蘆秀紅，郭瑩瑩，劉景玉

(1.洛陽北方企業(yè)集團有限公司，河南 洛陽 471031;2.東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川 德陽 618000)

0 引言

摩托車車架是整車的基礎(chǔ)部件，空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易變形，發(fā)動機和很多零部件安裝其上，各安裝孔相互位置控制和檢測尤為重要，各安裝孔支架常采用焊具、校具、檢具等加工、自檢。三坐標測量機是近40年來發(fā)展起來的精密測量儀器，具有較高的測量準確度和柔性，操作方便快捷，廣泛應(yīng)用于機械制造、汽車電子、航空航天等產(chǎn)業(yè)。目前，多使用三坐標測量機[1]對車架進行檢測。測量基準的建立有多種方式，其質(zhì)量優(yōu)劣將直接影響測量結(jié)果。如何綜合各種因素，建立最合適的車架測量基準是本文討論的重點。將先進的三坐標測量技術(shù)應(yīng)用于車架檢測，充分發(fā)揮其高精度、高效率、萬能性的優(yōu)點，可大大提高車架的制造精度，提升整車裝配精度。

1 車架測量基準常規(guī)建立方法

由于車架兩側(cè)均需要測量孔位，車架前叉管向上，采用直立放置，圖1為某典型車架三維示意圖，圖2為二維平面示意圖，圖中各長度尺寸單位為mm。為便于說明，圖1、圖2略去了許多結(jié)構(gòu)尺寸，僅示意性標注了具有代表性的幾個安裝孔。

圖1 車架三維示意圖

1.1 分析設(shè)計基準

圖2 車架二維示意圖

由圖2可知，尺寸和形位公差要求相對高的有:前叉立管兩端面粗糙度3.2，前叉立管孔和的公共軸心線是基準A－B;前叉立管軸線與鉛垂線夾角 26.5°±0.5°;后叉軸兩端內(nèi)孔軸線是基準F;車架方管 (內(nèi)側(cè)尺寸102)對稱中心是基準E，兩內(nèi)側(cè)對E的對稱度0.8。檢測對象為車架上各安裝支架孔的圓心坐標，公差均±0.5 mm，圖中僅示意標注3個孔:擋風板支架孔、發(fā)動機懸掛孔、尾燈支架孔。

由圖2可知，設(shè)計基準的坐標系 (理論坐標系)是參照車架在整車實際裝配狀態(tài)下設(shè)定的，設(shè)計基準是前叉立管兩端內(nèi)孔公共軸心線和后叉軸孔軸心線。具體可解讀為:

X軸:圖2上的水平線。

Y軸:后叉管的軸線，垂直于圖2的圖面。

Z軸:前叉管公共軸心線逆時針旋轉(zhuǎn)26.5°后的直線，即圖2上的鉛垂線。

原點:圖2所示，絕大部分孔圓心坐標 (X和Z方向的尺寸)均由后叉軸心為起點，此點是設(shè)計坐標系的原點。

1.2 常規(guī)測量方法和測量基準的建立

常規(guī)測量方案一般是用設(shè)計基準建立測量基準，然后對各安裝孔位置進行測量。方法如下:在前叉立管分別測量兩端的圓孔φ45 mm和φ54 mm，以兩圓心連線建立坐標系Z軸;在后叉軸分別測兩端內(nèi)孔φ10.1 mm，以兩圓心連線建立坐標系Y軸;系統(tǒng)自動建立X軸，分別垂直于坐標軸Y和Z;以后叉軸心線中心點作為坐標系零點，繞Y軸逆時針旋轉(zhuǎn)26.5°，記作O－XYZ;以坐標系O－XYZ為測量基準測量各安裝孔位置。

1.3 常規(guī)測量方法的問題

實踐中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)用常規(guī)測量方法時，車架從測量機平臺上取下重新裝夾測量，各孔位置與前一次測量結(jié)果相差較大，復(fù)現(xiàn)性很差，差值甚至往往超過圖紙的允差(±0.5 mm)，使被測件是否合格無法評判。有時發(fā)現(xiàn)用常規(guī)測量方法測量合格的產(chǎn)品，在成車總裝中卻發(fā)現(xiàn)孔位偏差較大，無法正常裝車;反之正常裝配的車架卻在測量中顯示孔位偏差大，誤判現(xiàn)象多，測量結(jié)果參考性差。通過匯總測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，進入正?？傃b的車架，尺寸偏差與前叉管 (測量基準)距離近似成正比，距離測量基準越遠尺寸偏差也越大，有時可達2 mm。

2 測量基準建立的原則和測量方法的改進

實踐中應(yīng)根據(jù)空間六點定位原則建立零件坐標系。

2.1 六點定位原則

物體在空間有六個自由度，分別為沿三個坐標軸方向的移動和繞三個坐標軸的旋轉(zhuǎn)。確定目標物的空間位置和建立測量坐標系時，第一基準是一個面 (三個點)，限制物體的三個自由度;第二基準是一條線(二個點)，限制物體的兩個自由度;第三基準是一個點，限制物體最后一個自由度，從而使物體在空間中的位置被確定。

