箱体类工件的测量解决方案

箱体类工件的测量
撰稿：邢建忠
一、箱体类工件的检测特点：
箱体类工件是动力机械制造的重要组件，它的原材料多为铸铁和铝合金。

设计和制造精度非常高，加工难度较大，因此，许多关键重要部件都选择专用机床或数控加工设备进行加工，而且还要配有精良的刀具，制造成本很高。

如图所示：
从检测上来看，该类工件一是送检工序多，其中不少项目都由工艺规定100%测量；二是大多都以坐标尺寸和形位公差的测量为主。

所以，从事这类工件检测的人员除要了解加工工艺外，对形位公差的理论研究和实际应用也要有一个基本的了解。

二、测头的配置：
箱体类工件一般相对体积都比较大，而且结构又比较复杂，因此，进行一些特殊测头的选配是十分必要的，它直接影响到其整个测量过程。

1、测头座（TH5/PH10M）
测头座要根据实际需要选择，一般当工件体积大而且复杂时，应选择可连接更长加长杆的PH测座，必要时还应配置其它测座，如TH5测座，以构成双测座系统。

其中PH测座旋转位置可多达720个，特别适合箱体类工件的检测。

而TH5测座不仅有5个插接口，而且还可加接更重的测头组合。

从而，使测量更加灵活方便。

如图所示：
2、星形测头，这是箱体类工件测量的重要组件之一，它主要用于精度较高的深孔、平面或槽等的测量，缺少了该项测头，
那么，将有好多项目则很难检测；
3、盘型测头，它主要用于较深盲孔定向公差以及同轴度等的测量，因为这些测量可以不考虑坐标尺寸，所以，无须进行测头的校验就可直接使用，我们称其为“即插即用”测头；
4、TP7测头，它具有很高的测量精度（0.25μm），而且可配装较长较大的测头，是大型箱体类工件测量的必备选件之一。

但使用时需要选择相对较大的测力，否则由于结构的原因精度将达不到要求；
5、用于TH5/PH测座的加长杆(其长度如，50mm，100mm，
200mm等)，它与星形测头、盘型测头等连接后其测量空间
将得以进一步的扩展。

而且，由于其传感器在加长杆的前头，且测量精度损失较小；
6、肘型接杆，这是意大利DEA公司的测头选件之一，其
旋转范围A（±90°），B（0°～360°），可连接50mm，100mm，200mm，甚至更长的加长杆，与该公司的TF6/TF8测头体相配接。

若配置一个转换接头，还可与RENISHAW的TP2/TP20测头体配接使用。

是箱体类工件特殊角度或测头难于接近部位测量的必备选件之一；
三、特殊测头的校验及应用技巧：
测头的标定与校正是CMM进行测量操作的一项重要内容。

其目的是通过这个操作过程，即可获得一个或多个测尖的动态半径，并且又可精确地求得一组不同方向测头中心的机械偏置，以便在检测中系统能自动进行测头偏置的换算，保证测量结果的正确性。

1、星形测头的校验
星形测头由装在一个主测杆上的4＋1个测针组成（如图a
所示）。

一种为固定测针式，即测针组合不允许
用户自行拆装；另一种则是可变测针式，用户
可根据检测要求自行组配。

其中2、3、4、5号
测针应成90度夹角均布组装，它们可有不同的
长度，但必须有相同的测头半径，（为方便自动— a —校验，建议2、3、4、5号测针应等长度配置）。

由这样组成的测头组才能使每个测针即可单独使用，又可将星形
测头当成整体使用。

但是无论单独使用还是当成整体使用，都必须对每个测针进行单独校验。

为了便于说明，我们称第1个测头（A0,B0）的1号测针的校验为标定，其余均称为校正。

下面我们着重讨论的是如何用球形规校验星形测头。

问题1：当校正球的位置已被移动，如何继续进行新的测头校正？其解决的方法是：
只要将原用以标定第一个测头（A0,B0）的1号测针在变换位置后的球形规上再进行一次重新标定，而后便可按常规继续进行新的测头校正了。

