車架測(cè)量基準(zhǔn)的建立方法

蘆秀紅，郭瑩瑩，劉景玉

(1.洛陽(yáng)北方企業(yè)集團(tuán)有限公司，河南 洛陽(yáng) 471031;2.東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng) 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(dòng)機(jī)和很多零部件安裝其上，各安裝孔相互位置控制和檢測(cè)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(biāo)測(cè)量機(jī)是近40年來發(fā)展起來的精密測(cè)量?jī)x器，具有較高的測(cè)量準(zhǔn)確度和柔性，操作方便快捷，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、汽車電子、航空航天等產(chǎn)業(yè)。目前，多使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)[1]對(duì)車架進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)量基準(zhǔn)的建立有多種方式，其質(zhì)量?jī)?yōu)劣將直接影響測(cè)量結(jié)果。如何綜合各種因素，建立最合適的車架測(cè)量基準(zhǔn)是本文討論的重點(diǎn)。將先進(jìn)的三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于車架檢測(cè)，充分發(fā)揮其高精度、高效率、萬(wàn)能性的優(yōu)點(diǎn)，可大大提高車架的制造精度，提升整車裝配精度。

1 車架測(cè)量基準(zhǔn)常規(guī)建立方法

由于車架兩側(cè)均需要測(cè)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(zhǎng)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(biāo)注了具有代表性的幾個(gè)安裝孔。

圖1 車架三維示意圖

1.1 分析設(shè)計(jì)基準(zhǔn)

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(duì)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(zhǔn)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(zhǔn)F;車架方管 (內(nèi)側(cè)尺寸102)對(duì)稱中心是基準(zhǔn)E，兩內(nèi)側(cè)對(duì)E的對(duì)稱度0.8。檢測(cè)對(duì)象為車架上各安裝支架孔的圓心坐標(biāo)，公差均±0.5 mm，圖中僅示意標(biāo)注3個(gè)孔:擋風(fēng)板支架孔、發(fā)動(dòng)機(jī)懸掛孔、尾燈支架孔。

由圖2可知，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的坐標(biāo)系 (理論坐標(biāo)系)是參照車架在整車實(shí)際裝配狀態(tài)下設(shè)定的，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)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(shí)針旋轉(zhuǎn)26.5°后的直線，即圖2上的鉛垂線。

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

1.2 常規(guī)測(cè)量方法和測(cè)量基準(zhǔn)的建立

常規(guī)測(cè)量方案一般是用設(shè)計(jì)基準(zhǔn)建立測(cè)量基準(zhǔn)，然后對(duì)各安裝孔位置進(jìn)行測(cè)量。方法如下:在前叉立管分別測(cè)量?jī)啥说膱A孔φ45 mm和φ54 mm，以兩圓心連線建立坐標(biāo)系Z軸;在后叉軸分別測(cè)兩端內(nèi)孔φ10.1 mm，以兩圓心連線建立坐標(biāo)系Y軸;系統(tǒng)自動(dòng)建立X軸，分別垂直于坐標(biāo)軸Y和Z;以后叉軸心線中心點(diǎn)作為坐標(biāo)系零點(diǎn)，繞Y軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)26.5°，記作O－XYZ;以坐標(biāo)系O－XYZ為測(cè)量基準(zhǔn)測(cè)量各安裝孔位置。

1.3 常規(guī)測(cè)量方法的問題

實(shí)踐中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)用常規(guī)測(cè)量方法時(shí)，車架從測(cè)量機(jī)平臺(tái)上取下重新裝夾測(cè)量，各孔位置與前一次測(cè)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(cè)件是否合格無法評(píng)判。有時(shí)發(fā)現(xiàn)用常規(guī)測(cè)量方法測(cè)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(cè)量中顯示孔位偏差大，誤判現(xiàn)象多，測(cè)量結(jié)果參考性差。通過匯總測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，進(jìn)入正?？傃b的車架，尺寸偏差與前叉管 (測(cè)量基準(zhǔn))距離近似成正比，距離測(cè)量基準(zhǔn)越遠(yuǎn)尺寸偏差也越大，有時(shí)可達(dá)2 mm。

2 測(cè)量基準(zhǔn)建立的原則和測(cè)量方法的改進(jìn)

實(shí)踐中應(yīng)根據(jù)空間六點(diǎn)定位原則建立零件坐標(biāo)系。

2.1 六點(diǎn)定位原則

物體在空間有六個(gè)自由度，分別為沿三個(gè)坐標(biāo)軸方向的移動(dòng)和繞三個(gè)坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)。確定目標(biāo)物的空間位置和建立測(cè)量坐標(biāo)系時(shí)，第一基準(zhǔn)是一個(gè)面 (三個(gè)點(diǎn))，限制物體的三個(gè)自由度;第二基準(zhǔn)是一條線(二個(gè)點(diǎn))，限制物體的兩個(gè)自由度;第三基準(zhǔn)是一個(gè)點(diǎn)，限制物體最后一個(gè)自由度，從而使物體在空間中的位置被確定。

