完成機(jī)器自校。在一定程度上,該自校系統(tǒng)保證了該機(jī)器的測(cè)量精準(zhǔn)度[3]。
5 大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)案例
HOMMEL的OPTIC C1023大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)的校準(zhǔn)項(xiàng)目主要需要對(duì)于機(jī)器的X向和Z向進(jìn)行精度測(cè)量校準(zhǔn),即徑向測(cè)量精度和軸向測(cè)量精度。前者的精度為D=(2+D[mm]/100)[μ]m,后者的精度為L=(5+L[mm]/100)[μ]m。
該機(jī)器校準(zhǔn)的另一重要指標(biāo)是機(jī)器的重復(fù)性以及再現(xiàn)性。現(xiàn)階段,該指標(biāo)在不同區(qū)域的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)也是不同的。美系標(biāo)準(zhǔn)以重復(fù)性、再現(xiàn)性指標(biāo)為主,德系標(biāo)準(zhǔn)以測(cè)量指數(shù)Cg/Cgk的指標(biāo)為主。本文中的大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)校準(zhǔn)方法由于考慮到其測(cè)量多為自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行處理,相應(yīng)的人為影響因素較小,因此對(duì)再現(xiàn)性指標(biāo)忽略不計(jì),采用德系標(biāo)準(zhǔn),經(jīng)過超25次的測(cè)量,使其能夠大于1.33,并以此作為校準(zhǔn)目標(biāo)。
在進(jìn)行大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)校準(zhǔn)時(shí),需要借助原供應(yīng)商的校準(zhǔn)方法,設(shè)計(jì)制造專用的標(biāo)準(zhǔn)件,并以該標(biāo)準(zhǔn)件作為被校件的對(duì)比測(cè)量對(duì)象。制造專用標(biāo)準(zhǔn)件的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:a.便于大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)件夾裝;b.保證測(cè)量系統(tǒng)的精準(zhǔn)度。由于本次的校準(zhǔn)案例是從X向和Z向進(jìn)行的,因此需要設(shè)計(jì)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件用來校準(zhǔn)直徑方向,另一個(gè)則用來校準(zhǔn)軸向。
6 大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)的校準(zhǔn)方法
6.1 大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)校準(zhǔn)前期準(zhǔn)備
為提高大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)校準(zhǔn)工作的準(zhǔn)確性及可靠性,需要對(duì)于機(jī)器的外觀、冷卻系統(tǒng)、運(yùn)行環(huán)境等進(jìn)行檢測(cè)。
a.在校準(zhǔn)之前,需要對(duì)于大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)的外型結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)記,詳細(xì)記錄該機(jī)器的制造廠商、標(biāo)號(hào)等信息,同時(shí)確保其指示燈運(yùn)行正常,并且要確保大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)的主機(jī)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分運(yùn)行正常,相應(yīng)的電纜齊全,接口類型標(biāo)志準(zhǔn)確無誤。
b.在校準(zhǔn)之前,需要將校準(zhǔn)件放置在校準(zhǔn)設(shè)備旁1 d以上。保證校準(zhǔn)件和其校準(zhǔn)設(shè)備之間的溫度具有一致性。校準(zhǔn)過程中,校準(zhǔn)件和校準(zhǔn)設(shè)備之間的溫差每小時(shí)要控制在2 ℃以內(nèi)。
c.在校準(zhǔn)之前,需要對(duì)于型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)的照相機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè),確保其內(nèi)部冷卻液面在相應(yīng)的指示范圍內(nèi),并且需要按照校準(zhǔn)設(shè)備的使用說明對(duì)于設(shè)備進(jìn)行預(yù)調(diào)整和清潔。特別是要對(duì)機(jī)器自帶的校準(zhǔn)環(huán)及照相鏡頭進(jìn)行清潔,提高校準(zhǔn)精度。在校準(zhǔn)過程中不可以做對(duì)光學(xué)機(jī)性能有影響的調(diào)整。此外,在校準(zhǔn)之前還需要提前0.5 h進(jìn)行設(shè)備開機(jī)預(yù)熱。
6.2 大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)的校準(zhǔn)流程
