大型轴类回转光学测量机及校准方法研究
2024-03-01沈崇泉
摘要：大型轴类回转光学测量机能够对汽车回转轴类零部件进行精准测量，增强我国汽车回转轴类零部件的校准精度。目前，我国大型轴类回转光学测量机主要依赖进口，国内暂未研究出完备且专业的校准体系。为此，阐述大型轴类回转光学测量机的应用价值，分析其在汽车回转轴类零部件制造中的应用，探讨其基本结构，并以德国HOMMEL的OPTIC C1023大型轴类回转光学测量机为例，分析相应的校准方法，以期为我国大型轴类回转光学测量机的研制以及专业校准方法的制定提供一定的参考。
关键词：大型轴类回转；光学测量机；校准方法
中图分类号：U467 收稿日期：2023-11-17
DOI：1019999/jcnki1004-0226202401023
1 前言
大型轴类回转光学测量机具有高精度特点，且测量效率较高，该机器已经逐渐取代传统的汽车发动机生产过程中的回转轴类测量方法。但是目前我国在进行该测量机的校准时，国内外的校准标准以及需求之间的适配度相对较低，主要依托国外专业团队进行机器校准，相应的校准费用较高。因此，相关部门应将该机器校准规程制定作为研究重点，逐步摆脱对国外校准技术的依赖。
2 大型轴类回转光学测量机的应用价值
使用大型轴类回转光学测量机能够提高生产效率，实现汽车回转轴类零部件的精准测量。相较传统的回转轴类测量方法，大型轴类回转光学测量机的应用在缩短测量时间的前提下，保证了测量的精准度，提高了相应的机械零部件生产效率。
a.大型轴类回转光学测量机能够实现对汽车回转轴类零部件的快速测量。传统的测量方式主要是以人工为主，测量人员手动完成测量工作。这种测量方式不仅需要耗费大量的时间，还极易出现测量失误，并且需要相应的测量人员具有一定的技术经验，使得汽车回转轴类零部件测量具有较高的人工成本。而大型轴类回转光学测量机可以利用现代化信息技术，自动完成汽车回转轴类零部件校准工作，使得生产效率大幅提升。
b.大型轴类回转光学测量机能够强化测量精度，并且实现汽车回转轴类零部件的重复测量。汽车质量检测过程中，相应的零部件的形状、尺寸等对汽车发动机产品质量起到绝对的影响作用。大型轴类回转光学测量机能够重复获取相关零部件的外形、质量等参数，极大地保证了产品的性能以及产品生产安全，提高我国汽车发动机产品质量。
c.大型轴类回转光学测量机具有自动化及数据化测量优势。它可以与CAD等技术软件相融合，在测量机内部建立相应的零部件测量数据库。根据数据库中的信息自动完成零部件的测量以及校准工作。减少该环节对于人工的依赖性，简化了相应的工序流程。
此外，大型轴类回转光学测量机能够保证汽车回转轴类零部件生产的产品一致性，避免零部件生产过程中不同零部件存在参数差异，保证零部件产品的质量。并且，使用大型轴类回转光学测量机能够提高汽车回转轴类零部件生产及校准的自动化程度。目前，该类测量机在数据分析以及数据传输过程中已经具有较高的灵活性，且已经具备了动态调节功能，能够根据汽车回转轴类零部件的生产及校准环境自动调整校准参数，具有高度的环境适应性。
3 大型轴类回转光学测量机在汽车回转轴类零部件制造中的应用
3.1 汽车回转轴类零部件的精度检测
随着人们生活水平的提升，民众对于汽车产品的需求也逐渐向着多元化方向发展，这对汽车回转轴类零部件的生产及测量水平提出更高的要求。大型轴类回转光学测量机的出现，实现了汽车回转轴类零部件测标高的精准化发展。
现阶段，大型轴类回转光学测量机在汽车回转轴类零部件精度检测主要包括零部件的表面形状、位姿、尺寸等的测量。在进行表面形状测量时，需要基于光学理论利用激光干涉仪等技术，快速获取零部件的表面形状信息。在进行位姿测量时，主要是借助面阵相机等技术设备，获取零部件的空间位置和姿态数据。并且，还可以完成零部件的大面积测量，满足零部件生产的自动化需求。在进行尺寸测量时，利用光学影像测量仪等技术设备，获取零部件尺寸信息。
3.2 汽车回转轴类零部件的质量检测
