不同測量系統之間的比對方法介紹

趙海龍 廖文平

摘 要：為了降低因檢具故障影響正常生產的風險，在新項目檢具前期規劃中，我們往往需要考慮每個測量項目的備用方案。一般手動檢具都是用一備一，但像夾具式檢具若本體出現故障而又短時間內不能修復，還是需要利用三坐標來檢測，其他像曲軸光學機出于成本考慮沒有備機也需要三坐標備用。目前工廠檢具的備用方案比對主要有夾具式檢具與三坐標，光學機與三坐標及生產線CMM與實驗室CMM等等，但往往不同檢具的測量結果會不一致，當其超出兩套測量系統之間的隨機誤差及系統誤差時，是不可接受的。

關鍵詞：夾具式檢具;三坐標;中心孔;測量系統;備用方案;比對

引言

在驗收過程中，我們不僅要針對每個單獨的測量系統進行驗收，還需與備用方案測量系統做比對測量。另外當我們對某檢具測量結果產生質疑時，也可以通過對比其它檢具的測量數據來分析解決。針對這一問題，本文以曲軸OP10綜合夾具式檢具與三坐標測量儀測量兩中心孔的比對為例，通過分析影響二者測量差異的主要因素，介紹了本工廠兩種不同測量系統之間的比對方法。

一 曲軸工藝簡介

曲軸是發動機最重要的機件之一，它與連桿配合將作用在活塞上的氣體壓力變為旋轉的動力，傳給底盤的傳動機構;同時驅動配氣機構和其它輔助裝置，如風扇，水泵，發電機等。

工作時，曲軸承受連桿傳來的力，并由此造成繞其本身軸線的力矩，受力大而且受力復雜，并承受交變負荷的沖擊作用;同時，曲軸又是高速旋轉件，受到旋轉質量的離心力，使其承受彎曲和扭轉載荷。

曲軸主要由主軸頸，連桿頸，曲柄，平衡塊，芯軸端和法蘭端等組成，如圖一。

某直列4缸曲軸加工自動線工藝：一次性加工兩端中心孔及內孔->半精加工主軸頸連桿頸->深滾壓->磨削主軸頸連桿頸->動平衡->拋光->清洗->測量下線。

第一工序-主要加工兩端面及中心孔，銑定位面，加工基于曲軸毛坯，而且加工中心孔的質量和精度是后續整個加工工藝的基準，所以如何確保第一步的加工質量是整個工藝的關鍵。

二 夾具式檢具與三坐標測量比對

1.測量原理

1.1夾具式檢具測量原理

OP10檢具為氣缸驅動，電子測量的綜合夾具式檢具， 它的夾緊定位基準與機床一致，以主軸頸1和5實現軸向定位，以止推面中心實現分中，操作方法非常簡單，即把工件放置到預定位舉升機構的V型塊上，雙手同時按住通用按鈕和上料按鈕直到工件被夾緊，下料也需要同時按住通用按鈕和下料按鈕直到工件被松開，如圖二。其中上料和下料是通過各個氣缸間的相互作用進行驅動最終達到夾緊和松開工件的目的。

它的測量系統主要由幾部分組成：

傳感器按照測量要求排列組合成的測量單元用于感受被測工件與標準規的偏差量，并將這些偏差量轉化為電信號，通過導線傳送到工控機，經過數模轉換后，由QuickSPC軟件進行處理，顯示出測量結果并按照要求保存。

測量兩中心孔的量規在z方向和y方向布了兩個傳感器，感應到測量要素后會計算出中心孔在z，y兩個方向的偏差值，進而得出位置度。

1.2三坐標測量原理

CMM測量機的基本原理是將被測零件放入測量空間，測頭接觸工件發出采點信號，由控制系統采集x，y，z相對于機器原點的坐標值，根據這些點的數值經過計算機數據處理，擬合形成測量元素，如圓，球，圓柱，圓錐，曲面等，經過數學計算得出形狀，位置公差及其它幾何量數據。

曲軸測量時，工件#1，5主軸頸放置在夾具的V型支撐，#1連桿頸放置于右側支撐塊，旋動P1處螺帽，確認P2處工件與夾具貼合，P3處溫度傳感器與工件貼合;推動快速夾，旋動P4處螺帽，鎖緊工件，如圖三。

OP10測量首先以兩中心孔G-F，CS建立工件坐標系，然后再測量#1，5毛坯主軸頸，建立Y-Z子坐標系，進而來評定中心孔G和F 相對Y-Z的位置度。

2.影響因素分析

測量系統變差可以從人員，儀器（量具），零件，標準，環境等5個方面進行分析，其中零件在選取時也需要關注其質量，尤其是測量點。

特選取了兩個狀態稍差（1#和2#）和三個稍好（3#，4#，5#）的工件作試驗（比對結果如下），通過對比證明，同樣的兩套測量系統狀態差的工件差異會明顯偏大。所以進行比對時，應該盡量選取加工質量好的工件，這樣能降低因工件狀態帶來的變差。

3.測量系統差異分析

CMM及夾具式檢具OP10都通過GR&R驗證，說明二者的測量系統是可以接受的。隨機選取20根曲軸分別用夾具式檢具和CMM測量中心孔位置度（數據略），檢具和CMM的數據趨勢基本一致，另外夾具式檢具比CMM測量值大0.06mm左右，公差帶為0.5mm，約占整個公差帶的12%。

同時通過對比還發現法蘭端比芯軸端普遍差異大，雖然測量系統通過了GR&R，但還需分析原因，后面檢查發現檢具在計算法蘭端的機械補償值設置不精確，修改后復測幾件數據便好了很多。

三 測量系統比對方法介紹

根據以上分析，可以得出影響比對結果的主要因素有：測量原理不同，測量策略差異（比如CMM一般比夾具式檢具的測量點要取得多），工件質量的好壞以及各測量系統自身的測量不確定度（本文不作分析）等等。鑒于此，我們工廠的比對工作一般做法為：

1.通過GR&R驗證確認各個單獨的測量系統;

2.選取足夠多的工件，但一般由于新檢具狀態比較好以及時間關系，在驗收階段我們往往隨機選用五根工件來分析;

3.將工件編號做好標記，由通過培訓的員工分別在兩種檢具上測量;

4.針對正常的數據分析比對結果，一般情況下，若二者為完全不同的測量系統，當差異值與公差帶的百分比在20%以內，判定OK，否則NOK;若二者為相同的測量系統不同的儀器， 當差異值與公差帶的百分比在10%以內，判定OK，否則NOK;

5.若比對按此方法不能通過，則需要根據數據分析各測量系統或者考慮其他備用方案。

四 結束語

通過本次對比分析，為解決兩種測量系統測量值不一致，存在不可接受極差的問題提供了參考方法。由于每種測量系統都存在很大的獨立性及不確定性，所以目前針對測量系統之間的比對方法及判定也沒有形成一個通用的標準，這還需要大量的實驗以及巨大的數據來驗證并總結，從而能更規范地指導檢具驗收過程中測量比對工作及使用過程中的一些問題解決。

參考文獻：

[1]機械加工工藝師手冊? 楊叔子? 機械工藝出版社 2001.8

[2]形狀和位置公差標準手冊? 中國標準出版社

[3]測量設備驗收Measurement Systems Specification

[4]坐標測量機實用技術

作者簡介：

趙海龍 1984/10/30 籍貫黑龍江? 職稱：工程師? 研究方向：車輛工程。