基于三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)針對(duì)孔與面間垂直度檢測(cè)的研究

張向東+馬侖+齊瑞梓

摘 要：文章介紹了在使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)零件垂直度時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)同一零件的面對(duì)孔與孔對(duì)面垂直度測(cè)量誤差值相差巨大這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。針對(duì)這一現(xiàn)象經(jīng)過(guò)理論分析與實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，找出其原因，并提出使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行孔面間垂直度評(píng)價(jià)時(shí)的幾項(xiàng)建議。

關(guān)鍵詞：三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)；零件垂直度；測(cè)量

中圖分類號(hào)：TH721 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）34-0193-02

1 孔與面間垂直度的測(cè)量原理

根據(jù)GB/T1958-2004《產(chǎn)品幾何量技術(shù)規(guī)范（GPS）形狀和位置公差檢測(cè)規(guī)定》用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量形位誤差符合5種檢測(cè)原則之一的“測(cè)量坐標(biāo)原則”，即測(cè)量被測(cè)提取要素的坐標(biāo)值，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理獲得形狀誤差。

垂直度誤差為相對(duì)位置誤差，被測(cè)要素的實(shí)際方向，對(duì)于基準(zhǔn)相垂直的理想方向之間，所允許的最大變動(dòng)量。也就是圖樣上給出的，用以限制被測(cè)實(shí)際要素偏離垂直方向，所允許的最大變動(dòng)范圍。其中面對(duì)孔軸線的垂直度公差帶為公差值為t，且垂直于孔軸線的兩平面所限定的區(qū)域（如圖1）。孔軸線對(duì)基準(zhǔn)面的垂直度公差帶為直徑等于公差值t，軸線垂直于基準(zhǔn)平面的圓柱面所限定的區(qū)域（如圖2）。

2 檢測(cè)被測(cè)零件過(guò)程

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是一種具有三個(gè)方向移動(dòng)的探測(cè)器，可在三個(gè)相互垂直的導(dǎo)軌上移動(dòng)，此探測(cè)器通過(guò)接觸或非接觸的方式傳送訊號(hào)（X，Y，Z），經(jīng)數(shù)據(jù)處理器計(jì)算出各點(diǎn)坐標(biāo)并通過(guò)軟件評(píng)價(jià)功能以實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能的精密測(cè)量?jī)x器。

在進(jìn)行垂直度測(cè)量時(shí)使用測(cè)頭對(duì)被測(cè)零件的平面與孔進(jìn)行探測(cè)，并將所測(cè)得的坐標(biāo)值傳送到計(jì)算機(jī)，通過(guò)計(jì)算機(jī)內(nèi)軟件的數(shù)據(jù)處理，評(píng)價(jià)出被測(cè)零件面對(duì)孔以及孔對(duì)面的垂直度誤差實(shí)際值。

車間生產(chǎn)中平面多取4個(gè)點(diǎn)，孔取6個(gè)點(diǎn)（兩層，每層三個(gè)點(diǎn)），在測(cè)量平面時(shí)（圖3），若所采集的各點(diǎn)分布在整個(gè)平面時(shí)，其中個(gè)別點(diǎn)存在著測(cè)量誤差對(duì)整個(gè)平面的方向矢量的影響不大；若采集的點(diǎn)較集中，僅是整個(gè)平面的局部的話，就會(huì)使整個(gè)平面的方向矢量產(chǎn)生很大的變化，孔的由于測(cè)量機(jī)在測(cè)量每一個(gè)點(diǎn)時(shí)，都存在著精確度的問(wèn)題，術(shù)語(yǔ)稱為“重復(fù)性”，在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)精度指標(biāo)的P值（即探測(cè)誤差）中反映了這一點(diǎn)。機(jī)器的P值所涉及的因素很多，反映了三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的整體品質(zhì)。除機(jī)器的品質(zhì)外，零件表面的形狀誤差也會(huì)影響測(cè)量點(diǎn)的重復(fù)性。因此這個(gè)誤差是始終存在的。

為客觀反映孔面間垂直度的關(guān)系，選取典型襯套類零件作為被測(cè)零件。該零件內(nèi)孔與端面最終尺寸為兩道工序加工完成，其中內(nèi)孔存在鍍層，表面處理后經(jīng)珩磨加工完成；端面為車削加工表面（圖3）。