问题2：只有一个球形规的情况下如何完成全部星形测头的校验？其解决的方法是：
只有一个标准球要校正多个方位的星形测针确实存在一定问题。

但从实际情况来看，一台机器及便配置两个或三个标准球，若摆放不当照样还会发生碰撞。

那么用一个标准球到底能不能进行多个方位的星形测针自动校正呢？事实上只要方法正确是完全可能的。

其有关规则和操作方法如下：
1.1.在同一组测头的校正过程中，标准球的位置如若已被移动，此时必须重新进行测头标定。

（即用第1个测头（A0,B0）的1号测针在新位置的标准球上再进行一次测头标定），然后即可接着进行新的测头校正；
1.2.测头的标定和校正操作可在测量过程中随时进行，但应尽量选择机器坐标系；
1.3.根据PH测座A，B的定义方向，在进行星形测头的校正时应调整标准球的支撑杆，使其与将要变换位置后星形测头的1号测针平行。

如图所示：
例如【c1：A0，B0】、【c2：A90、B-90】、【c3：A45、B-90】；
1.4、按上面图示以手动方式采点。

即在机器坐标系下用星形测头（A0，B0）的1号测针在调整好指向的球形规上方采一点，以确定球形规进行标定或再校正的大致位置，然后，程序便自动对所选角度星形测头的全部测针进行校验了。

2、整体使用星形测头时的测针半径补偿
不同的测量系统对星形测头整体使用时测头半径补偿的方
式都有自己的规定。

然而，组合在一起的4个星形测针其物理制造半径虽然相同，但“动态半径”总不能相同（事实上就是同一个测针换位后的动态半径也不可能完全一样）。

纠其原因，这主要来自触发式测头的各项异性，由于这种各项异性使测头采样运动的“滞后量”并不是一个“定值”，所以，星形测头的4个测针经校验后其“动态半径”就很难一致了。

那么，比较理想的测
头半径补偿值应该是什么呢？这一问题多家用户都做过尝试，我们倾向于取4个测针半径的平均值，因为，这种方式比较简单且无须操作员在测量中增加任何额外的操作和计算。

3、星形测头半自动测内圆/外圆
若你的系统中没有此功能，而星形测头使用又很频繁，建议用户可自行开发一个用于该测量的实用程序。

其中星形测头测内孔可做成一个“傻瓜”式程序，没有任何人机对话，更无须记准测针号，其操作时只要将星形测头手动移到孔中，即可进行自动测量；而星形测头半自动测外圆，需要操作员输入的参数也仅仅限于外圆的直径、中心坐标、采样深度和定位高度几项。

4、盘形测头和柱型测头的校验
该两项测头的校验，请详见各自使用系统的操作手册。

四、工件的吊装及支撑附件：
将大型工件安全平稳地放
到坐标测量机的工作台上，必
须有一台好的吊装设备。

单臂
起重机占地面积小，起吊重量
可达3000kg，完全可满足诸
如发动机机体、缸盖、曲轴等
重型工件的吊装，用户可根据
实际进行恰当选择。

需要一提
的是，为了确保吊装和测量机
大理石工作台的绝对安全，在购买该类吊装设备时，应要求供货方提供可调整变速的机型，以便吊装时随意进行操作速度的选择（标准速度/慢速），必要时还应加装紧急断电按钮。

大致结构如上图所示；
在箱体类工件的检测中，为保证装夹安稳和避免测头在机器坐标系的-Z方向超程，必须要有一些辅具来支撑。

如垫铁、角铁、千斤顶以及虎钳等。

如图所示：
五、箱体类工件常用的找正方法：
1、测量基面的选择原则
测量基面的选择必须遵守基面统一的原则，既测量基面应和设计基面　工艺基面　装配基面相一致。

当工艺基面不能与设计基面一致时，应遵守下列原则：
1.在工序间检验时，测量基面应与工艺基面一致；
2.在终结检验时，测量基面应与装配基面一致；
2、辅助基面的选择原则
1.选择精度较高的尺寸或尺寸组（如尺寸较长的尺
寸组）作为辅助基面。

