基于三坐标测量机的圆柱度检测过程分析

2018-03-05赵晶晶

机电工程技术 2018年9期

赵晶晶

（郑州工程技术学院机电与车辆工程学院，河南郑州 450044）

0 引言

三坐标测量仪(Coordinate Measuring Machine，CMM)是光学刻尺或激光干涉仪在一个由六面组成的空间内进行测量。通过测头和测量对象的接触，由测头的坐标来获取对象的形状信息。它是一种新型、高速、精密的测量仪，它对环境的要求比较苛刻，只有环境的温度和湿度在一定的范围内才可以测量出精确的数据[1]。在实际测量中，首先将工件放置在工作台上，并用夹具进行固定，然后通过测头打点的方法建立工作坐标系。探测头可在3个相互垂直的导轨上移动，所以可以根据需要在任何位置建立工作坐标系的原点，弥补了传统测量方法的不足，加快复杂工件的检测。三坐标测量机可以检测的项目有平面度、直线度、圆度、圆柱度等，利用Calypso对数据进行处理，从而快速准确地得到结果。此外，三坐标测量仪还可以做逆向工程，为工件的设计提供数据。

1 圆柱度的概念

在实际的生产加工及装配中，工件不可避免地会产生变形，从而产生形状误差，例如车床主轴、液压柱的轴颈，汽缸的缸颈。形状误差不仅影响零件的互换性，还会影响整个工件的质量，降低工件的使用寿命，因此需要将形状误差控制在一个合理的范围内，即公差。圆柱度，符号，是用来控制实际圆柱面的形状误差，是实际被测要素相对于理想要素所允许的最大误差量。其公差带形状为两个同轴圆柱面所限定的区域，半径差为公差值[2]。

2 圆柱度的测量方法

圆柱度是形状误差的一种，形状误差反映的是实际要素与理想要素之间的偏差。若偏差值小于公差值，则认为被测要素是符合要求的，反之则认为被测要素不符合要求。

2.1 两点法

该方法需要用到L形座，L形座的长度应大于被测圆柱面的长度。测量时，工件紧靠其垂直面放在L形座上，指示器进行横向测量。工件在L形座上回转，指示器在工件若干横向截面上测量。记录最大值和最小值，最大值和最小值之差的一半为圆柱度误差值。

2.2 三点法

该方法需要用到V形座，V形座的长度应大于被测圆柱面的长度。测量时，运用两个不同夹角的V形座进行组合测量。工件由其中一个V形座支撑后，指示器选若干横截面进行测量，测量完毕后，取指示器的最大值和最小值之差的一半为圆柱度误差值。然后，工件换由另外一个V形座支撑，同样指示器选若干横截面进行测量，测量完毕后，取指示器的最大值和最小值之差的一半为圆柱度误差值[3]。最后，取两者中的较大值为被测表面的圆柱度误差值。

2.3 三坐标测量法

通过三坐标测量机检测圆柱度误差的方法称为三坐标测量法。在测量过程中可直接在Calypso软件中编程，且需要输入参数的地方都设置了缺省值，只有很少的地方会高亮显示以提示需要手动输入数据。此外，三坐标测量机可以在屏幕上显示清晰的CAD模型，得到测量过程的细节。还可以及时输出全部的测量结果，用户也可以根据需要选择要输出的结果文件和格式。所以，这种测量方法节约成本，缩短测量周期，但若测量方法不当也会引起较大的误差。

3 三坐标的圆柱度检测

3.1 启动Calypso

采用Carl Zeiss生产的COUNTER G2型三坐标测量机，测量软件为Calypso，Calypso的开发使测量工作变得更加容易，它集编程、显示、结果输出为一体。Calypso屏幕中的CAD模型视图就是我们要测量的元素。Calypso将读取这个元素的所有特征。例如：有一个圆，可以从中知道这个圆的直径、圆心坐标、圆度等。打开计算机后，双击桌面上的Calypso图标即可进入Calypso软件。