2.2 測量基準建立原則[2]

零件坐標系建立不合理將導(dǎo)致測量重復(fù)性差，嚴重喪失精密測量的準確性，從而帶來誤判風險。測量基準的選擇應(yīng)盡量滿足以下三個原則:

1)基準統(tǒng)一

設(shè)計基準、工藝基準、測量基準應(yīng)盡量保持一致，可以減少加工誤差，保持產(chǎn)品設(shè)計功能。測量基準與設(shè)計基準、工藝基準一致對準確測量和防止誤判有利，基準統(tǒng)一是一種理想情況，若不能滿足實際要求需要進一步優(yōu)化分析。

2)盡可能選擇精度高的實際要素建立測量基準

在被測對象上盡可能選擇相對精度高、一致性好的實際要素建立測量基準，提高檢測數(shù)據(jù)讀數(shù)時的準確性，從而確保測量結(jié)果的復(fù)現(xiàn)性、重復(fù)性和準確性。

3)盡可能選擇較大的實際要素建立測量基準

建立測量基準的實際要素通常小于被測實際要素，對測量基準要素的采點若有一個誤差δ，因被測實際要素大于基準實際要素，δ在被測實際要素上通常會被按比例放大，雖然本身誤差δ很小，但δ給被測實際要素造成的被放大了若干倍的誤差Δ，會給測量結(jié)果帶來不可接受的誤差風險。所以在建立測量基準時，第一基準必須選擇面積較大的實際表面，第二基準必須選擇長度尺寸較長的實際直線，以盡量減小誤差Δ。

根據(jù)以上原則，常規(guī)測量車架方法的測量基準選擇滿足了“基準統(tǒng)一”的原則，使測量基準盡量與設(shè)計基準保持一致，也滿足了“盡可能選擇精度高的實際要素”建立測量基準，從而保證測量基準的精度高于被測要素精度。之所以出現(xiàn)上述偏差2 mm的異常現(xiàn)象，其根源是嚴重違背了建立測量基準的第三個原則，違反了“盡可能選擇較大的實際要素建立測量基準”的原則，完全以設(shè)計基準作測量基準，不能滿足實際需求，需要優(yōu)化零件坐標系。

車架整體尺寸較大，最大孔距可達約1000 mm，而常規(guī)方法建立零件坐標系時選擇的測量基準要素是前叉軸和后叉軸，它們各自長度分別為186 mm和152 mm，均小于200 mm，不到1000 mm的五分之一，顯得太小。用尺寸較小的特征建立測量基準，原始采樣點間距很小，其產(chǎn)生的微小誤差 (焊接工藝易造成變形)會隨著測量范圍的增大而放大，導(dǎo)致產(chǎn)生較大的測量誤差。這就是按常規(guī)測量方案建立測量基準，測量結(jié)果的誤差將按線性比例放大，最終導(dǎo)致測量重復(fù)性和復(fù)現(xiàn)性差和總裝工序發(fā)現(xiàn)上道質(zhì)量檢驗誤判的原因所在。

2.3 車架基準的建立

1)第一基準采用面積較大的平面來建立。分別在前叉立管上端面和φ45內(nèi)孔采點擬合為面1和圓1，圓1在面1上的投影記為點1，在標有對稱度0.8的車架支撐方管兩內(nèi)側(cè)面采點，構(gòu)造對稱中心線線1，以線1和點1構(gòu)造一個平面，記為面2，作為第一基準，法向定為Y軸。

2)第二基準采用尺寸較長的直線來建立。在后叉軸兩端的內(nèi)孔采點擬合為圓2、圓3，兩圓心連線得到后叉軸孔中心線，記為線2。線2與面2相交得點2，連接點1和點2建立線3。線3旋轉(zhuǎn)arctan(504.5/496.5)作為第二基準，即圖2上水平方向的X軸。

3)系統(tǒng)自動建立Z軸，Z軸與X軸和Y軸兩兩垂直。

4)以點2作為零件坐標系的原點，建立直角坐標系。

5)以此坐標系為測量基準分別測量各安裝孔相對位置的正確性。

按此方法建立的坐標系可規(guī)避因前叉立管測量誤差引起的對車架后部安裝孔位置偏差的放大。

3 兩種方案的對比

3.1 重復(fù)性的對比

常規(guī)測量方案中，坐標系第一軸方向與前叉立管兩圓心連線完全重合，由于前叉立管與主管等焊接后易產(chǎn)生變形 (空間傾角誤差)，第一軸必然發(fā)生三個方向上不規(guī)則的扭曲，從而造成車架孔位偏差被扭曲放大 (通過工裝檢具及總裝可判定正常的車架，在該坐標系下卻超差嚴重)，此時可根據(jù)加工精度高的如尾燈支架、發(fā)動機懸掛孔的偏差，在程序中直接調(diào)整坐標系空間角度來縮小整體孔位偏差，從而合理評價孔位坐標。但對坐標系空間角度的調(diào)整既繁瑣復(fù)雜，又不能同時符合被測孔三個方向的坐標，實際結(jié)果復(fù)現(xiàn)性差，不實用。

