3D尋邊器校準(zhǔn)方法的研究

文/錢笑臨

【機動車專欄】

3D尋邊器校準(zhǔn)方法的研究

文/錢笑臨

數(shù)控加工設(shè)備上，3D尋邊器被廣泛使用，但尚未制定相應(yīng)校準(zhǔn)規(guī)程。本文針對3D尋邊器結(jié)構(gòu)特點，從夾具的組合、裝夾、測量步驟等方面討論研究3D尋邊器的校準(zhǔn)方法。

3D尋邊器 裝夾 校準(zhǔn)

3D尋邊器目前在數(shù)控加工設(shè)備上被廣泛使用。在汽車行業(yè)中部分企業(yè)為了確認(rèn)加工基準(zhǔn)，在箱體零件或軸類零件加工前將尋邊器安裝在加工中心的刀具夾持位置上校準(zhǔn)或測量工件（初步定位），包括校準(zhǔn)主軸中心線、工件中心線及工作臺中心線。將校準(zhǔn)結(jié)果輸入到機床計算機中進(jìn)行零點偏置，達(dá)到加工初始化的目的，從而保證零件精加工的質(zhì)量。3D尋邊器其結(jié)構(gòu)主要分為夾持柄、表盤、指針三部分。夾持柄用于連接數(shù)控機床的刀柄，有的尋邊器側(cè)頭為彎曲形，在主軸的帶動下低速旋轉(zhuǎn)，用于校準(zhǔn)加工中心與工件內(nèi)孔或外圓的同心度和同軸度。表盤內(nèi)為指針，與工件接觸后指針單向轉(zhuǎn)動，零位位于表盤中心。應(yīng)從多個方向上實施校準(zhǔn)以滿足其工作狀態(tài)。

傳統(tǒng)的校準(zhǔn)方法步驟繁瑣，勞動強度較大。3D尋邊器的運用提高了工作效率，降低了生產(chǎn)成本。然而，目前3D尋邊器的校準(zhǔn)既缺乏相關(guān)的規(guī)程，也沒有相關(guān)的資料可供參考。本文通過對裝夾方法的研究及測試數(shù)據(jù)的計算處理，探究3D尋邊器的校準(zhǔn)方法。

一、3D尋邊器結(jié)構(gòu)特點

3D尋邊器按讀數(shù)方式主要分為指針式和數(shù)顯式兩種。本文以指針式尋邊器（見圖1）為例進(jìn)行討論。

圖1 指針式3D尋邊器

指針式3D尋邊器的結(jié)構(gòu)主要分為夾持柄、表盤、指針三部分。夾持柄用于連接數(shù)控機床的刀柄，有的尋邊器側(cè)頭為彎曲形，在主軸的帶動下低速旋轉(zhuǎn)，用于校準(zhǔn)加工中心與工件內(nèi)孔或外圓的同心度和同軸度。表盤內(nèi)為指針，與工件接觸后指針單向轉(zhuǎn)動，零位位于表盤中心。

3D尋邊器可從任何方向接近被測工件，指針可沿軸向和徑向運動。從表盤上看到，0.1 mm以外的刻度呈非均勻分布。這是因為測頭內(nèi)部的彈簧隨行程變化產(chǎn)生非線性的反作用力，經(jīng)過齒輪傳動會使指針的角位移呈非線性變化。但實際經(jīng)過測長儀標(biāo)定，測頭的實際位移為線性。這也是3D尋邊器設(shè)計上的特點之一。

二、3D尋邊器的裝夾

3D尋邊器相對傳統(tǒng)三大類量具體積較大，對裝夾有一定的要求。本文選用的設(shè)備為測長儀（設(shè)備不確定度為0.6 μm）。測長儀具有精度高，平臺自由度大，調(diào)整方便的優(yōu)點。基于3D尋邊器的使用特點，校準(zhǔn)分別在軸向和徑向兩個方向上進(jìn)行。裝夾完成的狀態(tài)應(yīng)為：軸向上與測長儀的測量軸線一致，符合阿貝原則；徑向上與測長儀的測量軸線垂直。另外，由于3D尋邊器的測頭內(nèi)帶有彈簧，接觸后隨著行程的增加，會有較大內(nèi)力。在測量的時候必須保證尋邊器與檢具的緊固。圖2、圖3分別為軸向裝夾與徑向夾具的示意圖。