当没有合适的辅助基面时，应事
先加工一辅助基面作为测量基面；
2.应选择稳定性较好且精度较高的尺寸作为辅助基
面；
3.当被测参数较多时，应在精度大致相同的情况下，
选择各参数之间关系较密切的，便于控制各参数的一参
数（或尺寸）作为辅助基面；
3、找正第1轴所选元素：
○线元素、面元素以及构造的线元素、面元素
4、找正第2轴所选元素：
○除了线元素、面元素，还可用点元素（点、圆、球等）,以及由各种类型元素再构造的建轴元素。

如：一圆与一槽的连线、两圆中点与两圆中点的连线、圆与
交点的连线等等诸多组合。

5、下面是几种常用的找正方法示意图：
1、一平面两孔
2、一圆柱（包括阶梯柱）两孔
3、一平面（包括三阶平面）一线
4、一平面一圆柱（包括阶梯柱）
5、一圆柱（包括阶梯柱）一线
6、两平面
六、有关形位公差述语介绍（GB 1183—80）
1.单一要素的作用尺寸（简称作用尺寸）：
指在结合面的全长上，与实际孔内接（或与轴外接）的最大（或最小）理想轴（或孔）的尺寸（见下图）。

2.关联要素的作用尺寸（简称关联作用尺寸）：
指在结合面的全长上，与实际孔内接（或与轴外接）的最大（或最小）理想轴（或孔）的尺寸，而该理想轴（或孔）必须与基准要素保持图样上给定的几何关系（见下图）。

3、单一要素的时效状态：
指由图样上给定的被测要素最大实体尺寸和该要素轴线或中心平面的形状公差所形成的综合极限边界；该极限边界应具有理想形状（见下图）。

4、关联要素的时效状态：
指由图样上给定的被测要素最大实体尺寸和该要素的定向或定位公差所形成的综合极限边界，该极限边界应具有理想形状并应符合图样上给定的几何关系（见下图）。

5、包容原则：
要求实际要素处处位于具有理想形状的包容面内的一种公差原则，而该理想形状的尺寸应为最大实体尺寸。

6、最大实体原则：
被测要素或（和）基准要素偏离最大实体状态，而形状、定向、定位公差获得补偿值的一种公差原则。

6．1、当最大实体原则应用于被测要素时，则被测要素的形位公差值是在该要素处于最大实体状态时给定的。

如被测要素偏离最大实体状态，则形位公差值允许增大，其最大增加量（即最大补偿值）为该要素的最大实体尺寸与最小实体尺寸之差。

6.2、当最大实体原则应用于基准要素而基准要素本身又要求遵守包容原则时，则被测要素的位置公差值是在该基准要素处于最大实体状态时给定的。

如基准要素偏离最大实体状态，即基准要素的作用尺寸（单一或关联）偏离最大实体尺寸时，被测要素的定向或定位公差值允许增大。

当最大实体原则应用于基准要素，而基准要素本身不要求遵守包容原则时，则被测要素的位置公差值是在基准要素处于实效状态时给定的。

如基准要素偏离实效状态，即基准要素的作用尺寸（单一或关联）偏离实效尺寸时，被测要素的定向或定位公差值允许增大。

七、形位公差的应用
1、关于同轴度测量
根据国际标准，同轴度的公差带乃是直径为公差值t，且与基准轴线同轴的圆柱面内的区域。

它的偏差类型大致分为三种情况：
1、对于基准轴线的同轴度：
2、对于公共轴心线的同轴度：
3、对于基准圆心的同心度：
●下面着重讨论如何利用三坐标测量机进行上述同轴度测量：
对于同轴度测量有多种方式方法，而用三坐标测量机进行该测量又是形位公差检测的一项重要内容。

