光学非接触式轴类测量系统以光学2D测量机产品的形式广泛应用在发动机曲轴制造现场还不足10年，是一种经济、有效的检测手段。在与生产环境的整合方面，该系统能够提供极大的灵活性，可根据当前的测量任务及未来测量需求进行便捷调整，提供出色的长期测量精度。

光学非接触式轴类测量系统，简称光学两坐标（2D）测量机，近年来以其高精度、高效率、高可靠性及高柔性的显著特点在发动机曲轴生产检测中得到了广泛应用，主要用于快速检测曲轴生产工序间的尺寸及形位公差等，达到实时监控生产过程及产品质量的目的。

图1 手动上料型的线边光学2D测量机

光学非接触式轴类测量系统以光学2D测量机产品的形式广泛应用在发动机曲轴制造现场还不足10年，该系统既可用作如图1所示的手动上料型的SPC测量站，也可用作如图2所示的机器人上料的全自动测量系统。它可根据当前的测量任务及未来的测量需求进行便捷调整。在与生产环境的整合方面，该系统能够提供极大的灵活性，另外还能提供出色的长期测量精度。对于要求苛刻的测量任务，如曲轴终检，该系统可提供最佳的技术配置以应对用户诸多的测量需求。以德国Hommel公司的Opticline C系列光学2D测量机产品为例，测量直径最大可达230mm,测量长度最大可达1000mm，承载工件质量最大可达75kg,可测量曲轴上所有的几何量公差项目，具有高效率、高精度、高柔性化和编程简便等多项优点。

图2 机器人上料的全自动在线光学2D测量机

我公司在动力总成四期项目中投资了光学2D测量机用于3款新型发动机EC、EP和EB曲轴生产的检测。以EP曲轴生产线为例，配备光学2D测量机后减少了线边检具8套，在形位误差的检测方面替代了接触式曲轴综合测量机，在曲轴局部圆角尺寸的检测方面替代了投影仪，节约投资费用100多万元，提高了曲轴生产的检测能力和检测效率。

检测规划

在公司四期项目曲轴生产线检测设备规划阶段，我们调查分析了光学2D测量机的精度、效率和能力，决定引进手动上料型的光学2D测量机替代传统的线边检具及部分通用检测设备（如投影仪、轮廓仪及接触式曲轴综合测量机等）。为充分利用光学2D测量机的强大功能，在满足测量精度要求的前提下，尽量使用光学2D测量机检测所有能够检测的尺寸和形位误差项目，力争探索出一套使用光学2D测量机测量曲轴产品的系统方法。

1. 光学2D测量机的结构与原理

以Hommel公司制造的Opticline C系列产品为例，光学2D测量机主要的测量单元包括光源、透镜组、CCD传感器及CPU等。如图3所示，从光源发出的光线经过透镜组后被转成平行光线，平行光线被零件部分遮挡后在CCD传感器上形成等比例、等尺寸的阴影。测量单元可以沿曲轴的轴向Z方向移动，零件可沿中心孔进行C方向旋转，光源扫描整个零件后就得到了曲轴完整的轮廓阴影，通过对阴影的检测可以测出曲轴的尺寸和形位误差。光学2D测量机是一种绝对测量的设备，精度依靠测量单元X、轴向移动的光栅尺Z和周向旋转的编码器C的精度来保证。

2. 光学2D测量机的选型

Hommel公司为了适应乘用车发动机曲轴生产的测量需求，新设计制造了CA618型光学2D测量机，可以检测零件的最大直径为180mm，最大长度为580mm。神龙EP系列发动机有两种型号（EP6和EP8），曲轴的最大回转直径为144mm，长度为390mm，选用CA618型光学2D测量机可以满足EP系列曲轴的测量需求，同时具有最佳的性价比。

CA618型光学2D测量机可以检测曲轴的直径、长度尺寸、曲柄半径和各种形位误差，包括：圆度、圆柱度、直线度、轴颈平行度、径向跳动、连杆颈对称度和同轴度等几何量公差。表1所示为CA618型光学2D测量机测量曲轴的重复性精度。

应用实践

光学2D坐标测量机应用在EP曲轴生产线上的主要测量任务如下：

1.曲轴直径、长度尺寸的测量

（1）曲轴直径的测量 CA618光学2D测量机的测量编程非常简单，检测曲轴直径使用命令“直径”菜单里的“常规”，在曲轴的扫描图形上选择测量位置，设置名义值和公差，这样测量直径的程序就编辑完成了。光学2D测量机评价曲轴直径的方法如图4所示。

（2）曲轴轴向长度尺寸的测量 乘用车曲轴长度尺寸的加工和测量基准，一般都是在曲轴一端的内锥孔里定义一个定直径的节圆，CA618光学2D测量机专门提供了一项功能，检测这种类似的截圆位置。使用命令“位置”菜单里的“圆锥”，测量位置选择在中心孔外的顶尖锥面上，在“探测直径”处输入指定的直径，这样就可以建立曲轴长度尺寸测量的位置基准。基准建立方法如图5所示，使用命令“位置”菜单里的“常规”，选择需要测量的位置，使用命令“长度”，“基准1”和“基准2”分别选择已经建好的位置基准，就可以测量从曲轴中心孔节圆基准位置到需要测量的位置的长度。

（3）曲柄半径的测量 为了检测曲轴的曲柄半径尺寸，CA618型光学2D测量机提供了专门的测量项目，先使用命令“旋转位置”菜单里的“常规偏心度”，选择需要测量的连杆颈，建立角度基准“RA_M1”，选择“偏心度”菜单里的“基准”，在测量项目设定“基准”里选择“RA_M1”，设定名义值和公差，这样测量连杆颈曲柄半径的测量程序就编辑好了。