圖2 軸向裝夾示意圖

圖3 徑向夾具示意圖

本文研究使用的夾具為維特組合夾具，該夾具具有組合自由方便、精度高等特點，可以針對不同測量設(shè)備的平臺或被測產(chǎn)品的尺寸設(shè)計不同的拼裝狀態(tài)。配合所選測長儀的平臺，分別拼裝出軸向測量與徑向測量兩種夾裝形態(tài)。將3D尋邊器的夾持柄置于夾具的V型槽上，以壓板分別固定夾具與平臺、夾具與尋邊器。其中，徑向的固定要求要高于軸向。軸向上有夾具平面緊靠表殼避免表身竄動，而徑向上必須有兩點以上的固定結(jié)構(gòu)，以避免徑向擺動引起的誤差。

三、3D尋邊器校準(zhǔn)

3D尋邊器在計量器具分類上屬于指示類。一般的指示類量具如百分表、千分表的校準(zhǔn)使用專用檢定儀。目前3D尋邊器并沒有對應(yīng)的專用校準(zhǔn)設(shè)備。本文選擇高精度測長儀作為測量手段，因此在方法上也有別于傳統(tǒng)的指示類量具。主要步驟如下：

由于3D尋邊器的測頭在徑向與軸向運動，因此為了保證讀數(shù)準(zhǔn)確，校準(zhǔn)需要在測長儀測量軸線的平行以及垂直兩個方向上進(jìn)行。為了達(dá)到垂直度及平行度要求，可通過標(biāo)準(zhǔn)件來找正。本文選擇芯棒作為標(biāo)準(zhǔn)件。

測長儀平臺可作垂直、前后、旋轉(zhuǎn)運動調(diào)節(jié)。校準(zhǔn)前將標(biāo)準(zhǔn)芯棒固定在V型塊上，緊靠在夾具一端，如圖4所示。選擇圓測頭，對芯棒進(jìn)行測量，找出最小測量值即拐點，得到與被測件與測量軸線平行的位置。該結(jié)構(gòu)經(jīng)三坐標(biāo)測量機標(biāo)定后確認(rèn)垂直度在0.005 mm內(nèi)，即符合軸向測量的平行度要求，也滿足徑向測量時尋邊器與測量軸線的垂直度要求。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)芯棒找正示意圖

①零位

將3D尋邊器按圖2安裝。測長儀選用平測頭與探針接觸。在軸向上給予固定的4 N測力，使指針置于表盤中的零刻度線。再次檢查測力，讀數(shù)方向要注意與表盤垂直，避免視覺誤差。

表盤中的零刻度將所有讀數(shù)分為左右半圈。其中0.1 mm內(nèi)被等分為10小格，每格0.01 mm。經(jīng)過與加工企業(yè)的溝通了解到，該尋邊器主要用于加工前對產(chǎn)品位置進(jìn)行找正，零位的確定及回轉(zhuǎn)重復(fù)性的確定。對量值的常用范圍為左右半圈各0.2 mm。本文將校準(zhǔn)范圍暫選為0～0.5 mm內(nèi)。

②示值誤差

在0～0.1 mm內(nèi)每2小格（即0.02 mm）采集一次數(shù)據(jù)，方法為在軸向上對尋邊器測頭施加測力，使指針向左（右）變化2小格整，讀取測長儀示值（），減去3D尋邊器讀數(shù)（）得到該點的示值誤差。在0.1～0.5 mm間，每0.1 mm校準(zhǔn)一點。

③回程誤差

當(dāng)左（右）半圈檢至最后一點后（0.5 mm），施加測力，使指針繼續(xù)偏轉(zhuǎn)半格。將測長儀作反向移動，使尋邊器指針回程。按照上述方法分別在正行程的對應(yīng)點記錄讀數(shù)以計算回程誤差，直至指針最終回到零刻度線。

