大型軸類回轉光學測量機及校準方法研究
2024-03-01 02:55:55沈崇泉
專用汽車 2024年1期
摘要：大型軸類回轉光學測量機能夠對汽車回轉軸類零部件進行精準測量，增強我國汽車回轉軸類零部件的校準精度。目前，我國大型軸類回轉光學測量機主要依賴進口，國內暫未研究出完備且專業的校準體系。為此，闡述大型軸類回轉光學測量機的應用價值，分析其在汽車回轉軸類零部件制造中的應用，探討其基本結構，并以德國HOMMEL的OPTIC C1023大型軸類回轉光學測量機為例，分析相應的校準方法，以期為我國大型軸類回轉光學測量機的研制以及專業校準方法的制定提供一定的參考。
關鍵詞：大型軸類回轉；光學測量機；校準方法
中圖分類號：U467? 收稿日期：2023-11-17
DOI：1019999/jcnki1004-0226202401023
1 前言
大型軸類回轉光學測量機具有高精度特點，且測量效率較高，該機器已經逐漸取代傳統的汽車發動機生產過程中的回轉軸類測量方法。但是目前我國在進行該測量機的校準時，國內外的校準標準以及需求之間的適配度相對較低，主要依托國外專業團隊進行機器校準，相應的校準費用較高。因此，相關部門應將該機器校準規程制定作為研究重點，逐步擺脫對國外校準技術的依賴。
2 大型軸類回轉光學測量機的應用價值
使用大型軸類回轉光學測量機能夠提高生產效率，實現汽車回轉軸類零部件的精準測量。相較傳統的回轉軸類測量方法，大型軸類回轉光學測量機的應用在縮短測量時間的前提下，保證了測量的精準度，提高了相應的機械零部件生產效率。
a.大型軸類回轉光學測量機能夠實現對汽車回轉軸類零部件的快速測量。傳統的測量方式主要是以人工為主，測量人員手動完成測量工作。這種測量方式不僅需要耗費大量的時間，還極易出現測量失誤，并且需要相應的測量人員具有一定的技術經驗，使得汽車回轉軸類零部件測量具有較高的人工成本。而大型軸類回轉光學測量機可以利用現代化信息技術，自動完成汽車回轉軸類零部件校準工作，使得生產效率大幅提升。
b.大型軸類回轉光學測量機能夠強化測量精度，并且實現汽車回轉軸類零部件的重復測量。汽車質量檢測過程中，相應的零部件的形狀、尺寸等對汽車發動機產品質量起到絕對的影響作用。大型軸類回轉光學測量機能夠重復獲取相關零部件的外形、質量等參數，極大地保證了產品的性能以及產品生產安全，提高我國汽車發動機產品質量。
c.大型軸類回轉光學測量機具有自動化及數據化測量優勢。它可以與CAD等技術軟件相融合，在測量機內部建立相應的零部件測量數據庫。根據數據庫中的信息自動完成零部件的測量以及校準工作。減少該環節對于人工的依賴性，簡化了相應的工序流程。
此外，大型軸類回轉光學測量機能夠保證汽車回轉軸類零部件生產的產品一致性，避免零部件生產過程中不同零部件存在參數差異，保證零部件產品的質量。并且，使用大型軸類回轉光學測量機能夠提高汽車回轉軸類零部件生產及校準的自動化程度。目前，該類測量機在數據分析以及數據傳輸過程中已經具有較高的靈活性，且已經具備了動態調節功能，能夠根據汽車回轉軸類零部件的生產及校準環境自動調整校準參數，具有高度的環境適應性。
3 大型軸類回轉光學測量機在汽車回轉軸類零部件制造中的應用
3.1 汽車回轉軸類零部件的精度檢測
隨著人們生活水平的提升，民眾對于汽車產品的需求也逐漸向著多元化方向發展，這對汽車回轉軸類零部件的生產及測量水平提出更高的要求。大型軸類回轉光學測量機的出現，實現了汽車回轉軸類零部件測標高的精準化發展。
現階段，大型軸類回轉光學測量機在汽車回轉軸類零部件精度檢測主要包括零部件的表面形狀、位姿、尺寸等的測量。在進行表面形狀測量時，需要基于光學理論利用激光干涉儀等技術，快速獲取零部件的表面形狀信息。在進行位姿測量時，主要是借助面陣相機等技術設備，獲取零部件的空間位置和姿態數據。并且，還可以完成零部件的大面積測量，滿足零部件生產的自動化需求。在進行尺寸測量時，利用光學影像測量儀等技術設備，獲取零部件尺寸信息。
3.2 汽車回轉軸類零部件的質量檢測
