激光跟蹤儀在軸鍵槽對稱度測量上的應用

田 永

（常州寶菱重工機械有限公司，江蘇 常州 213000）

軸鍵槽對稱度是影響傳動軸扭矩傳遞精度以及鍵和鍵槽工作壽命的重要參數。軸在機加工，裝配，維修等各個環節都需要對其鍵槽的對稱度進行重點評價。目前常用的軸鍵槽對稱度測量方法有的精度較低，例如在檢驗平臺使用百分表，高度尺等傳統量具測量，有的操作復雜程序繁瑣耗費時間，例如在數控機床或三坐標測量機上測量。使用激光跟蹤儀測量，不但保證了測量精度，而且不需要很繁瑣的前期準備，省時省力，是現場快速測量的最佳選擇，尤其對于已經安裝在大型機械上，難以拆卸下來的齒輪鍵槽的測量，優勢則更加明顯。文章以齒輪鍵槽為例簡要介紹激光跟蹤儀在軸鍵槽測量上的應用。

1 軸鍵槽對稱度傳統測量方法

軸類鍵槽的對稱度是典型“面對線”的對稱度，即鍵槽側面為被測要素，齒輪軸線為基準要素。參考《形狀和位置公差》國家標準GB T1182—2008介紹的標準檢測方法，示意圖如圖1所示。

圖1 傳統軸鍵槽檢測方法示意圖

基準軸線由V形塊模擬，被測中心平面由定位塊模擬，分兩步測量：

（1）截面測量：調整被測件使定位塊沿徑向與平板平行，測量定位塊至平板的距離，再將被測件旋轉180°后重復上述測量，得到該截面上下兩對應點的讀數差a,則該截面對稱度誤差：

（2）長向測量：沿鍵槽長度方向測量，取長向對應兩點的最大讀數差為長向對稱度誤差[1]：

f長=a高-a低

一般軸類鍵槽的槽深h遠遠小于軸徑R，所以在截面方向的對稱度誤差可以忽略不計，只需要考慮長向對稱度誤差即可。

這種測量方法適合對一些體積較小的軸進行測量，如果體積較大，或者已經安裝在機械上，不能輕易拆卸的軸，就不適用了。雖然這種測量方式有較大局限性，但仍值得借鑒。使用激光跟蹤儀模擬此方法進行測量，取得了不錯的效果。

2 激光跟蹤儀功能

2.1 激光跟蹤儀的測量原理

激光跟蹤儀集合了激光干涉測距技術、光電探測技術、精密機械技術、計算機及控制技術、現代數值計算理論等多種先進技術，對空間目標進行跟蹤，并能實時測量出目標的空間三維坐標。激光跟蹤儀測量系統本質上是一種球坐標測量系統。它測量目標點的距離及水平和豎直方向的偏轉角，從而得到以激光跟蹤儀測量中心為原點的目標點的空間三維坐標[2]，如圖2所示。

圖2 激光跟蹤儀測量原理

2.2 FARO Laser Tracker Vantage激光跟蹤儀主要技術參數

以激光跟蹤儀FARO Laser Tracker Vantage E為例，它是一種便攜式高精度三維坐標測量設備，如圖3所示。

圖3 FARO Vantage激光跟蹤儀

Vantage系統由激光跟蹤儀、設備電源、回射目標（SMR）和運行測量軟件的計算機組成。其主要技術參數如下：

a）工作范圍：測距半徑0～35 m

b）水平旋轉角：360°

c）垂直旋轉角：+77.9°至-52.1°

d）距離測量精度：16 μm+0.8 μm/m；

e）角度測量精度：20 μm+5 μm/m。

f）工作溫度：-15 ℃～+50 ℃

3 使用激光跟蹤儀測量軸鍵槽對稱度

3.1 測量前準備

1）激光跟蹤儀的現場安裝及注意事項。首先連接FARO vantage激光跟蹤儀的各種線纜，包括電源線，數據線，材料溫度傳感器等。再次確認后打開激光跟蹤儀電源開關。打開Laser Tracker 時，軟件對話窗口將顯示一個"倒計時器"，該計時器可倒計時跟蹤儀達到熱穩定所需的時間，使用跟蹤儀內部溫度傳感器，不僅用于跟蹤儀相對于環境溫度的加熱程度，還用于從左向右分配熱量。

按下“跳過預熱階段”按鈕，可以跳過預熱。跳過時，將顯示警告。不建議跳過預熱用于高精度工作。但是如果必須跳過它，最好盡早跳過它，而不是預熱一會再跳過它。在其中一個階段的中途或結束時跳過都可能會降低精度，而不僅僅是讓跟蹤儀自然地到達正確的工作溫度。激光跟蹤儀的擺放位置需要特別注意，根據激光跟蹤儀的技術參數分析可知其測角誤差大于測距誤差，所以在等距情況下儀器的旋轉角應盡量小，必要時可適當增加距離以獲得盡量小的旋轉角度。整個開機自檢過程大概40 min。

