汽車某結構件的三坐標測量機測量準確性研究

張德意 承 善 吳 晨 劉 茜

(常州機電職業技術學院 江蘇 常州 213164)

0 引言

由于有些復雜形狀的汽車零部件，需要自動機床、數控機床高效率地加工，更需要以準確性高的可靠測量數據為依據，不斷地完善零件加工質量，提高零件的加工質量與品質；而準確性高的測量數據還要依托于合理的測量方案與現代數字化高效率、高精度、高穩定性的三坐標測量機。

三坐標測量機在測量零件過程中，測量點的空間坐標位置是通過測量系統把球形測針與被測輪廓面接觸時的球心坐標值按照觸測方向加上或減去球形測針的半徑計算出來的；要想精準地獲取接觸點的空間坐標數值，首先就要通過標準球對球形測針進行校準獲得真實有效直徑，然后按照正確的被測輪廓點矢量方向進行測量，才能通過測量系統準確地計算實際測量點的空間坐標位置數值。

1 某汽車零部件分析

根據某汽車零部件形狀分析，該零件的加工需通過2次裝夾銑削才能加工完成。如圖1所示，第1次裝夾需完成黃色零件表面區域的加工，第2次加工以第1次加工完成的黃色面為加工基準，加工剩余的灰色零件表面區域；從加工工藝的角度分析不考慮加工設備因素，同道工序加工的零件表面幾何形狀尺寸及相對位置位置尺寸是符合理想設計要求的。由于零件的加工工序中存在2次裝夾，那么也就由零件的裝夾問題導致2道工序所加工的幾何零件表面之間存在幾何公差定向誤差(平行度誤差)。

圖1 某汽車零部件

2 零件測量方案

根據三坐標測量機的工作原理、測頭半徑補償原理、工作平面或投影平面、設計基準、加工基準、加工工藝等方面綜合考慮制定出一個合理的測量方案。測量方案中包含了零件測量任務準備、測量程序的編寫、測量零件與數據報告輸出，零件測量結束工位復原。

零件測量任務準備內容有環境要求、耗材工具、設備儀器日常保養、三坐標測量機測量系統初始化、零件表面清潔與固定裝夾、測頭校準、零件圖紙數模等。

(1)溫度要求：空間溫度20℃±2℃。

(2)濕度要求：空氣相對濕度(推薦40%～60%)。

(3)電源要求：電壓交流電220V±10%、獨立專用接地線電阻≤4Ω。

(4)氣源要求：要求無水、無油、無雜質，供氣壓力：>0.5Mpa。

(5)耗材準備：膠棒、無水乙醇、測針TIP2BY40、工業無塵紙。

(6)工具準備：內六角扳手、熱熔膠槍、零件固定夾具或墊塊。

(7)日常保養：三聯體壓力檢測、平臺導軌清潔、過濾器排放油水等。

(8)系統初始化：打開氣源與冷凍式干燥機；開啟控制柜電源開關、計算機開關、測座/測頭控制器開關；系統進入自檢狀態(操縱盒所有指示燈全亮)，當自檢結束部分指示燈熄滅，然后再按住“MACHINE START”按鈕加電；啟動PC-DMIS軟件(在線模式)，根據軟件提示操作，確定后測量機回參考零點。

(9)零件表面清潔與固定裝夾：使用無水乙醇與工業無塵紙對零件表面進行清潔，然后選用零件固定裝置對零件固定，如果是零件材質為鋼則可以采取墊塊+磁座進行對零件進行固定。根據零件的測量原則要求，零件所有尺寸的測量盡可能地通過1次固定裝夾來完成，避免因測量方法而導致測量的數據中含有測量誤差。

(10)測頭校準：測頭配置如表1所示、添加測頭角度“A0/B0”“A90/B90”“A90/B-90”，參數設置中運動模式設為DCC+DCC，并進行校驗測頭。

表1 測頭配置

測量程序的編寫包含工件粗/精坐標系的建立、被測量幾何面特征程序、尺寸評價程序。

粗工件坐標系的建立：找正、旋轉、原點(3-2-1法)

