三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在機(jī)械傳動(dòng)零部件矩形花鍵軸 質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用及研究

張德意　潘高進(jìn)　王霆

摘 要：文章結(jié)合機(jī)械傳動(dòng)零部件花鍵軸實(shí)例，介紹了機(jī)械傳動(dòng)零部件花鍵軸在各行各業(yè)中的應(yīng)用以及在機(jī)械傳動(dòng)應(yīng)用中的特點(diǎn)，分析機(jī)械傳動(dòng)零部件花鍵軸在機(jī)械加工中的質(zhì)量要求，研究機(jī)械傳動(dòng)零部件花鍵軸三坐標(biāo)測(cè)量測(cè)量方案。

關(guān)鍵詞：機(jī)械傳動(dòng)零部件花鍵軸 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) 質(zhì)量要求 測(cè)量方法 評(píng)價(jià)方法

Application and Research of Coordinate Measuring Machine in Quality Inspection of Rectangular Spline Shaft of Mechanical Transmission Parts

Zhang Deyi，Pan Gaojin，Wang Ting

Abstract：Combined with case study， this paper introduces the application of the spline shaft of mechanical transmission parts in all walks of life and its characteristics in the application of mechanical transmission. The quality requirement of spline shaft of mechanical transmission parts in machining is analyzed. The three coordinate measurement scheme of spline shaft of mechanical transmission parts is studied.

Key words：rectangle spline shaft， CMM， quality requirements， measurement method， evaluation method

1 引言

軸類零件是機(jī)械工業(yè)中極為常見的零件，也是非常重要的零件，花鍵軸是軸類零件中極為常見的一種，如圖1所示。花鍵軸是運(yùn)動(dòng)中的扭矩傳遞零件，分矩形花鍵軸和漸開線花鍵軸兩大種類，花鍵軸中的矩形花鍵軸應(yīng)用廣泛，矩形花鍵軸通常應(yīng)用于飛機(jī)、汽車、拖拉機(jī)、機(jī)床制造業(yè)、農(nóng)業(yè)機(jī)械及一般機(jī)械傳動(dòng)等裝置。其制造工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量直接影響總成質(zhì)量，其形狀誤差精度直接影響機(jī)械的運(yùn)動(dòng)性能以及使用壽命，目前傳統(tǒng)的花鍵軸花鍵跳動(dòng)檢測(cè)方法仍然采用徑跳儀百分表檢測(cè)，這種傳統(tǒng)的檢測(cè)方式不僅效率低下，而且檢測(cè)精度低，誤差大;隨著花鍵軸在各領(lǐng)域中使用的增多，人們對(duì)安全性能的認(rèn)識(shí)大大提高，所以對(duì)帶花鍵軸的花鍵尺寸要求也隨之提高，在采用傳統(tǒng)的檢測(cè)方法就很難滿足企業(yè)與消費(fèi)者的需求。

高效率、高精度、高可靠性數(shù)字化自動(dòng)測(cè)量設(shè)備儀器三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)可以在產(chǎn)品零件生產(chǎn)過程中可靠的測(cè)量數(shù)據(jù)，不斷的完善零件加工質(zhì)量異常，提高零件的加工質(zhì)量與品質(zhì)。本文依據(jù)幾何公差原則、測(cè)量原則以及三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的工作原理制定出矩形花鍵軸的三坐標(biāo)測(cè)量方案，提高矩形花鍵軸的三坐標(biāo)測(cè)量工作效率。

2 機(jī)械傳動(dòng)零部件花鍵軸的三坐標(biāo)測(cè)量方案

2.1 測(cè)針型號(hào)的選擇與角度校準(zhǔn)

根據(jù)零件圖紙圖2中的2號(hào)直徑φ60、5號(hào)槽寬2.2、6號(hào)φ57三個(gè)尺寸計(jì)算得出最小槽深（60-57）/2=1.5、槽寬2.2、最大直徑φ74、8個(gè)均勻矩形鍵等分角度45°，由此測(cè)針型號(hào)選取TIP1BY27，球直徑1毫米測(cè)針長(zhǎng)度27毫米;完成每個(gè)花鍵的幾何尺寸測(cè)量所用測(cè)頭角度有：A0B0、A90B0、A90B45、A90B90、A90B135、A90B180、A90B-45、A90B-90、A90B-135共計(jì)9個(gè)。

