三坐标测量怎么测同轴度？

同轴度是机械产品检测中常见的一种形位公差项目。

同轴度是定位公差的一种,理论正确位置即为基准轴线。由于被测轴线对基准轴线的不同点可能在空间各个方向上出现,故其公差带为一以基准轴线为轴线的圆柱体,公差值为该圆柱体的直径,在公差值前总加注符号“”。同轴度公差是用来控制理论上应同轴的被测轴线与基准轴线的不同轴程度。

对于规则轴类零件,一般可采用V型支架、钢球加杠杆百分表或偏摆仪等专用检具及组合辅具来检测同轴度;对于箱体孔类零件,一般可采用芯轴加杠杆百分表或利用圆度仪来检测同轴度。但对于一些大型零部件(如机床主轴等)或不规则轴类零件以及箱体零件的不规则内孔,采用常规方法测量同轴度则很难实现或非常麻烦。

同轴度用常规工具比较难测,在日常工作中常用测量跳动的方法代替。测量跳动的方法一般是用偏摆仪顶住两个中心孔或者用车床夹持,这样旋转零件,看百分表(或千分表)的数值。如图1所示,d168.4g6为基准A,要求测量d155n6对基准A的同轴度d0.05。将最左端夹在车床卡盘上,在顶尖部用百分表先打基准找正,再将表移至d155n6端,观察此时表的读数差值,即为同轴度值。

同轴度检测是我们在测量工作中经常遇到的问题,此时,用三坐标测量机(CMM)来测量同轴度是一种不错的选择。CMM测量同轴度的最大特点是无须转动工件,无须专用芯轴或专用支架,无须机械找正,只需用测头探针对工件取点采样,即可快速输出测量结果。用三坐标进行同轴度的检测不仅直观且又方便,其测量结果精度高,并且重复性好。经过思考总结了一些关于同轴度测量的内容。

1 关于基准

通常,基准是一个具有确定方向的直线,但基准是由实际要素来确定的,是一个理想要素。三坐标计算法为最小二乘法,这是因为计算机可以自动根据公式进行计算,比较方便,但不符合国标的规定,即不符合最小条件的评定原则。三坐标建立基准轴线,是通过采集一定数量的点,然后按照一定的计算公式和评价方法,对采集的点进行处理,最终生成一个基准元素。

a)如果采集的点数太少,将不能很全面地反映被测圆柱的实际特征,即直径、方向矢量、圆柱度误差等,从而,以此建立的基准将与实际要素的理想轴线有偏离,从而导致被测元素的同轴度误差增大,这个是通过图形文本反应出来的。

b)另外一个方面,当基准元素的形状误差,即柱度误差较大时,将产生很大的影响。一方面由于采集的点数有限,如果圆柱度误差大,则意味着每增加一个点,计算机计算生成的圆柱轴线方向矢量将与前者产生大的偏离,由此,再来测量被测元素的同轴度,也将产生很大的偏差。如图2,为一个截面的采点情况,假设原来均匀采四个点,沿坐标方向,形成如图2所示的圆心O,当增加左下方45°方向的两个点时,圆点将可能向左下方移动到O′,从而轴线产生偏离。

c)再者,截面数太少也会影响方向矢量。一个圆柱如果只采集两端的两个截面,则不能反映中间截面的情况,从而使得轴线产生较大的偏离。事实上,如果截面越多,将越逼近理想位置。当然,在实际测量中,不可能测量很多截面,而且中间位置很难测到。

2 用三坐标测量同轴度的方法

对于基准圆柱与被测圆柱(较短)距离较远时不能用测量软件直接求得,通常用公共轴线法、直线度法、求距法求得。

2.1 公共轴线法

在被测元素和基准元素上测量多个横截面的圆,再将这些圆的圆心构造一条3D直线,作为公共轴线,每个圆的直径可以不一致,然后分别计算基准圆柱和被测圆柱对公共轴线的同轴度,取其最大值作为该零件的同轴度。这条公共轴线近似于一个模拟心轴,因此这种方法接近零件的实际装配过程[1]。

2.2 直线度法

在被测元素和基准元素上测量多个横截面的圆,然后选择这几个圆构造一条3D直线,同轴度近似为直线度的两倍。被收集的圆在测量时最好测量其整圆,如果是在一个扇形上测量,则测量软件计算出来的偏差可能很大。

2.3 求距法

同轴度为被测元素和基准元素轴线间最大距离的两倍。即用关系计算出被测元素和基准元素的最大距离后,将其乘以2即可。求距法在计算最大距离时要将其投影到一个平面上来计算,因此这个平面与用作基准的轴的垂直度要好。这种情况比较适合测量同心度[2]。

3 实际应用

如图3,在被测工作截面较短的情况下,可用改测直线度以替代同轴度的变通方法。因为这种情况下轴的倾斜对工件装配影响较小,而轴心偏移对工件装配影响较大,测量轴心偏移实际上就是测量轴心连线的直线度。具体实现方法为:分别在两个小圆柱上测量n个截面圆,然后选取这n个圆的圆心拟合一条三维直线,该直线的直线度可近似替代同轴度(同轴度=2×直线度)。工作截面越短,该方法效果越好,并且可很方便地制作一个综合量规来验证该方法的准确性。如图4所示,要求两端部相对轴线的同轴度为d0.03,直接手动测量两侧圆柱或者通过构造两圆柱,构建轴线,算出与轴线的距离,乘以2就是同轴度值。

如图5所示,两D80的孔左侧为基准A,要求右侧孔相对基准同轴度D0102,此时只能分别测头A90B9,A90B180两方向测量,建立公共轴线,求右侧孔对基准的同轴度,直接评价即得结果。

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