坐標測量機在幾何量精密測量實驗教學(xué)中的應(yīng)用

李 旻

（華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州 510641）

在幾何量精密測量的方法中，傳統(tǒng)的平臺檢測法檢測周期長，無法處理復(fù)雜的零件與曲面。專用檢測器具柔性差，費用高。三坐標測量機可代替多種表面測量工具及昂貴的組合量規(guī)，縮短測量時間。三坐標測量機是一種以精密機械為基礎(chǔ)，集光、機、電、計算機綜合為一體的多功能精密計量測試設(shè)備，是一種通用性強、自動化程度高、精度高的測量系統(tǒng)，在先進制造技術(shù)和科學(xué)研究中，有著極其廣泛的應(yīng)用。三坐標測量機可以在工件一次裝夾的情況下，通過探頭的有效組合，完成零件中幾乎所有幾何元素的測量工作，它還可借助于其中自帶的測量軟件，在測量過程中完成對所測要素尺寸的計算與誤差分析。

1 坐標測量機的測量過程

華南理工大學(xué)機械基礎(chǔ)實驗教學(xué)中心購置了美國Cim-Core公司的STINGER II三坐標柔性測量系統(tǒng)（圖1）。

圖1 STINGER II關(guān)節(jié)式測量機

該系統(tǒng)是目前市場上性價比最高的柔性測量臂系統(tǒng)之一，能夠完成各種測量、檢測任務(wù)以及逆向工程系統(tǒng)應(yīng)用。該系統(tǒng)使用了主軸無限轉(zhuǎn)動專利技術(shù)；采用了新一代ZERO-G平衡桿系統(tǒng)，可平衡測量臂的大部分自重，實現(xiàn)單手操作；碳石墨纖維材料臂身強度高，溫度穩(wěn)定性是鋁的25倍，使得系統(tǒng)對環(huán)境要求極低；附帶美國國家標準局（NIST）認證的長度標準尺，可隨時對系統(tǒng)進行快速校準。

1.1 STINGER II的主要性能指標

測量空間為1.8m；

單點測量精度為0.015mm；點測重復(fù)精度為0.040mm；

空間長度測量精度為0.055mm。

STINGER II柔性測量系統(tǒng)，采用具有強大CAD功能的通用測量軟件PC-DMIS。PC-DMIS軟件用戶界面簡捷，能引導(dǎo)使用者進行零件編程、參數(shù)設(shè)置和工件檢測，其一體化的圖形功能，能夠?qū)z測數(shù)據(jù)生成可視化的圖形報告。不管是簡單的箱體類工件，還是復(fù)雜的輪廓和曲面，PC-DMIS軟件都可幫助操作者高速、高效率和高精度進行測量。

1.2 三坐標測量機的測量流程

三坐標測量機的測量流程如下：

（1）固定好機器；

（2）檢查并保證機器電源穩(wěn)定且處于接地狀態(tài)；

（3）分析圖紙，確定需要測量的元素及其基準；

（4）固定好工件，確保在機器的有效范圍內(nèi)能把工件一次測量完整（若需做蛙跳則先規(guī)劃好）；

（5）開啟電源，機器復(fù)位；

（6）建立零件坐標系；

（7）進行檢測項目元素的測量；

（8）進行形狀、位置誤差評價。

2 幾何量精密測量實驗教學(xué)現(xiàn)狀

實驗課是“互換性與技術(shù)測量”（又稱“幾何量公差與檢測”，簡稱“互換性”）課程的重要實踐環(huán)節(jié)。通過實驗，學(xué)生可加深對課堂教學(xué)內(nèi)容的理解，掌握幾何參數(shù)測量、幾何量計量器具的原理及測量方法，增強對互換性和公差基本概念的感性認識，培養(yǎng)正確使用常用計量器具以及處理測量結(jié)果的能力。大部分高校開出的“互換性”課程實驗有“圓柱體塞規(guī)的測量”、“導(dǎo)軌直線度誤差的測量”、“表面粗糙度的測量”、“圓柱螺紋的測量”、“齒輪齒距累積誤差和齒距偏差的測量”和“齒輪公法線長度變動量及公法線平均長度偏差測量”實驗。