2.2 零件在測(cè)量過程中的裝夾與固定

零件測(cè)量裝夾固定原則就是能最大限度的能通過一次對(duì)零件固定裝夾完成所有零件幾何尺寸的檢測(cè)，那么依據(jù)零件測(cè)量裝夾固定原則要求，在根據(jù)機(jī)械傳動(dòng)零部件花鍵軸的被測(cè)的幾何尺寸、零件形狀，則采用以下固定方式如圖3所示，零件豎方與測(cè)量機(jī)Z軸方向平行X/Y軸垂直，零件φ60外圓端面與圓形磁座面通過磁吸力進(jìn)行固定，通過磁座旋轉(zhuǎn)盤角度旋轉(zhuǎn)來完成零件第二軸向的找正。

2.3 零件基準(zhǔn)坐標(biāo)系的建立

基準(zhǔn)是機(jī)械制造中應(yīng)用十分廣泛的一個(gè)概念，機(jī)械產(chǎn)品從設(shè)計(jì)時(shí)零件尺寸的標(biāo)注，制造時(shí)工件的定位，質(zhì)量檢驗(yàn)時(shí)幾何尺寸的測(cè)量，一直到裝配時(shí)零部件的的裝配位置確定（裝配基準(zhǔn)）等，都要用到基準(zhǔn)的概念。基準(zhǔn)就是用來確定生產(chǎn)對(duì)象上幾何關(guān)系所依據(jù)的點(diǎn)，線或面。基準(zhǔn)分為：（1）設(shè)計(jì)基準(zhǔn);（2）工藝基準(zhǔn)。工藝基準(zhǔn)又分為：（1）工序基準(zhǔn);（2）定位基準(zhǔn);（3）測(cè)量基準(zhǔn);（4）裝配基準(zhǔn)。

零件基準(zhǔn)坐標(biāo)系的建立需要通過零件幾何特征的矢量方向與位置來定義的，零件坐標(biāo)系的建立是否合理正確是直接影響最終測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵，那么合理建立零件基準(zhǔn)坐標(biāo)系的前提，就要采用零件的設(shè)計(jì)、工藝基準(zhǔn)（面、線、點(diǎn)、圓）等幾何特征的矢量方向與位置來定義零件基準(zhǔn)坐標(biāo)系。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量程序零件坐標(biāo)系的建立過程：第一步如圖4所示，以幾何特征元素圓1與圓2的圓心構(gòu)造出幾何特征元素直線1，對(duì)幾何特征元素直線1的矢量向進(jìn)行Z軸找正，再以定義直線1的坐標(biāo)位置為X軸與Y軸的坐標(biāo)原點(diǎn);第二步如圖5所示，以某個(gè)花鍵側(cè)面的幾何特征元素平面1與平面2先構(gòu)造幾何特征元素中心點(diǎn)1，再以構(gòu)造幾何特征元素直線1的質(zhì)心與中心點(diǎn)1構(gòu)造出幾何特征元素直線2，最后以直線2圍繞直線1矢量方向（Z軸）旋轉(zhuǎn)定義Y軸向。

2.4 零件測(cè)量程序策略

由于每個(gè)花鍵與其他幾何特征表面都需要采集測(cè)量點(diǎn)，而8個(gè)花鍵表面幾何特征元素的測(cè)量，需要8個(gè)測(cè)頭角度才能完成實(shí)現(xiàn)一次零件固定裝夾完成所有零件幾何特征元素尺寸的測(cè)量，為常規(guī)編程方式提高了難度。如何實(shí)現(xiàn)高效快速簡(jiǎn)潔完成零件的測(cè)量，前提要對(duì)被測(cè)零件花鍵軸的圖紙尺寸要求以及零件形狀特性，要有足夠的理解與認(rèn)知，這樣才能找出零件形狀之間的共性，然后通過測(cè)量軟件中的輔助功能（陣列功能），才能合理的規(guī)劃測(cè)量程序路徑，提高被測(cè)量零件的檢驗(yàn)檢測(cè)效率。如圖6所示，前提是在建立坐標(biāo)系之后，以A90/B180測(cè)頭為基礎(chǔ)程序參考，在每個(gè)被測(cè)量面上進(jìn)行測(cè)量點(diǎn)程序的創(chuàng)建，然后把A90/B180測(cè)頭方向所創(chuàng)建的測(cè)量點(diǎn)程序進(jìn)行復(fù)制，設(shè)置陣列角度45°陣列次數(shù)7次進(jìn)行程序陣列。

