王偉

摘 要：本文將三坐標(biāo)與傳統(tǒng)測(cè)量同軸度的方法進(jìn)行了比較，深入分析三坐標(biāo)測(cè)量同軸度的影響因素，并在原有軟件評(píng)價(jià)同軸度指令和已有公共軸線方法的基礎(chǔ)上，對(duì)公共軸線的建立方法進(jìn)行了總結(jié)，并提出了直線度法和求距法間接判斷零件的同軸度。

【關(guān)鍵詞】同軸度 公共軸線 基準(zhǔn) 求距法

在我公司生產(chǎn)的印鈔造幣機(jī)械中，需要測(cè)量許多零件的同軸度，如J98機(jī)的滾筒體、YBW150機(jī)身等重要零件中，對(duì)一些孔的同軸度都有較高要求。因此能否準(zhǔn)確地測(cè)量出這些零件的同軸度，對(duì)以后相應(yīng)軸的順利裝配和整機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)都有著一定的影響。下面結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，講述一下如何根據(jù)零件的不同特點(diǎn)，靈活運(yùn)用三坐標(biāo)來測(cè)量同軸度。

1.三坐標(biāo)測(cè)量同軸度與傳統(tǒng)測(cè)量方法的比較

1.1.傳統(tǒng)方法測(cè)量同軸度的原理

由同軸度定義可知，同軸度分為點(diǎn)的同心度和線的同軸度兩種。同心度的公差帶是直徑為公差值φt且與基準(zhǔn)圓心同心的圓內(nèi)的區(qū)域，同軸度的公差帶是直徑為公差值φt的圓柱面內(nèi)的區(qū)域，且該圓柱面的軸線與基準(zhǔn)軸線同軸。因此在測(cè)量同軸度時(shí)，可根據(jù)零件的特點(diǎn)，采用形位公差檢測(cè)原理中的測(cè)量坐標(biāo)值原理、控制實(shí)效邊界原理或測(cè)量跳動(dòng)原理，借助各種綜合量規(guī)或輔助工具，如心軸、杠桿表、V形架、花崗巖平板等。

如采用控制實(shí)效邊界原理測(cè)量同軸度，使用綜合量規(guī)檢驗(yàn)。但用綜合量規(guī)測(cè)量無法得出確切數(shù)值，且需要針對(duì)不同的零件制作單獨(dú)的綜合量規(guī)，費(fèi)用較高。采用測(cè)量跳動(dòng)原理測(cè)量同軸度，被測(cè)實(shí)際要素繞基準(zhǔn)軸線回轉(zhuǎn)一周的過程中，被測(cè)實(shí)際要素的形狀和位置誤差使位置固定的指示表的測(cè)頭移動(dòng)，因此該方法適用于測(cè)量形狀誤差較小的零件。

1.2.三坐標(biāo)的測(cè)量原理

使用三坐標(biāo)測(cè)量基準(zhǔn)要素的軸線，再測(cè)量被測(cè)實(shí)際要素的軸線，然后計(jì)算出被測(cè)實(shí)際要素的軸線對(duì)基準(zhǔn)要素軸線的同軸度誤差值。在測(cè)量點(diǎn)的同心度時(shí)，使用測(cè)量坐標(biāo)值原理，通過測(cè)量被測(cè)要素圓心與基準(zhǔn)要素圓心的距離來計(jì)算同軸度誤差值。

2.影響三坐標(biāo)測(cè)量同軸度的因素

在使用三坐標(biāo)測(cè)量同軸度過程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)測(cè)量結(jié)果誤差大，重復(fù)性差的現(xiàn)象，究其原因，同軸度的測(cè)量主要受以下三個(gè)方面因素的影響：

2.1.軟件中同軸度評(píng)價(jià)指令的局限性：

例如下面的圖（1），在測(cè)量滾筒時(shí)，φ209孔對(duì)φ212孔有同軸度的要求。

如圖（2），在基準(zhǔn)圓柱φ212上測(cè)量?jī)蓚€(gè)截面圓，其圓心的連線作基準(zhǔn)軸，在被檢圓柱φ209上測(cè)量一個(gè)截面圓，然后計(jì)算同軸度誤差。假設(shè)基準(zhǔn)圓柱φ212的第二截面圓的圓心位置與第一截面圓的圓心位置有2μm的測(cè)量誤差，基準(zhǔn)圓柱φ212上兩截面圓在軸線方向的距離為70mm，基準(zhǔn)圓1與被測(cè)圓1之間的距離為910mm，這樣，當(dāng)基準(zhǔn)軸線到達(dá)被測(cè)圓1面時(shí)已偏離（0.002×910/70=0.026mm）。由此可見如果直接用軟件中同軸度評(píng)價(jià)指令，評(píng)價(jià)相鄰較遠(yuǎn)的短孔的同軸度時(shí)，由于距離放大作用，使得測(cè)量結(jié)果誤差大，重復(fù)性差，測(cè)量結(jié)果不能反映實(shí)際情況。

