輪轂檢測(cè)建模及測(cè)量數(shù)據(jù)處理方法研究

劉業(yè)峰，王繼軒2，王富狀2，趙 元，孫福英

(1.遼寧省數(shù)控機(jī)床信息物理融合與智能制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 撫順 113122；2.沈陽工學(xué)院 機(jī)械與運(yùn)載學(xué)院，遼寧 撫順 113122)

0 引言

輪轂作為保證車輛行駛安全的重要零件，在車輛安全行駛過程中具有非常重要的作用[1]。目前對(duì)于輪轂尺寸檢測(cè)方法主要有三坐標(biāo)檢測(cè)技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)等[2-5]。文獻(xiàn)[6]以圖像處理技術(shù)基礎(chǔ),利用函數(shù)對(duì)圖像進(jìn)行相應(yīng)處理,得到輪轂二值圖像,再利用函數(shù)計(jì)算出輪轂直徑及圓度值。文獻(xiàn)[7]對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量與常規(guī)測(cè)量進(jìn)行對(duì)比，充分說明了三坐標(biāo)適合應(yīng)用于對(duì)復(fù)雜曲面零件的測(cè)量。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院的報(bào)告，輪轂的市場(chǎng)需求不斷增加，對(duì)輪轂檢測(cè)效率的要求也不斷提升[8]。文獻(xiàn)[9]對(duì)誘導(dǎo)輪的基本外形設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集,然后根據(jù)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)利用UG軟件分別對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化建模。文獻(xiàn)[10]以汽車輪轂帽為逆向研究對(duì)象,采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)采集實(shí)物原型表面的一組特征數(shù)據(jù)點(diǎn),并運(yùn)用Unigraphics軟件對(duì)特征數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行NURBS曲線和曲面擬合,生成三維原型數(shù)字化模型，此兩種方法相似，雖然精確度高，但建模過程復(fù)雜且時(shí)間較長(zhǎng)，不符合當(dāng)前高效率的要求。文獻(xiàn)[11]給出了測(cè)量時(shí)產(chǎn)生粗大誤差的處理方案。

目前這些方法測(cè)量參數(shù)有限，測(cè)量人員技術(shù)要求較高，過程過于復(fù)雜。因此，研究更為簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確，快捷的測(cè)量方法意義重大。本文利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)采用打點(diǎn)測(cè)量的方法并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)誤差分析[12-14]，優(yōu)化了此前測(cè)量方法的不足。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于可以快速并準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)尺寸數(shù)據(jù)，為測(cè)量和生產(chǎn)人員反饋與有關(guān)生產(chǎn)過程狀況的信息。

1 輪轂及測(cè)量過程描述

1.1 輪轂描述

輪轂是輪胎內(nèi)支撐輪胎金屬部件。又名轱轆、輪圈、鋼圈、胎鈴。輪轂根據(jù)寬度、直徑、材料、成型方式不同而種類繁多。輪轂的主要尺寸參數(shù)包括尺寸(輪轂直徑)、寬度、PCD與螺栓孔、偏距、中心孔。

利用自動(dòng)化生產(chǎn)線生產(chǎn)輪轂是一種高效的生產(chǎn)方式。輪轂生產(chǎn)流程如下：

1)由機(jī)器人將毛坯抓取至臥式加工中心中，進(jìn)行安裝面中心圓和螺栓孔及大外圓的粗車和精車。

2)機(jī)器人將物料經(jīng)過清洗、翻轉(zhuǎn)臺(tái)后再由臥式加工中心進(jìn)行中心圓和大外圓粗車和精車。

3)機(jī)器人將工件經(jīng)過清洗、翻轉(zhuǎn)臺(tái)、視覺識(shí)別后送至五軸立式加工中心進(jìn)行中間空間復(fù)雜曲面的銑削加工。

4)送至立體倉庫編碼儲(chǔ)存。

圖1 輪轂

1.2 測(cè)量過程描述

圖2 測(cè)量過程圖

1.2.1 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)描述

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)主要由以下4個(gè)部分組成：主機(jī)機(jī)械系統(tǒng)、測(cè)頭系統(tǒng)、電氣控制硬件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)(PC-DMIS)。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的工作原理是將是將被測(cè)零件放入它允許的三維測(cè)量空間，可以精確地測(cè)出零件表面的點(diǎn)在三維空間的坐標(biāo)位置，將這些點(diǎn)的坐標(biāo)經(jīng)過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理，擬合成測(cè)量元素，如點(diǎn)、線、平面、球、圓柱、圓錐、曲面等。所有形狀都是由空間點(diǎn)組成，所有幾何形狀的測(cè)量都可以歸結(jié)為空間點(diǎn)的測(cè)量，因此對(duì)空間點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行精確采集是保證幾何形狀及測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)。

