浅析三坐标测量机测量圆柱度的方法

曾宇

摘要：由于某型号舵机的零部件充气阀壳体在试验过程中频繁出现漏气现象，为测量出充气阀壳体内孔的圆柱度误差是否超出设计图纸要求，精密测量室利用三坐标测量机对其高精度活塞内孔进行圆柱度误差测量；本文阐述了三坐标测量机测量圆柱度的基本原理，通过对该充气阀壳体圆柱度测量方法的研究，提出了一種应用三坐标测量机测量精密零件圆柱度的理想方案，解决了同类精密零件圆柱度的高效测量问题。

关键词：充气阀壳体；三坐标测量机；圆柱度

1 引言

随着工业科技的发展，越来越多的高精度仪器被应用到了测量当中，三坐标测量机（Coordinate Measuring Maehining，简称CMM）就是其中的一种，在公司型号产品的精密零组件计量中有广泛应用。

某型号充气阀壳体在检验试验过程中出现漏气，设计认为该充气阀壳体内孔圆柱度可能超差，为尽快确认问题原因，决定用三坐标测量机对该壳体进行圆柱度测量，以确认零件圆柱度是否合格，并对加工过程给出适当的建议。

2 三坐标测量机的工作原理

三坐标测量机是由三个相互垂直的运动轴X，Y，Z建立起一个直角坐标系，测头的一切运动都在这个坐标系中进行；测头的运动轨迹由测球中心点来表示。测量时，把被测零件安装放在工作台上，测头与零件表面接触，测头沿着工件的几何型面运动时，就可以得出被测几何型面上各点的坐标值；将这些坐标值传送到计算机，通过相应的软件进行数据处理，就可以精确地计算出被测工件的几何尺寸和形位公差等。

3 圆柱度的概念

圆柱度是衡量实际圆柱面相对理想圆柱面在横截面和轴向截面内的形状误差的变动大小，其相对理想圆柱面（理想圆柱面的位置应符合最小条件）变动的量叫做圆柱度误差。

4 三坐标测量机测量圆柱度的误差分析

常用的圆柱度的测量方法有：半径变化量测量法，三点测量法，分项测量法和三坐标测量法等，在此我们基于三坐标测量法开展研究，制定相应的测量方案，并对测量结果进行误差分析。

4.1 测量方案

共采样4种方案，分别如下（见图5）：

（a）等距横截面；（b）单螺旋线；（c）双螺旋线；

（d）上、下两个横截面和一条螺旋线；

（e）上、下两个横截面和两条螺旋线

图5 测量圆柱度误差时的采样方案

方案1：从被测零件的内孔距底部10mm处开始，分五段等距离横截面进行测量，从下往上依次从截面1至截面5测量（见图5-a），重复测量五次，记录数据。

方案2：从被测零件的内孔距底部10mm处开始，沿一条螺旋线从下往上进行测量（见图5-b），重复测量五次，记录数据。

方案3：从被测零件的内孔距底部10mm处测量一个横截面的轮廓，接着沿一条螺旋线进行测量，并在距被测零件的口部10mm处测量一个横截面的轮廓（见图5-d），重复测量五次，记录数据。

方案4：从被测零件的内孔距底部10mm处测量一个横截面的轮廓，接着从10mm处两个相对1800的测点开始，沿两条螺旋线从下往上进行测量，并在距口部10mm处测量一个横截面的轮廓（见图5-e），重复测量五次，记录数据。

4.2 测量步骤

a）将被测零件在精密测量室里等温两个小时后，校好三坐标测量机的零位及测头各个方位的角度。

b）将被测零件放置在大理石平面的虎钳上，使被测零件的轴线尽量与仪器的轴向平行或同轴，用橡皮泥固定住不让其移动。

c）按5.1中所列方案分别对其壳体内孔进行测量。

4.3 测量误差分析

4.3.1 三坐标测量机上下移动的定位精度引起的误差

三坐标测量机测头在接触到被测零件接触面时每一瞬时都发生轴向窜动和径向跳动，使被测工件一转内的采样点不全在一个横截面内，从而使各采样点间的相关性降低。但是，由于径向跳动一般很少，而实际工件被测表面是平滑的，测头在被测表面采样时，也不可能是纯粹的点接触，而是小面积接触，因此径向跳动对测量精度的影响可以忽略。所以轴向窜动即三坐标测量机沿直线导轨上下移动的定位精度是圆柱度误差测量中极为重要的精度指标，全靠仪器现有自身精度及维护保养来保证。

4.3.2 测头安装误差

当测头的位置不通过被测工件的轴线而偏离，测头安装误差很关键，在校测头的过程中一直是要把五个方向（00，00 900，00 900，900 900，1800 900，-900）校正的数值保证在千分之一时，才能开始测量零件，减少测量误差。

4.3.3 测点数对测量误差的影响

由于在测量面上实测有限数量的点来代替被测实际轮廓的全貌，在原理上就存在了误差。为了减少此误差，应合理选择测点数及测量位置，随测点数增加，测量误差会下降。

4.4 测量结果

4.5 测量结论

方案1的测量值波动大，不够稳定，说明测量方法存在较多的不确定误差；方案2的测量结果比第一种方案好，但不确定误差还是比较大；方案4的测量结果值稳定，操作性较强，逼近圆柱度误差的定义，但不是最理想的测量方案；方案5全面地反映被测表面的误差情况，完全符合圆柱度误差的定义，且测量值稳定一致。

从上述测量结果的分析对比可以看出，测量方案5测量出来的数值稳定性好，重复性高，与前面四种方案比较，是最理想的测量方案。此方法对三坐标测头的角度定位要求高，但应用到大直径，高精度，深孔且有圆柱度误差要求的大壳体零件上非常合适。

5 总结

通过测量理论和测量实践的结合，完成了三坐标测量机测量精密零件圆柱度的测量方法探索，总结了应用三坐标测量机测量圆柱度的理想方法和操作步骤。应用该方法，结合测量软件PC-DMIS中的最小二乘圆柱评定法测得了充气阀壳体内孔的圆柱度误差分布情况，为分析漏气问题提供了数据支撑，解决了型号产品唯价格昂贵、对操作人员的专业素质的要求较高、单件测量时间长的圆柱度仪测量圆柱度的问题，测量结果表明，该方法数据准确可靠，解决了同类精密零件圆柱度的高效测量问题。

参考文献

[1]《形状和位置误差检测[M]》.甘永立.北京：国防工业出版社，1995.

（作者单位：贵州航天控制技术有限公司基础技术处）