這些實驗項目都屬于驗證性、單一性實驗，表現(xiàn)為實驗?zāi)繕说牡蛯用婧蛯嶒烅椖康莫毩⑿?，教學(xué)目標還停留在對理論知識的驗證及加深理解的層面上，而且是針對課本教材的某一章節(jié)來設(shè)計的，實驗內(nèi)容所涉及的知識面較窄，缺乏各學(xué)科知識點的關(guān)聯(lián)性和交互性，實驗手段比較單一，所用的大都還是傳統(tǒng)的測試儀器設(shè)備?！盎Q性”課程實驗缺少設(shè)計性、綜合性的實驗，不利于培養(yǎng)學(xué)生的開拓創(chuàng)新意識和分析解決問題的實踐能力。

3 坐標測量機在幾何量精密測量實驗教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 在單一性實驗教學(xué)中的應(yīng)用

下面以平面度、同軸度誤差的檢測為例，對傳統(tǒng)測量法與坐標測量機測量法進行對比。

3.1.1 平面度誤差的檢測

平面度誤差的傳統(tǒng)測量方法很多。對于平面度要求很高的小平面，可以用平晶測量，根據(jù)產(chǎn)生的干涉條紋進行計算，可得平面度誤差。對于大平面，特別是刮削平面，生產(chǎn)現(xiàn)場常用涂色法進行檢測。對于一般平面，廣泛使用的是打表法、水平儀法等方法，圖2所示為用指示表測量平面度誤差。將工件支承在平板上，借助指示表調(diào)整被測平面對角線上的a與b兩點，使這兩點等高，再調(diào)整另一對角線上的c與d兩點，使其等高。然后按一定布點移動指示表，測量平面上的點，指示表的最大與最小讀數(shù)之差，即為該平面的平面度誤差。傳統(tǒng)的測量方法，容易出現(xiàn)較大測量誤差，調(diào)平很麻煩，打表點數(shù)有限，并不能確定真正的最大值和最小值，是否調(diào)平也受到操作人員熟練程度的影響。

圖2 打表法測量平面度誤差

用三坐標測量機來測量平面度誤差，則既方便又準確。在三坐標測量系統(tǒng)中，平面是被作為一種特征元素來測量的。特征元素的測量，可以通過手動方式或自動方式來實現(xiàn)。手動方式是指首先通過手動采集該元素上的足夠點數(shù)，計算機會自動生成該元素的特征參數(shù)及測量信息；自動方式是指在自動特征的相應(yīng)菜單里通過下列三種方式獲得測量元素的理論參數(shù)，進行自動測量：

（1）鼠標點取CAD上的特征元素；

（2）通過鍵盤輸入該元素的理論數(shù)據(jù)；

（3）根據(jù)屏幕左下角狀態(tài)欄的提示，手動測量該元素的足夠采樣點數(shù)獲得理論數(shù)據(jù)，然后進行自動測量。測量平面度誤差至少應(yīng)測4點，點數(shù)越多，越能反映真實的平面度

圖3所示為PC-DMIS軟件界面顯示的平面度測量結(jié)果。

圖3 PC-DM IS軟件界面的平面度測量結(jié)果

3.1.2 同軸度誤差的檢測

圖4所示為用傳統(tǒng)測量方法測量某臺階軸Φd對兩端Φd1軸線組成的公共軸線的同軸度誤差。測量時，將工件放置在兩個等高的V形架上，沿鉛垂軸截面的兩條素線測量，記錄兩指示表在各測點讀數(shù)差，取各測點讀數(shù)差絕對值的最大值，為該軸截面軸線的同軸度誤差。轉(zhuǎn)動工件，按上述方法測量若干個軸截面，取其中最大的誤差值，作為其同軸度誤差。