零件實(shí)驗(yàn)檢測(cè)過(guò)程為：在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上測(cè)量平面A若干次，測(cè)點(diǎn)數(shù)量逐次增加，每次測(cè)量均在計(jì)算機(jī)中構(gòu)造一個(gè)平面。內(nèi)孔B的測(cè)量也同理，內(nèi)孔B測(cè)量孔頂與孔底兩圓，以此構(gòu)造出圓柱B。使用采集后的數(shù)據(jù)分別評(píng)價(jià)面對(duì)孔的垂直度（表1）與孔對(duì)面的垂直度。

其中孔取點(diǎn)數(shù)為單層取點(diǎn)數(shù)，共取兩層，兩層間距離40mm，完成測(cè)量后精確測(cè)量得出該件的A面平面度0.003mm，B孔的圓柱度為0.008mm。

3 影響垂直度測(cè)量的因素

經(jīng)過(guò)對(duì)表1與表2測(cè)得數(shù)據(jù)不難得出以下結(jié)論：

（1）該件面對(duì)孔的垂直度0.019～0.021mm，孔對(duì)面的垂直度為0.009～0.011mm。

（2）孔取點(diǎn)數(shù)與面取點(diǎn)數(shù)越多越能反映零件的真實(shí)情況，其中面取點(diǎn)數(shù)對(duì)測(cè)量結(jié)果影響最大。

（3）當(dāng)面取點(diǎn)數(shù)在十個(gè)點(diǎn)以上，孔每層取點(diǎn)五個(gè)點(diǎn)以上時(shí)基本可以評(píng)價(jià)出零件的真實(shí)垂直度。

（4）三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)本身的精度誤差與零件自身的平面度、圓柱度誤差，表面粗糙度等因素均會(huì)對(duì)孔面間垂直度造成一定的影響。

由以上理論論證及對(duì)數(shù)據(jù)的分析可知，由于面對(duì)孔垂直度的公差帶形式與孔對(duì)面垂直度不同，導(dǎo)致在零件測(cè)量中出現(xiàn)巨大的垂直度數(shù)值偏差。面對(duì)孔的垂直度公差帶為兩個(gè)平行平面間的距離，計(jì)算機(jī)會(huì)根據(jù)所采平面點(diǎn)數(shù)擬合出被測(cè)平面進(jìn)而評(píng)價(jià)出垂直度，故采點(diǎn)的數(shù)量、位置直接影響了平面的矢量方向。而對(duì)于孔對(duì)面的垂直度，其公差帶形式為圓柱帶內(nèi)的區(qū)域，影響垂直度的主要因素的被測(cè)圓柱的長(zhǎng)度。同時(shí)被測(cè)零件的平面度、圓柱度誤差，表面粗糙度等因素致使了零件垂直度測(cè)量數(shù)據(jù)重復(fù)性差。

4 孔與面間垂直度的檢測(cè)方法

使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行垂直度測(cè)量是一種既高效又準(zhǔn)確評(píng)價(jià)垂直度手段。在實(shí)際操作中，根據(jù)零件外形結(jié)構(gòu)的不同、精度等級(jí)的差別等因素均會(huì)影響采點(diǎn)與評(píng)價(jià)過(guò)程。本文通過(guò)以上時(shí)試驗(yàn)檢測(cè)與理論分析，給出使用三坐標(biāo)評(píng)價(jià)孔面間垂直度的幾個(gè)建議。

（1）由于孔對(duì)面垂直度與面對(duì)孔垂直度公差帶形式的不同，同一零件二者的垂直度數(shù)值會(huì)有一定差距，測(cè)量時(shí)一定確定被測(cè)要素與基準(zhǔn)，不得顛倒基準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)。

（2）平面的采點(diǎn)數(shù)不得低于10個(gè)點(diǎn)，且各點(diǎn)應(yīng)均勻分布在被測(cè)平面上；孔每層采點(diǎn)數(shù)不得低于5點(diǎn)，層數(shù)不得低于2層。

（3）對(duì)于公差要求極嚴(yán)格的垂直度，應(yīng)保證被測(cè)要素與基準(zhǔn)擁有很好的形狀與較低的表面粗糙度。

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