王玉春，修伟，刘德庆
中车长春轨道客车股份有限公司，吉林。长春，130062
内容摘要：
随着国内铁路事业的迅速发展，对铁路运输安全的要求越来越高。作为车辆走行部转向架的核心部件构架的质量安全更是不容忽视。三坐标测量机，稳、准、快地特点很好的诠释了质量安全，它的检测结果不仅决定着被加工构架合格与否，还反过来影响着构架加工的工艺过程，其检测数据作为加工的依据，为机床功效的发挥和产品合格率的提升提供了有力的保障。
本文以中国标准动车组构架为例，介绍了采用三坐标测量机对车辆构架进行检测的过程中如何提高检测精度。
关键词：三坐标 检测 构架 检测精度
一、引言
三坐标测量机是利用三坐标的探针采集零部件各组成要素的空间坐标点,并通过计算机的高速计算功能拟合各个被测元素达到对产品精确测量的目的，利用计算机对所采集的数据进行分析处理、计算出所需要形位公差及尺寸。
三坐标测量机的检测结果，作为判定被检工件是否合格的重要依据，对被测工件能否进入下一道工序起到决定性的作用。因此，三坐标检测已成为生产工序中不可缺少的关键环节，在生产中越来越受到关注。
本文以检测动车组构架为线索，分析了影响检测精度的相关因素，全方位介绍了提高检测准确性所采取的措施。
车辆构架的检测，主要是孔位和平面位置的检测。根据构架的外形尺寸考虑选择X轴行程5000mm,Y轴行程3000mm,Z轴行程2000mm的双悬臂或龙门式三坐标测量机，同时配置平台和工装，以满足生产需求。
二、检测条件
坐标机须远离强电场、强磁场、强振源、高噪声区、强热源、高粉尘区、腐蚀性气体源，如电源断电设备、变压器、加工机床、电焊机等，以避免外界不利因素对检测数据的干扰。
过渡间有助于保证恒温效果，同时还可用于存放和交接待测构架。构架测量前须先运进工作间进行恒温。一侧进入待测构架，另一侧送出已测构架的送检顺序既可保证恒温，又能满足生产进度的需求。
坐标室内的立式空调，保证三坐标测量机正常运行的温度及温度梯度要求。
三、构架装夹方案
按尺寸及公差标准要求，同时考虑到构架尺寸较大，且足够重，以至于不需卡紧装置就
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可以稳定的放在工作台面上；另一方面测量时工件应处于自由状态，也就是不应有其他卡具进行外力夹持，因此采用三点支承即可，同时考虑到由于构架自重可能会产生的变形，我们设计了比三点支承更为理想的一点和可以绕中间支点自由旋转的杠杆臂组合。这样可以有效消除由于构架自重产生变形对检测结果的影响。
因为轨道交通车辆各车型的转向架构架的结构、几何尺寸都不一样，所以构架放置在工
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作平台上支点的位置没有规律可循。这一问题看似无关紧要,而在我们刚开始使用坐标机检测构架时,由于构架随意放置在工作平台上,致使结果超差,为此困惑了很久才找到问题的原因所在。我们对各车型的转向架构架做了大量实验，确定了各车型的转向架放置在工作平台上的支撑跨度L尺寸。动车组构架的跨度L尺寸为2500mm。经过长期的验证，我们已经做到检测的结果与真实值之间因支撑原因产生的误差可以忽略。
为了保证每次工件摆放时工件位置的一致性，减少建立工件坐标系时手动测量的时间，提高工作效率，也为了保证工件尽量居中布局，平台或移动平车上还要安装三个定位柱（两个在工件的长度方向，一个在工件的宽度方向）用于工件长度和宽度方向的定位。
四、检测构架的流程
检测构架的流程：启动机器→测头校验→建立工件坐标系→区域测量→特征构造→尺寸评价→报告输出→整理。
五、探针的选择原则
（一）探针长度尽可能短；探针弯曲或倾斜越大，精度将越低。因此在测量时，尽可能采用短探针。根据构架的实际情况，我们采用长度为40mm的探针。这一长度是在长期检测各种构架的过程中，保证能测得全部被测要素情况下总结出来的最小尺寸。
