武書(shū)

（上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司，廣西柳州545007）

論測(cè)量基準(zhǔn)與加工基準(zhǔn)一致的重要性

武書(shū)

（上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司，廣西柳州545007）

測(cè)量是決定加工質(zhì)量的前提條件。通過(guò)分析三坐標(biāo)測(cè)量過(guò)程，可得出測(cè)量基準(zhǔn)對(duì)于測(cè)量結(jié)果影響的重要性。特別是對(duì)于高精度加工而言，不合理的測(cè)量基準(zhǔn)選擇將會(huì)導(dǎo)致對(duì)工件加工結(jié)果的誤判，從而對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行誤調(diào)整，加工出不合格的產(chǎn)品，對(duì)企業(yè)造成重大的損失。

測(cè)量基準(zhǔn)；加工基準(zhǔn)；一致性

在當(dāng)前的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)加工領(lǐng)域，3C件（發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋、曲軸）的大部分加工特征，都是采用三坐標(biāo)測(cè)量。三坐標(biāo)測(cè)量的第一步就是測(cè)量基準(zhǔn)的選取與測(cè)量坐標(biāo)系的建立。因此，測(cè)量坐標(biāo)系一旦建立，在不考慮測(cè)量系統(tǒng)誤差的前提下，也就直接決定了工件測(cè)量的結(jié)果，從而也就決定了工件質(zhì)量的判定及加工過(guò)程控制。本文通過(guò)分析三坐標(biāo)測(cè)量原理，分析測(cè)量誤差來(lái)源，結(jié)合實(shí)際的加工測(cè)量結(jié)果，來(lái)闡明測(cè)量基準(zhǔn)與加工基準(zhǔn)一致的重要性，旨在指導(dǎo)選擇正確測(cè)量基準(zhǔn)，避免在項(xiàng)目階段或者正常生產(chǎn)過(guò)程中因測(cè)量而產(chǎn)生質(zhì)量的誤判和設(shè)備的誤調(diào)整，避免造成浪費(fèi)。

1　某機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)缸體測(cè)量基準(zhǔn)的選取與坐標(biāo)系的建立

1.1缸體加工設(shè)備、工藝及其測(cè)量過(guò)程

理論上來(lái)說(shuō)，要求產(chǎn)品的加工基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)保持一致。但是，對(duì)于任何一款發(fā)動(dòng)機(jī)缸體而言，為了滿(mǎn)足產(chǎn)品的性能要求，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)往往是多樣化的。通常情況下，在大批量的工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中，大都通過(guò)基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換與公差的收嚴(yán)來(lái)減少加工的工藝基準(zhǔn)，以達(dá)到簡(jiǎn)化加工夾具設(shè)計(jì)，降低加工成本的目的。

對(duì)于本文所涉及的缸體，所有的機(jī)加工設(shè)備（除珩磨機(jī)外）均為臥式銑床的CNC.缸體加工基準(zhǔn)分為粗加工基準(zhǔn)DEF，直接由鑄造毛坯面定位加工得到；精加工基準(zhǔn)ABC由粗加工基準(zhǔn)DEF定位加工得到。其中粗基準(zhǔn)DEF只用于部分粗加工以及ABC基準(zhǔn)的定位加工。加工工件的線(xiàn)旁質(zhì)量控制是采用三坐標(biāo)測(cè)量，其工件的測(cè)量姿態(tài)如圖1所示。

圖1　工件測(cè)量示意圖

在測(cè)量過(guò)程中，有兩種不同的測(cè)量基準(zhǔn)選擇。一種是以DEF基準(zhǔn)建立測(cè)量坐標(biāo)系，其過(guò)程為:

第一步，掃描D基準(zhǔn)擬合形成平面N1，取N1平面的法向量為測(cè)量坐標(biāo)X1向；

第二步，在E基準(zhǔn)取兩個(gè)點(diǎn)在擬合平面N1投影的連線(xiàn)為測(cè)量坐標(biāo)系的Y1向；

第三步，Z1向分別垂直于X1向、Y1向。另一種是以ABC基準(zhǔn)建立測(cè)量坐標(biāo)系，其過(guò)程為：第一步，掃描A基準(zhǔn)擬合平面N2，取該平面法向量為測(cè)量坐標(biāo)系N2向；

