三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在柴油機(jī)機(jī)體測(cè)量中的應(yīng)用研究

程敢峰，胡步凡，夏煥金

（中國(guó)南車集團(tuán) 戚墅堰機(jī)車有限公司 柴油機(jī)分廠，江蘇常州213011）

柴油機(jī)的機(jī)體作為整個(gè)柴油機(jī)的安裝基礎(chǔ)和骨架，結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜。機(jī)體上各安裝面的尺寸和形位精度直接決定了柴油機(jī)其他相關(guān)零部件如曲軸、凸輪軸、活塞、連桿等在機(jī)體上的裝配精度和柴油機(jī)的性能，所以對(duì)機(jī)體加工表面的尺寸精度、形位精度的測(cè)量提出了更高的要求。用傳統(tǒng)的測(cè)量方法進(jìn)行機(jī)體測(cè)量，存在著測(cè)量效率低、工作量大、測(cè)量不確定度高、測(cè)量影響環(huán)節(jié)多等多方面的問(wèn)題，一些尺寸甚至存在無(wú)法測(cè)量的問(wèn)題。這些問(wèn)題將直接影響到機(jī)體測(cè)量的準(zhǔn)確性，而且不利于現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量的控制，尤其對(duì)于設(shè)計(jì)和加工要求較高的尺寸，傳統(tǒng)的測(cè)量方法在一定程度上還有可能造成檢驗(yàn)的誤判，增加工件加工過(guò)程中機(jī)床調(diào)整的時(shí)間和頻次，甚至產(chǎn)生不必要的損失。

當(dāng)前，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)可以進(jìn)行零件和部件的尺寸、形狀及相互位置的檢測(cè)，并且檢測(cè)效率是傳統(tǒng)的專用設(shè)備測(cè)量效率的1.5～2倍［1］，同時(shí)還大大地提高測(cè)量精度和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。基于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的上述特點(diǎn)，使用LK Ultima 60.25.20的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)作為機(jī)體測(cè)量改進(jìn)測(cè)量方法的主要測(cè)量設(shè)備。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的型號(hào)選定后，測(cè)量精度主要由測(cè)量機(jī)所處的環(huán)境溫度、濕度、清潔度和測(cè)量工藝來(lái)體現(xiàn)的，下面以生產(chǎn)的某種柴油機(jī)機(jī)體，如圖1所示，作為研究對(duì)象進(jìn)行測(cè)量工藝研究。

1 測(cè)量工件的裝夾

機(jī)體為U型箱體類零件，在夾具松開(kāi)、夾緊狀態(tài)下測(cè)量會(huì)存在測(cè)量數(shù)據(jù)差異較大的現(xiàn)象。為確保測(cè)量結(jié)果能反映出要求狀態(tài)的加工尺寸精度，機(jī)體測(cè)量時(shí)的裝夾狀態(tài)保持與其在加工時(shí)所處的裝夾狀態(tài)完全一致。柴油機(jī)機(jī)體加工時(shí)采用隨行夾具定位在機(jī)床工作臺(tái)上，加工完畢后在不松開(kāi)夾具的條件下進(jìn)行測(cè)量，解決了測(cè)量狀態(tài)要求的問(wèn)題。采用隨行夾具的工藝方案后，為使隨行夾具達(dá)到移送系統(tǒng)裝置的精度，采用直線導(dǎo)軌移送的方案。同時(shí)為了克服三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)輸送導(dǎo)軌與工件輸送導(dǎo)軌斷續(xù)對(duì)接，對(duì)隨行夾具的輸送狀態(tài)、定位精度和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的整體測(cè)量精度的影響，將原來(lái)只對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行防震基礎(chǔ)的施工，改為對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和隨行夾具移送系統(tǒng)裝置整體進(jìn)行防震基礎(chǔ)的施工。該綜合方案可以克服因基礎(chǔ)變形、局部偏載而造成三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量誤差等諸多影響。

圖1 機(jī)體模型

2 測(cè)量環(huán)境的控制

機(jī)體材料球墨鑄鐵在室溫狀態(tài)下熱膨脹系數(shù)為11.2×10－6［2］，針對(duì)上述溫度影響，綜合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)機(jī)體生產(chǎn)線設(shè)備及廠房采取以下措施：采用全空調(diào)車間，因?yàn)楣S處于中國(guó)南方地區(qū)，特別是冬夏季節(jié)溫差大，若不控制環(huán)境溫度，其產(chǎn)生的綜合效應(yīng)將使過(guò)程質(zhì)量控制無(wú)法進(jìn)行。在空調(diào)車間中再設(shè)置一個(gè)小空調(diào)房，放置三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)及其控制系統(tǒng)。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)空調(diào)房保證測(cè)量精度的溫度范圍為：20℃±2℃，時(shí)間梯度：4℃／D，1℃／h，空間梯度：1℃／m。環(huán)境濕度：測(cè)量機(jī)空調(diào)房?jī)?nèi)≤80%。