大型轴类回转光学测量机将采用光学三坐标测量技术，完成汽车回转轴类零部件的质量检测，快速获取汽车回转轴类零部件的尺寸形状、位置参数等。并与大型轴类回转光学测量机内部数据库进行比对，将比对结果作为汽车回转轴类零部件是否合格的判定标准。一旦发现零部件出现质量问题，便于相应的工作人员及时进行生产调整，最大程度地降低企业的经济损失，提高产品的质量。并且，在质量检测过程中，采用的技术设备等均属于无接触式测量原理，避免人为操作误差，提高质量检测的精度以及效率。
4 大型轴类回转光学测量机的基本结构
大型轴类回转光学测量机能够实现对回转轴类的测量，比如凸轮轴、曲轴的测量[1]。但是，由于国内无法对国外的量传体系进行有效监控，存在一定的风险，所以曲轴光学测量机的维护及校准完全掌握在国外原供应商手中。大型轴类回转光学测量机的基本结构主要由五部分构成。
a.测量机机座。测量机的机座需要承担大型轴类回转光学测量机的全部重量，所以对于其机座的牢固性有着一定的要求。为了保证测量机机座的稳定可靠，需要选择大理石这类牢固度较强的材料作为机座材料，确保其机座在重力的作用下不会发生变形。
b.上下顶尖夹持系统。在进行回转轴类测量过程中，需使用上下顶尖夹持系统进行回转精度测量。为保证该系统夹装的可靠性，需要保证上下顶尖系统具有一定的柔性，其上下顶尖要可以保持上下纵向浮动[2]。
c.高度测量基准。该结构主要是利用光栅来确定测量方向的尺寸，保证该机器的测量精度在10 [μm]以下。
d.徑向测量基准。该结构主要是依托照相技术，利用照相测量方法，将大型轴类回转光学测量机与照相机相结合，能够使轴向尺寸的测量精度控制在5 [μm]以下。这种径向测量基准能够满足绝大部分综合轴向和径向的轴类测量标准。同时，照相测量方法的工作效率较高，且为非接触的测量模式，因此不会对于机器的测量头产生任何损害，有助于避免测量头磨损，延长该机器的使用寿命。
e.自校系统。大型轴类回转光学测量机一般都含自校准件，可利用其进行自动化校准。该自校准件会根据相应的回转轴类零部件的自校标准件等，进行零件精度校准检测，结合检测结果，完成机器自校。在一定程度上，该自校系统保证了该机器的测量精准度[3]。
5 大型轴类回转光学测量机案例
HOMMEL的OPTIC C1023大型轴类回转光学测量机的校准项目主要需要对于机器的X向和Z向进行精度测量校准，即径向测量精度和轴向测量精度。前者的精度为D=（2+D[mm]/100）[μ]m，后者的精度为L=（5+L[mm]/100）[μ]m。
该机器校准的另一重要指标是机器的重复性以及再现性。现阶段，该指标在不同区域的校准标准也是不同的。美系标准以重复性、再现性指标为主，德系标准以测量指数Cg/Cgk的指标为主。本文中的大型轴类回转光学测量机校准方法由于考虑到其测量多为自动化技术进行处理，相应的人为影响因素较小，因此对再现性指标忽略不计，采用德系标准，经过超25次的测量，使其能够大于1.33，并以此作为校准目标。
在进行大型轴类回转光学测量机校准时，需要借助原供应商的校准方法，设计制造专用的标准件，并以该标准件作为被校件的对比测量对象。制造专用标准件的优势主要体现在两个方面：a.便于大型轴类回转光学测量机进行校准件夹装；b.保证测量系统的精准度。由于本次的校准案例是从X向和Z向进行的，因此需要设计两个标准件。一个标准件用来校准直径方向，另一个则用来校准轴向。
6 大型轴类回转光学测量机的校准方法
6.1 大型轴类回转光学测量机校准前期准备
为提高大型轴类回转光学测量机校准工作的准确性及可靠性，需要对于机器的外观、冷却系统、运行环境等进行检测。
a.在校准之前，需要对于大型轴类回转光学测量机的外型结构进行标记，详细记录该机器的制造厂商、标号等信息，同时确保其指示灯运行正常，并且要确保大型轴类回转光学测量机的主机、数据采集系统等部分运行正常，相应的电缆齐全，接口类型标志准确无误。
b.在校准之前，需要将校准件放置在校准设备旁1 d以上。保证校准件和其校准设备之间的温度具有一致性。校准过程中，校準件和校准设备之间的温差每小时要控制在2 ℃以内。
