淺談三坐標(biāo)測量機(jī)的選用及在制造系統(tǒng)中的應(yīng)用

白月飛

[摘要]汽車零部件制造及裝配的高精度必然需求高精度的精密檢測,需求嚴(yán)密的質(zhì)量控制。三坐標(biāo)測量機(jī)是質(zhì)量控制水平的鮮明標(biāo)志。因此,分析三坐標(biāo)測量機(jī)的具體選用方法,探討三坐標(biāo)測量機(jī)在制造系統(tǒng)中的應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]三坐標(biāo)測量機(jī)質(zhì)量控制制造系統(tǒng)

中圖分類號(hào):TH6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-7597(2009)1210160-01

一、三坐標(biāo)測量機(jī)概述

三坐標(biāo)測量機(jī)的工作原理是坐標(biāo)測量,在某種意義上講,三維測量可以測量空間任何幾何尺寸,它的基本測量原理就是將被測物體置于三坐標(biāo)測量機(jī)的測量空間,通過測量頭探測,獲得被測物體上各測點(diǎn)的坐標(biāo)位置,根據(jù)這些點(diǎn)的空間坐標(biāo)值,經(jīng)計(jì)算機(jī)按照最小二乘法等數(shù)學(xué)法則計(jì)算求出被測物體的幾何尺寸,形狀和相對位置。如果在三坐標(biāo)測量機(jī)上安裝回轉(zhuǎn)臺(tái),在測量中不僅可以使用直角坐標(biāo)系,還可以使用極坐標(biāo)系,從而極大簡化諸如均布圓周上眾多圓孔位置度的檢測問題,極坐標(biāo)的采用無疑擴(kuò)大了測量范圍,同時(shí),為專用用途設(shè)計(jì)的坐標(biāo)機(jī)還有在X,Y,Z坐標(biāo)軸上分別安裝回轉(zhuǎn)軸的情況,從而實(shí)現(xiàn)了所謂五坐標(biāo),六坐標(biāo)測量機(jī)的測量功能。

二、三坐標(biāo)測量機(jī)的選用

一般情況下,三坐標(biāo)測量機(jī)的選用主要注意如下方面:

1.CMM的測量范圍。這是選擇CMM的首要因素。我們在計(jì)劃購買三坐標(biāo)測量設(shè)備時(shí),首先要清楚掌握所測產(chǎn)品的外圍尺寸,根據(jù)尺寸來確定相應(yīng)規(guī)格的三坐標(biāo)設(shè)備。例如在選用橋式結(jié)構(gòu)CMM時(shí),設(shè)備價(jià)格與橫梁的跨度成正比,而長度方向的尺寸對價(jià)格影響不大,因此我們只要滿足測量的范圍即可,不必追求不必要的大量程,如果被測工件所需被測量的只是整個(gè)產(chǎn)品的一部分,這時(shí)選用的CMM也要把整體工件放置在工作臺(tái)面上,同時(shí)要考慮產(chǎn)品的重量,不能超過CMM的承重范圍。CMM選用的測量范圍還要受到所選探頭系統(tǒng)的影響,因?yàn)樘筋^會(huì)占用一定的測量空間,所以在選定測量范圍時(shí),就要考慮所選探頭的影響。目前從測量范圍而言,探頭普遍使用的是兩種:帶旋轉(zhuǎn)頭的探頭和固定式探頭。

(1)旋轉(zhuǎn)探頭:主要應(yīng)用在生產(chǎn)型的三坐標(biāo)測量機(jī)上。

(2)固定式探頭:主要應(yīng)用在計(jì)量型的三坐標(biāo)測量機(jī)上。它不存在旋轉(zhuǎn)探頭在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)誤差。因?yàn)榇嬖谛D(zhuǎn)探頭和固定探頭的工作原理差異,因此在選擇設(shè)備測量范圍的時(shí)候也是有區(qū)別的:旋轉(zhuǎn)探頭需要更大的測量范圍,對于同樣的一個(gè)工件,因?yàn)樾D(zhuǎn)探頭在旋轉(zhuǎn)過程中會(huì)占用一些空間,根據(jù)我們的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),在選擇CMM的時(shí)候,如果供應(yīng)商標(biāo)配旋轉(zhuǎn)探頭,就要考慮更大的CMM量程。

2.測量精度。三坐標(biāo)測量機(jī)就是檢測工件幾何尺寸與形位誤差的計(jì)量儀器,滿足精度要求是首選目標(biāo)。CMM選用時(shí),一般可根據(jù)被測工件要求的檢測精度與測量機(jī)給定的測量不確定度相對比,看測量機(jī)精度是否符合要求。精度比對不是一個(gè)簡單的比較過程。測量機(jī)的技術(shù)規(guī)范中一般只給出單軸測長和空間測長的兩個(gè)不確定度計(jì)算公式及重復(fù)測量精度值。而在具體開展測量時(shí),需要將被測參數(shù)的測量不確定度限制在一定范圍內(nèi)。一般測量時(shí),需要測量很多探測點(diǎn)。在進(jìn)行形位公差測量時(shí),更有大量探測點(diǎn)參與計(jì)算并帶來測量誤差,精確計(jì)算是很困難的,因此從經(jīng)驗(yàn)出發(fā),在一般測量中,測量不確定度應(yīng)為被測工件尺寸公差帶的1/5～1/3。

總之,用戶應(yīng)選用精度(包括重復(fù)精度)稍高一些的坐標(biāo)測量機(jī)。這不僅由于測量復(fù)雜工件時(shí),測點(diǎn)可能帶入的誤差比預(yù)想的要大(由于測頭測桿變化或加長會(huì)引入更大的測量誤差),而且測量機(jī)的精度會(huì)隨使用次數(shù)增多而有所下降,一般測量機(jī)的不確定度數(shù)值小于或等于被測量尺寸要求不確定度的1/2時(shí),就可以選用。