2.2 測(cè)量基準(zhǔn)建立原則[2]

零件坐標(biāo)系建立不合理將導(dǎo)致測(cè)量重復(fù)性差，嚴(yán)重喪失精密測(cè)量的準(zhǔn)確性，從而帶來誤判風(fēng)險(xiǎn)。測(cè)量基準(zhǔn)的選擇應(yīng)盡量滿足以下三個(gè)原則:

1)基準(zhǔn)統(tǒng)一

設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、工藝基準(zhǔn)、測(cè)量基準(zhǔn)應(yīng)盡量保持一致，可以減少加工誤差，保持產(chǎn)品設(shè)計(jì)功能。測(cè)量基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、工藝基準(zhǔn)一致對(duì)準(zhǔn)確測(cè)量和防止誤判有利，基準(zhǔn)統(tǒng)一是一種理想情況，若不能滿足實(shí)際要求需要進(jìn)一步優(yōu)化分析。

2)盡可能選擇精度高的實(shí)際要素建立測(cè)量基準(zhǔn)

在被測(cè)對(duì)象上盡可能選擇相對(duì)精度高、一致性好的實(shí)際要素建立測(cè)量基準(zhǔn)，提高檢測(cè)數(shù)據(jù)讀數(shù)時(shí)的準(zhǔn)確性，從而確保測(cè)量結(jié)果的復(fù)現(xiàn)性、重復(fù)性和準(zhǔn)確性。

3)盡可能選擇較大的實(shí)際要素建立測(cè)量基準(zhǔn)

建立測(cè)量基準(zhǔn)的實(shí)際要素通常小于被測(cè)實(shí)際要素，對(duì)測(cè)量基準(zhǔn)要素的采點(diǎn)若有一個(gè)誤差δ，因被測(cè)實(shí)際要素大于基準(zhǔn)實(shí)際要素，δ在被測(cè)實(shí)際要素上通常會(huì)被按比例放大，雖然本身誤差δ很小，但δ給被測(cè)實(shí)際要素造成的被放大了若干倍的誤差Δ，會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來不可接受的誤差風(fēng)險(xiǎn)。所以在建立測(cè)量基準(zhǔn)時(shí)，第一基準(zhǔn)必須選擇面積較大的實(shí)際表面，第二基準(zhǔn)必須選擇長(zhǎng)度尺寸較長(zhǎng)的實(shí)際直線，以盡量減小誤差Δ。

根據(jù)以上原則，常規(guī)測(cè)量車架方法的測(cè)量基準(zhǔn)選擇滿足了“基準(zhǔn)統(tǒng)一”的原則，使測(cè)量基準(zhǔn)盡量與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)保持一致，也滿足了“盡可能選擇精度高的實(shí)際要素”建立測(cè)量基準(zhǔn)，從而保證測(cè)量基準(zhǔn)的精度高于被測(cè)要素精度。之所以出現(xiàn)上述偏差2 mm的異?，F(xiàn)象，其根源是嚴(yán)重違背了建立測(cè)量基準(zhǔn)的第三個(gè)原則，違反了“盡可能選擇較大的實(shí)際要素建立測(cè)量基準(zhǔn)”的原則，完全以設(shè)計(jì)基準(zhǔn)作測(cè)量基準(zhǔn)，不能滿足實(shí)際需求，需要優(yōu)化零件坐標(biāo)系。

車架整體尺寸較大，最大孔距可達(dá)約1000 mm，而常規(guī)方法建立零件坐標(biāo)系時(shí)選擇的測(cè)量基準(zhǔn)要素是前叉軸和后叉軸，它們各自長(zhǎng)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(cè)量基準(zhǔn)，原始采樣點(diǎn)間距很小，其產(chǎn)生的微小誤差 (焊接工藝易造成變形)會(huì)隨著測(cè)量范圍的增大而放大，導(dǎo)致產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。這就是按常規(guī)測(cè)量方案建立測(cè)量基準(zhǔn)，測(cè)量結(jié)果的誤差將按線性比例放大，最終導(dǎo)致測(cè)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(yàn)誤判的原因所在。

2.3 車架基準(zhǔn)的建立

1)第一基準(zhǔn)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(diǎn)擬合為面1和圓1，圓1在面1上的投影記為點(diǎn)1，在標(biāo)有對(duì)稱度0.8的車架支撐方管兩內(nèi)側(cè)面采點(diǎn)，構(gòu)造對(duì)稱中心線線1，以線1和點(diǎn)1構(gòu)造一個(gè)平面，記為面2，作為第一基準(zhǔn)，法向定為Y軸。

2)第二基準(zhǔn)采用尺寸較長(zhǎng)的直線來建立。在后叉軸兩端的內(nèi)孔采點(diǎn)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(diǎn)2，連接點(diǎn)1和點(diǎn)2建立線3。線3旋轉(zhuǎn)arctan(504.5/496.5)作為第二基準(zhǔn)，即圖2上水平方向的X軸。