圖4 同軸度誤差的檢測

用三坐標測量機測量同軸度誤差時，首先要確立基準軸線，基準應(yīng)根據(jù)零件的技術(shù)要求來確定。建立坐標系時，通常是采集兩個截面圓，每個截面圓至少6個點，計算機自動構(gòu)造生成一條圓柱軸線，將該軸線作為坐標系的第一軸。然后測量被測元素，用同樣的方法采集被測元素的表面一系列點，應(yīng)注意，測量點應(yīng)該盡可能在全長范圍內(nèi)均勻分布。測量完畢后，構(gòu)造生成一根軸線。最后進行評價，一般是由系統(tǒng)自動計算評價，也可以根據(jù)坐標系中被測元素與基準的關(guān)系手動計算完成。

3.2 在綜合設(shè)計性實驗教學(xué)中的應(yīng)用

可讓學(xué)生采用三坐標測量機，對減速器齒輪軸和減速器箱體誤差進行測量。實驗前首先要求學(xué)生在分析減速器的工作原理以及各零件功能的基礎(chǔ)上，根據(jù)課堂所學(xué)的理論知識對減速器齒輪軸和箱體各部分，提出尺寸公差和形位公差的要求，并說明提出該要求的依據(jù)以及如何選取基準。實驗時，將減速器齒輪軸和箱體的產(chǎn)品設(shè)計圖紙?zhí)峁┙o學(xué)生，讓他們分析自己的設(shè)計與產(chǎn)品設(shè)計圖紙的差別，這樣做可使學(xué)生懂得如何選擇形位公差項目和公差等級以及如何標注，從而為后續(xù)的“機械設(shè)計”以及“機械制造工藝”等課程打下良好的基礎(chǔ)。

學(xué)生在讀懂齒輪軸和箱體的設(shè)計圖紙之后，由學(xué)生根據(jù)零件圖紙擬訂實驗方案，設(shè)計測量內(nèi)容。學(xué)生首先必須畫圖標注各種公差配合來設(shè)計實驗方案和確定測量內(nèi)容，實驗方案必須經(jīng)指導(dǎo)老師審閱通過后，才能實施。指導(dǎo)老師講解三坐標測量機的工作原理和操作規(guī)程之后，監(jiān)督指導(dǎo)學(xué)生操作三坐標測量機，對零件的有關(guān)尺寸和形位誤差進行測量，最后對獲得的測量數(shù)據(jù)進行處理，獲得最終結(jié)果，對零件是否符合設(shè)計要求做出判斷。

4 結(jié)束語

將三坐標測量機引入實驗教學(xué)，能使學(xué)生對互換性與技術(shù)測量從理論到實踐獲得全新的認識，拓寬其知識面。學(xué)生可對高精度的三維傳感器、精密光柵尺系統(tǒng)、計算機控制等的實際應(yīng)用能有更深刻、更直觀的認識。學(xué)生通過基于三坐標測量機的綜合設(shè)計性實驗，能主動地綜合運用所學(xué)的多門課的知識，能掌握很多公差技術(shù)概念，從而能培養(yǎng)學(xué)生查閱文獻資料的能力、獨立分析實驗數(shù)據(jù)的能力、以及綜合運用所學(xué)知識和基本技能解決實際問題的能力。最終使學(xué)生的工程實踐能力得到提高，學(xué)生的就業(yè)競爭力得到增強。

[1]朱文堅，謝小鵬，黃鎮(zhèn)昌.機械基礎(chǔ)實驗教程[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[2]張 海，付 偉.三坐標測量機在實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].華東交通大學(xué)學(xué)報，2005，22(12)：231-233.

[3]趙天嬋，馮 俊.充分利用三坐標測量機培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力[J].實驗技術(shù)與管理，2008，25(6)：152-155.