激光跟蹤儀在大尺寸偏心軸測(cè)量上的應(yīng)用

田 永

（常州寶菱重工機(jī)械有限公司，江蘇 常州 213000）

偏心軸是一種外圓與外圓的軸線平行而不重合的工件。偏心軸一般是通過(guò)偏心孔固定在電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸上，在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)做凸輪運(yùn)動(dòng)。為保證機(jī)加工的精度，一般大尺寸的偏心軸在加工過(guò)程中需要多次對(duì)其形位公差進(jìn)行檢測(cè)，特別是偏心軸的平行度和偏心距。大尺寸偏心軸的檢測(cè)一般需要在大型龍門銑床（或者三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)）上進(jìn)行，首先要將偏心軸從臥式車床（或者磨床）上搬運(yùn)到龍門銑床（或者三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)）上，然后找正偏心軸的基準(zhǔn)軸線，僅這一個(gè)環(huán)節(jié)就需要耗費(fèi)大量的時(shí)間。

激光跟蹤儀具有便攜性，#以直接在加工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，使得大尺寸偏心軸在加工過(guò)程中不需要移下機(jī)床就#以快捷測(cè)量。本文以連鑄機(jī)擺剪曲軸為例簡(jiǎn)要介紹激光跟蹤儀在偏心軸測(cè)量上的應(yīng)用。

1 連鑄機(jī)擺剪曲軸介紹

連鑄機(jī)擺剪主要由上下剪刃組成，上下剪刃固定在刀架上，刀架由曲軸帶動(dòng)，曲軸一端聯(lián)接減速機(jī)，如圖1所示。

圖1 正在磨床上進(jìn)行加工的連鑄機(jī)擺剪曲軸

曲軸軸承中心線O，上剪刃軸線O1，偏心距70 mm，下剪刃軸線O2，偏心距90 mm，當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，下剪刃向上運(yùn)動(dòng)，上剪刃在下剪刃框架的滑道內(nèi)向下運(yùn)動(dòng)，由剪刃在滑道內(nèi)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)板坯的剪切[1]。如圖2所示。

圖2 連鑄機(jī)擺剪曲軸示意圖

曲軸在機(jī)加工階段，需要通過(guò)測(cè)量各軸的平行度、軸徑、偏心距等關(guān)鍵指標(biāo)來(lái)驗(yàn)證加工精度，通過(guò)測(cè)量結(jié)果隨時(shí)調(diào)整加工方案，確保制造出合格產(chǎn)品。

2 激光跟蹤儀的簡(jiǎn)介

2.1 激光跟蹤儀的測(cè)量原理

激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)本質(zhì)上是一種球坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)。它測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)的距離及水平和豎直方向的偏轉(zhuǎn)角，從而得到以跟蹤儀測(cè)量中心為原點(diǎn)的目標(biāo)點(diǎn)空間三維坐標(biāo)[2]，如圖3所示。

圖3 FARO Vantage E型激光跟蹤儀及回射目標(biāo)（SMR）

2.2 FARO Vantage E激光跟蹤儀主要技術(shù)參數(shù)

工作范圍：測(cè)距半徑0～35 m；水平旋轉(zhuǎn)角：360°；垂直旋轉(zhuǎn)角：+77.9°～52.1°。

距離測(cè)量精度：16 μm+0.8 μm/m；角度測(cè)量精度：20 μm+5 μm/m[3]。

3 測(cè)量的過(guò)程

被測(cè)偏心軸為連鑄機(jī)擺剪曲軸，長(zhǎng)度在4 m左右，最大的軸徑800 mm，屬于大尺寸偏心軸。本次測(cè)量在加工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，擺剪曲軸正在磨床上加工。

3.1 測(cè)量前準(zhǔn)備

（1）激光跟蹤儀的現(xiàn)場(chǎng)安裝。首先連接FARO Vantage激光跟蹤儀的各種線纜，包括電源線、數(shù)據(jù)線、材料溫度傳感器、無(wú)線網(wǎng)天線等。再次確認(rèn)后打開(kāi)激光跟蹤儀電源開(kāi)關(guān)，進(jìn)入開(kāi)機(jī)自檢階段，整個(gè)開(kāi)機(jī)自檢過(guò)程大概40 min。激光跟蹤儀的擺放位置需要特別注意，根據(jù)激光跟蹤儀的技術(shù)參數(shù)分析#知其測(cè)角誤差大于測(cè)距誤差，所以在等距情況下儀器的旋轉(zhuǎn)角應(yīng)盡量小，必要時(shí)#適當(dāng)增加距離以獲得盡量小的旋轉(zhuǎn)角度。

（2）激光跟蹤儀快速補(bǔ)償。Faro Vantage激光跟蹤儀具有快速補(bǔ)償功能，為保證測(cè)量準(zhǔn)確性，減小測(cè)量誤差，需要在開(kāi)機(jī)自檢完成后進(jìn)行快速補(bǔ)償。快速補(bǔ)償是一種單點(diǎn)補(bǔ)償，所以需要將回射靶球（SMR）放置在工件附近，然后開(kāi)始做快速補(bǔ)償，補(bǔ)償過(guò)程大概5 min。補(bǔ)償完成即#展開(kāi)正式測(cè)量。

