淺析曲軸位置度夾檢具測量原理及常見問題

雷慶滿

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

在汽車發動機制造業中，曲軸是最重要部件之一。連桿頸做為其重要部位，與連桿頭配合將作用在活塞上的氣體壓力變為旋轉的動力，傳給底盤的傳動機構。因而連桿頸的形狀位置對整臺發動機的傳動性能有著重要的意義，而作為形位特征的位置度是評價連桿頸質量的重要參數。夾檢具作為一種快速測量手段在生產上大量使用，將原本復雜抽象的形位特征計算過程簡單化，提高測量效率。本文從軸頸位置度參數測量方法出發，結合實際案例對該檢測夾檢具的測量原理進行了簡要介紹，以期得到更好的改進和推廣。

1 位置度的測量

1.1 一般定義及計算方法

位置度是指一形體的軸線或中心平面允許自身位置變動的范圍，其公差可以控制被測要素的實際位置對其理論正確位置變動量[1]。根據國家標準[2]，位置度f的計算方法為：

式中，fX、fy分別是在坐標系上與理論正確尺寸（基準圓心）的差異。

1.2 測量方法

位置度通常使用三坐標進行測量，但現實生產中曲軸是批量生產的，三坐標雖然精度高，但是測量速度滿足不了生產需求，而位置度夾檢具能快速判斷測量結果，可用于機床的調試、生產質量判斷和生產過程分析等諸多環節。

位置度夾檢具測量是先按照工藝尺寸設計一個基準圓，制成該基準所使用材料要求耐磨不易變形，因而可以認為其圓心是固定不變的，把該圓心的位置定義為“A”，通過傳感器測量連桿頸的3個位置后計算所擬合出來的圓形的圓心“B”，如圖1所示。圓心B與基準圓心A的偏差量AB的2倍即為該連桿的位置度f.

圖1 位置度中心示意圖

點A與點B的位置可以利用直角坐標系的原理（見圖2）用坐標點表示出來，如下圖3.

圖2 位置度表示方法

圖3 位置度計算原理簡圖

（1）假定點A為坐標系原點，即A（0,0），點B坐標設為（X，Y），則點 C 為（X，0）

（2）根據位置度的計算方法[2]，點B相對于點A的位置度

2 常見問題及產生原因

經過長時間使用后，發現該設備與其他測量設備（主要是三坐標）在測量結果上有一定程度的差異。經檢查發現，主要是該夾檢具在使用過程中過度磨損，夾檢具測量部分的定位基準產生了一定的偏差（根據使用的頻次和夾檢具結構，可發現這些磨損主要集中在檢具體上的導向定位槽、傳感器安裝柄與導向定位槽接觸面上），因而需要添加相應的補償值。

3 測量不準確問題的處理

3.1 補償原理

根據三坐標測量曲軸各個連桿頸位置度，輸出其相對于基準的偏移量，再在夾檢具上測量同一根曲軸，同時也輸出相對基準的偏移量，兩個偏移量之間的差異就是所需要的補償值。

另外也需考慮三坐標程序的坐標系與夾檢具的測量坐標系的關系，將兩坐標系聯系起來，如圖4和圖5為各個測量系統之間的坐標系。

圖4 三坐標坐標系

圖5 夾檢具坐標系

三坐標檢測時的坐標系方向如圖4所示，其中Pad面水平朝上時，向上的方向為Z方向的正方向，往芯軸中心孔方向為Y軸正方向，往PIN1方向為X軸正方向。

3.2 補償值的計算及實施

結合位置度的計算公式，在夾檢具坐標系中相關方向上增加補償。

（1）將夾檢具方向設定與三坐標方向用相同參數關聯起來。假定三坐標各個連桿頸偏移位置為：

PIN1 （X1、Z1），PIN2 （X2、Z2），PIN3（X3、Z3），PIN4（X4、Z4）

由圖4和圖5的坐標系方向可知，夾檢具中部分測量位置的坐標系與三坐標的方式不一致，因此需將其轉化為與三坐標一致的坐標系，否則會出現測量偏差，由圖5曲軸位置可以發現其與圖4曲軸在順時針翻轉180°后位置一樣（曲軸翻轉后夾檢具的坐標系是不變的），PIN2、PIN3夾檢具坐標系與三坐標Z方向相反，PIN4夾檢具方向與三坐標X、Z方向均相反。最后夾檢具相對于三坐標坐標系各個軸頸位置為：

PIN1（X1、-Z1），PIN2（-X2、Z2），PIN3（-X3、Z3），PIN4（-X4、-Z4）

（2）取5～10根不同機床生產的該工位工件，用三坐標測量出他們的位置度，并輸出相對于基準圓心X、Z方向的偏移量。

（3）調整夾檢具程序輸出項，使其能顯示出各測量位置相對于基準圓心X、Z方向的偏移量，如圖6，并將該批工件在未加補償并且能顯示出坐標偏移的程序中進行測量，記錄X、Z方向偏移量。

圖6 夾檢具程序輸出X/Z方向偏移量

（4）將兩次偏移量數值進行對比，計算出偏移量。

例如：PIN1三坐標的偏移量為（0.045，0.125），夾檢具測量的偏移量為（-0.021，0.056），補償量為：

X=0.045-(-0.021)=0.066，Z=0.125-0.056=0.069

（5）根據這些工件的測量結果，求出同一連桿頸位置度的平均補償量，將補償量添加到程序中。

4 驗證分析

表1是工件的調整前后的測量對比數據，從圖7可見調整后差異有所減少，都在可接受的公差（0.3 mm）10%范圍內，大大提高了該檢具的測量準確性。隨后再抽取了若干工件進行對比驗證，差異均在接受范圍內。

表1 測量對比數據

圖7 差異改善前后對比

5 結束語

通過補償后，該位置度夾檢具測量不準確的問題得到了解決。本文的補償方法是針對測量位置處的磨損進行的，而定標位置處由于使用頻次的原因，相對于測量滑動槽、傳感器測頭等位置所受的影響是非常小的，因而本文未對其進行討論。若驗證中發現定標位置磨損嚴重，或者按照本文方法進行補償仍存在差異，則需要將定標位置的補償或者其他原因導致的原因考慮進去。