大型軸類回轉光學測量機將采用光學三坐標測量技術，完成汽車回轉軸類零部件的質量檢測，快速獲取汽車回轉軸類零部件的尺寸形狀、位置參數等。并與大型軸類回轉光學測量機內部數據庫進行比對，將比對結果作為汽車回轉軸類零部件是否合格的判定標準。一旦發現零部件出現質量問題，便于相應的工作人員及時進行生產調整，最大程度地降低企業的經濟損失，提高產品的質量。并且，在質量檢測過程中，采用的技術設備等均屬于無接觸式測量原理，避免人為操作誤差，提高質量檢測的精度以及效率。
4 大型軸類回轉光學測量機的基本結構
大型軸類回轉光學測量機能夠實現對回轉軸類的測量，比如凸輪軸、曲軸的測量[1]。但是，由于國內無法對國外的量傳體系進行有效監控，存在一定的風險，所以曲軸光學測量機的維護及校準完全掌握在國外原供應商手中。大型軸類回轉光學測量機的基本結構主要由五部分構成。
a.測量機機座。測量機的機座需要承擔大型軸類回轉光學測量機的全部重量，所以對于其機座的牢固性有著一定的要求。為了保證測量機機座的穩定可靠，需要選擇大理石這類牢固度較強的材料作為機座材料，確保其機座在重力的作用下不會發生變形。
b.上下頂尖夾持系統。在進行回轉軸類測量過程中，需使用上下頂尖夾持系統進行回轉精度測量。為保證該系統夾裝的可靠性，需要保證上下頂尖系統具有一定的柔性，其上下頂尖要可以保持上下縱向浮動[2]。
c.高度測量基準。該結構主要是利用光柵來確定測量方向的尺寸，保證該機器的測量精度在10 [μm]以下。
d.徑向測量基準。該結構主要是依托照相技術，利用照相測量方法，將大型軸類回轉光學測量機與照相機相結合，能夠使軸向尺寸的測量精度控制在5 [μm]以下。這種徑向測量基準能夠滿足絕大部分綜合軸向和徑向的軸類測量標準。同時，照相測量方法的工作效率較高，且為非接觸的測量模式，因此不會對于機器的測量頭產生任何損害，有助于避免測量頭磨損，延長該機器的使用壽命。
e.自校系統。大型軸類回轉光學測量機一般都含自校準件，可利用其進行自動化校準。該自校準件會根據相應的回轉軸類零部件的自校標準件等，進行零件精度校準檢測，結合檢測結果，完成機器自校。在一定程度上，該自校系統保證了該機器的測量精準度[3]。
5 大型軸類回轉光學測量機案例
HOMMEL的OPTIC C1023大型軸類回轉光學測量機的校準項目主要需要對于機器的X向和Z向進行精度測量校準，即徑向測量精度和軸向測量精度。前者的精度為D=（2+D[mm]/100）[μ]m，后者的精度為L=（5+L[mm]/100）[μ]m。
該機器校準的另一重要指標是機器的重復性以及再現性。現階段，該指標在不同區域的校準標準也是不同的。美系標準以重復性、再現性指標為主，德系標準以測量指數Cg/Cgk的指標為主。本文中的大型軸類回轉光學測量機校準方法由于考慮到其測量多為自動化技術進行處理，相應的人為影響因素較小，因此對再現性指標忽略不計，采用德系標準，經過超25次的測量，使其能夠大于1.33，并以此作為校準目標。
在進行大型軸類回轉光學測量機校準時，需要借助原供應商的校準方法，設計制造專用的標準件，并以該標準件作為被校件的對比測量對象。制造專用標準件的優勢主要體現在兩個方面：a.便于大型軸類回轉光學測量機進行校準件夾裝；b.保證測量系統的精準度。由于本次的校準案例是從X向和Z向進行的，因此需要設計兩個標準件。一個標準件用來校準直徑方向，另一個則用來校準軸向。
6 大型軸類回轉光學測量機的校準方法
6.1 大型軸類回轉光學測量機校準前期準備
為提高大型軸類回轉光學測量機校準工作的準確性及可靠性，需要對于機器的外觀、冷卻系統、運行環境等進行檢測。
a.在校準之前，需要對于大型軸類回轉光學測量機的外型結構進行標記，詳細記錄該機器的制造廠商、標號等信息，同時確保其指示燈運行正常，并且要確保大型軸類回轉光學測量機的主機、數據采集系統等部分運行正常，相應的電纜齊全，接口類型標志準確無誤。
b.在校準之前，需要將校準件放置在校準設備旁1 d以上。保證校準件和其校準設備之間的溫度具有一致性。校準過程中，校準件和校準設備之間的溫差每小時要控制在2 ℃以內。
c.在校準之前，需要對于型軸類回轉光學測量機的照相機冷卻系統進行檢測，確保其內部冷卻液面在相應的指示范圍內，并且需要按照校準設備的使用說明對于設備進行預調整和清潔。特別是要對機器自帶的校準環及照相鏡頭進行清潔，提高校準精度。在校準過程中不可以做對光學機性能有影響的調整。此外，在校準之前還需要提前0.5 h進行設備開機預熱。
