激光跟蹤儀在大尺寸偏心軸測量上的應用

田 永

（常州寶菱重工機械有限公司，江蘇 常州 213000）

偏心軸是一種外圓與外圓的軸線平行而不重合的工件。偏心軸一般是通過偏心孔固定在電機旋轉軸上，在電機啟動時做凸輪運動。為保證機加工的精度，一般大尺寸的偏心軸在加工過程中需要多次對其形位公差進行檢測，特別是偏心軸的平行度和偏心距。大尺寸偏心軸的檢測一般需要在大型龍門銑床（或者三坐標測量機）上進行，首先要將偏心軸從臥式車床（或者磨床）上搬運到龍門銑床（或者三坐標測量機）上，然后找正偏心軸的基準軸線，僅這一個環(huán)節(jié)就需要耗費大量的時間。

激光跟蹤儀具有便攜性，#以直接在加工現(xiàn)場進行測量，使得大尺寸偏心軸在加工過程中不需要移下機床就#以快捷測量。本文以連鑄機擺剪曲軸為例簡要介紹激光跟蹤儀在偏心軸測量上的應用。

1 連鑄機擺剪曲軸介紹

連鑄機擺剪主要由上下剪刃組成，上下剪刃固定在刀架上，刀架由曲軸帶動，曲軸一端聯(lián)接減速機，如圖1所示。

圖1 正在磨床上進行加工的連鑄機擺剪曲軸

曲軸軸承中心線O，上剪刃軸線O1，偏心距70 mm，下剪刃軸線O2，偏心距90 mm，當曲軸轉動時，下剪刃向上運動，上剪刃在下剪刃框架的滑道內向下運動，由剪刃在滑道內的相對運動實現(xiàn)對板坯的剪切[1]。如圖2所示。

圖2 連鑄機擺剪曲軸示意圖

曲軸在機加工階段，需要通過測量各軸的平行度、軸徑、偏心距等關鍵指標來驗證加工精度，通過測量結果隨時調整加工方案，確保制造出合格產品。

2 激光跟蹤儀的簡介

2.1 激光跟蹤儀的測量原理

激光跟蹤儀測量系統(tǒng)本質上是一種球坐標測量系統(tǒng)。它測量目標點的距離及水平和豎直方向的偏轉角，從而得到以跟蹤儀測量中心為原點的目標點空間三維坐標[2]，如圖3所示。

圖3 FARO Vantage E型激光跟蹤儀及回射目標（SMR）

2.2 FARO Vantage E激光跟蹤儀主要技術參數(shù)

工作范圍：測距半徑0～35 m；水平旋轉角：360°；垂直旋轉角：+77.9°～52.1°。

距離測量精度：16 μm+0.8 μm/m；角度測量精度：20 μm+5 μm/m[3]。

3 測量的過程

被測偏心軸為連鑄機擺剪曲軸，長度在4 m左右，最大的軸徑800 mm，屬于大尺寸偏心軸。本次測量在加工現(xiàn)場進行，擺剪曲軸正在磨床上加工。

3.1 測量前準備

（1）激光跟蹤儀的現(xiàn)場安裝。首先連接FARO Vantage激光跟蹤儀的各種線纜，包括電源線、數(shù)據線、材料溫度傳感器、無線網天線等。再次確認后打開激光跟蹤儀電源開關，進入開機自檢階段，整個開機自檢過程大概40 min。激光跟蹤儀的擺放位置需要特別注意，根據激光跟蹤儀的技術參數(shù)分析#知其測角誤差大于測距誤差，所以在等距情況下儀器的旋轉角應盡量小，必要時#適當增加距離以獲得盡量小的旋轉角度。

（2）激光跟蹤儀快速補償。Faro Vantage激光跟蹤儀具有快速補償功能，為保證測量準確性，減小測量誤差，需要在開機自檢完成后進行快速補償?？焖傺a償是一種單點補償，所以需要將回射靶球（SMR）放置在工件附近，然后開始做快速補償，補償過程大概5 min。補償完成即#展開正式測量。