c.在校准之前，需要对于型轴类回转光学测量机的照相机冷却系统进行检测，确保其内部冷却液面在相应的指示范围内，并且需要按照校准设备的使用说明对于设备进行预调整和清洁。特别是要对机器自带的校准环及照相镜头进行清洁，提高校准精度。在校准过程中不可以做对光学机性能有影响的调整。此外，在校准之前还需要提前0.5 h进行设备开机预热。
6.2 大型轴类回转光学测量机的校准流程
a.大型轴类回转光学测量机的开机和自校。相应的技术人员需要打开该机器的电源总开关，随后按下HOMMEL电脑的开关按钮，进行设备启动。将MAIN SWTICH旋转至ON位置。再按下START按钮，当按钮的绿灯亮起，表示计算机POWER灯启动，进入WINDOWS-XP操作系统，双击用户TURBO OPTIC USER进入测量软件。最后，选择INITIALIZE MEASURING SYSTEM自动初始化测量系统并定标，定标步骤完成后自动回到主菜单页面。
b.大型轴类回转光学测量机的X向测量。将校准直径方向的标准件使用软织物擦拭干净，并将其安装在大型轴类回转光学测量机的顶尖之上，在程序中选择相应的校准文件，按
c.大型轴类回转光学测量机的Z向测量。将校准轴向的标准件使用软织物擦拭干净，在程序中选择相应的校准文件，按
d.依据相应的示值误差及测量指数Cg/Cgk，进行校准件测量误差分析。首先，计算测量示值误差（[Δ]），即被校光学机25次测量平均值（vi）与标准件实际值（vo）二者之间的差值与标准件实际值的比值。随后，计算光学机测量指数。Cg为0.2倍的产品公差（T）与6倍的测量i次的标准差（S）二者之间的比值，其中i＞25次。Cgk为0.1倍的产品公差（T）减去测量i次的极差（R）和3倍的测量i次的标准差（S）二者之间比值后的所得数值，其中i＞25次，示值误差[Δ]和测量指数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 大型轴类回转光学测量机的校准不确定度检验
大型轴类回转光学测量机在校准过程中，可以利用比较测量法，用标准件对被测轴类光学机进行校准。其校准点示值误差为校准点示值减去零点示值后所得数值与校准件在标准条件下的尺寸之间的差值。
大型轴类回转光学测量机的校准不确定度主要来源有四种，分别是测量重复性、标准件测量精度误差、温度变化、系统误差。其中第一种为A类，其余三种为B类。
A类不确定度评定时，可以通过多次测量进行处理，在被校设备正常工况条件下，用高度校准件及直径校准件进行校准，分别重复测量校准件i次，以其中的一个直径及高度为例，实际测量时，在重复条件下连续测量三次，以三次测量的算术平均值作为测量结果，则可得标准不确定度。
B类不确定度评定时，标准件测量精度误差用ZEISS三坐标PRISMO NAVIGATOR 9187来进行测量，确保其精度为0.9+L/400。温度变化引发的不确定度，可以借助校准件的热膨胀系数。当温度测量有误差时，会引起标准不确定度，设置相应的温度测量误差标准值，进而控制温度变化对于不确定度的影响。系统误差引发的不确定度，其直径方向用光栅来进行测量，高度方向用照相机来进行测量，将二者合成标准不确定度，提高校准系统的测量精度。
7 结语
在大型轴类回转光学测量机校准前期相关技术人员需要做好充足的准备。对于校准前的机械结构、零部件等进行仔细标记，控制好校准区域内部环境温度，优化相应的校准流程，利用相应的数学模型，进行校准不确定度分析，在最大程度上提高校准后机器的精准度。
参考文献：
[1]郭天太，陆屹立，王雷，等二维投影式光学传感器轴类零件测量研究[J]中国测试，2020，46（1）：24-28.
[2]蔡滨遥，蒋仲仁卧式光学外圆自动检测装置设计与优化[J]浙江国际海运职业技术学院学报，2020，16（4）：60-62.
[3]田思思，齐恩新光学测量技术在汽车制造领域的应用[J]汽车测试报告，2023（8）：146-148.
作者简介：
沈崇泉，男，1985年生，研究方向为计量校准。
