三坐标检测同轴度难点剖析

 摘要：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，例如一系列形位公差的具体精确检测的方法、某些特殊几何元素的准确测量方法、完整测量程序的编制思路等等。在三坐标测量过程中也会遇到一些问题影响测量精度，如由于测头配置不合理导致测量误差偏大，小圆弧短直线的测量结果明显偏离实际值，或因同轴度测量误差较大，导致合格品误检为不合格品，有时则因深孔圆柱度测量结果较实际值小，使不合格品误检为合格品，本文将针对将对上述问题中的同轴度测量误差成因进行深入分析，并提出具体可行的解决方案。

　　关键词：三坐标 同轴度 基准测量

　　问题提出

　　在三坐标测量应用于实际生产测量过程中中，有很多工件空间结构特别复杂，而且相互位置尺寸精度要求很高。由于三坐标测量机配备先进的测量处理软件，测量形位公差、空间相关尺寸等能力大大增强，因此很适合复杂零件的测量。然而，在三坐标测量过程中也会遇到一些问题影响测量精度，如由于测头配置不合理导致测量误差偏大，小圆弧短直线的测量结果明显偏离实际值，或因同轴度测量误差较大，导致合格品误检为不合格品，有时则因深孔圆柱度测量结果较实际值小，使不合格品误检为合格品，本文将针对将对上述问题中的同轴度测量误差成因进行深入分析，并提出具体可行的解决方案，为合理使用三坐标测量机奠定了基础。

　　误差问题原因分析

　　1、测量基准方面的问题

　　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另外一个方面，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。如右图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，从而轴线产生偏离。

　　⑶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。如右图，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。事实上，如果截面越多，将越逼近理想位置。

　　2、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，如下图，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同轴，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。

　　同轴度问题解决方案探讨

　　针对以上问题，我们探讨了解决的方法（以杭州博洋三坐标测量机为例），以供在实际测量中参考运用。

　　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

　　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。

　　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。下面我们就对照测量软件RationalDMIS逐步实现3号方案的测量，过程以下图的简单工件为例子演示。

　　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ROOTSN1A90B90和ROOTSN1A90B-90，具体构建以及标定步骤请学员参考《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。测量方法请参考《RationalDMIS培训手册》。测量完毕后，在软件双数据区会显示这6个圆名称与数据。

　　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。

　　注意要点

　　●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。

　　●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。

　　●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

　　2、RationalDMIS培训手册

　　关键词：教学改革；便携式仪器；LabVIEW；SOC单片机

　　作者简介：周文委（1978-），男，浙江天台人，浙江工业大学信息工程学院，讲师；贾立新（1966-），男，浙江东阳人，浙江工业大学信息工程学院，讲师。（浙江杭州?310032）

　　基金项目：本文系浙江工业大学教学改革项目（项目编号：JG1112）的研究成果。

　　中图分类号：G642.423?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）29-0099-02

　　受办学经费、场地、人员等因素的限制，当前高校工科专业学生的实验资源普遍紧张，自主实验课程十分有限，实践动手能力的培养急需加强。针对高校实验教学现状，文献[1-3]引入虚拟仪器概念，开发了基于IN数据采集卡的双踪示波器等测量仪器并进行了教学应用。NI数据采集卡技术成熟但是价格昂贵，受教学资源限制，不适于大规模应用。文献[1]开发的仿真实验软件无需硬件成本，但只局限于理论仿真。

　　文献[4]指出，要提高学生的创新意识和动手能力，必须要建立全开放的自主实验室，开设自主性创新实验。本文设计的便携式测量仪器是一种兼具便携性、通用性和低成本的虚拟仪器。硬件上由通用PC加简易电路组成，由软件控制电路实现各种测试测量功能。仪器成本低，便于实验室大量配备，同时用户可更新软件，自行定义功能，非常适合学生反复实践、深入探索。

　　一、基于便携式测量仪器的实验教学改革

　　1.理论与实践高度结合的课堂教学

　　在“模拟电子技术”、“数字电路”与“数字逻辑”等课程中，我们利用便携式测量仪器，设计了一些新颖的教学内容，在课堂教学现场实时穿插实验演示或者验证，给学生带来一种如临现场的亲身感受，既能吸引学生注意力，加强感性认识，又能使理论与实践最大程度地紧密结合，提高理论教学说服力。