在實(shí)際測(cè)量中可通過盡可能地增加基準(zhǔn)截面間的距離，在測(cè)量基準(zhǔn)要素時(shí)，若第一截面與第二截面的距離加大，誤差干擾比例將成正比減小。若基準(zhǔn)足夠長(zhǎng)，同時(shí)基準(zhǔn)與被檢截面相鄰，則測(cè)量機(jī)不確定度的影響就可以忽略不計(jì)了。

2.2.基準(zhǔn)的選擇對(duì)同軸度測(cè)量的影響：

如圖（3）為輸紙機(jī)機(jī)架的I側(cè)橫幫側(cè)視剖面圖，測(cè)量上下兩個(gè)孔的同軸度，由于兩個(gè)孔只有10 mm深，只能測(cè)量圓，即采用測(cè)量坐標(biāo)值原理計(jì)算出這兩個(gè)孔的同心度誤差值。

2.3.零件變形的影響

零件在加工時(shí)是處于受力狀態(tài)，而在測(cè)量時(shí)可以說零件是處于自然狀態(tài)。對(duì)一些焊接件及薄壁件來說，不僅影響同軸度的測(cè)量，對(duì)其它尺寸和形位公差的測(cè)量也有影響。當(dāng)工件重達(dá)幾噸時(shí)，如果工件放在一個(gè)平面度不好的臺(tái)面上測(cè)量，其自身的重力就足以引起一定量的變形。因此在測(cè)量時(shí)，零件的安裝固定要合理，以減少零件變形對(duì)測(cè)量的影響。

3.三坐標(biāo)測(cè)量同軸度的方法

通過幾年來在三坐標(biāo)工作的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，我在公共軸線方法和原有軟件評(píng)價(jià)同軸度指令的基礎(chǔ)上，對(duì)公共軸線的建立方法進(jìn)行了總結(jié)，并提出了直線度法和求距法間接判斷零件的同軸度。通過采用不同的測(cè)量方法，擴(kuò)大三坐標(biāo)的測(cè)量能力，并在實(shí)際中得到很好的應(yīng)用。

其中公共軸線法和直線度法測(cè)量的基本思路都是模擬出一個(gè)假想的心軸，將這個(gè)假想心軸裝入兩孔后，分別與兩孔的軸線相互比較。求距法對(duì)關(guān)聯(lián)要素基準(zhǔn)面的要求較高，如果零件關(guān)聯(lián)要素基準(zhǔn)面變形較大則不能使用這種方法。

3.1.使用測(cè)量軟件中評(píng)價(jià)同軸度的指令

QUINDOS測(cè)量軟件中評(píng)價(jià)同軸度的指令為COAXTY。這種方法在測(cè)量相鄰較遠(yuǎn)的短孔的同軸度時(shí)，由于測(cè)量機(jī)本身的誤差對(duì)測(cè)量同軸度有影響，產(chǎn)生距離放大作用，使得測(cè)量誤差很大，測(cè)量結(jié)果不能反映實(shí)際情況。

3.2.公共軸線法

把在被測(cè)要素和基準(zhǔn)要素上測(cè)得的圓或圓柱的中心收集起來，連接成為公共軸線，作為其同軸度的評(píng)價(jià)基準(zhǔn)，然后分別計(jì)算基準(zhǔn)圓柱和被測(cè)圓柱對(duì)公共軸線的同軸度，取其最大值作為該零件的同軸度誤差值。這條公共軸線近似于一個(gè)模擬心軸，采用控制實(shí)效邊界原理，并根據(jù)要素的功能要求對(duì)測(cè)量結(jié)果使用包容原則或最大實(shí)體原則判斷是否合格。建立公共軸線的兩種方法：

一是使用指令COLPTS將兩個(gè)圓柱軸線的中點(diǎn)收集起來；二是將每個(gè)圓柱改為測(cè)量多個(gè)橫截面上的圓，再使用指令COLPTS將這些圓的圓心收集起來。

