基于三坐標測量機的實驗教學方法探索

姚利娟

(西南科技大學 工程技術中心，四川 綿陽 621010)

工程訓練是大學生實踐教學環(huán)節(jié)中的一個重要組成部分，旨在對學生進行全面系統(tǒng)的工程技術教育和工藝技術訓練，使學生了解工程概念，提高工程素質，并最終成為適應現代工程發(fā)展需要的應用型創(chuàng)新人才［1－3］。傳統(tǒng)的金工實習等訓練項目已不能滿足新形勢下的人才培養(yǎng)需求，開展現代加工制造技術的教學與實踐的必要性日益凸顯。在這種背景下，《產品創(chuàng)新設計》與《先進制造技術》等一系列課程逐漸被納入工程訓練課程體系中。

現代測量技術在先進制造技術中具有舉足輕重的地位，對實現零件互換性、保證產品質量起到至關重要的作用。隨著現代科學技術的發(fā)展，工業(yè)生產自動化程度的日益提高，對產品的可靠性及質量的要求越來越高，測量儀器也越來越趨于精密化、集成化、智能化［4］。

20世紀60年代后期發(fā)展起來的三坐標測量機作為上述發(fā)展趨勢的典型代表，三坐標測量機是一種高效的新型精密測量設備，可用于測量各種機械零件、模具等的形狀尺寸、孔位、孔中心距以及各種形狀的輪廓，并且特別適用于測量帶有空間曲面的工件。由于三坐標測量機具有高準確度、高效率、大測量范圍的優(yōu)點，已成為幾何量測量儀器的一個重要發(fā)展方向［5］。

將三坐標測量機應用于現代測量技術的實驗教學環(huán)節(jié)，能夠使學生在實際動手操作中，了解現代測量技術的基本特點，并掌握一定的先進測量方法，對拓展學生知識結構、提高工程實踐能力起到積極作用［6］。

1 實驗設計

實驗設備采用?？怂箍倒旧a的Explorer 07.10.05三坐標測量機，如圖1所示。

圖1 Explorer三坐標測量機

Explorer系列測量機是功能完善的通用型數控測量機，并配備PC－DMIS測量軟件，能夠滿足各種中小尺寸零部件的測量需要。其各項指標如下［7］:

1)主要技術指標

行程范圍(mm)X/Y/Z:700×980×500;最大三維速度(mm/s):520;最大三維加速度(mm/s2):780。

2)精度指標

最大示值誤差(MPEE):2.5+3.3 L/1 000 μm;最大探測誤差(MPEP):2.8 μm。

實驗授課對象為以機械專業(yè)為主的理工科學生，針對學生所學專業(yè)及所具備的專業(yè)基礎知識的不同，將實驗劃分為三個層次，如圖2所示［8］。

圖2 現代測量技術實驗結構層次

1.1 基礎認知實驗設計

基礎認知實驗面向所有理工科學生，以講授及演示操作為主。主要涉及現代測量技術的基本概念、三坐標測量機的硬件構成和功能。包括:三坐標測量機的主體部分，終端控制計算機和打印機，數控設備及其外設以及三坐標測量系統(tǒng)的軟件功能。另外，在本階段的實驗中，將介紹三坐標測量系統(tǒng)的測量原理及其在現代工業(yè)生產各環(huán)節(jié)中的應用。

1.2 基本操作技能實驗設計

基本操作技能實驗主要針對近機械類及機械類專業(yè)低年級學生，學習三坐標測量機及測量軟件的基本操作，如選擇并校驗測頭、裝夾待測工件以及如何利用三坐標測量機對簡單零件進行單一幾何量的手動測量，如手動測量點、直線、平面、圓、圓柱等，并學習分析所測量的尺寸及形位公差。

