曾宇

摘要：由于某型號(hào)舵機(jī)的零部件充氣閥殼體在試驗(yàn)過程中頻繁出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，為測(cè)量出充氣閥殼體內(nèi)孔的圓柱度誤差是否超出設(shè)計(jì)圖紙要求，精密測(cè)量室利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)其高精度活塞內(nèi)孔進(jìn)行圓柱度誤差測(cè)量；本文闡述了三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量圓柱度的基本原理，通過對(duì)該充氣閥殼體圓柱度測(cè)量方法的研究，提出了一種應(yīng)用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量精密零件圓柱度的理想方案，解決了同類精密零件圓柱度的高效測(cè)量問題。

關(guān)鍵詞：充氣閥殼體；三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)；圓柱度

1 引言

隨著工業(yè)科技的發(fā)展，越來(lái)越多的高精度儀器被應(yīng)用到了測(cè)量當(dāng)中，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（Coordinate Measuring Maehining，簡(jiǎn)稱CMM）就是其中的一種，在公司型號(hào)產(chǎn)品的精密零組件計(jì)量中有廣泛應(yīng)用。

某型號(hào)充氣閥殼體在檢驗(yàn)試驗(yàn)過程中出現(xiàn)漏氣，設(shè)計(jì)認(rèn)為該充氣閥殼體內(nèi)孔圓柱度可能超差，為盡快確認(rèn)問題原因，決定用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)該殼體進(jìn)行圓柱度測(cè)量，以確認(rèn)零件圓柱度是否合格，并對(duì)加工過程給出適當(dāng)?shù)慕ㄗh。

2 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的工作原理

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是由三個(gè)相互垂直的運(yùn)動(dòng)軸X，Y，Z建立起一個(gè)直角坐標(biāo)系，測(cè)頭的一切運(yùn)動(dòng)都在這個(gè)坐標(biāo)系中進(jìn)行；測(cè)頭的運(yùn)動(dòng)軌跡由測(cè)球中心點(diǎn)來(lái)表示。測(cè)量時(shí)，把被測(cè)零件安裝放在工作臺(tái)上，測(cè)頭與零件表面接觸，測(cè)頭沿著工件的幾何型面運(yùn)動(dòng)時(shí)，就可以得出被測(cè)幾何型面上各點(diǎn)的坐標(biāo)值；將這些坐標(biāo)值傳送到計(jì)算機(jī)，通過相應(yīng)的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，就可以精確地計(jì)算出被測(cè)工件的幾何尺寸和形位公差等。

3 圓柱度的概念

圓柱度是衡量實(shí)際圓柱面相對(duì)理想圓柱面在橫截面和軸向截面內(nèi)的形狀誤差的變動(dòng)大小，其相對(duì)理想圓柱面（理想圓柱面的位置應(yīng)符合最小條件）變動(dòng)的量叫做圓柱度誤差。

4 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量圓柱度的誤差分析

常用的圓柱度的測(cè)量方法有：半徑變化量測(cè)量法，三點(diǎn)測(cè)量法，分項(xiàng)測(cè)量法和三坐標(biāo)測(cè)量法等，在此我們基于三坐標(biāo)測(cè)量法開展研究，制定相應(yīng)的測(cè)量方案，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行誤差分析。

4.1 測(cè)量方案

共采樣4種方案，分別如下（見圖5）：

（a）等距橫截面；（b）單螺旋線；（c）雙螺旋線；

（d）上、下兩個(gè)橫截面和一條螺旋線；

（e）上、下兩個(gè)橫截面和兩條螺旋線

圖5 測(cè)量圓柱度誤差時(shí)的采樣方案

方案1：從被測(cè)零件的內(nèi)孔距底部10mm處開始，分五段等距離橫截面進(jìn)行測(cè)量，從下往上依次從截面1至截面5測(cè)量（見圖5-a），重復(fù)測(cè)量五次，記錄數(shù)據(jù)。

方案2：從被測(cè)零件的內(nèi)孔距底部10mm處開始，沿一條螺旋線從下往上進(jìn)行測(cè)量（見圖5-b），重復(fù)測(cè)量五次，記錄數(shù)據(jù)。

方案3：從被測(cè)零件的內(nèi)孔距底部10mm處測(cè)量一個(gè)橫截面的輪廓，接著沿一條螺旋線進(jìn)行測(cè)量，并在距被測(cè)零件的口部10mm處測(cè)量一個(gè)橫截面的輪廓（見圖5-d），重復(fù)測(cè)量五次，記錄數(shù)據(jù)。

方案4：從被測(cè)零件的內(nèi)孔距底部10mm處測(cè)量一個(gè)橫截面的輪廓，接著從10mm處兩個(gè)相對(duì)1800的測(cè)點(diǎn)開始，沿兩條螺旋線從下往上進(jìn)行測(cè)量，并在距口部10mm處測(cè)量一個(gè)橫截面的輪廓（見圖5-e），重復(fù)測(cè)量五次，記錄數(shù)據(jù)。