2. 形位误差的测量

EP曲轴产品工艺中的形位误差几乎全部可以用光学2D测量机进行检测，其中比较特殊的是连杆颈对称度的测量，需要用到光学2D测量机的公式编辑功能。

（1）圆度、圆柱度和直线度的测量 圆度、圆柱度和直线度等形位误差的编程测量非常简便，直接选择“圆度”、“圆柱度”和“直线度”等命令，选择要测量的位置，设置公差就完成了测量程序的编辑。其中，圆度评价方法如图6所示，圆柱度评价方法如图7所示，完全按ISO标准规定的方法进行评价。

（2）曲轴轴颈径向跳动的测量 CA618光学2D测量机可以用来检测轴颈的径向跳动，检测零件的径向跳动必须先建立轴线基准。光学2D测量机的轴线建立有两种方法：

第一种方法是使用2个轴颈圆度中心建立轴线。以建立第1、第5主轴颈轴线为例，分别在第1主轴颈和第5主轴颈上各测量一个截面圆度，得到2个圆度测量项，选择“工件轴”菜单里的“旋转”，在测量项目设定“基准1”和“基准2”里分别选择刚才建立的第1、第5主轴颈圆度测量项，这样就建立了第1、第5主轴颈工件轴基准。

第二种方法是使用圆柱度建立轴线。以第1连杆颈建立轴线为例：在第1连杆颈上测量圆柱度，得到圆柱度测量项，选择“工件轴”菜单里的“旋转”，在测量项目设定“基准1”里选择刚才建立的圆柱度测量项，这样就建立了以第1连杆颈轴心为轴线的旋转基准，检测径向跳动时只需要选择“径跳”命令，选择好测量位置，在测量基准中选择建好的轴线，设置公差带即可进行评价测量。

（3）曲轴连杆颈平行度的测量 使用（2）中介绍的第一种方法建立基准轴线，使用第二种方法建立被测连杆颈的轴线，选择“平行度”命令菜单里的“径向轴”，在“工件轴1的基准”里选择基准轴线，在“工件轴2的基准”里选择被测连杆轴颈的轴线，设置公差带即可进行评价测量。

（4）曲轴连杆颈对称度的测量 EP曲轴的连杆颈对称度是以第1连杆颈中心为基准，检测2、3和4连杆颈相对第1连杆颈中心的对称度。

检测对称度需要使用光学2D测量机的公式编辑功能：首先选择“命令”，先使用命令“旋转位置”菜单里的“常规偏心度”，选择第1连杆颈，并且选中“参考基准”，这样光学2D测量机就会把第1连杆颈的中心设置为周向角度的起始点，即0°；再使用命令“旋转位置”菜单里的“常规偏心度”分别选择第2、第3和第4连杆颈，这样就会以第1连杆颈的中心为0°，分别测量第2、第3和第4连杆颈的周向角度，得到3个测量项“RA_M2”、“RA_M3”和“RA_M4”；使用（3）中的方法测量第2、第3和第4连杆颈的曲柄半径“Stroke_M2”、“Stroke_M3”和“Stroke_M4”，根据几何公式就可以得出偏心量计算公式。

第2连杆颈相对第1连杆颈的偏心量=sin（RA_M2-180）×Stroke_M2；

第3连杆颈相对第1连杆颈的偏心量=sin（RA_M3-180）×Stroke_M3；

第4连杆颈相对第1连杆颈的偏心量=sin（RA_M4-180）×Stroke_M4。

选择“公式”命令，分别输入上面的公式就可以测量第2、第3和第4连杆颈相对第1连杆颈的偏心量。相位角及偏心量的评价方式如图8所示。

3. 曲轴沉割槽圆弧半径的测量

光学2D测量机检测曲轴沉割槽圆弧半径的方法是：使用测量机的“分析”功能，扫描曲轴后得到曲轴的轮廓，将轮廓局部放大后使用手动测量的命令，检测局部的圆弧半径等尺寸，沉割槽圆弧半径评价方式如图9所示。

结果分析

1. 精度分析

CA618光学2D测量机是一种绝对测量设备，重复性可以达到微米级精度。在验收时，我们选择了几个半精加工的长度和直径尺寸做检测能力指数CMC评定，评定结果如表2所示，所有的尺寸都通过了CMC测试。

曲轴形位误差值都非常小，大多在7mm以下。根据我公司的使用经验，只要与计量室的接触式测量结果的差异小于公差带的30%就能满足使用要求，因此按照这个标准我们做了形位精度的验收，随机抽取3个零件分别用光学2D测量机和接触式测量机测量3次，比较两台设备的测量结果，9个轴颈所有形位误差测量结果的差异都小于公差值的30%，可以替代接触式测量在现场进行曲轴形位误差的测量。

2. 效率分析

光学2D测量机在保证高精度测量的同时，还具有很高的测量效率，表3为1台光学2D测量机完成20万产能的EP曲轴线的各工序检测要求的测量时间表，如测量OP110工序磨削加工后的1件零件49个测量项目仅需要131s，而接触式曲轴综合测量机测量这个零件至少需要7min，可见其测量效率之高是任何接触式测量设备无法比拟的。

结语

光学2D测量机在EP曲轴线的应用实践，证明了其作为一种新型的检测设备，无论从精度、效率及可操作性等方面讲，都是发动机曲轴生产线经济、有效的检测手段。光学2D测量机不仅可用于操作工自检，还可用于自动生产线的全检，其特点是柔性好、应用范围广泛且测量速度快，代表了曲轴生产测量技术的发展方向。