实践证明，其测量结果的好坏，不仅取决于机器的精度，而且与图纸标注和测量方法都有着直接的关系。

所以，弄清图样标注含义和选定正确的检测方法是十分重要的。

例1：A、B两孔（A左孔，B右孔）,其中A孔为基准轴线,B 孔为被测轴线,C为被测表面长度,则B对A的同轴度如图所示:
例2：A、B两孔（A左孔，B右孔）,其中B孔为基准轴线,A
孔为被测轴线,C为被测表面长度,则A对B的同轴度如图所示:
例3：A、B两孔（A左孔，B右孔）,且A、B两孔的公共轴心线为基准轴线，a为A孔被测表面长度,b为B孔被测表面长度,则A对(A-B)与B对(A-B)的同轴度如图所示:
●关于公共轴心线的确定方法如下:
两个孔的公共轴心线是指两孔中心线的中点连线(见例3右图);假使是三个或三个以上的圆柱表面,它们的公共轴心线应该在图样上另作规定。

●下面是三坐标测量机几种通常采用的同轴度测量方法：
1、应用系统功能法：
该应用方法各自使用机器的操作手册都有详细介绍。

2.极坐标测量法：
这是一种类似于平台测量的检测方法，其基准元素可以通过圆柱、阶梯柱、直线以及圆/圆测量后构造的直线获得。

可以说几乎所有用作基准元素的单一基准或组合基准都将包括在内，而被测要素则更为简单，通常情况下只是圆的测量。

●其操作步骤如下：
1.测量基准轴线并用其建立零件坐标系的第一轴（同心度测量除外）；
2.将基准轴线置原点；
3.在被测元素（孔或轴）上测若干截圆（通常测两端）；
4.输出被测截圆极径（PR值）；
5.取其输出较大PR值的2倍为所测同轴度误差；
3.求距法：
该方法的基本原理是通过计算圆心到基准轴线距离的方法求得同轴度误差。

与极坐标测量方法不同的是，被选定的基准轴线无须置原点，但评定其同轴度误差时同样要取测量结果中的最大距离乘以2。

●关于两个相邻较远的短基准轴线的同轴度测量：
这是一个比较典型的困扰测量机用户的问题，但现实中又确实经常遇到这种情况，包括不少国外比较发达国家的设计图
样。

可见，这个问题并非新鲜，只不过在测量机广泛应用之前表现的不太明显而已。

例如：前面例1所示的零件图样，就是一个典型的圆柱对圆柱的同轴度测量。

若用传统的检验心棒去检测，其合格品在装配时的确很少出现问题，因为这种检测方法体现的就是实际装配过程，由此证明其检测方法是可行的。

然而，从图样标注的确切含义来讲，用上述方法进行的同轴度检测并不符合定义。

因为当使用心棒进行圆柱对圆柱的同轴度测量，实际上体现的是两圆柱对心棒轴心线的同轴度，而心棒轴心线模拟的正是一个公共基准轴线。

与此同时，若选用三坐标测量机按例 1 图样标注对该工件进行同轴度测量[在此假定两圆柱相邻较远]，可能就会有相当一部分工件视为“超差品”。

显然，两者的检测结果就出现了明显差异。

而那些“超差品”经装配实验后证明大多数没有问题，这就不得不引起测量机操作员的注意。

分析其原因，既不是机器精度太低，也不是系统软件计算错误，主要还是图样标注不妥。

对此，可采用以下几种相应的测量方法：
1、当基准元素为孔时，可插入配合间隙较为合适的心棒，以延长基准轴线的实测长度；
2、采用建立公共基准轴线的测量方法，模拟专用心棒进行检验的方式，分别测量两圆柱对公共轴心线的同轴度；
3.、在基准圆柱表面内测量更多的点，以加大计算的信息量，使系统确定最大内接圆或最小外接圆时有更充足的表面形状信
息。