這樣生產(chǎn)車間的溫度和檢測(cè)房的溫度都控制在較小的變化范圍內(nèi)，基本保持一致。這樣測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)才有實(shí)際意義。

由于動(dòng)態(tài)測(cè)頭是在與實(shí)體接觸的瞬間進(jìn)行測(cè)量采樣工作，無(wú)論X、Y、Z任何方向受到力，均會(huì)產(chǎn)生階躍信號(hào)，因而工件表面的清潔情況對(duì)測(cè)量的準(zhǔn)確與否至關(guān)重要。測(cè)量之前要求先用蘸有清潔劑的抹布對(duì)測(cè)量表面和測(cè)量頭全部清潔一遍，然后，再用干抹布全部清潔一遍，每次抹布使用后需要清洗。如果測(cè)量中發(fā)現(xiàn)有超差情況出現(xiàn)，并且數(shù)據(jù)點(diǎn)偏離很大，首先就要考慮清潔問(wèn)題。尋找測(cè)量超差項(xiàng)點(diǎn)的要素提取點(diǎn)位，仔細(xì)觀察是否存在金屬碎屑或毛刺，再次清潔后重新測(cè)量。

3 測(cè)量坐標(biāo)系的建立

對(duì)于檢測(cè)的整個(gè)過(guò)程中，最基本也是最至關(guān)重要的工作是測(cè)量基準(zhǔn)的定義和確立。在選擇測(cè)量坐標(biāo)系基準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)首先考慮基準(zhǔn)平面間或基準(zhǔn)線間是否垂直、基準(zhǔn)平面與基準(zhǔn)線間是否平行，并且要盡量按照設(shè)計(jì)、加工、測(cè)量三基準(zhǔn)相統(tǒng)一的原則選擇測(cè)量坐標(biāo)系。由圖2、圖3可知，某型號(hào)機(jī)體的1＃和9＃主軸承孔公共軸線是主要設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和工藝基準(zhǔn)，9＃主軸承孔外側(cè)止推面和機(jī)體底平面是另兩個(gè)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。從設(shè)計(jì)意圖上看，主軸承孔公共軸線與9＃主軸承孔外側(cè)止推面為垂直關(guān)系，主軸承孔公共軸線與機(jī)體底平面為平行關(guān)系，9＃主軸承孔外側(cè)止推面和機(jī)體底平面為垂直關(guān)系。工件坐標(biāo)系的基準(zhǔn)元素選擇應(yīng)圍繞這三者進(jìn)行。

圖2 機(jī)體示意圖

3.1 粗基準(zhǔn)建立

首先使用人工手工模式測(cè)量9＃主軸承孔外側(cè)止推面，測(cè)4點(diǎn)，以該平面法向作為X方向，X原點(diǎn)在該平面上。人工手動(dòng)模式測(cè)量9＃主軸承孔，以元素圓的方式測(cè)量4點(diǎn)，將Y軸和Z軸原點(diǎn)移動(dòng)到該圓圓心位置。

3.2 精基準(zhǔn)建立

在單軸基準(zhǔn)坐標(biāo)系D（2）下，以程序模式測(cè)量9＃主軸承孔，以元素圓柱（CYL001），測(cè)量8點(diǎn)，將Y軸和Z軸原點(diǎn)移動(dòng)到該圓柱軸線位置，以圓柱軸線為基準(zhǔn)，旋轉(zhuǎn)Y軸和Z軸，使YZ平面垂直于該圓柱軸線。該坐標(biāo)系為D（5）。

圖3 機(jī)體示意圖

在坐標(biāo)系D（5）下，設(shè)置工作平面為YZ平面，程序模式測(cè)量9＃主軸承孔外側(cè)止推面，以元素平面（PLN＿ThrustFace）測(cè)6點(diǎn)。

設(shè)置測(cè)頭接近距離為5，設(shè)置測(cè)頭回退距離為10。程序模式測(cè)量主軸孔止推面和機(jī)體底面交線所在位置的直線，以元素直線（LINE＿＋Y＿PAN）測(cè)6點(diǎn)。