6.2 大型軸類回轉光學測量機的校準流程
a.大型軸類回轉光學測量機的開機和自校。相應的技術人員需要打開該機器的電源總開關，隨后按下HOMMEL電腦的開關按鈕，進行設備啟動。將MAIN SWTICH旋轉至ON位置。再按下START按鈕，當按鈕的綠燈亮起，表示計算機POWER燈啟動，進入WINDOWS-XP操作系統，雙擊用戶TURBO OPTIC USER進入測量軟件。最后，選擇INITIALIZE MEASURING SYSTEM自動初始化測量系統并定標，定標步驟完成后自動回到主菜單頁面。
b.大型軸類回轉光學測量機的X向測量。將校準直徑方向的標準件使用軟織物擦拭干凈，并將其安裝在大型軸類回轉光學測量機的頂尖之上，在程序中選擇相應的校準文件，按
c.大型軸類回轉光學測量機的Z向測量。將校準軸向的標準件使用軟織物擦拭干凈，在程序中選擇相應的校準文件，按
d.依據相應的示值誤差及測量指數Cg/Cgk，進行校準件測量誤差分析。首先，計算測量示值誤差（[Δ]），即被校光學機25次測量平均值（vi）與標準件實際值（vo）二者之間的差值與標準件實際值的比值。隨后，計算光學機測量指數。Cg為0.2倍的產品公差（T）與6倍的測量i次的標準差（S）二者之間的比值，其中i＞25次。Cgk為0.1倍的產品公差（T）減去測量i次的極差（R）和3倍的測量i次的標準差（S）二者之間比值后的所得數值，其中i＞25次，示值誤差[Δ]和測量指數Cg、Cgk的公式如下：
[Δ=vi-vovo×100%]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）
Cg=0.2T/（6S）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）
Cgk=0.1T-R/（3S）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）
6.3 大型軸類回轉光學測量機的校準不確定度檢驗
大型軸類回轉光學測量機在校準過程中，可以利用比較測量法，用標準件對被測軸類光學機進行校準。其校準點示值誤差為校準點示值減去零點示值后所得數值與校準件在標準條件下的尺寸之間的差值。
大型軸類回轉光學測量機的校準不確定度主要來源有四種，分別是測量重復性、標準件測量精度誤差、溫度變化、系統誤差。其中第一種為A類，其余三種為B類。
A類不確定度評定時，可以通過多次測量進行處理，在被校設備正常工況條件下，用高度校準件及直徑校準件進行校準，分別重復測量校準件i次，以其中的一個直徑及高度為例，實際測量時，在重復條件下連續測量三次，以三次測量的算術平均值作為測量結果，則可得標準不確定度。
B類不確定度評定時，標準件測量精度誤差用ZEISS三坐標PRISMO NAVIGATOR 9187來進行測量，確保其精度為0.9+L/400。溫度變化引發的不確定度，可以借助校準件的熱膨脹系數。當溫度測量有誤差時，會引起標準不確定度，設置相應的溫度測量誤差標準值，進而控制溫度變化對于不確定度的影響。系統誤差引發的不確定度，其直徑方向用光柵來進行測量，高度方向用照相機來進行測量，將二者合成標準不確定度，提高校準系統的測量精度。
7 結語
在大型軸類回轉光學測量機校準前期相關技術人員需要做好充足的準備。對于校準前的機械結構、零部件等進行仔細標記，控制好校準區域內部環境溫度，優化相應的校準流程，利用相應的數學模型，進行校準不確定度分析，在最大程度上提高校準后機器的精準度。
參考文獻：
[1]郭天太，陸屹立，王雷，等二維投影式光學傳感器軸類零件測量研究[J]中國測試，2020，46（1）：24-28.
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[3]田思思，齊恩新光學測量技術在汽車制造領域的應用[J]汽車測試報告，2023（8）：146-148.
作者簡介：
沈崇泉，男，1985年生，研究方向為計量校準。