3.探頭形式。從探頭的工作形式對測量結(jié)果的準(zhǔn)確性影響來看,目前普遍使用的探頭有接觸式觸發(fā)探頭、接觸式掃描探頭和非接觸式光學(xué)探頭等。選用設(shè)備探頭時(shí),根據(jù)測量需求,測量速度及測量頻率選擇探頭形式。

4.光柵尺。光柵尺是三坐標(biāo)測量機(jī)的讀數(shù)基準(zhǔn),因而要求其熱膨脹系數(shù)盡可能的低,以保證讀數(shù)的準(zhǔn)確性?，F(xiàn)在關(guān)于光柵尺的材料研發(fā)也是圍繞降低熱膨脹系數(shù)進(jìn)行的。測量機(jī)按自動(dòng)化程度分為手動(dòng)(或機(jī)動(dòng))與CNC(自控)兩大類。選用時(shí),應(yīng)根據(jù)檢測對象的批量大小、自動(dòng)化程度、操作人員技術(shù)水平及資金投入大小去權(quán)衡。當(dāng)然CNC測量機(jī)精度水平高、測量速度快,但測量前的準(zhǔn)備時(shí)間相對較長、技術(shù)要求相對較高、資金投入相對較大。

三、三坐標(biāo)測量機(jī)在制造系統(tǒng)中的應(yīng)用

三坐標(biāo)測量機(jī)目前不僅是一種實(shí)驗(yàn)室的計(jì)量儀器,而且被大量應(yīng)用在機(jī)加及裝配生產(chǎn)車間中,在汽車行業(yè),CMM更是產(chǎn)品質(zhì)量保證和質(zhì)量控制必備的測量工具。它在實(shí)踐工作中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面:

1.產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)。由于加工產(chǎn)品形狀愈來愈復(fù)雜,精度愈來愈高,CMM逐步成為產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)的主要檢具,對產(chǎn)品生產(chǎn)中的每道工序進(jìn)行全加工尺寸檢驗(yàn),確保為下道工序提供合格品。在每道工序加工生產(chǎn)中,只要有一個(gè)狀態(tài)發(fā)生變化就應(yīng)該送CMM檢測,例如更換加工刀具,調(diào)整加工節(jié)拍或程序,對于極其復(fù)雜的加工件,傳統(tǒng)檢具已經(jīng)不能滿足質(zhì)量控制的要求,同時(shí)檢具的加工與設(shè)計(jì)由于加工的復(fù)雜性已經(jīng)成為了一個(gè)難題,因此加工的現(xiàn)狀促使三坐標(biāo)測量機(jī)成為制造系統(tǒng)中質(zhì)量檢驗(yàn)的主要手段。以汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廠為例,每周機(jī)加部門都要將加工成品件送到質(zhì)量管理部門,運(yùn)用CMM對缸體、缸蓋、曲軸等成品件進(jìn)行全尺寸檢測,全面檢驗(yàn)其加工質(zhì)量;每半個(gè)月對每條加工線各道工序加工件進(jìn)行送檢,檢驗(yàn)工序產(chǎn)品質(zhì)量。周期檢驗(yàn)考核生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性,檢驗(yàn)生產(chǎn)系統(tǒng)(人、機(jī)器、材料、加工方法等)是否處于正常穩(wěn)定狀態(tài),用于消除系統(tǒng)誤差。逐批檢驗(yàn)是判定批產(chǎn)品質(zhì)量是否合格,控制隨機(jī)誤差。

2.了解設(shè)備的調(diào)整狀態(tài)。如果測量結(jié)果表明加工得到的零件尺寸都偏向公差帶的一邊,便說明設(shè)備沒有調(diào)到最佳狀態(tài),必要時(shí)可以進(jìn)行設(shè)備調(diào)整,或者進(jìn)行加工夾具的調(diào)整。

3.隨時(shí)及時(shí)地了解工藝過程的發(fā)展趨勢,對產(chǎn)品及設(shè)備的狀態(tài)發(fā)出警示信號(hào)。如果加工件的尺寸出現(xiàn)系統(tǒng)性的向一個(gè)方向漂移,說明存在刀具磨損,熱漂移或其它因素,如果發(fā)現(xiàn)被測量的幾何參數(shù)的形狀誤差越來越大,說明刀具變鈍,摩擦力增大,加工振動(dòng)加劇等情況,從而提醒相關(guān)人員及時(shí)采取措施進(jìn)行補(bǔ)救。

4.提供質(zhì)量體系認(rèn)證的原始審核數(shù)據(jù)。目前汽車行業(yè)中各個(gè)企業(yè)紛紛通過TS16949質(zhì)量認(rèn)證。在該質(zhì)量體系認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中,其中重要工作部分是對加工的產(chǎn)品進(jìn)行產(chǎn)品審核,產(chǎn)品審核的內(nèi)容及程序如下所示,其中產(chǎn)品的監(jiān)視和測量是最重要環(huán)節(jié),產(chǎn)品審核既是一項(xiàng)質(zhì)量控制工作,又是一項(xiàng)質(zhì)量保證活動(dòng),應(yīng)遵循持續(xù)改進(jìn)的方針,三坐標(biāo)測量機(jī)對一個(gè)企業(yè)的所有加工產(chǎn)品進(jìn)行檢測,提供認(rèn)證機(jī)構(gòu)進(jìn)行企業(yè)審核的依據(jù)和對象,是一切基礎(chǔ)工作的根本。

參考文獻(xiàn):

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