基于三坐標測量設備的同軸度測量方法研究

王偉

摘 要：本文將三坐標與傳統測量同軸度的方法進行了比較，深入分析三坐標測量同軸度的影響因素，并在原有軟件評價同軸度指令和已有公共軸線方法的基礎上，對公共軸線的建立方法進行了總結，并提出了直線度法和求距法間接判斷零件的同軸度。

【關鍵詞】同軸度 公共軸線 基準 求距法

在我公司生產的印鈔造幣機械中，需要測量許多零件的同軸度，如J98機的滾筒體、YBW150機身等重要零件中，對一些孔的同軸度都有較高要求。因此能否準確地測量出這些零件的同軸度，對以后相應軸的順利裝配和整機的平穩運轉都有著一定的影響。下面結合生產實際情況，講述一下如何根據零件的不同特點，靈活運用三坐標來測量同軸度。

1.三坐標測量同軸度與傳統測量方法的比較

1.1.傳統方法測量同軸度的原理

由同軸度定義可知，同軸度分為點的同心度和線的同軸度兩種。同心度的公差帶是直徑為公差值φt且與基準圓心同心的圓內的區域，同軸度的公差帶是直徑為公差值φt的圓柱面內的區域，且該圓柱面的軸線與基準軸線同軸。因此在測量同軸度時，可根據零件的特點，采用形位公差檢測原理中的測量坐標值原理、控制實效邊界原理或測量跳動原理，借助各種綜合量規或輔助工具，如心軸、杠桿表、V形架、花崗巖平板等。

如采用控制實效邊界原理測量同軸度，使用綜合量規檢驗。但用綜合量規測量無法得出確切數值，且需要針對不同的零件制作單獨的綜合量規，費用較高。采用測量跳動原理測量同軸度，被測實際要素繞基準軸線回轉一周的過程中，被測實際要素的形狀和位置誤差使位置固定的指示表的測頭移動，因此該方法適用于測量形狀誤差較小的零件。

1.2.三坐標的測量原理

使用三坐標測量基準要素的軸線，再測量被測實際要素的軸線，然后計算出被測實際要素的軸線對基準要素軸線的同軸度誤差值。在測量點的同心度時，使用測量坐標值原理，通過測量被測要素圓心與基準要素圓心的距離來計算同軸度誤差值。

2.影響三坐標測量同軸度的因素

在使用三坐標測量同軸度過程中，有時會出現測量結果誤差大，重復性差的現象，究其原因，同軸度的測量主要受以下三個方面因素的影響：

2.1.軟件中同軸度評價指令的局限性：

例如下面的圖（1），在測量滾筒時，φ209孔對φ212孔有同軸度的要求。

如圖（2），在基準圓柱φ212上測量兩個截面圓，其圓心的連線作基準軸，在被檢圓柱φ209上測量一個截面圓，然后計算同軸度誤差。假設基準圓柱φ212的第二截面圓的圓心位置與第一截面圓的圓心位置有2μm的測量誤差，基準圓柱φ212上兩截面圓在軸線方向的距離為70mm，基準圓1與被測圓1之間的距離為910mm，這樣，當基準軸線到達被測圓1面時已偏離（0.002×910/70=0.026mm）。由此可見如果直接用軟件中同軸度評價指令，評價相鄰較遠的短孔的同軸度時，由于距離放大作用，使得測量結果誤差大，重復性差，測量結果不能反映實際情況。

在實際測量中可通過盡可能地增加基準截面間的距離，在測量基準要素時，若第一截面與第二截面的距離加大，誤差干擾比例將成正比減小。若基準足夠長，同時基準與被檢截面相鄰，則測量機不確定度的影響就可以忽略不計了。

2.2.基準的選擇對同軸度測量的影響：

如圖（3）為輸紙機機架的I側橫幫側視剖面圖，測量上下兩個孔的同軸度，由于兩個孔只有10 mm深，只能測量圓，即采用測量坐標值原理計算出這兩個孔的同心度誤差值。

2.3.零件變形的影響

零件在加工時是處于受力狀態，而在測量時可以說零件是處于自然狀態。對一些焊接件及薄壁件來說，不僅影響同軸度的測量，對其它尺寸和形位公差的測量也有影響。當工件重達幾噸時，如果工件放在一個平面度不好的臺面上測量，其自身的重力就足以引起一定量的變形。因此在測量時，零件的安裝固定要合理，以減少零件變形對測量的影響。

3.三坐標測量同軸度的方法

通過幾年來在三坐標工作的實踐經驗，我在公共軸線方法和原有軟件評價同軸度指令的基礎上，對公共軸線的建立方法進行了總結，并提出了直線度法和求距法間接判斷零件的同軸度。通過采用不同的測量方法，擴大三坐標的測量能力，并在實際中得到很好的應用。

