基于三坐标测量设备的同轴度测量方法研究

摘 要：本文将三坐标与传统测量同轴度的方法进行了比较，深入分析三坐标测量同轴度的影响因素，并在原有软件评价同轴度指令和已有公共轴线方法的基础上，对公共轴线的建立方法进行了总结，并提出了直线度法和求距法间接判断零件的同轴度。

【关键词】同轴度 公共轴线 基准 求距法

在我公司生产的印钞造币机械中，需要测量许多零件的同轴度，如J98机的滚筒体、YBW150机身等重要零件中，对一些孔的同轴度都有较高要求。因此能否准确地测量出这些零件的同轴度，对以后相应轴的顺利装配和整机的平稳运转都有着一定的影响。下面结合生产实际情况，讲述一下如何根据零件的不同特点，灵活运用三坐标来测量同轴度。

1.三坐标测量同轴度与传统测量方法的比较

1.1.传统方法测量同轴度的原理

由同轴度定义可知，同轴度分为点的同心度和线的同轴度两种。同心度的公差带是直径为公差值φt且与基准圆心同心的圆内的区域，同轴度的公差带是直径为公差值φt的圆柱面内的区域，且该圆柱面的轴线与基准轴线同轴。因此在测量同轴度时，可根据零件的特点，采用形位公差检测原理中的测量坐标值原理、控制实效边界原理或测量跳动原理，借助各种综合量规或辅助工具，如心轴、杠杆表、V形架、花岗岩平板等。

如采用控制实效边界原理测量同轴度，使用综合量规检验。但用综合量规测量无法得出确切数值，且需要针对不同的零件制作单独的综合量规，费用较高。采用测量跳动原理测量同轴度，被测实际要素绕基准轴线回转一周的过程中，被测实际要素的形状和位置误差使位置固定的指示表的测头移动，因此该方法适用于测量形状误差较小的零件。

1.2.三坐标的测量原理

使用三坐标测量基准要素的轴线，再测量被测实际要素的轴线，然后计算出被测实际要素的轴线对基准要素轴线的同轴度误差值。在测量点的同心度时，使用测量坐标值原理，通过测量被测要素圆心与基准要素圆心的距离来计算同轴度误差值。

2.影响三坐标测量同轴度的因素

在使用三坐标测量同轴度过程中，有时会出现测量结果误差大，重复性差的现象，究其原因，同轴度的测量主要受以下三个方面因素的影响：

2.1.软件中同轴度评价指令的局限性：

例如下面的图（1），在测量滚筒时，φ209孔对φ212孔有同轴度的要求。

如图（2），在基准圆柱φ212上测量两个截面圆，其圆心的连线作基准轴，在被检圆柱φ209上测量一个截面圆，然后计算同轴度误差。假设基准圆柱φ212的第二截面圆的圆心位置与第一截面圆的圆心位置有2μm的测量误差，基准圆柱φ212上两截面圆在轴线方向的距离为70mm，基准圆1与被测圆1之间的距离为910mm，这样，当基准轴线到达被测圆1面时已偏离（0.002×910/70=0.026mm）。由此可见如果直接用软件中同轴度评价指令，评价相邻较远的短孔的同轴度时，由于距离放大作用，使得测量结果误差大，重复性差，测量结果不能反映实际情况。

在实际测量中可通过尽可能地增加基准截面间的距离，在测量基准要素时，若第一截面与第二截面的距离加大，误差干扰比例将成正比减小。若基准足够长，同时基准与被检截面相邻，则测量机不确定度的影响就可以忽略不计了。

2.2.基准的选择对同轴度测量的影响：

如图（3）为输纸机机架的I侧横帮侧视剖面图，测量上下两个孔的同轴度，由于两个孔只有10 mm深，只能测量圆，即采用测量坐标值原理计算出这两个孔的同心度误差值。

2.3.零件变形的影响

零件在加工时是处于受力状态，而在测量时可以说零件是处于自然状态。对一些焊接件及薄壁件来说，不仅影响同轴度的测量，对其它尺寸和形位公差的测量也有影响。当工件重达几吨时，如果工件放在一个平面度不好的台面上测量，其自身的重力就足以引起一定量的变形。因此在测量时，零件的安装固定要合理，以减少零件变形对测量的影响。

3.三坐标测量同轴度的方法

通过几年来在三坐标工作的实践经验，我在公共轴线方法和原有软件评价同轴度指令的基础上，对公共轴线的建立方法进行了总结，并提出了直线度法和求距法间接判断零件的同轴度。通过采用不同的测量方法，扩大三坐标的测量能力，并在实际中得到很好的应用。