2、关于位置度测量
位置度公差包括点的位置度、线的位置度、面的位置度以及 国外应用比较多的复合位置度，它们在箱体类工件中应用的频次非常多。

下面介绍几个典型示例，说明了解图样标注与评价位置度的关系及其重要性。

例1
、下面三个图都是测量圆盘上4个孔的位置度，但位置度要求的各不相同，因此评价位置度的方法当然也就不同。

其比较分析的结果如下。

例2、关于复合位置度的测量
1、复合位置度的标注：
1.1直角坐标尺寸标注的复合位置度
其上框表示四个孔的实际轴线必须分别位于直径为Φ0.2mm 的四个圆柱形公差带内，各位置度公差带应位于相对基准A 、B
、
C和相互间的理想位置上;
而下框则表示四个孔的实际轴线必须分别位于直径均为Φ0.01mm的四个圆柱形公差带内,各位置度公差带应位于相互的理想位置上,并垂直于基准平面A。

1.2圆周分布要素角度标注的复合位置度
其上框表示六个孔的实际轴线必须分别位于直径为Φ0.2 mm 的六个圆柱形公差带内，各位置度公差带应位于相对基准A、B、C和相互间的理想位置上；
而下框则表示六个孔的实际轴线必须分别位于直径均为Φ0.01mm的六个圆柱形公差带内, 各位置度公差带应位于相互的理想位置上，并垂直于基准平面A。

2、复合位置度的定义：
复合位置度公差是由上、下两个框格组成。

上框格用于整组要素的定位控制,给出较大的位置度公差，并给出基准要求的次
序排列。

下框格作为要素间关系的控制，它规定了要素组内各要素之间的相互关系，其位置度公差较小并重复主基准。

另外，下框格除控制各要素间的相互关系外，还控制各要素轴线相对主基准的倾斜变化范围，即垂直度。

上下框分别给定的大、小两公差带的轴线是平行的，孔的轴线可在规定的较小位置度公差带范围内倾斜（不垂直）变化，但孔的轴线必须同时位于较大和较小的公差带内。

在某些情况下，较小的公差带有某部分可以落在较大公差带周边之外。

然而，较小的公差带的这部分是无用的，因为，要素轴线不能超出较大公差带。

见下面图示：
显然，复合位置度标注的重要意义是它对于所加工的零件能够进行双重限制，事实上也大大降低了零件加工的成本。

然而，上框标注按测量机的现有功能是完全可以实现的，其操作也并不
复杂。

关键是下框标注位置度公差的检测，其相对的只是主基准，无疑，这意味着被测元素中各要素的轴线既有位置要求，又有垂直度的要求。

也就是说，它并不象上框要求的那样，各圆位置度公称带必须相对三个基准，而是允许通过原点的平移或坐标系的旋转进行处理,它的公差带是上、下两位置度公差带的重合部分。

显然，这是复合位置度公差检测的复杂之处，我们在检测中必须要认真理解才能获得满意的结果。

3、关于孔/轴键槽对称度的测量
对于孔/轴键槽（见图a、图b）的对称度测量，应分两步进行，并且还要对截面测量的数据进行后置处理，这是该测量的重要一步，若忽略了则可能造成误判。

如图所示：
图 a 图 b
1、长向测量：
2、截面测量：
[轴]截面的对称度误差△=2a ×h ÷(d-h)
[
孔]截面的对称度误差△=2a ×h ÷(d+h)
其中：
a=键槽前、后两对应点之中点；
h=键槽深度；
d=孔或轴的直径。

测量结果：
取以上两个方向测得误差的最大值作为该零件的对称度误差。

八、发动机机体及其零（部）件的检测示例
V型发动机以其体积小、功率大而被广泛应用于各个领域，其机型又分6V、8V、12V以及16V等，是箱体类工件中结构最为复杂，加工难度最大，同时也是检测项目最多的部件之一。