第二步，掃描B、C基準(zhǔn)取其圓心在擬合平面的連線(xiàn)為Y2向；

第三步，X2向分別垂直于Z2向、Y2向。

2.2兩種不同測(cè)量基準(zhǔn)選擇產(chǎn)生的測(cè)量誤差分析

ABC基準(zhǔn)以DEF為基準(zhǔn)加工而來(lái)，由于存在定位誤差和加工誤差，所以二者絕不可能是絕對(duì)理想的位置關(guān)系，必然存在相對(duì)誤差。因此，在忽略測(cè)量系統(tǒng)本身的誤差外，以ABC基準(zhǔn)建立的坐標(biāo)系跟以DEF基準(zhǔn)建立的坐標(biāo)系必然存在差異。對(duì)于同一特征，在不同的坐標(biāo)系下測(cè)量，其坐標(biāo)系的原點(diǎn)是一致的，測(cè)量的差異來(lái)源于不同坐標(biāo)系各坐標(biāo)軸之間方向的差異。因此，該測(cè)量差異，可以簡(jiǎn)化為空間的一個(gè)固定點(diǎn)在具有相同原點(diǎn)不同空間坐標(biāo)系的坐標(biāo)點(diǎn)差異。假設(shè)以DEF為基準(zhǔn)建立的空間坐標(biāo)系設(shè)為OX1Y1Z1，以ABC為基準(zhǔn)建立的坐標(biāo)系設(shè)為OX2Y2Z2，如下圖2所示。

圖2　空間坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)示意圖

根據(jù)具有相同原點(diǎn)空間坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換原理，設(shè)εx、εy、εz為空間直角坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)的角度，即歐勒角，則有：

當(dāng)εx、εy、εz很小時(shí)，則可簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)化公式為：

在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體加工的工藝編排中，機(jī)加工大致分為三個(gè)加工單元，粗加工、半精加工、精加工。測(cè)量也是按照加工單元進(jìn)行分段測(cè)量。粗基準(zhǔn)DEF只用于少部分特征的粗加工。其中大部分的特征是通過(guò)精加工基準(zhǔn)ABC來(lái)加工的，所有在粗加工單元存在既有以粗加工基準(zhǔn)加工的特征，也有以精加工基準(zhǔn)加工的特征。而在測(cè)量時(shí)，特別是在項(xiàng)目的初期階段，往往會(huì)忽略測(cè)量基準(zhǔn)與加工基準(zhǔn)的一致性，以其中的一個(gè)基準(zhǔn)來(lái)建立坐標(biāo)系測(cè)量該單元所有的加工特征。那么，相對(duì)于工藝要求的精度而言，采用非加工基準(zhǔn)測(cè)量的特征必將存在巨大的測(cè)量誤差。而該誤差，存在不確定性，會(huì)導(dǎo)致對(duì)工件的加工質(zhì)量及其生產(chǎn)設(shè)備的誤判。

2　測(cè)量誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果及其生產(chǎn)控制的影響

2.1測(cè)量誤差對(duì)單個(gè)加工特征結(jié)果及其判定的影響

（1）單個(gè)孔位置的測(cè)量，將會(huì)造成主軸相對(duì)加工坐標(biāo)系的位置誤判。

在加工過(guò)程中，同一臺(tái)機(jī)床，在同一個(gè)坐標(biāo)系，同一把刀只加工一個(gè)特種，如某機(jī)型的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體水套悶蓋孔加工，其工藝要求如下圖3所示。

圖3　單個(gè)孔加工示意圖

悶蓋孔的位置在機(jī)床中加工方向如上圖3所示。若測(cè)量基準(zhǔn)選擇與加工基準(zhǔn)不一致，將會(huì)導(dǎo)致測(cè)量坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)，將會(huì)使X向、Y向的測(cè)量值發(fā)生偏移，從而判斷機(jī)床主軸相對(duì)加工坐標(biāo)點(diǎn)的位置發(fā)生偏移。因此，根據(jù)質(zhì)量控制的要求，需通過(guò)調(diào)整坐標(biāo)系的補(bǔ)償值來(lái)調(diào)整加工結(jié)果，從而造成對(duì)設(shè)備的誤調(diào)整，導(dǎo)致零件批量超差及其后續(xù)的悶蓋孔裝配干涉。

（2）單個(gè)孔深度及其凸臺(tái)面的測(cè)量，將會(huì)造成對(duì)機(jī)床Z軸及其刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償?shù)恼`判。