3)系統(tǒng)自動(dòng)建立Z軸，Z軸與X軸和Y軸兩兩垂直。

4)以點(diǎn)2作為零件坐標(biāo)系的原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系。

5)以此坐標(biāo)系為測(cè)量基準(zhǔn)分別測(cè)量各安裝孔相對(duì)位置的正確性。

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

3 兩種方案的對(duì)比

3.1 重復(fù)性的對(duì)比

常規(guī)測(cè)量方案中，坐標(biāo)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(gè)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(biāo)系下卻超差嚴(yán)重)，此時(shí)可根據(jù)加工精度高的如尾燈支架、發(fā)動(dòng)機(jī)懸掛孔的偏差，在程序中直接調(diào)整坐標(biāo)系空間角度來縮小整體孔位偏差，從而合理評(píng)價(jià)孔位坐標(biāo)。但對(duì)坐標(biāo)系空間角度的調(diào)整既繁瑣復(fù)雜，又不能同時(shí)符合被測(cè)孔三個(gè)方向的坐標(biāo)，實(shí)際結(jié)果復(fù)現(xiàn)性差，不實(shí)用。

而改進(jìn)后的測(cè)量方案中，第一軸方向的誤差只由車架方管對(duì)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(cè)量結(jié)果及工藝裝配信息，對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)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(cè)量進(jìn)行驗(yàn)證

為對(duì)上述兩種建立測(cè)量基準(zhǔn)方法的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，我們采取了多次測(cè)量的試驗(yàn)方法，選擇了一件可正常裝車的合格車架進(jìn)行重復(fù)性測(cè)量實(shí)驗(yàn)對(duì)比。具體方法是:

1)選擇發(fā)動(dòng)機(jī)左懸掛孔、尾燈下左安裝孔、左擋風(fēng)板支架孔作為對(duì)比驗(yàn)證對(duì)象，孔中心坐標(biāo)尺寸 (mm)分別標(biāo)注為 (144，73)，(453，396)，(512，386);

2)將被測(cè)車架安裝在工作平臺(tái)上分別用兩種方法建立測(cè)量基準(zhǔn)對(duì)三個(gè)孔測(cè)量;

3)車架從工作平臺(tái)上取下，再重新安裝，分別用兩種方法建立測(cè)量基準(zhǔn)對(duì)三個(gè)孔測(cè)量。

如此反復(fù)實(shí)驗(yàn)五次，將對(duì)比驗(yàn)證結(jié)果填入表1。

表1 車架坐標(biāo)系改進(jìn)前后重復(fù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表 mm

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

圖紙對(duì)被測(cè)孔位置尺寸的要求是±0.5 mm，即控制限T=1 mm。按改進(jìn)后的方法，三個(gè)孔測(cè)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(cè)量極限誤差U，可根據(jù)測(cè)量能力指數(shù)MCP[3－4]計(jì)算公式計(jì)算出該測(cè)量方案的測(cè)量能力指數(shù)MCP

同理改進(jìn)前常規(guī)測(cè)量基準(zhǔn)建立方法1.2的最大極差為1.768，則

原國(guó)家計(jì)量局推薦的測(cè)量能力指數(shù)MCP規(guī)定，對(duì)一般精度的質(zhì)量檢驗(yàn)來說:MCP＞2表明測(cè)量方案的測(cè)量能力充分;MCP≥1.5～2時(shí)表明測(cè)量方案的測(cè)量能力基本滿足要求;MCP≥1～1.5時(shí)，表明測(cè)量能力不足;MCP＜1時(shí)表明測(cè)量能力嚴(yán)重不足。

通過重復(fù)性試驗(yàn)充分證明，改進(jìn)后的測(cè)量基準(zhǔn)建立方法MCP=2.55，滿足測(cè)量要求。按常規(guī)方法建立測(cè)量基準(zhǔn)時(shí)的測(cè)量能力指數(shù)MCP=0.28＜1，可判定該方法測(cè)量能力嚴(yán)重不足，在實(shí)際測(cè)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(yǔ)

測(cè)量基準(zhǔn)即零件坐標(biāo)系的合理選擇和建立是精密測(cè)量中的基本要求。由于車架尺寸大、焊接后易造成設(shè)計(jì)基準(zhǔn)變形，此例是將測(cè)量基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)完全統(tǒng)一，不能滿足生產(chǎn)實(shí)際的典型，需要優(yōu)先選擇較大的實(shí)際要素建立測(cè)量基準(zhǔn)，對(duì)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(biāo)系，合理評(píng)價(jià)孔位坐標(biāo)。

在進(jìn)行產(chǎn)品精密測(cè)量中，認(rèn)真分析圖紙和產(chǎn)品被測(cè)參數(shù)特點(diǎn)，深刻體會(huì)工藝流程，確立最佳測(cè)量基準(zhǔn)，才能確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確、可靠，才能規(guī)避產(chǎn)品的誤判風(fēng)險(xiǎn)。

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