其中公共軸線法和直線度法測量的基本思路都是模擬出一個假想的心軸，將這個假想心軸裝入兩孔后，分別與兩孔的軸線相互比較。求距法對關聯要素基準面的要求較高，如果零件關聯要素基準面變形較大則不能使用這種方法。

3.1.使用測量軟件中評價同軸度的指令

QUINDOS測量軟件中評價同軸度的指令為COAXTY。這種方法在測量相鄰較遠的短孔的同軸度時，由于測量機本身的誤差對測量同軸度有影響，產生距離放大作用，使得測量誤差很大，測量結果不能反映實際情況。

3.2.公共軸線法

把在被測要素和基準要素上測得的圓或圓柱的中心收集起來，連接成為公共軸線，作為其同軸度的評價基準，然后分別計算基準圓柱和被測圓柱對公共軸線的同軸度，取其最大值作為該零件的同軸度誤差值。這條公共軸線近似于一個模擬心軸，采用控制實效邊界原理，并根據要素的功能要求對測量結果使用包容原則或最大實體原則判斷是否合格。建立公共軸線的兩種方法：

一是使用指令COLPTS將兩個圓柱軸線的中點收集起來；二是將每個圓柱改為測量多個橫截面上的圓，再使用指令COLPTS將這些圓的圓心收集起來。

3.3.直線度法

在被測要素和基準要素的截面上測量幾個圓，然后將這幾個圓的圓心連接起來，計算出直線度，并采用包容原則，即應用最大實體邊界來限定被測要素的實體。例如圖（1）中，兩個孔對軸配合精度要求較高，由于同軸度誤差的影響，容易造成過盈偏大，因此隨著孔的實際尺寸偏離其最大實體尺寸的程度不同，允許有相應的同軸度誤差，這樣可以保證配合的性質。

3.4.求距法

改測同軸度為測量同心度，通過測量被測要素與基準要素距離來計算同心度誤差值。求距法在計算距離時將要素其投影到一個平面上來計算，因此這種方法要求零件的關聯要素基準要好，被測要素和基準要素到關聯要素基準的距離有較高的公差要求。

4.工件分類

由于三坐標測量的多是孔類零件的同軸度，因此我們根據工件特點將工件分為短孔短距、短孔長距、長孔短距和長孔長距四種類型，并結合各種測量方法，通過總結實踐經驗及測量數據，制定了以工件類型分類的測量方案表：

5.測量方法的數據比較

5.1.長孔長距類型的測量數據比較

現只列舉測量J98機滾筒體的例子，由于機械使用性能的需要，背壓膠皮滾筒要求做成滾筒體為鑄件而軸為鋼件的組合件，其孔與軸為過盈配合。如果滾筒體兩端孔的同軸度不好，則在將軸壓入滾筒體的過程中，滾筒體會有開裂現象，導致零件報廢，因此需要準確的判斷滾筒體的同軸度是否合格。從尺寸上可以將背壓膠皮滾筒歸為長孔長距類型，由于探頭及探針的限制，φ209孔和φ212兩孔只能測量70mm深，表（二）列舉了兩個背壓膠皮滾筒的測量數據。

由上面的測量數據表可以看出，由于軟件中同軸度評價指令的局限性，如直接用孔做基準軸，評價的結果大大超出公差要求；而用第一種方法建立公共軸線評價出來的結果一般都在0.01mm以內，這是因為第一種方法是用兩個圓柱的中點建立公共軸線，縮短了被評價圓柱的長度。第二種方法分別用兩個圓柱的端點建立公共軸線，評價出來的結果能比較全面地反映出所測范圍內的情況。而采用直線度法也能從側面間接的判斷同軸度。通過觀察將軸壓入滾筒時的情況，及壓入過程中壓力表反應出的壓力大小，驗證了測量結果的準確性，同時該零件在機器上的運轉情況穩定。

5.2.求距法的應用

例如輸紙機上的支座，兩端φ34孔有同軸度要求，且孔到基準面有較高公差要求，該零件兩端φ34孔相距較遠，無法從一個方向一次加工完成，必須使用轉臺或分次裝夾。這時加工者先對兩孔進行粗鏜，留0.5mm的余量，然后送三坐標測量，由三坐標按求距法，測量給出兩孔對基準面的偏差值，然后加工者根據提供的偏差數據，對孔位置進行修正后再加工至尺寸。

參考文獻：

[1]《形狀和位置公差》 中國標準出版社 1990

[2]《QUINDOS軟件使用手冊》 Leitz 1992

[3]《機械設計》高等教育出版社 1989