（二）连接点最少，因为每次将探针与加长杆连接在一起时，
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就额外引入了新的潜在弯曲和变形点。因此要尽可能减少连接数目。这样做也同时减少了由于探针“晃动”而误触发的可能。根据这一原则，由于没有所要的40mm整尺寸探针，我们选择了25mm+15mm探针组合。
（三）测球尽可能大 先要声明这里所说的尽可能大当然不是无限大。测针的精度很大程度上决定了测量的精度，一般来说，测针的红宝石直径越大，使用的加长杆越长，测针的精度就越低，反之，测针的红宝石直径越小，使用的加长杆越短，测量的精度就越高。然而，在实际测量过程中，根据我们的经验，并非选取的测针直径越小，加长杆越短，就意味着测量结果的质量越好，那么这是为什么呢？因为结合构架加工表面的实际情况，选择直径较大的测球可以削弱被测表面由于未抛光对精度造成的影响。根据被检构架尺寸精度要求及表面加工质量，并经实测验证，检测构架时选择直径为6mm的测球较为合理。
六、测头校验
测头校验是基础和前提，如果不校验，检测的结果会和真实值差几毫米之多，毫无精度可言，后续的工作全是无用功。校验的目的是为了获得测头的有效直径和多测头间的相互关系。针对构架的检测，校验一至两个测头，角度根据被检构架复杂程度，十到十五个左右。动车组构架大约需要十二、三个角度。
在进行测头校正时，应该注意以下问题：①测座、测头(传感器)、
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加长杆、测针、标准球要安装可靠、牢固，不能松动有间隙。检查了安装的测针、标准球是否牢固后，要擦拭测针和标准球上的手印和污渍，保持测针和标准球清洁。②校正测头时，校正速度应与测量时的速度一致。注意观察校正后测针的直径(是否与以前同样长度时的校正结果有较大偏差)和形状误差。如果有很大变化，则要查找原因或清洁标准球和测针，再重复进行2至3次校正，观察其结果的重复程度。
七、建立工件坐标系
工件坐标系是进行尺寸计算与评价的参考。
粗建坐标系。编写检测程序时，选择就近的，加工过的局部的面、线或圆作基准。手动测量xy基准面四点，确定Z轴的方向和原点；手动测量线或圆作为第二、第三基准，确定X轴向，确定X、Y轴原点，粗略建立了工件的坐标系。粗建坐标系的目的一方面为后面准确测量被测要素打基础，另一方面为编程时测头自动行走确定初始坐标。粗建的坐标系是局部坐标系。
精建坐标系 在粗建的坐标系基础上，参考工艺基准或设计基准，构建构架的整体坐标系。同时遵循以下原则：
1．坐标原点应选在零件图的基准尺寸上，以便计算检测结果，减少错误。
2．坐标原点应尽量选择在精度高的工件表面，以提高检测精度。
3．工件对称时，应选对称中心作为坐标原点。
4．工件不对称时，一般取其中一个垂直交角处作为坐标原点。
5．Z轴方向的坐标原点，一般取工件上表面。
以动车组构架为例，在温泽双臂机上检测时，建立坐标系的程序段如下：
粗建坐标系：
2 删除坐标系统: : PCS
3 删除坐标系统: : PLCS
4 载入测头系统: 2 / A0.0_B0.0 : A:0.00, B:0.00, APC:0, St no.:1, 先前的:20
5 CNC参数 : 测量距离:8.00, 搜索距离:8.00, 回退距离:3.00, 测量速度:70%,测量加速度:60%, 定位速度:70%, 定位加速度:60%
6 测量平面 : 1 , 点: 4
7 MP > -1697.83 467.66 -161.58 0.00 0.00 1.00
8 MP > -1697.84 442.85 -161.57 0.00 0.00 1.00
9 MP > -2200.55 447.79 -161.84 0.00 0.00 1.00