下面就以其为代表，从中选择几项做一检测方案介绍。

1、机体前端传动孔位置度的测量
机体前端有多个加工孔位，其孔与孔之间有着精密的齿轮传动和装配关系。

为此，图样多以位置度公差加以限定。

其测量方法如下：
1.1、以圆柱（阶梯柱）功能测量机体两端轴承孔，并以
其圆柱轴线建立零件坐标系第1轴，若图样有要求则以其轴心线置原点（如下图所示）；
1.2、测量前端轴承孔上方精度很高的中心孔，其孔与喷油泵连接，因此，即有位置度要求，还有同轴度要求（如下图所示）；
1.3、以先前测量的圆柱与该孔连线建立零件坐标系第2轴；
1.4、根据图样要求测量各孔并计算位置度；
1.5、测量时最好选择带加长杆的星形测头。

否则，采样时可能因孔太深造成碰撞测杆。

2、机体曲轴孔的同轴度、平行度测量
机体的曲轴孔是发动机的关重部位，其公差要求特别严格，各规格机体同轴度公差仅为Φ0.020至Φ0.100mm之间。

因此，由工艺要求检测率必须为100%。

为此，检测时不仅要校验好测头，擦试也得特别干净。

2.1、除特别规定孔位外，一般应以两端相距最远的孔测量圆柱（或阶梯柱）[选择手动方式测量]，并以其轴线建立零件坐标系第1轴；
2.2、以其圆柱轴线置原点；
2.3、测量机体结合面，并以其建立零件坐标系第2轴；
2.4、以自动方式测量各轴承孔的两端口（如图所示）；
2.5、必要时将头尾两孔再构造一直线，并以其直线和采测的结合面重新建立零件坐标系和置原点，以获得更精确的找正效果；
2.6、输出各孔的极径乘以2，选取其中数值最大的作
为同轴度误差；
2.7、再分别以各轴承孔的两端口坐标构造直线，计算各轴承孔对结合面的平行度；
2.8、因箱体都比较长，测头不能从前后两端伸进去测量。

因此，必须选择带合适加长杆和类似TP7的测头（可加装长和重的测头），从箱体两测移动测头到被测孔（见上图）或由上面窗口处伸进去后再移动测头到被测孔（见下图）。

为了方便操作和保证安全，最好采用自动程序测量。

3、两V型缸孔的测量
缸孔加工的精度极高，它对发动机的整体机械性能至关重要，其V型角一般为60°和90°两种。

检测项目除坐标尺寸，还有缸孔同轴度、缸孔对曲轴孔的垂直度、缸孔端面对缸孔轴线的垂直度、两缸孔轴线的角度以及其交点坐标等（如图所示）。

其检测方法如下：
3.1以自动程序方式校验带加长杆的星型测头（A[30]，
B[90]）、（A[30]，B[-90]）[当V型夹角为60度时]；
3.2、用星型测头的1号测针测量缸面和缸面上的孔
坐标；
3.3、用2、3、4、5号测针组成星型测头，测量缸孔
中若干截圆；
3.4、用上面所测参数，进行坐标、角度及有关的形位
公差评定。

4、机体两侧传动孔系的测量
机体两侧传动孔与电机、机油泵等连接，即有坐标尺寸要求，又有同轴度、平行度以及垂直度要求。

且不仅加工难度大，需要加工设备配有价格昂贵的带自动转角的镗铣头，而且检测难度也比较困难。

其主要表现不在于测量功能，而
是PH测座不能连接合适的加长杆和测头，造成测头无法接近到采样部位。

为此，我们采用配置双测座系统（PH10M+ TH5），通过加长杆和肘形连接，使问题得到了圆满解决。

示图如下：
5、摇臂的测量
摇臂因其结构原因，加工时不易装夹，而且容易变形。

同时，我们也注意到，因其基准平面很小，零件找正误差也比较大。

然而，通过巧用三阶平面功能，效果就大不一样了。

下面详细介绍如下：
三阶平面我们通常也称之为虚拟平面，它用于空间任意取向的面元素的测量或计算。

不过，系统在数据处理之前，需要给定三个采样点分别平移的一个理论距离，当理论距离均为“0”时系统则计算一个三点平面。

显然，它和平面既是一对孪生兄弟，又有其独特的功能。

实践证明由于有了这。