其中公共轴线法和直线度法测量的基本思路都是模拟出一个假想的心轴，将这个假想心轴装入两孔后，分别与两孔的轴线相互比较。求距法对关联要素基准面的要求较高，如果零件关联要素基准面变形较大则不能使用这种方法。

3.1.使用测量软件中评价同轴度的指令

QUINDOS测量软件中评价同轴度的指令为COAXTY。这种方法在测量相邻较远的短孔的同轴度时，由于测量机本身的误差对测量同轴度有影响，产生距离放大作用，使得测量误差很大，测量结果不能反映实际情况。

3.2.公共轴线法

把在被测要素和基准要素上测得的圆或圆柱的中心收集起来，连接成为公共轴线，作为其同轴度的评价基准，然后分别计算基准圆柱和被测圆柱对公共轴线的同轴度，取其最大值作为该零件的同轴度误差值。这条公共轴线近似于一个模拟心轴，采用控制实效边界原理，并根据要素的功能要求对测量结果使用包容原则或最大实体原则判断是否合格。建立公共轴线的两种方法：

一是使用指令COLPTS将两个圆柱轴线的中点收集起来；二是将每个圆柱改为测量多个横截面上的圆，再使用指令COLPTS将这些圆的圆心收集起来。

3.3.直线度法

在被测要素和基准要素的截面上测量几个圆，然后将这几个圆的圆心连接起来，计算出直线度，并采用包容原则，即应用最大实体边界来限定被测要素的实体。例如图（1）中，两个孔对轴配合精度要求较高，由于同轴度误差的影响，容易造成过盈偏大，因此随着孔的实际尺寸偏离其最大实体尺寸的程度不同，允许有相应的同轴度误差，这样可以保证配合的性质。

3.4.求距法

改测同轴度为测量同心度，通过测量被测要素与基准要素距离来计算同心度误差值。求距法在计算距离时将要素其投影到一个平面上来计算，因此这种方法要求零件的关联要素基准要好，被测要素和基准要素到关联要素基准的距离有较高的公差要求。

4.工件分类

由于三坐标测量的多是孔类零件的同轴度，因此我们根据工件特点将工件分为短孔短距、短孔长距、长孔短距和长孔长距四种类型，并结合各种测量方法，通过总结实践经验及测量数据，制定了以工件类型分类的测量方案表：

5.测量方法的数据比较

5.1.长孔长距类型的测量数据比较

现只列举测量J98机滚筒体的例子，由于机械使用性能的需要，背压胶皮滚筒要求做成滚筒体为铸件而轴为钢件的组合件，其孔与轴为过盈配合。如果滚筒体两端孔的同轴度不好，则在将轴压入滚筒体的过程中，滚筒体会有开裂现象，导致零件报废，因此需要准确的判断滚筒体的同轴度是否合格。从尺寸上可以将背压胶皮滚筒归为长孔长距类型，由于探头及探针的限制，φ209孔和φ212两孔只能测量70mm深，表（二）列举了两个背压胶皮滚筒的测量数据。

由上面的测量数据表可以看出，由于软件中同轴度评价指令的局限性，如直接用孔做基准轴，评价的结果大大超出公差要求；而用第一种方法建立公共轴线评价出来的结果一般都在0.01mm以内，这是因为第一种方法是用两个圆柱的中点建立公共轴线，缩短了被评价圆柱的长度。第二种方法分别用两个圆柱的端点建立公共轴线，评价出来的结果能比较全面地反映出所测范围内的情况。而采用直线度法也能从侧面间接的判断同轴度。通过观察将轴压入滚筒时的情况，及压入过程中压力表反应出的压力大小，验证了测量结果的准确性，同时该零件在机器上的运转情况稳定。

5.2.求距法的应用

例如输纸机上的支座，两端φ34孔有同轴度要求，且孔到基准面有较高公差要求，该零件两端φ34孔相距较远，无法从一个方向一次加工完成，必须使用转台或分次装夹。这时加工者先对两孔进行粗镗，留0.5mm的余量，然后送三坐标测量，由三坐标按求距法，测量给出两孔对基准面的偏差值，然后加工者根据提供的偏差数据，对孔位置进行修正后再加工至尺寸。

参考文献：

[1]《形状和位置公差》 中国标准出版社 1990

[2]《QUINDOS软件使用手册》 Leitz 1992

[3]《机械设计》高等教育出版社 1989