3.2 開始測量

首先測量擺剪曲軸的關鍵要素，如圖2所示，包括①上剪刃軸；②下剪刃軸；③刀架軸承座軸；④減速機連接軸。使用激光跟蹤儀自帶測量軟件CAM2的測量圓柱功能，完成各關鍵要素的測量（如圖4所示），此過程大概10 min。

圖4 FARO Vantage激光跟蹤儀CAM2測量軟件的測量界面

此過程需要注意三點：①為保證測量的準確性，每個圓柱需要采集13個以上點位；②三坐標測量機或激光跟蹤儀測量大半徑小圓弧的圓柱時誤差較大，所以應盡#能測量超過半圓的大圓弧，減小圓柱擬合誤差；③為方便觀察各圓柱軸線平行度，對于長軸距圓柱，我們在該圓柱兩端分別測量一個短軸距圓柱，即上剪刃軸1的左右兩側分別測量一個短圓柱，下剪刃軸2的左右兩側分別測量一個短圓柱，刀架軸承座3的左右兩側分別測量一個短圓柱。

3.3 建立坐標系

測量完成，下一步建立坐標系。以刀架軸承座軸3（左端）和3（右端）軸心連線作為基準軸線，將此基準軸線作為進階坐標系第一特征，其軸線方向定為Z軸。再選取上剪刃軸1上一輔助加工平面作為坐標系第二特征，其法線方向定為X軸。將刀架軸承座軸3（左端）的軸心定義為坐標系原點。一個進階的坐標系由此建立完成，如圖5所示。

圖5 進階坐標系的示意圖

此過程需要注意，坐標系必須是進階的，且必須是把基準軸線作為第一特征。另外輔助平面必須是偏心軸上的加工面，且其法線方向與基準軸線垂直。

3.4 數(shù)據分析

已知各偏心軸兩端坐標值（如圖6）分別為：①上剪刃軸（左）：X=0.013 mm，Y=-70.056 mm；上剪刃軸（右）：X=0.002 mm，Y=-70.053 mm。②下剪刃軸（左）：X=0.037 mm，Y=90.061 mm；下剪刃軸（右）X=0.020 mm，Y=90.022 mm。通過簡單計算得出，上剪刃軸x軸方向平行度為0.013-0.002=0.011 mm，Y軸方向平行度為70.056-70.053=0.003 mm，偏心距為70.056～70.053 mm區(qū)間范圍。下剪刃軸X軸方向平行度為0.037-0.020=0.017 mm，Y軸方向平行度為90.061-90.022=0.039 mm，偏心距為90.061～90.022 mm區(qū)間范圍。

圖6 各軸的軸心坐標值示意圖

4 總結

此次測量耗時如下：①設備安裝，開機熱檢50 min，②快速補償5 min，③測量10 min，④建立坐標系，數(shù)據分析5 min。從設備安裝到完成數(shù)據分析不超過70 min。綜上，使用激光跟蹤儀測量大尺寸偏心軸，不但顯著節(jié)省了測量時間，還很直觀地把測量數(shù)據呈現(xiàn)給測量人員，極大地縮短了制造周期，縮減了制造成本。但是本次測量也存在著以下問題：①震動對儀器的測量精度不#避免存在一定影響，所以，在測量過程中應盡量減少現(xiàn)場的行車或其他震源對測量工作的干擾。②環(huán)境溫度的影響，機加工現(xiàn)場環(huán)境復雜，溫度波動大，在測量過程中務必使用材料溫度傳感器時刻監(jiān)測工件溫度，并進行溫度補償;③激光跟蹤儀的精度與距離和角度有直接關系，因此，激光跟蹤儀的擺放位置應本著距離近，旋轉角度小的原則。這些都是在以后的測量過程中需要注意的重點。