淺析三坐標測量機測量圓柱度的方法

曾宇

摘要：由于某型號舵機的零部件充氣閥殼體在試驗過程中頻繁出現漏氣現象，為測量出充氣閥殼體內孔的圓柱度誤差是否超出設計圖紙要求，精密測量室利用三坐標測量機對其高精度活塞內孔進行圓柱度誤差測量；本文闡述了三坐標測量機測量圓柱度的基本原理，通過對該充氣閥殼體圓柱度測量方法的研究，提出了一種應用三坐標測量機測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量問題。

關鍵詞：充氣閥殼體；三坐標測量機；圓柱度

1 引言

隨著工業(yè)科技的發(fā)展，越來越多的高精度儀器被應用到了測量當中，三坐標測量機（Coordinate Measuring Maehining，簡稱CMM）就是其中的一種，在公司型號產品的精密零組件計量中有廣泛應用。

某型號充氣閥殼體在檢驗試驗過程中出現漏氣，設計認為該充氣閥殼體內孔圓柱度可能超差，為盡快確認問題原因，決定用三坐標測量機對該殼體進行圓柱度測量，以確認零件圓柱度是否合格，并對加工過程給出適當的建議。

2 三坐標測量機的工作原理

三坐標測量機是由三個相互垂直的運動軸X，Y，Z建立起一個直角坐標系，測頭的一切運動都在這個坐標系中進行；測頭的運動軌跡由測球中心點來表示。測量時，把被測零件安裝放在工作臺上，測頭與零件表面接觸，測頭沿著工件的幾何型面運動時，就可以得出被測幾何型面上各點的坐標值；將這些坐標值傳送到計算機，通過相應的軟件進行數據處理，就可以精確地計算出被測工件的幾何尺寸和形位公差等。

3 圓柱度的概念

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

4 三坐標測量機測量圓柱度的誤差分析

常用的圓柱度的測量方法有：半徑變化量測量法，三點測量法，分項測量法和三坐標測量法等，在此我們基于三坐標測量法開展研究，制定相應的測量方案，并對測量結果進行誤差分析。

4.1 測量方案

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、下兩個橫截面和一條螺旋線；

（e）上、下兩個橫截面和兩條螺旋線

圖5 測量圓柱度誤差時的采樣方案

方案1：從被測零件的內孔距底部10mm處開始，分五段等距離橫截面進行測量，從下往上依次從截面1至截面5測量（見圖5-a），重復測量五次，記錄數據。

方案2：從被測零件的內孔距底部10mm處開始，沿一條螺旋線從下往上進行測量（見圖5-b），重復測量五次，記錄數據。

方案3：從被測零件的內孔距底部10mm處測量一個橫截面的輪廓，接著沿一條螺旋線進行測量，并在距被測零件的口部10mm處測量一個橫截面的輪廓（見圖5-d），重復測量五次，記錄數據。

方案4：從被測零件的內孔距底部10mm處測量一個橫截面的輪廓，接著從10mm處兩個相對1800的測點開始，沿兩條螺旋線從下往上進行測量，并在距口部10mm處測量一個橫截面的輪廓（見圖5-e），重復測量五次，記錄數據。

4.2 測量步驟

a）將被測零件在精密測量室里等溫兩個小時后，校好三坐標測量機的零位及測頭各個方位的角度。

b）將被測零件放置在大理石平面的虎鉗上，使被測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。

c）按5.1中所列方案分別對其殼體內孔進行測量。

4.3 測量誤差分析

4.3.1 三坐標測量機上下移動的定位精度引起的誤差

三坐標測量機測頭在接觸到被測零件接觸面時每一瞬時都發(fā)生軸向竄動和徑向跳動，使被測工件一轉內的采樣點不全在一個橫截面內，從而使各采樣點間的相關性降低。但是，由于徑向跳動一般很少，而實際工件被測表面是平滑的，測頭在被測表面采樣時，也不可能是純粹的點接觸，而是小面積接觸，因此徑向跳動對測量精度的影響可以忽略。所以軸向竄動即三坐標測量機沿直線導軌上下移動的定位精度是圓柱度誤差測量中極為重要的精度指標，全靠儀器現有自身精度及維護保養(yǎng)來保證。

4.3.2 測頭安裝誤差

當測頭的位置不通過被測工件的軸線而偏離，測頭安裝誤差很關鍵，在校測頭的過程中一直是要把五個方向（00，00 900，00 900，900 900，1800 900，-900）校正的數值保證在千分之一時，才能開始測量零件，減少測量誤差。

4.3.3 測點數對測量誤差的影響

由于在測量面上實測有限數量的點來代替被測實際輪廓的全貌，在原理上就存在了誤差。為了減少此誤差，應合理選擇測點數及測量位置，隨測點數增加，測量誤差會下降。

4.4 測量結果

4.5 測量結論

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

從上述測量結果的分析對比可以看出，測量方案5測量出來的數值穩(wěn)定性好，重復性高，與前面四種方案比較，是最理想的測量方案。此方法對三坐標測頭的角度定位要求高，但應用到大直徑，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

通過測量理論和測量實踐的結合，完成了三坐標測量機測量精密零件圓柱度的測量方法探索，總結了應用三坐標測量機測量圓柱度的理想方法和操作步驟。應用該方法，結合測量軟件PC-DMIS中的最小二乘圓柱評定法測得了充氣閥殼體內孔的圓柱度誤差分布情況，為分析漏氣問題提供了數據支撐，解決了型號產品唯價格昂貴、對操作人員的專業(yè)素質的要求較高、單件測量時間長的圓柱度儀測量圓柱度的問題，測量結果表明，該方法數據準確可靠，解決了同類精密零件圓柱度的高效測量問題。

參考文獻

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

（作者單位：貴州航天控制技術有限公司基礎技術處）