　　比如在一阶有源滤波电路教学过程中，首先在面包板上现场搭建由运放和RC电路构成的一阶低通滤波电路，通过便携式测量仪器输出带噪信号，并同时采集滤波前、后信号到PC机中，实时对比显示两路信号的时、频域波形。通过这一环节首先让学生对滤波器有一个非常真实、形象的初步认识，然后在此基础上逐步介绍滤波器的概念、分类、用途和电路原理等内容。虽然现场演示环节占用了部分教学时间，但是在这个环节的铺垫下，后续内容的教学实施完全可以更加简洁、快捷。

　　2.新型自主实验教学探索

　　目前国内高校电子技术相关教学以操作型、验证型实验为主，比较缺乏自主创新型、综合提高型实验内容。由于便携式测量仪器以软件为核心，通过提供底层信号数据接口，可以方便地根据需要进行功能扩展或者自定义仪器功能。

　　以便携式测量仪器硬件为平台，通过提供数据接口的方式，开发了“简易频谱分析仪设计”的自主型实验内容作为数字信号处理课程的教学实验。学生自主编写软件程序，计算测量信号的频率响应数据，通过用户界面进行显示。实验采用课内与课后相结合的新型组织方式，实验任务和验收在课内进行，实验过程课外自主完成。这种利用便携式测量仪器开设的设计性、综合性、研究性的实验项目，可以打破课堂内外的障碍，突破了教学时间的限制，使学生在课外也可以开展相关实验，营造了良好的自主学习环境。

　　3.创造全天候实验环境

　　近年来，越来越多的学生参与到挑战杯、大学生电子设计竞赛、飞思卡尔智能车竞赛等科技竞赛中。而众多高校现有的实验设备、人员配置和管理模式难以满足科技竞赛对电子设备数量和使用时间的需求。

　　考虑到大多数情况下学生科技创新实验对仪器的要求比较低，只需提供较低频率和精度的测量仪器即可满足需要。便携式测量仪器能够满足科技创新实验的基本要求，且其多功能、低成本的特点适合大量配置。通过便携式测量仪器和传统仪器相结合的方式，可以满足学生科技创新对于设备数量、场地和时间的要求。常规测量由便携式测量仪器完成，高速或者高精度测量往往是小范围应用，可以由传统实验仪器完成。我们初步配置了50套便携式测量仪器，通过课外借用等方式，使得相关实验的开展突破了时间、场地等的限制，创造了全天候实验环境，在充分满足实践能力培养需求的同时，又激发了学生参与科技创新的兴趣，真正做到了开放性实践教学。

　　二、便携式测量仪器硬件设计

　　便携式测量仪器系统具备信号发生、数据采集、电平测量等基本功能，由PC机软件和硬件电路构成。PC机运行多功能测量软件和USB驱动程序，通过USB接口与硬件电路连接。仪器硬件包括控制电路、信号调理电路、带面包板和接线端子的仪器外壳。

　　1.控制电路设计

　　便携式测量仪器以内置USB控制器、10位ADC和IDAC的SOC单片机C8051F320为核心控制器，控制器电路框图如图1所示。USB控制器一方面负责将10位ADC获取的模拟输出波形数据传送给PC机，一方面接收PC机的下行指令，由单片机根据指令生成波形数据并控制10位IDAC输出波形。JTAG接口与单片机内置的调试电路用于程序下载和调试。数字电源为单片机提供+3.3V工作电压。单片机系统时钟由可编程内部振荡器产生，实际设定为12MHz。全速USB通信所需时钟为48MHz，由系统时钟经4倍速时钟乘法器提供。

　　2.信号调理电路设计

　　为实现双踪示波器和函数发生器功能，设计模拟输入和模拟输出信号调理电路如图2所示。

　　模拟输入部分包括程控增益放大电路和滤波电路。多路模拟开关CD4051用于两通道输入信号切换，通过AD526实现程控增益放大，双运放MAX4016实现固定增益放大和电平平移，R1、C1实现对模拟输入信号的低通滤波。