2.5 幾何特征元素構(gòu)造

零件幾何尺寸的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)分析則是評(píng)價(jià)分析幾何特征元素如平面、直線、點(diǎn)、圓、圓柱、圓錐、球等，而幾何特征元素則是通過N個(gè)測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算擬合形成的，由于花鍵軸零件的測(cè)量根據(jù)零件測(cè)量策略對(duì)零件表面，分不同測(cè)頭角度在每個(gè)被測(cè)量面上進(jìn)行點(diǎn)測(cè)量，無法直接根據(jù)測(cè)量點(diǎn)擬合幾何特征元素，那么我們需要使用測(cè)量軟件中的構(gòu)造幾何特征功能分別把每個(gè)被測(cè)量面的測(cè)量點(diǎn)構(gòu)造出幾何特征元素，如圖7所示構(gòu)造圓柱、平面等幾何特征元素。

2.6 幾何尺寸公差的評(píng)價(jià)

機(jī)械傳動(dòng)零部件花鍵軸相關(guān)的幾何尺寸的評(píng)價(jià)分析重點(diǎn)是評(píng)價(jià)分析花鍵的大小、位置、對(duì)稱度以及裝配軸的外徑大小與同心同軸度。如果按照在編寫測(cè)量程序時(shí)以某一個(gè)花鍵的中心與零件軸線質(zhì)心連線設(shè)定的零件坐標(biāo)系第二軸向，來評(píng)價(jià)分析花鍵的位置，那么評(píng)價(jià)分析出的位置誤差，除了設(shè)定零件坐標(biāo)第二軸向的花鍵位置度符合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求外，另外其余7個(gè)花鍵的位置度由于花鍵的加工過程中，很難保證花鍵之間的角度完全等分，存在一定的加工誤差，導(dǎo)致評(píng)價(jià)分析出的位置度誤差可能不符合圖紙位置度幾何公差要求，而現(xiàn)實(shí)零件裝配過程中又沒有問題，因此根據(jù)當(dāng)前零件基準(zhǔn)與零件坐標(biāo)系評(píng)價(jià)分析出的位置度誤差數(shù)據(jù)將不符合零件的實(shí)際情況。要想真實(shí)評(píng)價(jià)分析出花鍵位置又貼合裝配實(shí)際情況就必須以8個(gè)花鍵的中心點(diǎn)模擬花鍵的實(shí)際裝配過程重新擬合坐標(biāo)后進(jìn)行評(píng)價(jià)分析花鍵的位置度與對(duì)稱度，如圖8所示。

3 結(jié)語

本文以機(jī)械傳動(dòng)零部件花鍵軸為例，闡述了該零件的幾何尺寸檢驗(yàn)檢測(cè)三坐標(biāo)測(cè)量方案，通過測(cè)針型號(hào)的選擇與角度校準(zhǔn)、零件在測(cè)量過程中的裝夾與固定、零件基準(zhǔn)坐標(biāo)系的建立、零件測(cè)量程序策略、幾何特征元素構(gòu)造、幾何尺寸公差的評(píng)價(jià)了解三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)產(chǎn)品零件的測(cè)量過程，同時(shí)闡述了測(cè)量程序的編程技巧、幾何公差尺寸評(píng)價(jià)中的難度與處理方法。同類零件的三坐標(biāo)測(cè)量方案及測(cè)量程序的編程均可參照以上內(nèi)容。

基金項(xiàng)目：2020年江蘇省大學(xué)實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，編號(hào)202013114010Y。