表1 軸向校準(zhǔn)數(shù)據(jù) μm

表2 徑向校準(zhǔn)數(shù)據(jù) μm

以先檢左半圈為例，整個讀數(shù)過程為左半圈正行程、左半圈反行程、在零刻度線處對零、右半圈正行程、右半圈反行程。由于測長儀測頭固定在被測物的一端，尋邊器的測頭只能向一個方向偏擺。對于徑向校準(zhǔn)，須在檢完一個方向后將尋邊器翻轉(zhuǎn)180°，以校準(zhǔn)另一個方向上的徑向示值誤差。

根據(jù)汽車零件加工企業(yè)要求可在徑向上每90°校準(zhǔn)一次。裝夾方法為在圖3的基礎(chǔ)上分別在間隔180°的位置固定3D尋邊器的夾持柄以及測長儀左右兩個方向上固定表盤的朝向，兩兩組合后一共4個位置分別校準(zhǔn)。

四、數(shù)據(jù)處理及不確定度分析

表1與表2分別是軸向與徑向校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。其中徑向上簡化為采集一組數(shù)據(jù)。

其中，全程最大示值誤差取正行程受檢點中與名義值偏差最大的一點，無正負(fù)號。回程誤差取正反行程上相應(yīng)受檢點差值最大的一點，無正負(fù)號。對于本次測試的3D尋邊器，在結(jié)果中分別給出左右半圈的全程最大示值誤差以及回程誤差。

現(xiàn)對分度值0.2 mm、量程2.0 mm的3D尋邊器的示值誤差測量結(jié)果不確定度進(jìn)行分析。

①測量模型、靈敏系數(shù)

靈敏系數(shù)：

②不確定度的來源

在相同條件下對分度值0.02 mm的3D尋邊器0.1 mm點重復(fù)測量10次，經(jīng)計算得出標(biāo)準(zhǔn)差

根據(jù)測長儀校準(zhǔn)報告示值誤差0.6 μm；

當(dāng)3D尋邊器的分度值為0.02 mm時，

五、總結(jié)

在生產(chǎn)線的建設(shè)階段，新加工設(shè)備的首次調(diào)試由供應(yīng)商操作，在使用中如發(fā)現(xiàn)問題則由企業(yè)的現(xiàn)場工程師或設(shè)備管理員負(fù)責(zé)排查。設(shè)備的硬件磨損或軟件故障以及人為誤操作都是造成產(chǎn)品不合格甚至報廢的主要因素。對于涉及設(shè)備的專業(yè)問題企業(yè)往往難以處理。設(shè)備較長的保養(yǎng)周期和聯(lián)系供應(yīng)商處理的時間，使得問題往往難以在第一時間得到解決且容易耗費大量資源。3D尋邊器的使用讓生產(chǎn)者在第一時間對設(shè)備初始狀態(tài)加以確認(rèn)，快速調(diào)整加工基準(zhǔn)，提高了勞動效率。3D尋邊器的校準(zhǔn)能夠從計量的角度幫助生產(chǎn)企業(yè)在一定程度上保證產(chǎn)品的質(zhì)量。

[1] 中國測試技術(shù)研究院，江蘇省計量科學(xué)院，廣西計量測試研究院，等JJG 34－2008《指示表（指針式、數(shù)顯式）檢定規(guī)程》[S].北京：中國計量出版社，2008.

[2] 中國測試技術(shù)研究院，廣西計量測試研究院，桂林量具刃具廠，等.JJG 35－2006《杠桿表檢定規(guī)程》[S].北京：中國計量出版社，2006.

[3] 聶福全.光電尋邊器在振動輪加工校正中的應(yīng)用[J].建筑機械，2005（8）：108-109.

3D touch point sensor is extensively used in CNC(computer numerical control)machine,while its calibration procedure is not set yet.Based on structure feature of 3D touch point sensor,the article studies the proper calibration method for 3D touch point sensor which covers clamp assembling,installation and measurement procedure.

3D touch point sensor；Clamping；calibration Calibration

（作者單位：國家機動車產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（上海））