淺談如何利用坐標測量機進行同軸度的準確測量

■王江山 趙崢 劉焱 段艷君

引言

同軸度的檢測是我們在幾何量測量工作中經常遇到的問題。對于同軸度測量有多種方式方法，通常可用旋轉打表法測量或插入心軸方法測量。利用三坐標測量機進行該測量又是形位公差檢測的一項重要內容。然而，坐標測量機檢測同軸度是一個比較典型的困擾測量機用戶的問題。尤其是兩個相鄰較遠的圓柱的同軸度，在現實中又確實經常遇到這種情況。由于測量方法不同，檢測人員對工藝的理解不同，有時會出現測量結果誤差很大，造成對工件的誤判斷的現象。

通過理論分析和實踐證明，其測量結果的好壞，不僅取決于機器的精度，而且與圖紙標注和測量方法都有著直接的關系。所以，弄清圖樣標注含義和選定正確的檢測方法是十分重要的。

1 同軸度的定義

在國標中，同軸度的公差帶乃是直徑為公差值t，且與基準軸線同軸的圓柱面內的區域。它的偏差類型大致分為三種情況：

1）對于基準軸線的同軸度：見圖1

圖1 對于基準軸線的同軸度

2）對于公共軸心線的同軸度：見圖2

圖2 對于公共軸心線的同軸度

3）對于基準圓心的同心度：見圖3

圖3 對于基準圓心的同心度

2 兩個相鄰較遠的圓柱同軸度的標注方法及含義

在實際工作過程中，經常遇到兩個相鄰較遠的圓柱同軸度的測量。如果兩個圓柱相距較遠，那么它們的同軸度也會因工藝的不同，有不同的標注含義。大致分三種情況：

2.1 A、B 兩孔（A左孔，B右孔）,其中A孔為基準軸線,B孔為被測軸線,C 為被測表面長度,則B 對A 的同軸度。如圖4所示：

圖4 B 對A 的同軸度

2.2 A、B 兩孔（A 左孔，B 右孔）,其中B 孔為基準軸線,A孔為被測軸線,C 為被測表面長度,則A 對B 的同軸度。如圖5所示：

圖5 A 對B 的同軸度

2.3 A、B 兩孔（A 左孔，B 右孔）,且A、B 兩孔的公共軸心線為基準軸線，a 為A 孔被測表面長度,b 為B 孔被測表面長度,則A 對(A-B)與B 對(A-B)的同軸度。如圖6所示：

圖6 A 對(A-B)與B 對(A-B)的同軸度

3 測量機檢測同軸度產生測量誤差的原因分析

在實際檢測過程中，如果要求被測量的兩個圓柱足夠近，那么它們的同軸度可根據圖紙標注的確切含義直接進行測量和評價，測量誤差小，結果準確可靠。但有些工藝圖紙的同軸度檢測（如圖4、圖5、圖6）時，就不能直接根據圖紙標注的確切含義測量和評價，否則會產生很大測量誤差。原因分析：假如有兩個短圓柱，其中一個作基準圓柱，另一個作被測圓柱，在基準圓柱上測量兩個截面圓，其連線作基準軸線。被測圓柱上也測量兩個截面圓，構造一條直線，然后計算同軸度。假設基準上兩個測量截面的距離為很小，基準第一截面與被檢第一截面之間的距離很大，即此種檢測方案同軸度對采點的敏感系數就很大，若按圖樣標注情況直接對該工件進行同軸度測量和評價，測量結果通常超差很大，造成誤判斷。如圖7所示，距離為10mm時，偏差為5μm；距離為100mm時，偏差則是50μm。這個結果表明，兩個圓柱間距離越遠，測量結果的偏差越大。

圖7 同軸度的誤差分析

4 兩個相鄰較遠的圓柱同軸度的測量和評價方法

針對相鄰較遠的圓柱同軸度容易產生測量誤差的情況，應該如何利用測量機準確測量和評價同軸度，下面提出三種方法，供檢測人員在實際檢測過程中參考。

4.1 增加基準截面間的距離

在測量基準元素時，若第一截面與第二截面的距離加大，誤差將成正比減小。因此，測量時要有意識地拉開基準截面間的距離。若基準截面間的距離夠遠，同時基準與被檢截面相鄰，這個問題自然就解決了。

4.2 用公共軸線作為基準軸線

當基準圓柱與被測圓柱較短且距離較遠時，我們可以采取用公共軸線作為基準軸線的方法，在基準圓柱和被測圓柱上測中間截面，其中截面連線作為基準軸線，然后分別計算基準圓柱和被測圓柱對基準軸線的同軸度，取其最大值作為該零件的同軸度誤差。如圖6中，A 對(A-B)與B 對(A-B)的同軸度，可以建立A-B公共軸線，然后評價A對A-B公共軸線的同軸度和B對A-B公共軸線的同軸度，取兩個同軸度中的最大值作為該零件的同軸度誤差。

4.3 考慮實際工作或裝配要求作變通處理——改測同軸度為測直線度

對于上面圖4和圖5情況，就是一個典型的圓柱對圓柱的同軸度測量。若用傳統的檢驗心棒去檢測，其合格品在裝配時的確很少出現問題，因為這種檢測方法體現的就是實際裝配過程，由此證明其檢測方法是可行的。然而，從圖樣標注的確切含義來講，用上述方法進行的同軸度檢測并不符合定義。因為當使用心棒進行圓柱對圓柱的同軸度測量，實際上體現的是兩圓柱對心棒軸心線的同軸度，而心棒軸心線模擬的正是一個公共基準軸線。與此同時，若選用三坐標測量機按圖樣標注對該工件進行同軸度測量（在此假定兩圓柱相鄰較遠），可能就會有相當一部分工件視為“超差品”。顯然，兩者的檢測結果就出現了明顯差異。而那些“超差品”經裝配實驗后證明大多數沒有問題，這就不得不引起測量機操作員的注意。分析其原因，既不是機器精度太低，也不是系統軟件計算錯誤，主要還是圖樣標注不妥。對此，可以采用變通的方法，改測同軸度為測量直線度。因為這種情況下軸的傾斜對裝配影響較小，而軸心偏移對裝配影響較大，軸心偏移的測量，實際上就是測量軸心連線的直線度。具體實際方法是：分別在兩個小圓柱上測n個截面圓，然后選擇這幾個圓，建立一條直線，這條直線的直線度就可顯示出來。用直線度代替同軸度（直線度×2）。

5 補充說明

為了減小或避免測量誤差，三坐標操作人員測量同軸度時，如果測量結果超差很大可采用以下方法驗證，避免出現誤判斷現象。

1）當基準元素為孔時，可插入配合間隙較為合適的心棒，以延長基準軸線的實測長度；

2）可用一只綜合量規來驗證這種方法的準確性。

3）實際檢測中，為避免出現測量誤差，造成誤判斷，要求操作人員要具備扎實的理論基礎和豐富的實踐經驗，做到具體情況具體分析。