10 MP > -2200.53 468.51 -161.87 0.00 0.00 1.00
11 测量结束
12 设置第一坐标轴方向: : PLCS, +Z, O: Z, 元素: 1
13 测量圆/圆柱 : 2 , 点: 4 , 参考: 代号: 1
14 MP > -2183.12 467.23 -6.88 0.09 -1.00 0.00
15 MP > -2183.12 449.77 -6.88 0.09 1.00 0.00
16 MP > -2173.25 458.86 -6.88 -1.00 -0.03 0.00
17 MP > -2190.76 458.87 -6.89 1.00 -0.03 0.00
18 测量结束
19 测量圆/圆柱 : 3 , 点: 4 , 参考: 代号: 1
20 MP > -1710.08 464.85 -9.72 -0.17 -0.99 0.00
21 MP > -1710.09 447.76 -9.73 -0.17 0.99 0.00
22 MP > -1703.55 454.46 -9.73 -0.99 0.16 0.00
23 MP > -1720.65 454.46 -9.72 0.99 0.16 0.00
24 测量结束
25 直线, 连结 : 4 , 元素: 3, 2
26 设置第二坐标轴方向: : PLCS, +X, O: Y, 元素: 4
27 设置零点 : : PLCS, X, 元素: 3
28 保存坐标系 : PLCS, 31
29 载入坐标系 : PLCS, 31
30 CNC打开 , 自动 关闭
精建坐标系：
238 多机数据输入 : LABEL 元素: 5 从 25 到 26
239 平面, 连接参数: 47/Z, 元素: 23, 25, 44, 46
240 设置第一坐标轴方向: : PLCS, +Z, O: Z, 元素: 47
241 直线, 连接参数: 48/23.25, 元素: 25, 23
242 直线, 连接参数: 49/44.46, 元素: 46, 44
243 直线, 对称 : 50/Y , 元素: 49, 48
244 设置第二坐标轴方向: : PLCS, +X, O: Y, 元素: 50
245 平面, 连接点: 51/45.24, 元素: 45, 24
246 平面, 连接点: 52/22.43, 元素: 43, 22
247 平面, 对称 : 53/X , 元素: 52, 51
248 点, 相交 : 54/O , 元素: 50, 53
249 设置零点 : : PLCS, X, 元素: 54
250 保存坐标系 : PLCS, 32
251 载入坐标系 : PLCS, 32
八、元素采集顺序
按图纸要求，整个构架分为4个区，分区如上图所示。工件居中布局，分两面检测。尺寸要求在4个区域内相同或者近似。检测时分区域进行。龙门式坐标机按1-4的顺序采集元素，双臂机一侧按1-2，另一侧按4-3顺序采集。
按照这个分区的规则，在每个区域内检测相同位置的元素。
对于部分特征无法通过直接测量来获得，需要使用测量软件的构造功能。
测量的内容包括点、线、面、圆、圆柱等。测量的次序应遵循如下原则：
（1）先难后易：即先测量难度较大的部分。
（2）先重后轻：即先测量重要的部分。如基准点、分型线等。
（3）先配合后个体：即先测量装配结合部分。
（4）先整体后细节：即先完成主体的形位测量，再补充细节。
（5）在同一次定位下完成尽可能多的数据测量。如探针在同一方位下测量尽可能多的数据，以减少探针的换位次数。
（6）构架翻面检测在重新确定x、y、z三个方向的基准时，应确保和原基准相同。
九、尺寸评价及数据处理
用数学方法，对测量取得的数据进行计算，从而给出正确的被测量结果及其评价。尺寸评价及数据处理是构架检测中的核心环节，计算后的检测结果对产品能否进入下一道工序有着决定性的作用。因此要求计算的过程尽可能做到准确无误，并且符合生产实际。