3.3.直線度法

在被測(cè)要素和基準(zhǔn)要素的截面上測(cè)量幾個(gè)圓，然后將這幾個(gè)圓的圓心連接起來，計(jì)算出直線度，并采用包容原則，即應(yīng)用最大實(shí)體邊界來限定被測(cè)要素的實(shí)體。例如圖（1）中，兩個(gè)孔對(duì)軸配合精度要求較高，由于同軸度誤差的影響，容易造成過盈偏大，因此隨著孔的實(shí)際尺寸偏離其最大實(shí)體尺寸的程度不同，允許有相應(yīng)的同軸度誤差，這樣可以保證配合的性質(zhì)。

3.4.求距法

改測(cè)同軸度為測(cè)量同心度，通過測(cè)量被測(cè)要素與基準(zhǔn)要素距離來計(jì)算同心度誤差值。求距法在計(jì)算距離時(shí)將要素其投影到一個(gè)平面上來計(jì)算，因此這種方法要求零件的關(guān)聯(lián)要素基準(zhǔn)要好，被測(cè)要素和基準(zhǔn)要素到關(guān)聯(lián)要素基準(zhǔn)的距離有較高的公差要求。

4.工件分類

由于三坐標(biāo)測(cè)量的多是孔類零件的同軸度，因此我們根據(jù)工件特點(diǎn)將工件分為短孔短距、短孔長(zhǎng)距、長(zhǎng)孔短距和長(zhǎng)孔長(zhǎng)距四種類型，并結(jié)合各種測(cè)量方法，通過總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及測(cè)量數(shù)據(jù)，制定了以工件類型分類的測(cè)量方案表：

5.測(cè)量方法的數(shù)據(jù)比較

5.1.長(zhǎng)孔長(zhǎng)距類型的測(cè)量數(shù)據(jù)比較

現(xiàn)只列舉測(cè)量J98機(jī)滾筒體的例子，由于機(jī)械使用性能的需要，背壓膠皮滾筒要求做成滾筒體為鑄件而軸為鋼件的組合件，其孔與軸為過盈配合。如果滾筒體兩端孔的同軸度不好，則在將軸壓入滾筒體的過程中，滾筒體會(huì)有開裂現(xiàn)象，導(dǎo)致零件報(bào)廢，因此需要準(zhǔn)確的判斷滾筒體的同軸度是否合格。從尺寸上可以將背壓膠皮滾筒歸為長(zhǎng)孔長(zhǎng)距類型，由于探頭及探針的限制，φ209孔和φ212兩孔只能測(cè)量70mm深，表（二）列舉了兩個(gè)背壓膠皮滾筒的測(cè)量數(shù)據(jù)。

由上面的測(cè)量數(shù)據(jù)表可以看出，由于軟件中同軸度評(píng)價(jià)指令的局限性，如直接用孔做基準(zhǔn)軸，評(píng)價(jià)的結(jié)果大大超出公差要求；而用第一種方法建立公共軸線評(píng)價(jià)出來的結(jié)果一般都在0.01mm以內(nèi)，這是因?yàn)榈谝环N方法是用兩個(gè)圓柱的中點(diǎn)建立公共軸線，縮短了被評(píng)價(jià)圓柱的長(zhǎng)度。第二種方法分別用兩個(gè)圓柱的端點(diǎn)建立公共軸線，評(píng)價(jià)出來的結(jié)果能比較全面地反映出所測(cè)范圍內(nèi)的情況。而采用直線度法也能從側(cè)面間接的判斷同軸度。通過觀察將軸壓入滾筒時(shí)的情況，及壓入過程中壓力表反應(yīng)出的壓力大小，驗(yàn)證了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)該零件在機(jī)器上的運(yùn)轉(zhuǎn)情況穩(wěn)定。

5.2.求距法的應(yīng)用

例如輸紙機(jī)上的支座，兩端φ34孔有同軸度要求，且孔到基準(zhǔn)面有較高公差要求，該零件兩端φ34孔相距較遠(yuǎn)，無法從一個(gè)方向一次加工完成，必須使用轉(zhuǎn)臺(tái)或分次裝夾。這時(shí)加工者先對(duì)兩孔進(jìn)行粗鏜，留0.5mm的余量，然后送三坐標(biāo)測(cè)量，由三坐標(biāo)按求距法，測(cè)量給出兩孔對(duì)基準(zhǔn)面的偏差值，然后加工者根據(jù)提供的偏差數(shù)據(jù)，對(duì)孔位置進(jìn)行修正后再加工至尺寸。

參考文獻(xiàn)：

[1]《形狀和位置公差》 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社 1990

[2]《QUINDOS軟件使用手冊(cè)》 Leitz 1992

[3]《機(jī)械設(shè)計(jì)》高等教育出版社 1989