定義平面（PLN＿ThrustFace）為基準(zhǔn)D，圓柱（CYL001）軸線為基準(zhǔn)E，直線（LINE＿＋Y＿PAN）為基準(zhǔn)F。

建立坐標(biāo)系D（6）：基準(zhǔn)E為－X軸，Y軸原點(diǎn)，Z軸原點(diǎn)；基準(zhǔn)F為Y軸；基準(zhǔn)D為X軸原點(diǎn)。

程序模式測(cè)量1＃主軸承孔，以元素圓柱（CYL002）測(cè)量8點(diǎn)。

3.3 測(cè)量坐標(biāo)系的確定

構(gòu)造 一 條 直 線 （LINE＿CRKB＿X），將 圓 柱（CYL001）和圓柱（CYL002）的中心點(diǎn)連接而成。

定義直線（LINE＿CRKB＿X）為基準(zhǔn)G，直線（LINE＿＋Y＿PAN）為基準(zhǔn)C，平面（PLN＿ThrustFace）為基準(zhǔn)D。

建立工件坐標(biāo)系D（7）：基準(zhǔn)G為X軸，Y軸原點(diǎn)，Z軸原點(diǎn)；基準(zhǔn)C為Y軸；基準(zhǔn)D為X軸原點(diǎn)。

由于1＃和9＃主軸承孔公共軸線是主要設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，且兩孔為長(zhǎng)距孔，總長(zhǎng)3 677.5mm，符合大特征的要求。因此選該公共軸線作為工件主基準(zhǔn)。將1＃和9＃主軸承孔作為圓柱元素測(cè)量，計(jì)算兩圓柱的中心，這兩個(gè)圓柱的中心可以作為空間點(diǎn)定義，計(jì)算這兩個(gè)空間點(diǎn)連線構(gòu)造的3D直線。該3D直線，即為1＃和9＃主軸承孔公共軸線，它只能通過(guò)計(jì)算得到，而不能通過(guò)測(cè)量得到。

主基準(zhǔn)確定后，機(jī)器坐標(biāo)系的X軸與1＃和9＃主軸承孔公共軸線的空間夾角也確定了，工件坐標(biāo)系傾斜該角度后，就確定了新的X軸（空間軸），將該軸線定義為工件坐標(biāo)系的Y軸和Z軸的原點(diǎn)。

在9＃主軸承孔的止推面上以極坐標(biāo)方式測(cè)6點(diǎn)，X方向的原點(diǎn)設(shè)置在該平面上。

定義第二基準(zhǔn)。在機(jī)體后端底面與主軸承孔外側(cè)止推面相交的直線理論位置上測(cè)量6點(diǎn)，根據(jù)測(cè)量點(diǎn)計(jì)算直線實(shí)際方向，將Y軸旋轉(zhuǎn)到該直線的實(shí)際方向。根據(jù)右手螺旋法則，Z軸自動(dòng)生成。X軸正方向指向機(jī)體前端面，Y軸正方向指向機(jī)體右側(cè)，Z軸正方向指向機(jī)體底面。工件坐標(biāo)系示意圖如圖4所示。

圖4 工件坐標(biāo)系

4 采點(diǎn)策略

采點(diǎn)策略直接關(guān)系到測(cè)量精度和測(cè)量效率。對(duì)于某型號(hào)柴油機(jī)機(jī)體的三坐標(biāo)測(cè)量工序中，測(cè)量要素可分為圓柱和平面兩大類。而圓柱要素的提取又是靠其截面圓要素的采集來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圓的直徑和圓心位置根據(jù)圓柱表面輪廓各點(diǎn)位置的測(cè)量結(jié)果來(lái)確定。

每個(gè)測(cè)量點(diǎn)都是獨(dú)立的，由圓形數(shù)學(xué)模型計(jì)算可推導(dǎo)出公式（1）、公式（2）［3］：

其中σ為每個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)量的不確定度；δ0、δR分別為圓心坐標(biāo)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和半徑合成標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量不確定度；N為測(cè)量點(diǎn)數(shù)。

由上式可知圓心坐標(biāo)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度δ0和半徑合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度δR均與成正比。圓心坐標(biāo)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度δ0是半徑合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度δR的兩倍。隨著測(cè)量點(diǎn)數(shù)的增加，圓心坐標(biāo)測(cè)量不確定度和半徑測(cè)量不確定度減少。這樣我們就可以根據(jù)測(cè)量精度要求來(lái)確定測(cè)量點(diǎn)數(shù)。

