汽车某结构件的三坐标测量机测量准确性研究

张德意 承 善 吴 晨 刘 茜

(常州机电职业技术学院 江苏 常州 213164)

0 引言

由于有些复杂形状的汽车零部件，需要自动机床、数控机床高效率地加工，更需要以准确性高的可靠测量数据为依据，不断地完善零件加工质量，提高零件的加工质量与品质；而准确性高的测量数据还要依托于合理的测量方案与现代数字化高效率、高精度、高稳定性的三坐标测量机。

三坐标测量机在测量零件过程中，测量点的空间坐标位置是通过测量系统把球形测针与被测轮廓面接触时的球心坐标值按照触测方向加上或减去球形测针的半径计算出来的；要想精准地获取接触点的空间坐标数值，首先就要通过标准球对球形测针进行校准获得真实有效直径，然后按照正确的被测轮廓点矢量方向进行测量，才能通过测量系统准确地计算实际测量点的空间坐标位置数值。

1 某汽车零部件分析

根据某汽车零部件形状分析，该零件的加工需通过2次装夹铣削才能加工完成。如图1所示，第1次装夹需完成黄色零件表面区域的加工，第2次加工以第1次加工完成的黄色面为加工基准，加工剩余的灰色零件表面区域；从加工工艺的角度分析不考虑加工设备因素，同道工序加工的零件表面几何形状尺寸及相对位置位置尺寸是符合理想设计要求的。由于零件的加工工序中存在2次装夹，那么也就由零件的装夹问题导致2道工序所加工的几何零件表面之间存在几何公差定向误差(平行度误差)。

图1 某汽车零部件

2 零件测量方案

根据三坐标测量机的工作原理、测头半径补偿原理、工作平面或投影平面、设计基准、加工基准、加工工艺等方面综合考虑制定出一个合理的测量方案。测量方案中包含了零件测量任务准备、测量程序的编写、测量零件与数据报告输出，零件测量结束工位复原。

零件测量任务准备内容有环境要求、耗材工具、设备仪器日常保养、三坐标测量机测量系统初始化、零件表面清洁与固定装夹、测头校准、零件图纸数模等。

(1)温度要求：空间温度20℃±2℃。

(2)湿度要求：空气相对湿度(推荐40%～60%)。

(3)电源要求：电压交流电220V±10%、独立专用接地线电阻≤4Ω。

(4)气源要求：要求无水、无油、无杂质，供气压力：>0.5Mpa。

(5)耗材准备：胶棒、无水乙醇、测针TIP2BY40、工业无尘纸。

(6)工具准备：内六角扳手、热熔胶枪、零件固定夹具或垫块。

(7)日常保养：三联体压力检测、平台导轨清洁、过滤器排放油水等。

(8)系统初始化：打开气源与冷冻式干燥机；开启控制柜电源开关、计算机开关、测座/测头控制器开关；系统进入自检状态(操纵盒所有指示灯全亮)，当自检结束部分指示灯熄灭，然后再按住“MACHINE START”按钮加电；启动PC-DMIS软件(在线模式)，根据软件提示操作，确定后测量机回参考零点。

(9)零件表面清洁与固定装夹：使用无水乙醇与工业无尘纸对零件表面进行清洁，然后选用零件固定装置对零件固定，如果是零件材质为钢则可以采取垫块+磁座进行对零件进行固定。根据零件的测量原则要求，零件所有尺寸的测量尽可能地通过1次固定装夹来完成，避免因测量方法而导致测量的数据中含有测量误差。

(10)测头校准：测头配置如表1所示、添加测头角度“A0/B0”“A90/B90”“A90/B-90”，参数设置中运动模式设为DCC+DCC，并进行校验测头。

表1 测头配置

测量程序的编写包含工件粗/精坐标系的建立、被测量几何面特征程序、尺寸评价程序。

粗工件坐标系的建立：找正、旋转、原点(3-2-1法)

(1)在程序手动模式下选择工作平面/X正，测头角度“A90/B-90”，在加工工序1平面上测量4个点创建几何特征平面1，然后新建工件坐标系以平面1进行X+方向找正定义坐标系第一轴向，再以平面1定义X轴向原点。

(2)在加工工序1键槽侧铣面上测量2个点创建几何特征直线1，然后新建坐标系以直线1围绕X轴旋转到Y+方向定义坐标系第二轴向。

(3)在加工工序1零件中心孔圆周面上测量4个点创建几何特征圆1，然后新建工件坐标系以圆1定义Y轴向Z轴向原点。

(4)粗建工件坐标系编程(略)。

精工件坐标系的建立：找正、旋转、原点(3-2-1法)如图2所示；

(1)在程序自动模式下选择工作平面/X正，测头角度“A90/B-90”，安全平面运动参数设置(安全平面/X正，20，X正，0，开；移动速度/ 50；逼近距离/2；回退距离/2；触测速度/ 2)后，再在加工工序1平面上，使用自动平面特征模块功能创建几何特征平面2进行坐标找正，以自动直线特征模块功能创建几何特征直线2进行坐标系旋转，以自动圆特征模块功能创建几何特征圆2进行坐标系原点设定。

图2 粗建工件坐标系

(2)精建工件坐标系编程(略)。

被测几何面特征元素程序中，在转换测量零件工序2的测量面时要注意安全平面方向与距离的设置，零件工序1所加工的面在建立工件坐标系时已经定义为X+，那么这时测量零件工序2所加工的面就要重新设置安全平面，以零件工序2加工面的矢量方向与位置来定义安全平面方向与距离。

3 工件坐标系对测量数据与尺寸评价数据的影响

假如工件坐标以设计基准来建立，那么所有被测零件表面的几何特征的理论矢量方向将以设计基准坐标系定义，从而进行测头半径补偿获取实际测量点坐标位置，再通过计算机拟合计算出被测零件表面几何特征元素的实际测量值。由于零件的加工需2次装夹工序存在零件表面之间有面与面不平行或不垂直现象，这也就导致零件部分被测表面几何特征元素中的测量点不能按照实际被测表面轮廓的矢量方向进行测头半径补偿计算，从而拟合计算出的实测几何特征元素存在着测量误差，也就导致了测量数据的准确性不高，如图3所示。

图3 工件坐标系对测量数据的影响

工作平面是由工件坐标系的轴向定义的，而被测几何特征元素之间的距离尺寸评价(二维)，是把被测2个几何特征元素的质心按工作平面方向投影，然后按照坐标系的轴向(X/Y/Z)计算出几何特征元素质心之间的距离。根据此汽车零部件或类似情况的零件，由于零件的加工需2次或多次装夹工序，从理论角度分析不同工序加工的零件表面之间存有面与面不平行或不垂直这一情况，那么以设计基准或某个工序加工基准建立的工件坐标为工作平面或评价轴向作为尺寸评价参考，这样就会导致评价出的尺寸数据并不是几何特征元素质心之间的真实距离，如图4所示。

图4 工件坐标系对尺寸评价数据的影响

表2 影响测量数据的准确性的10大因素

4 结语

本文以某汽车零部件为例，阐述了三坐标测量机的工作原理、补偿原理、工作平面与投影面的作用、零件三坐标测量程序的编程过程，同时阐述分析了工件坐标系对测量数据与尺寸评价数据的影响，总结出影响测量数据准确性的10个因素如表2所示。通过了解影响测量数据准确性的因素，避免在零件测量过程中因为业务水平导致零件出现质量事故。类似结构零件的三坐标测量编程均可参照以上内容。