数控加工零件同轴度检测探讨

摘要：三坐标测量机（CMM）是一种多功能精密计量设备。利用三坐标测量机进行数控加工零件形位公差检测，直接又方便，测量结果精度高，免去了常规方法检测用具的设计与制造所需的时间和费用，大幅度降低了生产成本，缩短了生产周期。在三坐标测量机检测应用越来越普及化、通用化的同时，也伴随着一系列测量疑问，本文针对测量中常见的测量难点同轴度的评估进行剖析。它以实践应用为出发点，探讨同轴度检测的最佳解决方案。

关键词：BQC1680三坐标测量机 测量软件RationalDMIS 同轴度 检测 测量方法 评估

同轴度检测是我们在测量数控加工零件中经常遇到的问题，实际使用三坐标测量机测量同轴度工作中，由于测量方法不当，有时会出现测量结果误差大，重复性差的现象。导致合格品误检为不合格品，使不合格品误检为合格品，本文将对此问题的成因进行深入分析，并提出具体可行的解决方案。

在国家标准中，轴线的同轴度公差的定义为：公差带是直径为Øt的圆柱面内的区域，该圆柱面的轴线与基准轴线同轴(如图1)。简单理解就是：零件上要求在同一直线上的两根轴线，它们之间发生了多大程度的偏离，两轴的偏离通常是三种情况（基准轴为理想的直线）的综合——被测轴线弯曲、被测轴线倾斜和被测轴线偏移。它有以下3种控制要素: a、基准轴线的建立；b、被测物体轴线的建立；c、考虑实际工作或者装配要求作变通处理。

一、三坐标检测数控加工零件同轴度公差的常用方法

在常规情况下，三坐标检测同轴度公差方法如下：a、建立坐标系。也是基准的建立，应根据零件的技术要求，即图纸来确定。建立坐标系可以使用测量软件RationalDMIS中“快速3-2-1法”等方法。b、测量基准圆柱和被测圆柱。测圆柱，通常是采集两个截面圆，每个截面圆至少6个点，软件自动拟合出这两个圆柱。采集圆柱表面一系列的点，应注意，测量应该尽可能的在全长范围内均匀分布,测量点也尽量多分布些。 c、评价同轴度公差大小，一般是由系统自动计算评价。

按照上述方法测量同轴度时，测量结果有时会偏离理论值较大，特别是被测元素与基准元素相距很远，被测端面长度又比较短时，误差会很大，重复性也不好。

二、误差问题原因分析

a、 测量基准方面的问题

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，比如我们所测量的圆柱，是一个具有一定的圆柱度误差，有一定的方向矢量的圆柱。我们注意到：

⑴如果采集的点数太少，将不能很全面的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，以此建立的基准将于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。

⑵当基准元素的形状误差，即圆柱度误差较大时，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，形成如图所示的圆心0，当增加左下方45度方向的两个点时 ，圆点将可能向左下方移动到 0 ’，轴线产生偏离。

⑶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。如果只采集两端面的两个截面，我们得到的轴线为图示虚线方向，如果增加一个中截面，其轴线则变为实线方向如（图3）。事实上，如果截面越多，将越逼近理想位置。

b、 被测元素如果离基准元素比较远，则误差会被成倍数的放大。也就说，存在一个基准延长的问题，如（图4），基准A如果建立无误（理想情况），为途中短虚线，被测元素此时与基准A相通，而假设其右端截面圆由于各种因素，如轴线形状弯曲、扭曲、折线、倾斜等，以及可能出现的测量上偶然因素的影响，偏离了此时的位置约为0.006mm，假设L=10L1，则基准延长到L2时，已经偏离了约0.006×10=0.06mm，从而使得同轴度增加0.06×2=0.12mm，由此，同轴度有可能因此而超差。