(1)在程序手動模式下選擇工作平面/X正，測頭角度“A90/B-90”，在加工工序1平面上測量4個點創建幾何特征平面1，然后新建工件坐標系以平面1進行X+方向找正定義坐標系第一軸向，再以平面1定義X軸向原點。

(2)在加工工序1鍵槽側銑面上測量2個點創建幾何特征直線1，然后新建坐標系以直線1圍繞X軸旋轉到Y+方向定義坐標系第二軸向。

(3)在加工工序1零件中心孔圓周面上測量4個點創建幾何特征圓1，然后新建工件坐標系以圓1定義Y軸向Z軸向原點。

(4)粗建工件坐標系編程(略)。

精工件坐標系的建立：找正、旋轉、原點(3-2-1法)如圖2所示；

(1)在程序自動模式下選擇工作平面/X正，測頭角度“A90/B-90”，安全平面運動參數設置(安全平面/X正，20，X正，0，開；移動速度/ 50；逼近距離/2；回退距離/2；觸測速度/ 2)后，再在加工工序1平面上，使用自動平面特征模塊功能創建幾何特征平面2進行坐標找正，以自動直線特征模塊功能創建幾何特征直線2進行坐標系旋轉，以自動圓特征模塊功能創建幾何特征圓2進行坐標系原點設定。

圖2 粗建工件坐標系

(2)精建工件坐標系編程(略)。

被測幾何面特征元素程序中，在轉換測量零件工序2的測量面時要注意安全平面方向與距離的設置，零件工序1所加工的面在建立工件坐標系時已經定義為X+，那么這時測量零件工序2所加工的面就要重新設置安全平面，以零件工序2加工面的矢量方向與位置來定義安全平面方向與距離。

3 工件坐標系對測量數據與尺寸評價數據的影響

假如工件坐標以設計基準來建立，那么所有被測零件表面的幾何特征的理論矢量方向將以設計基準坐標系定義，從而進行測頭半徑補償獲取實際測量點坐標位置，再通過計算機擬合計算出被測零件表面幾何特征元素的實際測量值。由于零件的加工需2次裝夾工序存在零件表面之間有面與面不平行或不垂直現象，這也就導致零件部分被測表面幾何特征元素中的測量點不能按照實際被測表面輪廓的矢量方向進行測頭半徑補償計算，從而擬合計算出的實測幾何特征元素存在著測量誤差，也就導致了測量數據的準確性不高，如圖3所示。

圖3 工件坐標系對測量數據的影響

工作平面是由工件坐標系的軸向定義的，而被測幾何特征元素之間的距離尺寸評價(二維)，是把被測2個幾何特征元素的質心按工作平面方向投影，然后按照坐標系的軸向(X/Y/Z)計算出幾何特征元素質心之間的距離。根據此汽車零部件或類似情況的零件，由于零件的加工需2次或多次裝夾工序，從理論角度分析不同工序加工的零件表面之間存有面與面不平行或不垂直這一情況，那么以設計基準或某個工序加工基準建立的工件坐標為工作平面或評價軸向作為尺寸評價參考，這樣就會導致評價出的尺寸數據并不是幾何特征元素質心之間的真實距離，如圖4所示。

圖4 工件坐標系對尺寸評價數據的影響

表2 影響測量數據的準確性的10大因素

4 結語

本文以某汽車零部件為例，闡述了三坐標測量機的工作原理、補償原理、工作平面與投影面的作用、零件三坐標測量程序的編程過程，同時闡述分析了工件坐標系對測量數據與尺寸評價數據的影響，總結出影響測量數據準確性的10個因素如表2所示。通過了解影響測量數據準確性的因素，避免在零件測量過程中因為業務水平導致零件出現質量事故。類似結構零件的三坐標測量編程均可參照以上內容。