a.大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)的開機(jī)和自校。相應(yīng)的技術(shù)人員需要打開該機(jī)器的電源總開關(guān),隨后按下HOMMEL電腦的開關(guān)按鈕,進(jìn)行設(shè)備啟動(dòng)。將MAIN SWTICH旋轉(zhuǎn)至ON位置。再按下START按鈕,當(dāng)按鈕的綠燈亮起,表示計(jì)算機(jī)POWER燈啟動(dòng),進(jìn)入WINDOWS-XP操作系統(tǒng),雙擊用戶TURBO OPTIC USER進(jìn)入測(cè)量軟件。最后,選擇INITIALIZE MEASURING SYSTEM自動(dòng)初始化測(cè)量系統(tǒng)并定標(biāo),定標(biāo)步驟完成后自動(dòng)回到主菜單頁面。
b.大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)的X向測(cè)量。將校準(zhǔn)直徑方向的標(biāo)準(zhǔn)件使用軟織物擦拭干凈,并將其安裝在大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)的頂尖之上,在程序中選擇相應(yīng)的校準(zhǔn)文件,按
c.大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)的Z向測(cè)量。將校準(zhǔn)軸向的標(biāo)準(zhǔn)件使用軟織物擦拭干凈,在程序中選擇相應(yīng)的校準(zhǔn)文件,按
d.依據(jù)相應(yīng)的示值誤差及測(cè)量指數(shù)Cg/Cgk,進(jìn)行校準(zhǔn)件測(cè)量誤差分析。首先,計(jì)算測(cè)量示值誤差([Δ]),即被校光學(xué)機(jī)25次測(cè)量平均值(vi)與標(biāo)準(zhǔn)件實(shí)際值(vo)二者之間的差值與標(biāo)準(zhǔn)件實(shí)際值的比值。隨后,計(jì)算光學(xué)機(jī)測(cè)量指數(shù)。Cg為0.2倍的產(chǎn)品公差(T)與6倍的測(cè)量i次的標(biāo)準(zhǔn)差(S)二者之間的比值,其中i>25次。Cgk為0.1倍的產(chǎn)品公差(T)減去測(cè)量i次的極差(R)和3倍的測(cè)量i次的標(biāo)準(zhǔn)差(S)二者之間比值后的所得數(shù)值,其中i>25次,示值誤差[Δ]和測(cè)量指數(shù)Cg、Cgk的公式如下:
[Δ=vi-vovo×100%]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(1)
Cg=0.2T/(6S)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(2)
Cgk=0.1T-R/(3S)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(3)
6.3 大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)的校準(zhǔn)不確定度檢驗(yàn)
大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)在校準(zhǔn)過程中,可以利用比較測(cè)量法,用標(biāo)準(zhǔn)件對(duì)被測(cè)軸類光學(xué)機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)。其校準(zhǔn)點(diǎn)示值誤差為校準(zhǔn)點(diǎn)示值減去零點(diǎn)示值后所得數(shù)值與校準(zhǔn)件在標(biāo)準(zhǔn)條件下的尺寸之間的差值。
大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)的校準(zhǔn)不確定度主要來源有四種,分別是測(cè)量重復(fù)性、標(biāo)準(zhǔn)件測(cè)量精度誤差、溫度變化、系統(tǒng)誤差。其中第一種為A類,其余三種為B類。
A類不確定度評(píng)定時(shí),可以通過多次測(cè)量進(jìn)行處理,在被校設(shè)備正常工況條件下,用高度校準(zhǔn)件及直徑校準(zhǔn)件進(jìn)行校準(zhǔn),分別重復(fù)測(cè)量校準(zhǔn)件i次,以其中的一個(gè)直徑及高度為例,實(shí)際測(cè)量時(shí),在重復(fù)條件下連續(xù)測(cè)量三次,以三次測(cè)量的算術(shù)平均值作為測(cè)量結(jié)果,則可得標(biāo)準(zhǔn)不確定度。
B類不確定度評(píng)定時(shí),標(biāo)準(zhǔn)件測(cè)量精度誤差用ZEISS三坐標(biāo)PRISMO NAVIGATOR 9187來進(jìn)行測(cè)量,確保其精度為0.9+L/400。溫度變化引發(fā)的不確定度,可以借助校準(zhǔn)件的熱膨脹系數(shù)。當(dāng)溫度測(cè)量有誤差時(shí),會(huì)引起標(biāo)準(zhǔn)不確定度,設(shè)置相應(yīng)的溫度測(cè)量誤差標(biāo)準(zhǔn)值,進(jìn)而控制溫度變化對(duì)于不確定度的影響。系統(tǒng)誤差引發(fā)的不確定度,其直徑方向用光柵來進(jìn)行測(cè)量,高度方向用照相機(jī)來進(jìn)行測(cè)量,將二者合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度,提高校準(zhǔn)系統(tǒng)的測(cè)量精度。
7 結(jié)語
在大型軸類回轉(zhuǎn)光學(xué)測(cè)量機(jī)校準(zhǔn)前期相關(guān)技術(shù)人員需要做好充足的準(zhǔn)備。對(duì)于校準(zhǔn)前的機(jī)械結(jié)構(gòu)、零部件等進(jìn)行仔細(xì)標(biāo)記,控制好校準(zhǔn)區(qū)域內(nèi)部環(huán)境溫度,優(yōu)化相應(yīng)的校準(zhǔn)流程,利用相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,進(jìn)行校準(zhǔn)不確定度分析,在最大程度上提高校準(zhǔn)后機(jī)器的精準(zhǔn)度。
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作者簡介:
沈崇泉,男,1985年生,研究方向?yàn)橛?jì)量校準(zhǔn)。