2）激光跟蹤儀快速補償及注意事項。Faro Vantage激光跟蹤儀具有快速補償功能，為保證測量準確性，減小測量誤差，需要在開機自檢完成后進行快速補償。這里需要注意，不建議在起始位置（Home）處運行快速補償。除非SMR距離跟蹤儀超過起始位置200 mm，否則快速補償不會執行自動測量。如果快速補償在距離跟蹤儀約1～2 m處執行，則距離跟蹤儀10 m處的后視可能會有誤差。但是，如果快速補償在距離8～10 m處執行，則1～2 m的后視點應該在公差范圍內。當應用需要進一步測量時，在距離待測工件較遠的地方進行補償，通常認為這是不合理的。選擇合適的位置進行快速補償，待快速補償完成即可展開正式測量。整個快速補償過程大概5 min。

3.2 開始測量

首先用cam2測量軟件內置的測量曲面點功能，在鍵槽兩側面上均勻測得6個曲面點（采集曲面點建議采集的點數是3個），分別命名為a1，a2，a3，a4，a5，a6。然后再使用測量圓柱功能測量齒輪軸，將測得的圓柱（測量圓柱建議采集的點數是8個，如果需要圓柱度則需要采集點為13個，盡量擴大采集點范圍，范圍越大圓柱擬合精度越高）命名為軸1。圓柱 中點命名為o1。測量軟件截圖如圖4所示。

圖4 cam2測量軟件界面

采點過程需要注意：在默認狀態下，每個點采樣是1 000樣本，大概需要0.062 5 s，這個過程盡量保持SMR不要晃動。取點過程中SMR晃動過大，會造成樣本均方根RMS值偏大，可能造成測量誤差。此過程用時10 min。

3.3 建立坐標系

首先將圓柱中點o1作為坐標系原點，將軸線作為第一要素，并定義為Z軸。由于軸類件的基準是軸線，找到符合國標對稱度定義且通過基準軸線的中心平面，是評價軸類對稱度的關鍵。國標沒有提供測量基準中心平面的標準方法，設計三坐標測量方法、建立基準中心平面成為關鍵[3]。基準中心平面測量思路是:在槽深1/2處測得的兩曲面點a2，a5構造中點a0，通過原點o1，中點a0兩點構造一條直線L1。并以L1作為第二要素，并定義為X軸，XZ平面就是基準中心平面。坐標系由此建立。測量軟件內進階坐標系建立選項卡截圖如圖5所示。

圖5 進階坐標系的建立

這里需要注意：坐標系建立遵循6自由度原則，六自由度（6自由度）是指實體能夠在三維空間中自由移動的特定軸數。它定義了獨立參數的數量，這些參數定義了系統的配置。具體來說，實體可以在X，Y和Z軸上沿三個維度移動，并且可以通過通常稱為俯仰，滾動和偏航的旋轉來改變這些軸之間的方向。

3.4 數據分析

觀察6個曲面點的坐標值(Y軸坐標）。6個點的坐標值如圖6所示。

圖6 進階坐標系

計算鍵槽兩側對應兩點的差值①a1-a6=0.006 mm；②a2-a5=0 mm；③a3-a4=0.003 mm。選其中最大值作為鍵槽對稱度誤差F=|a1-a2|max=0.006 mm。

4 總結

此次測量耗時如下：①設備安裝，開機自檢的過程大概50 min；②然后設備自我校準，快速補償大概5 min；③測量，信息采集的過程大概10 min，④最后建立坐標系，進行數據分析大概5 min。從設備安裝到完成數據分析整個過程不超過70 min。綜上所述，使用激光跟蹤儀測量軸鍵槽的對稱度，顯著節省了測量時間，縮短了制造周期，縮減了制造成本。但是使用激光跟蹤儀現場測量也存在以下問題：①車間現場的震動對儀器的測量精度存在一定影響，所以在測量過程中應盡量減少現場的行車或其他震源對測量工作的干擾；②機加工車間現場不是密閉環境，空氣流通等因素也造成現場的溫度波動較大，在測量過程中務必使用材料溫度傳感器實時監測工件溫度，并進行溫度補償，減少因材料熱脹冷縮造成的誤差；③激光跟蹤儀的精度與距離和角度都有直接關系，因此激光跟蹤儀的擺放位置應本著距離近，旋轉角度小的原則。這些問題需要在測量過程中重點注意，避免測量出現較大偏差，造成不必要的損失。