3.2 開(kāi)始測(cè)量

首先測(cè)量擺剪曲軸的關(guān)鍵要素，如圖2所示，包括①上剪刃軸；②下剪刃軸；③刀架軸承座軸；④減速機(jī)連接軸。使用激光跟蹤儀自帶測(cè)量軟件CAM2的測(cè)量圓柱功能，完成各關(guān)鍵要素的測(cè)量（如圖4所示），此過(guò)程大概10 min。

圖4 FARO Vantage激光跟蹤儀CAM2測(cè)量軟件的測(cè)量界面

此過(guò)程需要注意三點(diǎn)：①為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，每個(gè)圓柱需要采集13個(gè)以上點(diǎn)位；②三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)或激光跟蹤儀測(cè)量大半徑小圓弧的圓柱時(shí)誤差較大，所以應(yīng)盡#能測(cè)量超過(guò)半圓的大圓弧，減小圓柱擬合誤差；③為方便觀察各圓柱軸線平行度，對(duì)于長(zhǎng)軸距圓柱，我們?cè)谠搱A柱兩端分別測(cè)量一個(gè)短軸距圓柱，即上剪刃軸1的左右兩側(cè)分別測(cè)量一個(gè)短圓柱，下剪刃軸2的左右兩側(cè)分別測(cè)量一個(gè)短圓柱，刀架軸承座3的左右兩側(cè)分別測(cè)量一個(gè)短圓柱。

3.3 建立坐標(biāo)系

測(cè)量完成，下一步建立坐標(biāo)系。以刀架軸承座軸3（左端）和3（右端）軸心連線作為基準(zhǔn)軸線，將此基準(zhǔn)軸線作為進(jìn)階坐標(biāo)系第一特征，其軸線方向定為Z軸。再選取上剪刃軸1上一輔助加工平面作為坐標(biāo)系第二特征，其法線方向定為X軸。將刀架軸承座軸3（左端）的軸心定義為坐標(biāo)系原點(diǎn)。一個(gè)進(jìn)階的坐標(biāo)系由此建立完成，如圖5所示。

圖5 進(jìn)階坐標(biāo)系的示意圖

此過(guò)程需要注意，坐標(biāo)系必須是進(jìn)階的，且必須是把基準(zhǔn)軸線作為第一特征。另外輔助平面必須是偏心軸上的加工面，且其法線方向與基準(zhǔn)軸線垂直。

3.4 數(shù)據(jù)分析

已知各偏心軸兩端坐標(biāo)值（如圖6）分別為：①上剪刃軸（左）：X=0.013 mm，Y=-70.056 mm；上剪刃軸（右）：X=0.002 mm，Y=-70.053 mm。②下剪刃軸（左）：X=0.037 mm，Y=90.061 mm；下剪刃軸（右）X=0.020 mm，Y=90.022 mm。通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算得出，上剪刃軸x軸方向平行度為0.013-0.002=0.011 mm，Y軸方向平行度為70.056-70.053=0.003 mm，偏心距為70.056～70.053 mm區(qū)間范圍。下剪刃軸X軸方向平行度為0.037-0.020=0.017 mm，Y軸方向平行度為90.061-90.022=0.039 mm，偏心距為90.061～90.022 mm區(qū)間范圍。

圖6 各軸的軸心坐標(biāo)值示意圖

4 總結(jié)

此次測(cè)量耗時(shí)如下：①設(shè)備安裝，開(kāi)機(jī)熱檢50 min，②快速補(bǔ)償5 min，③測(cè)量10 min，④建立坐標(biāo)系，數(shù)據(jù)分析5 min。從設(shè)備安裝到完成數(shù)據(jù)分析不超過(guò)70 min。綜上，使用激光跟蹤儀測(cè)量大尺寸偏心軸，不但顯著節(jié)省了測(cè)量時(shí)間，還很直觀地把測(cè)量數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給測(cè)量人員，極大地縮短了制造周期，縮減了制造成本。但是本次測(cè)量也存在著以下問(wèn)題：①震動(dòng)對(duì)儀器的測(cè)量精度不#避免存在一定影響，所以，在測(cè)量過(guò)程中應(yīng)盡量減少現(xiàn)場(chǎng)的行車或其他震源對(duì)測(cè)量工作的干擾。②環(huán)境溫度的影響，機(jī)加工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，溫度波動(dòng)大，在測(cè)量過(guò)程中務(wù)必使用材料溫度傳感器時(shí)刻監(jiān)測(cè)工件溫度，并進(jìn)行溫度補(bǔ)償;③激光跟蹤儀的精度與距離和角度有直接關(guān)系，因此，激光跟蹤儀的擺放位置應(yīng)本著距離近，旋轉(zhuǎn)角度小的原則。這些都是在以后的測(cè)量過(guò)程中需要注意的重點(diǎn)。