4.2 測(cè)量步驟

a）將被測(cè)零件在精密測(cè)量室里等溫兩個(gè)小時(shí)后，校好三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的零位及測(cè)頭各個(gè)方位的角度。

b）將被測(cè)零件放置在大理石平面的虎鉗上，使被測(cè)零件的軸線盡量與儀器的軸向平行或同軸，用橡皮泥固定住不讓其移動(dòng)。

c）按5.1中所列方案分別對(duì)其殼體內(nèi)孔進(jìn)行測(cè)量。

4.3 測(cè)量誤差分析

4.3.1 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上下移動(dòng)的定位精度引起的誤差

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)頭在接觸到被測(cè)零件接觸面時(shí)每一瞬時(shí)都發(fā)生軸向竄動(dòng)和徑向跳動(dòng)，使被測(cè)工件一轉(zhuǎn)內(nèi)的采樣點(diǎn)不全在一個(gè)橫截面內(nèi)，從而使各采樣點(diǎn)間的相關(guān)性降低。但是，由于徑向跳動(dòng)一般很少，而實(shí)際工件被測(cè)表面是平滑的，測(cè)頭在被測(cè)表面采樣時(shí)，也不可能是純粹的點(diǎn)接觸，而是小面積接觸，因此徑向跳動(dòng)對(duì)測(cè)量精度的影響可以忽略。所以軸向竄動(dòng)即三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)沿直線導(dǎo)軌上下移動(dòng)的定位精度是圓柱度誤差測(cè)量中極為重要的精度指標(biāo)，全靠?jī)x器現(xiàn)有自身精度及維護(hù)保養(yǎng)來(lái)保證。

4.3.2 測(cè)頭安裝誤差

當(dāng)測(cè)頭的位置不通過被測(cè)工件的軸線而偏離，測(cè)頭安裝誤差很關(guān)鍵，在校測(cè)頭的過程中一直是要把五個(gè)方向（00，00 900，00 900，900 900，1800 900，-900）校正的數(shù)值保證在千分之一時(shí)，才能開始測(cè)量零件，減少測(cè)量誤差。

4.3.3 測(cè)點(diǎn)數(shù)對(duì)測(cè)量誤差的影響

由于在測(cè)量面上實(shí)測(cè)有限數(shù)量的點(diǎn)來(lái)代替被測(cè)實(shí)際輪廓的全貌，在原理上就存在了誤差。為了減少此誤差，應(yīng)合理選擇測(cè)點(diǎn)數(shù)及測(cè)量位置，隨測(cè)點(diǎn)數(shù)增加，測(cè)量誤差會(huì)下降。

4.4 測(cè)量結(jié)果

4.5 測(cè)量結(jié)論

方案1的測(cè)量值波動(dòng)大，不夠穩(wěn)定，說(shuō)明測(cè)量方法存在較多的不確定誤差；方案2的測(cè)量結(jié)果比第一種方案好，但不確定誤差還是比較大；方案4的測(cè)量結(jié)果值穩(wěn)定，操作性較強(qiáng)，逼近圓柱度誤差的定義，但不是最理想的測(cè)量方案；方案5全面地反映被測(cè)表面的誤差情況，完全符合圓柱度誤差的定義，且測(cè)量值穩(wěn)定一致。

從上述測(cè)量結(jié)果的分析對(duì)比可以看出，測(cè)量方案5測(cè)量出來(lái)的數(shù)值穩(wěn)定性好，重復(fù)性高，與前面四種方案比較，是最理想的測(cè)量方案。此方法對(duì)三坐標(biāo)測(cè)頭的角度定位要求高，但應(yīng)用到大直徑，高精度，深孔且有圓柱度誤差要求的大殼體零件上非常合適。

5 總結(jié)

通過測(cè)量理論和測(cè)量實(shí)踐的結(jié)合，完成了三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量精密零件圓柱度的測(cè)量方法探索，總結(jié)了應(yīng)用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量圓柱度的理想方法和操作步驟。應(yīng)用該方法，結(jié)合測(cè)量軟件PC-DMIS中的最小二乘圓柱評(píng)定法測(cè)得了充氣閥殼體內(nèi)孔的圓柱度誤差分布情況，為分析漏氣問題提供了數(shù)據(jù)支撐，解決了型號(hào)產(chǎn)品唯價(jià)格昂貴、對(duì)操作人員的專業(yè)素質(zhì)的要求較高、單件測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)的圓柱度儀測(cè)量圓柱度的問題，測(cè)量結(jié)果表明，該方法數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，解決了同類精密零件圓柱度的高效測(cè)量問題。

參考文獻(xiàn)

[1]《形狀和位置誤差檢測(cè)[M]》.甘永立.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1995.

（作者單位：貴州航天控制技術(shù)有限公司基礎(chǔ)技術(shù)處）