图1 图2 图3 图4

三、 同轴度问题解决方案探讨

针对以上问题，笔者探讨了解决的方法，以供在实际测量中运用。

a、增加截面数，同时增加每一个截面的点数。

资料证明，当一个截面的点数超过80个以上时，点数的影响才可以忽略。当然，在实际的测量工作中不可能去采如此之多的点（虽然能够做到），但增加截面数和点数，将无限逼近被测元素的实际形状，无疑减小了测量的误差。

b、用公共轴线作为基准轴线

当基准圆柱与被测圆柱较短且距离较远时，可以采用公共轴线作为基准轴线的方法，在基准圆柱和被测圆柱上测中间截面，取中截面连线作为基准轴线，然后分别计算基准圆柱和被测圆柱对基准轴线的同轴度，取其最大值作为该工件的同轴度误差。采用此方法时，其基准变长了，对应的误差值也就相应减小了。不过，这种方法也是不足的，其风险在于缩小了实际可能比较大的误差，将不合格的工件误判为合格如（图5）。

c、 变通处理——该测同轴度为测直线度

在被测元素和基准元素上多采几个截面圆，然后用圆心构造出一条3D曲线，近似将其当成一条直线，然后评价其直线度，直线度的两倍就是同轴度公差的大小。这种方法，圆柱越短，效果越好，因为这种情况下轴的倾斜对装配影响很小，而轴心偏移对装配影响较大。轴心偏移的测量，实际就是测量轴心连线的直线度如（图6）。

除了上述三种比较常见的同轴度测量方案外，还有很多其他变通的检测方法，这里就不一一列举了。在实际检测应用中，对比前三种测量方案，一般选用3号方案更加精确合理化。下面我们就用BQC1680三坐标测量机和量软件RationalDMIS逐步实现3号方案的测量，过程以面(图7)的简单工件为例子演示。

图5 图6 图7

a、 构建测头与测头角，并完成所有角度标定。

根据被测元素分布的位置构建出测量需要的测头，如上图我们就检测同轴度时就需要构造两个角度，分别为ROOTSN1 A90B90和ROOTSN1 A90B-90,具体构建以及标定步骤参考《RationalDMIS测量基础运用》。

b、 构建出零件坐标系。

建立坐标系选用快速3-2-1法，即测量面、线、点三要素进行构建，其中线最好选择基准圆柱的轴线为坐标系参考线。

c、 测量基准圆柱与被测圆柱上的截面圆。

测量界面切换至测整圆，这边我们让每个圆柱测量3个截面圆，共计6个。

d、 圆心构造拟合成一共同圆柱轴线。

测量软件RationalDMIS切换至“构造”界面，选择“拟合”构造，然后将上述6个圆拖放至对应窗口，然后结果元素窗口选择直线并点击“添加结果” 即可。

e、 计算圆柱轴线的直线度，间接得到同轴度大小。

测量软件RationalDMIS切换至“公差”界面，选择“直线度”公差，然后将构造出的圆柱轴线拖放至对应窗口，在对应结果窗口就可以读出直线度公差大小，直线度的两倍就是同轴度公差的大小。如此一来，测量同轴度结果精准，误差会较小，重复性也好。

四、结束语

经多次实践总结同轴度测量方法应注意以下3点，数控加工零件同轴度检测结果会更加准确。

1.当被测孔（轴）和基准孔（轴）为一刀加工完成时，可以建立公共轴线（那么建立公共轴线的2个圆就要尽量靠近两端，这样拟合的轴线就会最大包容这个柱体）；然后让被评价的圆柱与拟合的公共轴线进行评价。

2.当被测孔（轴）和基准孔（轴）不是一刀加工完成时，则需要将坐标系建在基准圆投影在端面山的位置。然后测量被评价柱体的多个截面。求这些截面在该工作平面内的最大偏差。然后将得到的数值乘以二即为最终的同轴度误差。

3.作为基准的元素应当精度要求尽量高，长度尽量长，特别是表面粗糙度、圆度、柱度要尽量好，以增加基准的准确性。

参考文献：

[1]《RationalDMIS 软件操作手册》 杭州博洋科技有限公司

[2]《极限配合与技术测量基础》 第三版 中国劳动社会保障出版社

论文数控加工零件同轴度检测探讨