关于尺寸评价的方法，总结了很多成型的经验，在这里列举两个比较典型的日常工作中经常碰到且容易出错的例子，介绍一下如何正确运用测得的数据，得到科学的，满足生产需要的检测结果。
十、二维距离的计算
二维距离是指两个元素相对于当前工作平面的距离。比较典型的有点到线，圆到圆，圆到线的距离。当计算二维距离时，你可以选择各个方向的距离，如：你可以通过CIR1和CIR2产生上图所示几种方向的距离。通常情况下，沿X轴距离1或沿Y轴的距离2比较直观，在尺寸评价选项里直接勾选即可。而距离3在选项里没有明确选项，初学者常把距离1和距离3混淆，误以为距离3就是距离1，导致结果错误。实际上，当我们在选项栏里不作任何选取而直接确定时，软件计算的结果就是距离3。这是新手常犯的错误。再看下面这个图，如果你选择点１和直线１，
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而且如上所说不要任何选项而直接确定，那么得到的距离为点到直线的重心的距离，这显然又不是我们需要的东西。
十一、同轴度评价
上只是针对初学者，下面说的同轴度的例子就略有一点难度。同轴度是我们经常需要检测的项目之一。动车组构架检测单中就有两项如下图所示同轴度需要检测。影响同轴度的元素有轴
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线与轴线、轴线与公共轴线、圆心与圆心，其主要因素有被测元素与基准元素的圆心位置和轴线方向，特别是轴线方向。如在基准圆柱上测量两个截面圆，用其连线作基准轴。在被测圆柱上也测量两个截面圆，构造一条直线，然后计算同轴度。假设基准上两个截面的距离为lOmm，基准第一截面与被测圆柱的第一截面的距离为lOOmm，如果基准的第二截面圆的圆心位置与第一截面圆圆心有5 μm的测量误差，那么基准轴线延伸到被测圆柱第一截面时已偏离50μm。(5×100÷lO) μm，此时，即使被测圆柱与基准完全同轴，其结果也会有100μm的误差（同轴度公差值为直径，50μm是半径)，即这样测出的同轴度引入了延长误差，不符合实际情况。这也就是为什么一根加工精度很高的轴，从外观上看不出任何缺陷，而检测同轴度时却超差很多的原因所在。加工轴的人被搞的无所适从。
经过长期的探索，我们总结出用公共轴线代替基准轴线的方法来测量同轴度。具体做法是在被测元素和基准元素上测量多个横截面的圆，再将这些圆的圆心构造一条3D直线，作为公共轴线，每个圆的直径可以不一致，然后分别计算基准圆柱和被测圆柱对公共轴线的同轴度，取其最大值作为孔的同轴度。具体操作方法，除了在孔口处测量1个横截面的圆，还要分别在1个孔内以探针能够采到点的深处测量1个横截面的圆，将这些圆心连成直线来检测同轴度(采点的位置见右图)。通过多次检测试验，这种检测方法接近零件的实际装配过程，检测结果能够满足生产的需求。日常检测中，我们会遇到许许多多类似的问题，因此，要想在实际工作中做到准确无误，还要靠平时勤学善思，日积月累，在这里不能一一介绍了。
十二、测量结果有效位数的选取及修约规则
对于检测结果，我们还应遵循一些数字的选取及修约规则，以满足精度要求。
（一）有效位数的选取：首先，有效位数应由该测量结果的不确定度来确定。（1）算术平均值的有效位数，在计算算术平均值时，若四个以上数相平均，则平均值的有效位数可增加一位。 其次，评定测量结果精确度的不确定度值的有效位数，对于测量结果和评定测量结果精确度的不确定度值的两个数的末位应取得一致。如：3.76土0.124，应写成3.76±0.12 。（2）常数的有效位救，在所有的运算中，对常数PI，e等的有效位数，均根据需要选取，没有任何限制。
（二）修约规则：
1．按修约间隔进行修约。
2．按有效位数进行修约。
3．有0.5单位修约与0.2单位修约。
4．标准规定的进舍规则。
