劉業(yè)峰，王繼軒2，王富狀2，趙 元，孫福英

(1.遼寧省數(shù)控機(jī)床信息物理融合與智能制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 撫順 113122；2.沈陽工學(xué)院 機(jī)械與運(yùn)載學(xué)院，遼寧 撫順 113122)

0 引言

輪轂作為保證車輛行駛安全的重要零件，在車輛安全行駛過程中具有非常重要的作用[1]。目前對于輪轂尺寸檢測方法主要有三坐標(biāo)檢測技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)等[2-5]。文獻(xiàn)[6]以圖像處理技術(shù)基礎(chǔ),利用函數(shù)對圖像進(jìn)行相應(yīng)處理,得到輪轂二值圖像,再利用函數(shù)計(jì)算出輪轂直徑及圓度值。文獻(xiàn)[7]對三坐標(biāo)測量與常規(guī)測量進(jìn)行對比，充分說明了三坐標(biāo)適合應(yīng)用于對復(fù)雜曲面零件的測量。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院的報(bào)告，輪轂的市場需求不斷增加，對輪轂檢測效率的要求也不斷提升[8]。文獻(xiàn)[9]對誘導(dǎo)輪的基本外形設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集,然后根據(jù)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)利用UG軟件分別對其進(jìn)行參數(shù)化建模。文獻(xiàn)[10]以汽車輪轂帽為逆向研究對象,采用三坐標(biāo)測量機(jī)采集實(shí)物原型表面的一組特征數(shù)據(jù)點(diǎn),并運(yùn)用Unigraphics軟件對特征數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行NURBS曲線和曲面擬合,生成三維原型數(shù)字化模型，此兩種方法相似，雖然精確度高，但建模過程復(fù)雜且時間較長，不符合當(dāng)前高效率的要求。文獻(xiàn)[11]給出了測量時產(chǎn)生粗大誤差的處理方案。

目前這些方法測量參數(shù)有限，測量人員技術(shù)要求較高，過程過于復(fù)雜。因此，研究更為簡便、準(zhǔn)確，快捷的測量方法意義重大。本文利用三坐標(biāo)測量機(jī)采用打點(diǎn)測量的方法并對測量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)誤差分析[12-14]，優(yōu)化了此前測量方法的不足。三坐標(biāo)測量機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于可以快速并準(zhǔn)確地評價尺寸數(shù)據(jù)，為測量和生產(chǎn)人員反饋與有關(guān)生產(chǎn)過程狀況的信息。

1 輪轂及測量過程描述

1.1 輪轂描述

輪轂是輪胎內(nèi)支撐輪胎金屬部件。又名轱轆、輪圈、鋼圈、胎鈴。輪轂根據(jù)寬度、直徑、材料、成型方式不同而種類繁多。輪轂的主要尺寸參數(shù)包括尺寸(輪轂直徑)、寬度、PCD與螺栓孔、偏距、中心孔。

利用自動化生產(chǎn)線生產(chǎn)輪轂是一種高效的生產(chǎn)方式。輪轂生產(chǎn)流程如下：

1)由機(jī)器人將毛坯抓取至臥式加工中心中，進(jìn)行安裝面中心圓和螺栓孔及大外圓的粗車和精車。

2)機(jī)器人將物料經(jīng)過清洗、翻轉(zhuǎn)臺后再由臥式加工中心進(jìn)行中心圓和大外圓粗車和精車。

3)機(jī)器人將工件經(jīng)過清洗、翻轉(zhuǎn)臺、視覺識別后送至五軸立式加工中心進(jìn)行中間空間復(fù)雜曲面的銑削加工。

4)送至立體倉庫編碼儲存。

圖1 輪轂

1.2 測量過程描述

圖2 測量過程圖

1.2.1 三坐標(biāo)測量機(jī)描述

三坐標(biāo)測量機(jī)主要由以下4個部分組成：主機(jī)機(jī)械系統(tǒng)、測頭系統(tǒng)、電氣控制硬件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)(PC-DMIS)。三坐標(biāo)測量機(jī)的工作原理是將是將被測零件放入它允許的三維測量空間，可以精確地測出零件表面的點(diǎn)在三維空間的坐標(biāo)位置，將這些點(diǎn)的坐標(biāo)經(jīng)過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理，擬合成測量元素，如點(diǎn)、線、平面、球、圓柱、圓錐、曲面等。所有形狀都是由空間點(diǎn)組成，所有幾何形狀的測量都可以歸結(jié)為空間點(diǎn)的測量，因此對空間點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行精確采集是保證幾何形狀及測量結(jié)果準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)。