而改進后的測量方案中，第一軸方向的誤差只由車架方管對稱度偏差引起 (中心線的Y向偏移)，可根據(jù)部分精度高的孔位測量結(jié)果及工藝裝配信息，對坐標系進行Y向偏移即可，操作方便，結(jié)果復(fù)現(xiàn)性較好。

3.2 多次重復(fù)測量進行驗證

為對上述兩種建立測量基準方法的可靠性進行驗證，我們采取了多次測量的試驗方法，選擇了一件可正常裝車的合格車架進行重復(fù)性測量實驗對比。具體方法是:

1)選擇發(fā)動機左懸掛孔、尾燈下左安裝孔、左擋風板支架孔作為對比驗證對象，孔中心坐標尺寸 (mm)分別標注為 (144，73)，(453，396)，(512，386);

2)將被測車架安裝在工作平臺上分別用兩種方法建立測量基準對三個孔測量;

3)車架從工作平臺上取下，再重新安裝，分別用兩種方法建立測量基準對三個孔測量。

如此反復(fù)實驗五次，將對比驗證結(jié)果填入表1。

表1 車架坐標系改進前后重復(fù)測量實驗數(shù)據(jù)匯總表 mm

從表1中可看出:用常規(guī)方法測量，三個孔測量結(jié)果重復(fù)性極差R均在1 mm以上，最大極差達1.768 mm。這說明車架每次重新安裝、采點建立測量基準時產(chǎn)生的微小誤差都不同，常規(guī)方法因采點時的微小誤差造成基準后部支架孔中心的坐標測量結(jié)果誤差放大，造成失真程度的不同，產(chǎn)生了多次測量結(jié)果差異很大，復(fù)現(xiàn)性差。按改進后的測量基準建立方法，上述問題明顯改善，效果良好。

圖紙對被測孔位置尺寸的要求是±0.5 mm，即控制限T=1 mm。按改進后的方法，三個孔測量結(jié)果的最大極差為0.196 mm。把最大極差值0.196 mm作為測量極限誤差U，可根據(jù)測量能力指數(shù)MCP[3－4]計算公式計算出該測量方案的測量能力指數(shù)MCP

同理改進前常規(guī)測量基準建立方法1.2的最大極差為1.768，則

原國家計量局推薦的測量能力指數(shù)MCP規(guī)定，對一般精度的質(zhì)量檢驗來說:MCP＞2表明測量方案的測量能力充分;MCP≥1.5～2時表明測量方案的測量能力基本滿足要求;MCP≥1～1.5時，表明測量能力不足;MCP＜1時表明測量能力嚴重不足。

通過重復(fù)性試驗充分證明，改進后的測量基準建立方法MCP=2.55，滿足測量要求。按常規(guī)方法建立測量基準時的測量能力指數(shù)MCP=0.28＜1，可判定該方法測量能力嚴重不足，在實際測量中發(fā)生本文1.3所述重復(fù)性差和誤判情況是必然的。

4 結(jié)束語

測量基準即零件坐標系的合理選擇和建立是精密測量中的基本要求。由于車架尺寸大、焊接后易造成設(shè)計基準變形，此例是將測量基準與設(shè)計基準完全統(tǒng)一，不能滿足生產(chǎn)實際的典型，需要優(yōu)先選擇較大的實際要素建立測量基準，對比關(guān)鍵特征 (如表1孔位)尺寸，建立符合制造工藝的零件坐標系，合理評價孔位坐標。

在進行產(chǎn)品精密測量中，認真分析圖紙和產(chǎn)品被測參數(shù)特點，深刻體會工藝流程，確立最佳測量基準，才能確保測量結(jié)果的準確、可靠，才能規(guī)避產(chǎn)品的誤判風險。

[1]大衛(wèi).弗蘭克.測量的良好實踐指南 [M].諸錫荊譯.天津:天津大學出版社，2006.

[2]李柱.互換性與測量技術(shù)基礎(chǔ):上冊 [M].北京:中國計量出版社.1984.

[3]陳渭，梁春裕.工業(yè)企業(yè)計量定級升級指南計量網(wǎng)絡(luò)圖與Mcp值計算[M].北京:中國計量出版社.1986.

[4]黃耀文.測量管理體系理論標準實施方法和審核[M].北京:中國計量出版社.2007.