根據(jù)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)結(jié)構(gòu)大致可分為移動(dòng)橋架式、床式橋架式、柱式橋架式、固定橋架式、軸移動(dòng)懸臂式等諸多種類，可以使三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)適用于大部分的工作環(huán)境以及測(cè)量更為復(fù)雜的零件。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)正確使用及注意事項(xiàng)：

1)工件安裝前將測(cè)頭退回安全點(diǎn)，為被測(cè)物體裝夾留有充足空間，避免裝過程中出現(xiàn)碰撞。

2)正確裝夾，確保被測(cè)物體符合測(cè)量機(jī)測(cè)量要求。

3)所建坐標(biāo)系符合圖紙要求，確保數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確。

4)大型被測(cè)物體測(cè)量結(jié)束后及時(shí)搬下工作臺(tái)，避免工作臺(tái)長(zhǎng)時(shí)間處于承重狀態(tài)。

1.2.2 測(cè)量機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

該實(shí)驗(yàn)選用沈陽工學(xué)院遼寧省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的?？怂箍等鴺?biāo)測(cè)量機(jī)，系統(tǒng)為PC-DMIS。

1.3 輪轂測(cè)量工藝描述

1.3.1 校驗(yàn)測(cè)頭流程

圖3 校驗(yàn)測(cè)頭流程圖

1.3.2建立坐標(biāo)系

對(duì)輪轂的一個(gè)平面進(jìn)行打點(diǎn)，在系統(tǒng)中建立特征平面。根據(jù)打點(diǎn)結(jié)果，系統(tǒng)生成特征圖形如下：

圖4 輪轂測(cè)量孔的標(biāo)定

根據(jù)右手定則，建立笛卡爾直角坐標(biāo)系，以X、Y、Z三條互相垂直的軸線和三條軸線相交的原點(diǎn)組成三維笛卡爾直角坐標(biāo)系。

建立坐標(biāo)系過程如下：

1)測(cè)量平面：平面1、圓 1、圓2；

2)選擇工作平面Y正；

表1 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)參數(shù)

3)打開創(chuàng)建坐標(biāo)系對(duì)話框：插入-坐標(biāo)系-新建；

4)選擇平面1，Y負(fù)-找正；

5)選擇圓1圓2，旋轉(zhuǎn)到X正-圍繞Y負(fù)-旋轉(zhuǎn)；

6)選擇：圓1-X、Z-原點(diǎn)，平面1-Y-原點(diǎn)，點(diǎn)擊“確定”創(chuàng)建坐標(biāo)系A(chǔ)1；

7)檢查坐標(biāo)系建立是否正確。

2 數(shù)據(jù)誤差處理方法

任何測(cè)量?jī)x器的測(cè)量都會(huì)存在一定誤差，測(cè)量誤差主要分為隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差和粗大誤差。測(cè)量誤差的主要來源有計(jì)量器具的誤差、測(cè)量方法的誤差和測(cè)量人員操作過程的誤差。在假定測(cè)量列中不存在系統(tǒng)誤差和粗大誤差的前提下，給出以下隨機(jī)誤差分析處理方法：

1)算術(shù)平均值計(jì)算 假定該測(cè)量列的測(cè)量值分別為x1、x2、x3…xn，計(jì)算該測(cè)量列的算術(shù)平均值，則算術(shù)平均值為：

2)計(jì)算殘余誤差 殘余誤差vi為測(cè)量結(jié)果與算術(shù)平均值的差值，每個(gè)測(cè)量列都有與之對(duì)應(yīng)的殘余誤差列：

3)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差(單次測(cè)量精度) 標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算常用貝塞爾(Bessel)公式完成，公式如下：

根據(jù)需要，單次測(cè)量結(jié)果表達(dá)式為：

xei=xi±3σ

4)計(jì)算測(cè)標(biāo)準(zhǔn)偏差:

5)計(jì)算測(cè)量限制誤差

測(cè)量列算術(shù)平均值的測(cè)量限制誤差為：

6)給出多次測(cè)量結(jié)果的表達(dá)式，計(jì)算出多次的測(cè)量結(jié)果：

在實(shí)際測(cè)量中，系統(tǒng)誤差是影響測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性的一大重要因素。為消除系統(tǒng)誤差，提高測(cè)量的精確度與準(zhǔn)確性，應(yīng)從實(shí)驗(yàn)根源上消除系統(tǒng)誤差。測(cè)量人員對(duì)測(cè)量裝置、環(huán)境、方法進(jìn)行研究分析后，找出可能產(chǎn)生誤差的根源后，采用調(diào)整測(cè)量裝置、改善測(cè)量環(huán)境、選擇觀察位置消除視差等方法進(jìn)行消除。

粗大誤差：將一定條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)所超出規(guī)定誤差值的誤差稱為粗大誤差，也可以稱為寄生誤差和粗誤差。粗大誤差具有數(shù)值大，數(shù)量少、突發(fā)性強(qiáng)的特點(diǎn)，所以應(yīng)在根本上避免粗大誤差的出現(xiàn)。常見檢測(cè)粗大誤差的方法有數(shù)據(jù)探測(cè)法和選權(quán)迭代法[11]。

產(chǎn)生粗大誤差的原因：1)客觀因素：電壓不穩(wěn)定、機(jī)械裝置運(yùn)行不穩(wěn)定、外界環(huán)境干擾、儀器故障或測(cè)量時(shí)裝夾不穩(wěn)定導(dǎo)致零件相對(duì)位置改變等。2)主觀因素：實(shí)驗(yàn)操作時(shí)出現(xiàn)失誤、實(shí)驗(yàn)器具本身故障、記錄數(shù)據(jù)過程出現(xiàn)錯(cuò)誤等。在保證外界條件的穩(wěn)定與測(cè)量器具正常之后，提高測(cè)量人員的責(zé)任心與規(guī)范操作過程時(shí)避免粗大誤差的有效方法。如果實(shí)驗(yàn)結(jié)束后發(fā)現(xiàn)有粗大誤差產(chǎn)生，建議根據(jù)拉依達(dá)準(zhǔn)則(準(zhǔn)則)進(jìn)行判別，在數(shù)據(jù)處理時(shí)將產(chǎn)生的粗大誤差予以排除。拉依達(dá)準(zhǔn)則適用于測(cè)量次數(shù)較多的情況下，當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)符合或近似正態(tài)分布時(shí)，粗大誤差出現(xiàn)的概率僅為0.27%，即當(dāng)進(jìn)行370次實(shí)驗(yàn)時(shí)才會(huì)出現(xiàn)一次粗大誤差。

根據(jù)給出的數(shù)據(jù)誤差處理方法，對(duì)輪轂寬度的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：

輪轂寬度俗稱為J值，輪轂的寬度直接影響到輪胎的選擇，同樣尺寸的輪胎，J值不同，選擇的輪胎扁平比和寬度也就不同。對(duì)輪轂兩側(cè)面分別進(jìn)行打點(diǎn)，通過鎖定X、Z兩軸使兩點(diǎn)在三維空間中保持最短距離，此距離則為輪轂的寬度。取多組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析從而減小誤差，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。

圖5 輪轂寬度數(shù)據(jù)圖

表2 輪轂寬度參數(shù)

1)判定定值系統(tǒng)誤差 計(jì)量器具已經(jīng)檢定、測(cè)量環(huán)境得到有效控制，可以認(rèn)為測(cè)量列中不存在定值系統(tǒng)誤差。

2)求測(cè)量列算術(shù)平均值：

3)計(jì)算殘差 各殘差的數(shù)值經(jīng)計(jì)算后列于表中。按殘差觀察法，這些的符號(hào)大體上正、負(fù)相間，沒有周期性變化，因此可以認(rèn)為測(cè)量列中不存在變值系統(tǒng)誤差。

4)計(jì)算測(cè)量列單次測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差：

5)判斷粗大誤差 按照拉依達(dá)準(zhǔn)則，測(cè)量列中出現(xiàn)兩組絕對(duì)值大于3σ[3*(-77)=-231]的殘差，予以剔除。

6)計(jì)算測(cè)量列算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差：

7)計(jì)算測(cè)量列算術(shù)平均值的測(cè)量極限誤差：

8)確定測(cè)量結(jié)果:

3 輪轂數(shù)據(jù)測(cè)量實(shí)現(xiàn)

該實(shí)驗(yàn)在沈陽工學(xué)院遼寧省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)所用輪轂為該實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化生產(chǎn)線生產(chǎn)制造。

3.1 數(shù)據(jù)測(cè)量實(shí)現(xiàn)過程

根據(jù)圖紙中給出的主要尺寸進(jìn)行測(cè)量。

圖6 輪轂圖紙

測(cè)量及形位誤差分析步驟如下：

1)依次對(duì)需要測(cè)量的關(guān)鍵特征進(jìn)行打點(diǎn)；

2)在軟件系統(tǒng)中查看打點(diǎn)數(shù)據(jù)；

3)打開“位置”評(píng)價(jià)對(duì)話框；

4)在特征選擇框中選擇被評(píng)價(jià)特征；

5)選擇評(píng)價(jià)類型；

6)單擊創(chuàng)建；

7)單擊“同心度”對(duì)話框，評(píng)價(jià)中心孔同心度；

8)查看尺寸測(cè)量結(jié)果和形位誤差分析結(jié)果。

3.1.1 中心孔直徑

中心孔是將輪轂與車輛固定連接的部分，是輪轂中心與輪轂同心圓的位置，這里的直徑尺寸可影響到輪轂安裝時(shí)輪圈幾何中心和輪轂幾何中心是否吻合。

圖1=特征/圓，直角坐標(biāo)，內(nèi)，最小二乘方

理論值/<11.2178,231.78157,-349.91941>,<0,1,0>31.9489

實(shí)際值/<11.2178,231.78157,-349.91941>,<0,1,0>31.9489

3.1.2 PCD及螺栓孔直徑

本文選用輪轂為3個(gè)螺栓孔。

表3 螺栓孔直徑數(shù)據(jù)

PCD的專業(yè)名稱叫節(jié)圓直徑，是指輪轂中央的固定螺栓間的直徑，在選擇輪轂的時(shí)候，PCD是最重要的參數(shù)之一。建議通過采用PCD測(cè)量盤和PCD量規(guī)進(jìn)行測(cè)量或者圖像處理技術(shù)計(jì)算輪轂節(jié)圓直徑[2]。

3.1.3 輪轂直徑

輪轂的直徑為輪轂的基本尺寸，是選擇輪轂時(shí)主要的參考數(shù)據(jù)。

圖5=特征/圓，直角坐標(biāo)，外，最小二乘方

理論值/<11.26151,241.73042,-350.02944>,<0,1,0>281.21377

實(shí)際值/<11.26151,241.73042,-350.02944>,<0,1,0>281.21377

3.2 偏距

偏距俗稱ET值，輪轂螺栓固定面與幾何中心線(輪轂橫剖面中心線)之間的距離。由測(cè)量結(jié)果(表4)可以得出安裝面到輪轂弧面的距離為8.986 96 mm，再根據(jù)得到的輪轂寬度可計(jì)算出輪轂偏距為：

50.779521(mm)

3.3 形位誤差分析

輪轂的形位誤差主要分析其前后中心孔的同心度，同心度為同軸度的一種特殊形式。同心度的誤差即為圓心的偏移程度，直接影響著工件的配合精度和使用情況。根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果(表5)可以得出該輪轂的同心度達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。

表4 螺栓固定面與幾何中心線間距離數(shù)據(jù)

表5 同心度數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

輪轂是車輛的重要組件之一，文中提出改變傳統(tǒng)的測(cè)量方式，利用?？怂箍祷赑C-DMIS系統(tǒng)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)使用打點(diǎn)測(cè)量的方法對(duì)輪轂的各項(xiàng)尺寸進(jìn)行精確測(cè)量，并對(duì)可能存在的各種誤差進(jìn)行數(shù)據(jù)分析提高測(cè)量精度。此方法得到測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，為輪轂的質(zhì)量監(jiān)測(cè)提供了更好的選擇。隨著制造業(yè)的發(fā)展，加工精度不斷提高，對(duì)零件的檢測(cè)也提高了難度。但由于操作難度較高，無法更高效率的測(cè)量節(jié)圓直徑，后續(xù)會(huì)繼續(xù)研究節(jié)圓直徑的有效測(cè)量方法，提高測(cè)量精度，簡(jiǎn)化測(cè)量過程。