根據(jù)三坐標(biāo)測量機(jī)結(jié)構(gòu)大致可分為移動橋架式、床式橋架式、柱式橋架式、固定橋架式、軸移動懸臂式等諸多種類，可以使三坐標(biāo)測量機(jī)適用于大部分的工作環(huán)境以及測量更為復(fù)雜的零件。

三坐標(biāo)測量機(jī)正確使用及注意事項(xiàng)：

1)工件安裝前將測頭退回安全點(diǎn)，為被測物體裝夾留有充足空間，避免裝過程中出現(xiàn)碰撞。

2)正確裝夾，確保被測物體符合測量機(jī)測量要求。

3)所建坐標(biāo)系符合圖紙要求，確保數(shù)據(jù)測量結(jié)果準(zhǔn)確。

4)大型被測物體測量結(jié)束后及時搬下工作臺，避免工作臺長時間處于承重狀態(tài)。

1.2.2 測量機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

該實(shí)驗(yàn)選用沈陽工學(xué)院遼寧省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的?？怂箍等鴺?biāo)測量機(jī)，系統(tǒng)為PC-DMIS。

1.3 輪轂測量工藝描述

1.3.1 校驗(yàn)測頭流程

圖3 校驗(yàn)測頭流程圖

1.3.2建立坐標(biāo)系

對輪轂的一個平面進(jìn)行打點(diǎn)，在系統(tǒng)中建立特征平面。根據(jù)打點(diǎn)結(jié)果，系統(tǒng)生成特征圖形如下：

圖4 輪轂測量孔的標(biāo)定

根據(jù)右手定則，建立笛卡爾直角坐標(biāo)系，以X、Y、Z三條互相垂直的軸線和三條軸線相交的原點(diǎn)組成三維笛卡爾直角坐標(biāo)系。

建立坐標(biāo)系過程如下：

1)測量平面：平面1、圓 1、圓2；

2)選擇工作平面Y正；

表1 三坐標(biāo)測量機(jī)參數(shù)

3)打開創(chuàng)建坐標(biāo)系對話框：插入-坐標(biāo)系-新建；

4)選擇平面1，Y負(fù)-找正；

5)選擇圓1圓2，旋轉(zhuǎn)到X正-圍繞Y負(fù)-旋轉(zhuǎn)；

6)選擇：圓1-X、Z-原點(diǎn)，平面1-Y-原點(diǎn)，點(diǎn)擊“確定”創(chuàng)建坐標(biāo)系A(chǔ)1；

7)檢查坐標(biāo)系建立是否正確。

2 數(shù)據(jù)誤差處理方法

任何測量儀器的測量都會存在一定誤差，測量誤差主要分為隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差和粗大誤差。測量誤差的主要來源有計(jì)量器具的誤差、測量方法的誤差和測量人員操作過程的誤差。在假定測量列中不存在系統(tǒng)誤差和粗大誤差的前提下，給出以下隨機(jī)誤差分析處理方法：

1)算術(shù)平均值計(jì)算 假定該測量列的測量值分別為x1、x2、x3…xn，計(jì)算該測量列的算術(shù)平均值，則算術(shù)平均值為：

2)計(jì)算殘余誤差 殘余誤差vi為測量結(jié)果與算術(shù)平均值的差值，每個測量列都有與之對應(yīng)的殘余誤差列：

3)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差(單次測量精度) 標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算常用貝塞爾(Bessel)公式完成，公式如下：

根據(jù)需要，單次測量結(jié)果表達(dá)式為：

xei=xi±3σ

4)計(jì)算測標(biāo)準(zhǔn)偏差:

5)計(jì)算測量限制誤差

測量列算術(shù)平均值的測量限制誤差為：

6)給出多次測量結(jié)果的表達(dá)式，計(jì)算出多次的測量結(jié)果：

在實(shí)際測量中，系統(tǒng)誤差是影響測量結(jié)果準(zhǔn)確性的一大重要因素。為消除系統(tǒng)誤差，提高測量的精確度與準(zhǔn)確性，應(yīng)從實(shí)驗(yàn)根源上消除系統(tǒng)誤差。測量人員對測量裝置、環(huán)境、方法進(jìn)行研究分析后，找出可能產(chǎn)生誤差的根源后，采用調(diào)整測量裝置、改善測量環(huán)境、選擇觀察位置消除視差等方法進(jìn)行消除。

粗大誤差：將一定條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時所超出規(guī)定誤差值的誤差稱為粗大誤差，也可以稱為寄生誤差和粗誤差。粗大誤差具有數(shù)值大，數(shù)量少、突發(fā)性強(qiáng)的特點(diǎn)，所以應(yīng)在根本上避免粗大誤差的出現(xiàn)。常見檢測粗大誤差的方法有數(shù)據(jù)探測法和選權(quán)迭代法[11]。

產(chǎn)生粗大誤差的原因：1)客觀因素：電壓不穩(wěn)定、機(jī)械裝置運(yùn)行不穩(wěn)定、外界環(huán)境干擾、儀器故障或測量時裝夾不穩(wěn)定導(dǎo)致零件相對位置改變等。2)主觀因素：實(shí)驗(yàn)操作時出現(xiàn)失誤、實(shí)驗(yàn)器具本身故障、記錄數(shù)據(jù)過程出現(xiàn)錯誤等。在保證外界條件的穩(wěn)定與測量器具正常之后，提高測量人員的責(zé)任心與規(guī)范操作過程時避免粗大誤差的有效方法。如果實(shí)驗(yàn)結(jié)束后發(fā)現(xiàn)有粗大誤差產(chǎn)生，建議根據(jù)拉依達(dá)準(zhǔn)則(準(zhǔn)則)進(jìn)行判別，在數(shù)據(jù)處理時將產(chǎn)生的粗大誤差予以排除。拉依達(dá)準(zhǔn)則適用于測量次數(shù)較多的情況下，當(dāng)測量數(shù)據(jù)符合或近似正態(tài)分布時，粗大誤差出現(xiàn)的概率僅為0.27%，即當(dāng)進(jìn)行370次實(shí)驗(yàn)時才會出現(xiàn)一次粗大誤差。

根據(jù)給出的數(shù)據(jù)誤差處理方法，對輪轂寬度的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：

輪轂寬度俗稱為J值，輪轂的寬度直接影響到輪胎的選擇，同樣尺寸的輪胎，J值不同，選擇的輪胎扁平比和寬度也就不同。對輪轂兩側(cè)面分別進(jìn)行打點(diǎn)，通過鎖定X、Z兩軸使兩點(diǎn)在三維空間中保持最短距離，此距離則為輪轂的寬度。取多組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析從而減小誤差，保證測量的準(zhǔn)確性。

圖5 輪轂寬度數(shù)據(jù)圖

表2 輪轂寬度參數(shù)

1)判定定值系統(tǒng)誤差 計(jì)量器具已經(jīng)檢定、測量環(huán)境得到有效控制，可以認(rèn)為測量列中不存在定值系統(tǒng)誤差。

2)求測量列算術(shù)平均值：

3)計(jì)算殘差 各殘差的數(shù)值經(jīng)計(jì)算后列于表中。按殘差觀察法，這些的符號大體上正、負(fù)相間，沒有周期性變化，因此可以認(rèn)為測量列中不存在變值系統(tǒng)誤差。

4)計(jì)算測量列單次測量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差：

5)判斷粗大誤差 按照拉依達(dá)準(zhǔn)則，測量列中出現(xiàn)兩組絕對值大于3σ[3*(-77)=-231]的殘差，予以剔除。

6)計(jì)算測量列算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差：

7)計(jì)算測量列算術(shù)平均值的測量極限誤差：

8)確定測量結(jié)果:

3 輪轂數(shù)據(jù)測量實(shí)現(xiàn)

該實(shí)驗(yàn)在沈陽工學(xué)院遼寧省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)所用輪轂為該實(shí)驗(yàn)室自動化生產(chǎn)線生產(chǎn)制造。

3.1 數(shù)據(jù)測量實(shí)現(xiàn)過程

根據(jù)圖紙中給出的主要尺寸進(jìn)行測量。

圖6 輪轂圖紙

測量及形位誤差分析步驟如下：

1)依次對需要測量的關(guān)鍵特征進(jìn)行打點(diǎn)；

2)在軟件系統(tǒng)中查看打點(diǎn)數(shù)據(jù)；

3)打開“位置”評價對話框；

4)在特征選擇框中選擇被評價特征；

5)選擇評價類型；

6)單擊創(chuàng)建；

7)單擊“同心度”對話框，評價中心孔同心度；

8)查看尺寸測量結(jié)果和形位誤差分析結(jié)果。

3.1.1 中心孔直徑

中心孔是將輪轂與車輛固定連接的部分，是輪轂中心與輪轂同心圓的位置，這里的直徑尺寸可影響到輪轂安裝時輪圈幾何中心和輪轂幾何中心是否吻合。

圖1=特征/圓，直角坐標(biāo)，內(nèi)，最小二乘方

理論值/<11.2178,231.78157,-349.91941>,<0,1,0>31.9489

實(shí)際值/<11.2178,231.78157,-349.91941>,<0,1,0>31.9489

3.1.2 PCD及螺栓孔直徑

本文選用輪轂為3個螺栓孔。

表3 螺栓孔直徑數(shù)據(jù)

PCD的專業(yè)名稱叫節(jié)圓直徑，是指輪轂中央的固定螺栓間的直徑，在選擇輪轂的時候，PCD是最重要的參數(shù)之一。建議通過采用PCD測量盤和PCD量規(guī)進(jìn)行測量或者圖像處理技術(shù)計(jì)算輪轂節(jié)圓直徑[2]。

3.1.3 輪轂直徑

輪轂的直徑為輪轂的基本尺寸，是選擇輪轂時主要的參考數(shù)據(jù)。

圖5=特征/圓，直角坐標(biāo)，外，最小二乘方

理論值/<11.26151,241.73042,-350.02944>,<0,1,0>281.21377

實(shí)際值/<11.26151,241.73042,-350.02944>,<0,1,0>281.21377

3.2 偏距

偏距俗稱ET值，輪轂螺栓固定面與幾何中心線(輪轂橫剖面中心線)之間的距離。由測量結(jié)果(表4)可以得出安裝面到輪轂弧面的距離為8.986 96 mm，再根據(jù)得到的輪轂寬度可計(jì)算出輪轂偏距為：

50.779521(mm)

3.3 形位誤差分析

輪轂的形位誤差主要分析其前后中心孔的同心度，同心度為同軸度的一種特殊形式。同心度的誤差即為圓心的偏移程度，直接影響著工件的配合精度和使用情況。根據(jù)評價結(jié)果(表5)可以得出該輪轂的同心度達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。

表4 螺栓固定面與幾何中心線間距離數(shù)據(jù)

表5 同心度數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

輪轂是車輛的重要組件之一，文中提出改變傳統(tǒng)的測量方式，利用?？怂箍祷赑C-DMIS系統(tǒng)的三坐標(biāo)測量機(jī)使用打點(diǎn)測量的方法對輪轂的各項(xiàng)尺寸進(jìn)行精確測量，并對可能存在的各種誤差進(jìn)行數(shù)據(jù)分析提高測量精度。此方法得到測量結(jié)果準(zhǔn)確，為輪轂的質(zhì)量監(jiān)測提供了更好的選擇。隨著制造業(yè)的發(fā)展，加工精度不斷提高，對零件的檢測也提高了難度。但由于操作難度較高，無法更高效率的測量節(jié)圓直徑，后續(xù)會繼續(xù)研究節(jié)圓直徑的有效測量方法，提高測量精度，簡化測量過程。