對(duì)于臥式加工中心來(lái)說(shuō)，孔的加工深度及其凸臺(tái)面相對(duì)于基準(zhǔn)的距離，是由機(jī)床Z向坐標(biāo)決定。測(cè)量的誤差將會(huì)導(dǎo)致孔深過(guò)深或者過(guò)淺（凸臺(tái)面相對(duì)于基準(zhǔn)的基準(zhǔn)過(guò)大或者過(guò)?。?，從而造成刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償或者機(jī)床Z向坐標(biāo)補(bǔ)償?shù)恼`調(diào)整，影響工件的加工質(zhì)量，同時(shí)也會(huì)影響刀具加工壽命，提高加工成本。

2.2測(cè)量誤差對(duì)系列加工特征結(jié)果及其判定的影響

系列特征是指用來(lái)定位、安裝同一部件或者相關(guān)部件所用的多個(gè)特征。通常的情況下，根據(jù)工藝編排的經(jīng)驗(yàn)，為了提升加工效率和加工節(jié)拍，確保系列特征的相對(duì)位置精度，降低加工成本，會(huì)將一些系列特征編排在同一機(jī)床，同一坐標(biāo)系，甚至同一把刀具加工。

（1）系列孔位置度的測(cè)量，將會(huì)造成對(duì)機(jī)床定位傾斜以及B軸傾斜的誤判。

以某型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)前端面的系列孔加工為例，其加工工藝如圖4所示。測(cè)量誤差對(duì)Y向的影響主要表現(xiàn)在左右兩側(cè)的孔系一側(cè)往向正方向另一側(cè)往負(fù)方向偏移，誤判工件的加工狀態(tài)偏移，得出機(jī)床加工定位傾斜，從而對(duì)機(jī)床的定位面進(jìn)行誤調(diào)整。測(cè)量誤差對(duì)X向的影響主要表現(xiàn)在左右兩側(cè)孔的距離偏移，得出機(jī)床主軸相對(duì)機(jī)床B軸發(fā)生偏移，導(dǎo)致對(duì)機(jī)床的B軸的誤調(diào)整。該兩種誤調(diào)整都將導(dǎo)致加工質(zhì)量的超差，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

圖4　系列孔加工示意圖

（2）系列凸臺(tái)面的加工測(cè)量，將會(huì)造成對(duì)機(jī)床B軸傾斜的誤判。

以某型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣側(cè)的系列凸臺(tái)為例，其加工工藝如圖5所示。

圖5　系列凸臺(tái)加工示意圖

測(cè)量誤差將會(huì)導(dǎo)工件在機(jī)床Z向坐標(biāo)方向左右兩側(cè)的坐標(biāo)分別向不同方向偏移，或者相對(duì)于原點(diǎn)位置往同一方向發(fā)生線(xiàn)性的偏移，從而誤判定為機(jī)床的B軸相對(duì)主軸傾斜，導(dǎo)致系列凸臺(tái)面左右兩側(cè)Z向距離相對(duì)基準(zhǔn)發(fā)生傾斜，導(dǎo)致機(jī)床的誤調(diào)整，造成加工質(zhì)量超差。

3　結(jié)束語(yǔ)

高精度加工技術(shù)，需要高精密的測(cè)量技術(shù)與測(cè)量設(shè)備作為保障，同時(shí)，也需要選擇合理的測(cè)量方式，其中就包括合理的測(cè)量基準(zhǔn)的選擇。測(cè)量基準(zhǔn)的選擇，直接決定工件的測(cè)量結(jié)果與生產(chǎn)過(guò)程的控制。為了確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，減少設(shè)備的誤調(diào)整，提升加工效率，降低加工成本，提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，必須確保測(cè)量基準(zhǔn)與加工基準(zhǔn)的一致性。

[1]柯金樸.空問(wèn)三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理及實(shí)現(xiàn)[J].江西測(cè)繪，2008，（3）：16-20.

[2]張卡，張道俊，盛業(yè)華，等.三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的兩種方法及其比較研究[J].數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)知，2012，38（23）：121-127.

The Importance of Consistency of Measuring Datum and Machining Datum

WU Shu
（SAIC GM Wuling Automobile Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545007，China）

Measurement is the prerequisite that determine the processing quality.We can know the importance which measurement reference influences measurement result by analyzing the CMM process.Especially for highprecision machining，the unreasonable measurement reference will lead to work piece machining results misjudgment，thereby misadjusting the manufacturing equipment，processing substandard products，resulting in significant losses for enterprise.

measurement reference；processing reference；consistency

TG87

A

1672-545X（2016）10-0125-03

2016-07-20

武書(shū)（1990-），男，湖南人，工學(xué)學(xué)士，助理工程師，主要研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)缸體加工工藝。