不完整球类零件直径与球心定位误差的测量

不完整球类零件直径与球心定位误差的测量

袁中隆

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摘要：针对实际生产中由于加工试件及其他因素造成的不能测量到整个球，需要在一定角度范围内的球面上进行取值测量的情况，研究三坐标测量机在不同测量角度下测得的球度、直径及球心位置的偏差，结合试验数据分析，得到测量不完整球类零件各项精度指标的最小测量角度。

关键词：测量；不完整球类；误差

三坐标测量机是一种先进的高精度测量设备，其测量范围广、精度高、效率高且通用性强，具备高精度的测头系统自校准功能，具有温度补偿系统，可以完成不同环境条件下的测量，保证测量数据准确可靠，可以进行多方位、多角度的测量来满足实际应用需求。目前被广泛应用于机械制造、汽车制造和航空航天等领域，可以完成机械零件的几何尺寸、几何公差测量。随着机床加工零件的复杂性和精度要求越来越高，不完整球类零件的精密测量需求也逐渐增多，但是由于现阶段利用三坐标测量机等进行不完整球类零件测量存在数值稳定性差、数值误差大以及测量困难等问题，因此给现场检测带来相当大的困扰。下面研究利用三坐标测量机检测不完整球类零件直径和球心的方法。

一、三坐标测量机测量球类零件原理

三坐标测量机测量球类零件的原理是通过测量球面不同位置的点的三个坐标值，再通过测量软件的拟合计算将其拟合成球面，然后评价球面的几何形状误差。通常情况下，三坐标测量机采用的拟合方法包括最小二乘拟合、最小间隔拟合和最小外接拟合等方法，其中应用最多的是最小二乘拟合法[1]。本次不完整球类零件的检测采用最小二乘拟合法进行球面拟合。

二、小角度球测量试验

（一）测量设备的选择

选用莱兹PMM121010I型三坐标测量机，示值误差为（0.8+L/400）mm，其中L为坐标机测头运动距离，重复性0.0015mm。

（二）测试件的选择

试验所用标准球直径实测值为54.999mm和29.996mm，将标准球放置于三坐标恒温测量间进行恒温，恒温时间不低于8h。

（三）测针的选择

在选择测针组合时，主要考虑测针的长度、测球的直径及当前具备的测针和测球组合情况，也要考虑实际经济状况。由于测杆长度与测量误差成正比，因此测杆长度越长，测量误差越大。测头直径应该尽可能选大一些，这样不但可以增大测球和测杆之间的距离，还可以减少测针的碰撞，以及减少因被测工件表面粗糙度而引入的测量误差。在满足测量要求的情况下，测针直径越大越好，测杆长度越短越好，探针组合越简单、连接杆越少越好。本次试验测量直径为54.999mm的球时，选用测杆长度为80mm，测针直径为5mm；测量直径为24.996mm的球时，选用测杆长度为40mm，测针直径为3mm。

（四）测头的校准

测头的校准是保证测量精度的基础。应选用一定的测力和测速进行校准，同时选用合适的探测距离，以保证校准精度。选择探针测头文件，调出校验探针测头程序，选择所需角度，用标准球进行三维校验。不低于25个探测点测量精密标准球，探测点分布均匀。用全部25个测量值计算出最小二乘球的中心，并计算出各点径向距离，最大径向距离与最小径向距离之差应满足给定的MPEP值。

（五）温度补偿

对被测工件做温度补偿，使工件与三坐标测量温度保持一致，减小因为测量温度变化对测量结果的影响。三坐标测量机采用实时的温度补偿系统。传感器可以实时地感知当前环境的实际温度，并将数据传输给三坐标控制系统和测量软件，软件根据当前的环境、工件表面温度和选定材料的热膨胀系数，在计算实际检测尺寸时，将温度变化引起的产品尺寸变化考虑在评价结果内。

（六）坐标系建立

在被测球上左右两侧手动采A、B两点，构造一条直线X，再手动测量球，确定球心位置，将直线X确定为X轴方向，球确定为圆心位置。建立坐标系CSY（1）后，再自动测量一次球，将自动测量的SPHERE（4）确定为圆心位置，再次建立坐标系CSY（2）[2]。

（七）小角度球测量

完成坐标系的建立后，对被测球进行不同角度的测量。因为是对整个上半球的测量，所以开始与结束角度为0°和360°，Zvalue为测量移动点位置，ProbeDiameter为测球直径。由于QUINDOS6操作系统中测量球的点数是根据填入的层数软件自动计算得到的，因此需要改变测量层数来保证测量过程既能满足测量精度要求，又能保证高效率地工作。在50°以上角度测量时，测量层数为6；在50°以下角度测量时，测量层数为5。层数的确定要根据实际情况。自动生成测量点后，在当前坐标系下可以在不同方向看到每一个理论点和移动点的具体数值。按照相同方法，将两组测量程序分别执行完毕，记录下每一个测量结果。

三、测量数据分析验证

直径为54.999mm球进行测量，角度为60°、70°时，测量被测球球心坐标更接近坐标原点，球度值更小，测得的直径值更接近于球的真实直径值；角度为20°～50°时，被测球球心坐标偏差在0.005mm内，球度值更大，测得的直径值与球的真实直径值相差0.002mm，相对变化较小。角度为40°～90°时，测量被测球球心坐标更接近坐标原点，球度值相对较小，测得的直径值更接近于真实直径值；角度为30°时，被测球球心坐标偏差在0.002mm内，球度值与40°～90°时的测量结果相近，测得的直径值与真实直径值相差0.004mm，相对变化较小；角度为20°时，被测球球心坐标偏差在0.006mm内，球度值与30°～90°时的测量结果相近，测得的直径值与真实直径值相差0.015mm，相对变化较大；角度为10°时，被测球球心坐标偏差较大，远远偏离坐标原点，球度值远大于20°～90°时的测量结果，直径变化相对较大，测得的直径值与真实直径值相差接近0.015mm。

试验结果表明，两个被测球测量角度为10°时，球心坐标、球的直径及球度误差均相对较大，对于测量结果有较大影响；两个被测球测量角度为20°～30°时，球心坐标误差相对较小，球的直径和球度误差较大，对于测量结果具有一定影响[4]；直径为24.996mm球测量角度为40°～90°时，球心坐标、球的直径及球度误差均相对较小，对于测量结果影响相对较小。直径为54.999mm球测量角度为40°～70°时，球心坐标和球的直径误差相对较小，测量角度为40°、50°时，球度误差较大。

四、结束语

磨削加工在机械加工中占有相当重要的位置。对于淬火后工件表面的加工有较高的尺寸精度和表面粗糙度要求，主要是靠磨削来保证。产生磨削裂纹的原因是复杂的，因素很多，例如材料的物理性能、化学成分、毛坯缺陷、热处理不当及加工方法不当等，都会在磨削时导致裂纹的产生。磨削裂纹的产生是因为磨削热所致，所以降低磨削热是解决磨削裂纹的关键。应该从选用合适粒度的磨削砂轮、合理的磨削参数及最佳的冷却系统入手，来减少磨削加工裂纹带来的负面影响。

五、参考文献：

[1]姜作敬.机械制造工艺学[M].武汉：华中理工大学出版社，1989.

[2]曹聿，严绍华.金属工艺学[M].北京：中央广播电视大学出版社，1986.