(1)拟舍弃数字的最后一位数字小于5时，则舍去，即保留的各位数字不变。
例:修约成3位有效数:l5.2468→15.2。
(2)拟舍弃数字的最后一位数字大于5，或者是5，而其后有并非全部为零的数字时，则进一，即保留的末位数字加l。
例:修约成2位有效数: 11.502→l2
(3)拟舍弃数字的最后一位数字为5而右面无数字或皆为0时．若保留的末位数字为奇数则进l，为偶数则舍弃。
如，1.050→1.0，0.350→0.4（按修约间隔为0.1）．
(4)负数修约。先将它的绝对值按上述规定进行修约，然后在修约值前面加上负号。
(5) 不允许连续修约。 例：修约间隔为l时：正确l5.4548→l5；
错误：15.4548→15.455→15.46→15.5→16
十三、影响测量结果的外部因素
前面我们对检测过程中可能出现的影响检测结果的各种因素进行了分析，除此之外，还存在一些对检测结果可能产生影响的外部因素，也同样不应忽视。经过分析，我们总结出这些外部因素主要有以下几个方面：①构架基准面的粗糙度太低，导致三坐标测量机在检测中，因采点的偶然性而造成偏差。②操作者因采点数量不足而造成偏差。③操作者因采点方法不正确而造成偏差。
针对以上情况，我们也采取了相应的防范措施加以控制。
(1) 构架需要检测的表面，尤其是基准面的外表面不得有毛刺、油污、碰伤、划痕等缺陷，以确保检测结果的正确性。
(2) 检测多边形的平面度时，除了平面的中心采点外，在小于300mm的边长上采2点(具体采点的位置见图2)，在大于300mm的边长上采3点(具体采点的位置见图3)。检测圆弧形的平面度时，除了平面的中心采点外，在圆弧的边长上均分采3点(具体采点的位置见图4)。
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(3)利用程序对构架所有需要检测的项点进行采点；采点速度控制在25mm／s以内，否则可能损坏测头或导致错误的测量结果；对曲面进行采点时，避免切向采点，尽量法向采点；采点位置尽量选择粗糙度好的位置。如果程序采点的位置不好，应暂停，消除此点然后采用手动采点的方式对此位置重新进行采点，然后继续程序其他采点。
动车组构架采集元素如下图。
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人对检测精度的影响，由于检测人员自身素质等方面的因素，在工作中人为出现的检定误差也应引起足够重视。这类误差可分为以下几类：1.检定人员缺乏检测技能造成的技术性误差。2.检定人员粗心大意造成的误差；3.由于生产不均衡、管理混乱为赶进度造成的误差。针对以上问题，我们是这样解决的，当怀疑检测结果中的异常值有可能是人为因素造成时，首先要对自已检测过的工件进行复检，若结果没有太大变化，则由另一名检定人员重复检定，以消除惯性因素。这样操作后，如果还有争议，再由技术较高的检定员或技术人员进行复核检定。我们有三台同样规格的大型坐标机，间隔仅数米，因此最终还可以换一台精度更高、可靠性更好的设备进行检测，一定能够彻底消除上述不确定因素。
要想降低人员自身素质方面造成的失误，减少测量误差．提高检测结果的准确度，关键还在于检测人员素质的提高，只有平时严格要求自已，努力学习技术，才能高质量地完成检测任务。
至此，我们从环境、工件、设备、方法、人员等几个方面阐述了检测构架时影响检测结果准确性的原因及对应的解决方法，这些结论都是在长期的检测工作中一点点积累总结出来的，从实践中来，再应用到实践中去。当然，由于自身水平原因，可能总结的不够全面，或者有的观点还存在着局限性，正因为如此，自己才深刻地体会到学习的重要，在学习中不断总结，不断提高，努力提高测量的准确性。
参考文献：
[1] 互换性与技术测量 重庆大学 廖念钊等 中国计量出版社 出版日期2000年
[2] PC-DMIS操作手册 海克斯康测量技术有限公司