三坐标中同轴度检测方法的应用

三坐标中同轴度检测方法的应用

张翠莹韦国庆郭丽卓魏玉江

第一拖拉机股份有限公司中小拖公司   河南省洛阳市   471003

摘要：阐明了测量过程中对工件同轴度检测的重要性。介绍了影响同轴度的因素和使用三坐标测量机测量工件的同轴度的方法。经过实践应用，准确的测量出制动器壳体的同轴度。结果表明，在测量机测量同轴度的环境下，针对具体的测量任务应用适宜的检测策略才能得到正确的测量结果。

【关键词】：三坐标同轴度检测

拖拉机零部件产品例如箱体、壳体等零件都需要进行严格的同轴度检查。因此能否准确快速地测量出此类工件的同轴度对整机的装配及性能有着很重要的影响。

1、常规方法的局限性

同轴度误差的测量一直是几何量计量和精密检测领域的重点和难点之一。GB/T1958-2017表C.11给出了针对不同情形的五种检测方法：平板测量、借用圆柱度仪测量、三坐标测量等，传统的平板测量，测量结果直观、可靠，但需要圆度仪、百分表、千分表、平板、V型架，专用芯轴或综合量规等辅助工装才能完成测量，如果产品品种多、批量小，平板测量费时费力成本高、效率低，局限性很大。

2、三坐标测量同轴度的优点及难点

对于现在多品种、小批量的产品，尤其是一些大型、重型或不规则零部件，如中轮拖拖拉机所用零件前后箱、变速箱上盖、差速器壳体等，采用平板测量同轴度误差要么难以实现，要么效率低下，而用三坐标测量机测量同轴度在这方面有明显的优势：

（1）测量机可测量其行程范围内的各种情形的同轴度误差，无需专用芯轴、支架和辅具，无需机械找正或转动工件；

（2）能获得详细可靠的数据，准备的描述偏差分布，便于分析、查找原因。

因此，坐标测量方法在位置公差测量中越来越受到重视，但是由于坐标测量方法和传统平板测量差异较大，设计和测量人员对坐标测量方法原理的理解和认识不同，再加上测量人员若不能深刻理解坐标测量的原理和同轴度公差设计的意图，不能应用正确的测量方法和技巧，在测量实践中就容易出现测量结果误差较大、重复性极差的问题，甚至导致严重的错误测量结果。针对这一问题，本文从测量机的同轴度测量原理及检测策略上进行深入的研究和分析，从而制定一种可行的检测方法。

3、影响同轴度的因素（线对线）

影响同轴度的主要因素有被测元素与基准元素的圆心位置和轴线方向，特别是轴线方向。假设基准上两个截面距离为10mm，基准第一截面与被测圆柱第一截面的距离为100mm。即使不存在制造误差（同轴度理论值为0），对于被测量特征在基准作用范围之外的情形，由于基准轴线较短，必须将基准延长到被测特征才能计算、评定。

受温度、粗糙度、测量机自身的探测误差、探头误差等因素的影响，三坐标的测量误差为0.003mm。即基准的第二截面圆的圆心位置与第一截面圆圆心有0.003mm的误差，那么基准轴线延伸到被测圆柱第一截面时已偏离0.03mm，此时，即使被测圆柱与基准完全同轴，其结果也会有0.06mm的误差（而我公司零件的同轴度误差一般为0.01mm至0.1mm，显然这种情况用同轴度来评价该零件的公差带不合适，会造成零件误判，把合格品判定为不合格品而引起争议），在实际测量工作中，这种误差除了测量机的探测误差外，还包含基准的实际偏差，因此成倍放大后的实测值也会急剧变大，导致错误的测量结果。测量原理如图1所示：

                         图1

4、用三坐标进行同轴度检测的方法

在三坐标测量中，关键是解决如何采集基准特征和被测特征、如何得到基准轴线以及如何计算、评定同轴度误差。对于基准圆柱（较短）与被测圆柱距离较远时不能采用软件直接求得，经过对公差带的分析可以使用公共轴线法、直线度法、求距法三种方法解决。

4.1 公共轴线法

在被测元素和基准元素上测量多个截面的圆，再将这些圆心构造一条3D直线，作为公共轴线，分别计算基准圆柱和被测圆柱对公共轴线的同轴度，取最大值作为该零件的同轴度。这条公共轴线近似于一个模拟芯轴，因此这种方法接近零件的实际装配过程。

4.2直线度法

在被测元素和基准元素上测量多个截面的圆，然后选择这几个圆构造一条3D直线，同轴度的公差带为直径为公差值t，且与基准轴线同轴的圆柱面内的区域（被测元素和基准元素轴线间最大距离的2倍）；直线度的公差带为距离为公差值t的两平行直线间的区域（被测元素和基准元素间的最大距离）；由此可见，同轴度近似为直线度的两倍。

4.3  求距法

同轴度为被测元素和基准元素轴线间最大距离的2倍。即用关系计算出被测元素和基准元素的最大距离后，将其乘以2即可。求距法在计算最大距离时要将其投影到一个平面上来计算，因此评价时需投影到工作平面上，以减少垂直度误差的影响。

5、实际运用

现以中轮拖MF704制动器壳体为例：按照图纸要求制动器壳体两端∮234H8内孔对∮277F8内孔的同轴度误差为0.06（基准特征长19mm，被测特征长53mm，被测特征在基准作用范围之外

），如果两端孔的同轴度不好，则会影响末端传动效果，导致末端传动故障。

5.1、点的采集

以我公司三坐标为例，为了更稳定、客观、真实的反映测量元素，要尽可能增加采集点的数量。基准圆柱采集两层圆，每层圆扫描50个点，得到两个模拟圆心。被测圆柱采集两层圆，同样扫描得到两个模拟圆心，用这4个圆心构造一条3D直线，来评价这条直线的直线度。

5.2、评价计算

上述段落讲到同轴度的结果为直线度的2倍，所以评价出的直线度误差乘以2，即是该零件的同轴度误差。应注意，在采集圆时最好测量整个圆，否则测量机计算出来的偏差可能很大。

通过同轴度法和直线度法三次装夹测量结果如下表：

上述结果可以看出，用直线度法测量该类型零件的同轴度误差重复性好，测量误差小。用直线度的2倍作为该零件的同轴度误差可以更加准确的反映该零件的实际加工情况，从而避免了数据引入延长的粗大不确定误差，以满足零部件的检测需求。

6、结论

同轴度公差的情形千差万别，必须针对具体的测量任务应用适宜的检测策略才能得到正确的测量结果。根据基准作用范围与被测特征关系的不同分为以下两种情况进行研究分析。

6.1被测特征在基准作用范围之外

上述同轴度公差属于被测圆柱在基准圆柱作用范围之外的例子。此种情形可以采取公共轴线法、直线度法、求距法三种方法测量零件的同轴度误差。

6.2被测特征在基准作用范围内

如图2所示，基准特征圆柱D1的作用范围L1，被测特征圆柱D2的作用范围L2，L2在L1内，基准无需延长。因此，测量误差只需考虑测量仪器固有的探测误差引起的误差，坐标测量机的最大允许探测误差为0.003mm，一般不会影响测量结果。可按同轴度坐标测量原理直接计算、评定。
图2