3.2 探针校准

探测系统为旋转接触扫描式探测系统RDS VAST XXT，该探测系统可在X-Y平面和Z向实现±1 800°旋转，拥有极大的测量范围，由探头、吸盘和探针组成，最小步进角度为2.50°。在测量时，如果安装未校准过的新探针或者环境温度发生变化则需要校准探针。校准探针不仅可以正确确定探针的实际位置，还可以补偿测球的半径及探针变形挠度误差。在校准时，需先校准主探针，以确定参考球的位置，否则会产生传递系统误差。然后测量探针根据主探针记录标准球的位置对探针组进行校准[4]。在校准时需要正确输入标准球的位置信息，标准球与杆的位置关系（从+Z方向观察），斜角是杆座与杆的夹角，转角是球心与连杆线与+X轴的夹角。

3.3 建立坐标系

在三坐标测量过程中涉及到3种坐标系：机器坐标系、工件坐标系、基本坐标系。其中机器坐标系是机器测量和运行的基础。然而，将其用于定位某个工件的测量是不切实际的。所以在测量时需要用户自定义基于工件的工件坐标系，它定位了测量台上工件的位置。一个工件可能有多个工件坐标系，但是我们只能将其中的一个工件坐标系定义为基本坐标系，则工件上其他的坐标系可以转化为相对于基本坐标系计算。建立基本坐标系的方法有：点/线/面；面/圆/圆；面/面/面。

3.4 设置安全平面

在确定基本坐标系之后需要设置安全平面，使测量机可以在CNC状态下绕着工件运行，这些安全平面一起形成了一个安全立方体，保护探针避免碰撞。可通过操作手柄、手动输入数据或者CAD获取的方法建立安全平面，通过操作手柄建立时，将测针移动到工件相对于基本坐标系各轴正方向绝对坐标值最大的角点位置，并且该角点的XYZ坐标在各方向上都距离工件或夹具最远端10 mm左右。

3.5 提取被测要素

分析零件图，确定需要的特性及特性所在的元素。所谓元素指的是具有规则的几何形状，包含几何形状的名义值，可以用来评定大小、形状和位置。然后通过手动采点的方法让Calypso自动识别元素。测圆柱度时被测元素是一个圆柱，需打8个点，即在圆柱上打2个圆。

3.6 安全“5项”

安全“5项”是程序运行参数，确保测量机在CNC状态下绕着工件运行，保护探针避免碰撞。安全“5项”包括安全平面、安全距离、回退距离、探针、测针。程序在运行过程中，从一个元素到另一个元素，测针始终是在安全平面上运动，然后从安全距离接近，在元素内部测一个点发生一个回退量，再测下一个点，直到单个元素测量完毕，接着沿着安全距离方向离开，到安全距离位置升到该元素所设置的安全平面。探针是一个组合，一个探针下面可有1个或者多个测针，测针直接用来测量。

3.7 测量策略

在使用三坐标测量机测量时，只需知道被测要素的种类和位置即可。若考虑到测量的特殊性，则需要选择测量策略，使测量机输出最优的测量结果。一个测量报告可有多个测量策略，选择不同的测量策略，Calypso会有不同的运行表现。对于圆柱度的测量其策略有两条圆路径（截面）、一条圆路径（截面）、直线路径、螺旋路径（2周）、螺旋路径（变量）。

3.8 元素评定

CALYPSO使用的最佳拟合方法有最小二乘法、最小区域法、L1元素法、最小外接法、最大内切法等，对于圆柱度的评定常用的评定方法是最小区域法[5]。此外，CA⁃LYPSO也可以从文件中读取滤波和粗差过滤的设置。滤波可以分离几何元素的波形，以去除表面粗糙度的影响，其类型有高斯、样条、2RC。滤波的方法有低通、带通、高通。

4 误差分析

利用三坐标测量圆柱度时，误差常由测头系统、坐标系建立、评定方法三方面引起[6]。探针、测针和标准球共同构成了测头系统，测针的选用和标定是测头系统误差的主要来源[8]。因此在标定测针的时候，要求标准球牢固、清洁，测针在标准球上的取点尽量垂直进行。在三坐标测量时建立的零件坐标系要和零件图纸上的保持一致，这样测量的数值才能和图纸上的形位公差进行对比。评定方法选取的不同将使测量结果不同，在评定圆柱度时应尽可能选取多的点，并且取点要均匀，不可集中在某一个部位[6]。