4.1 采點(diǎn)位置及數(shù)量

測(cè)量第1至第9主軸孔。使用7號(hào)測(cè)頭。測(cè)量位置為主軸承孔圓柱面分4層，每層測(cè)量4點(diǎn)。測(cè)量結(jié)果用于計(jì)算主軸孔直徑、位置度、圓柱度和直線度。對(duì)于圓柱面的采點(diǎn)，一般要求采2個(gè)圓截面，每個(gè)面上成90°均布4點(diǎn)。為了更好的擬合主軸孔的圓柱要素，這里增加了2個(gè)截面，比較充分地考慮到了軸承孔本身形狀誤差和尺寸制造誤差。如圖5。

圖5 測(cè)量1＃至9＃主軸孔

左右兩側(cè)10°面和左右側(cè)垂直面的測(cè)量均屬于平面元素的測(cè)量。采點(diǎn)范圍盡可能遍及整個(gè)平面，采點(diǎn)數(shù)量視平面特征而定。這4個(gè)平面是安裝各種管道、蓋板的連接平面，對(duì)平面的位置精度并沒(méi)有嚴(yán)格要求，因此采點(diǎn)數(shù)量只需比擬合平面要素所必須的3個(gè)點(diǎn)多幾個(gè)點(diǎn)即可。具體測(cè)量位置為：測(cè)量左10°面，在第5和第6觀察窗口之間上下測(cè)2點(diǎn)，在第8觀察窗口靠后端上下測(cè)2點(diǎn)。左右兩側(cè)測(cè)量位置和方法相同。如圖6所示。

除采點(diǎn)位置和采點(diǎn)數(shù)量需要確定外，數(shù)據(jù)的采集還應(yīng)注意測(cè)頭的運(yùn)動(dòng)路線，盡量減少測(cè)頭旋轉(zhuǎn)次數(shù)和移動(dòng)空程，確定必要的停留點(diǎn)，防止測(cè)頭與工件相碰。

圖6 測(cè)量左右10°面

影響數(shù)據(jù)采集效率的因素很多，如測(cè)頭的大小，測(cè)頭大可以減少測(cè)量行程，但受到孔徑的限制；測(cè)頭小，對(duì)圓弧面，尤其是小圓弧面的測(cè)量將比大測(cè)頭更加準(zhǔn)確，但受到測(cè)桿直徑的限制，對(duì)一些深小孔的測(cè)量可能由于測(cè)桿先接觸到孔壁而產(chǎn)生測(cè)量誤差。此外測(cè)桿的選擇也相當(dāng)重要。測(cè)桿過(guò)短，進(jìn)入孔的深度有限；過(guò)長(zhǎng)，容易引起抖動(dòng)，導(dǎo)致測(cè)量過(guò)程中斷，同時(shí)，測(cè)桿過(guò)長(zhǎng)也會(huì)限制測(cè)量速度。

5 結(jié)束語(yǔ)

GRR（Gauge Repeatability and Reproducibility）是用來(lái)綜合評(píng)定測(cè)量方法誤差、測(cè)量人員的操作誤差及測(cè)量?jī)x器誤差。當(dāng)GRR≤30%時(shí)，表示測(cè)量方法、測(cè)量系統(tǒng)是滿足要求的，可以接受的。經(jīng)過(guò)對(duì)某種型號(hào)的機(jī)體關(guān)健尺寸項(xiàng)點(diǎn)，如曲軸孔圓柱度和全長(zhǎng)的直線度、凸輪孔的圓柱度和全長(zhǎng)的直線度等尺寸，作GRR試驗(yàn)，其GRR均小于15%，證明所選用的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、測(cè)量環(huán)境的控制和測(cè)量工藝是完全滿足某種型號(hào)機(jī)體測(cè)量的要求。在某種型號(hào)柴油機(jī)機(jī)體測(cè)量工藝通過(guò)驗(yàn)收后，現(xiàn)已測(cè)量了500多只同種型號(hào)柴油機(jī)機(jī)體，沒(méi)有因?yàn)闇y(cè)量進(jìn)度而影響整個(gè)柴油機(jī)機(jī)體加工進(jìn)度，證明其測(cè)量節(jié)拍能滿足機(jī)體生產(chǎn)要求，即所選用的采點(diǎn)策略和測(cè)量速度也是滿足工藝要求的。

［1］張國(guó)雄.三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)［M］，天津：天津大學(xué)出版社，1999.

［2］GB／T 1348－1988.球墨鑄鐵件［S］.

［3］鄒 鋒.坐標(biāo)測(cè)量法中圓參數(shù)測(cè)量不確定度的研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2005.