為加強本實驗環(huán)節(jié)與工程訓練體系內其他實驗環(huán)節(jié)的聯系，本實驗所選用的待測工件均來自學生在其他實驗環(huán)節(jié)中所做的作品，如圖3所示。其中，圖3(a)工件要求測量上表面各孔的相對位置、前后兩側面的平行度以及兩側面相對上表面的垂直度;圖3(b)工件則主要檢測軸兩端的同軸度。

檢測步驟如下:

1)合理選擇并校驗測頭，以保證測量精度;

2)裝夾工件，要求定位合理且便于測量;

3)手動測量所需幾何量，其中工件a主要測量上表面、前后兩個側面及上表面各孔。工件b主要測量軸兩端的柱體;

4)對所測量進行評價;

5)生成檢測報告。

圖3 實驗所用工件

針對圖3所示的兩個工件，部分檢測結果分別如表1和表2所示。

表1 工件a檢測結果 mm

表2 工件b檢測結果 mm

基本操作技能實驗的目的在于使學生通過實驗原理的學習和實際操作，加深對公差測量等方面理論知識的理解，并初步掌握三坐標測量機的測量方法。同時通過對其他實驗環(huán)節(jié)作品的檢測，將產品的設計、加工及質量檢測等環(huán)節(jié)結合到一起，能夠對工業(yè)生產過程有更加完整、清晰地認識和了解。

1.3 技能提升實驗設計

技能提升實驗只針對機械專業(yè)三、四年級學生開設，要求學生首先掌握三坐標測量機自動檢測零件的基本方法，在此基礎上針對某一特定零件，分析零件圖紙及加工技術要求，設計測量方案;針對零件的各項形位公差進行自動檢測，最終生成檢測結果，并與技術要求進行比對，以驗證零件是否符合加工工藝要求。

為提高學生解決實際問題的能力，技能提升實驗所用待測工件一般選用工業(yè)生產中常見基本零件，如箱體類或盤蓋類零件等。以圖4所示教學樣品工件為例，要求測量的幾何量包括左右兩側孔的同軸度、斜面的傾斜角度等。

具體實驗步驟如下:

1)分析零件圖紙，明確零件技術要求，以確定待測幾何量，擬定測量方案;

2)根據圖紙標明的零件加工基準或CAD數模中的坐標系建立零件坐標系，進行自動測量;

3)評價所測量，生成檢測報告。

圖4所示工件的最終檢測報告如圖5所示。

圖4 技能提升實驗教學樣品工件

圖5 工件檢測報告

技能提升實驗的目的在于，使學生了解三坐標測量機在零件自動檢測中的應用及自動測量方法，并掌握如何評價測量結果。同時，嘗試解決實際生產中所遇到的測量問題［9］。

2 結束語

三坐標測量機以其高精度、高效率等優(yōu)勢已經廣泛應用于現代加工制造行業(yè)。經教學實踐證明，將三坐標測量機應用到現代測量技術實驗教學環(huán)節(jié)中，為學生提供包括簡單幾何量測量、產品檢測等在內的多項實驗項目，能夠使學生在實驗過程中加深對測量技術等基本理論知識的理解，了解現代測量技術的特點，掌握以三坐標測量機為代表的現代測量方法的基本原理和典型應用，使學生在拓展自身知識結構的同時提高了工程實踐能力。

［1］ 周婭，魏德強，廖維奇，等．機電綜合工程訓練中心建設的探索與實踐［J］．實驗技術與管理，2011，28(12):9－10，14．

［2］ 周郴知，蘇龍江．關于工程訓練中心建設的思考［J］．中國教育技術裝備，2006(12):43－45．

［3］ 惠記莊，劉海明，鄒亞科，等．現代工程訓練中心建設及訓練模式的探索［J］．實驗技術與管理，2009，26(3):115－118．

［4］ 趙志剛，趙偉，黃松嶺．試論現代測量技術的主要進步特征及發(fā)展趨勢［J］．電子測量與儀器學報，2008(Z1):1－7．

［5］ 高大軍，余曉芬．坐標測量機交互式虛擬實驗室的設計［J］．實驗室研究與探索，2008，27(9):58－60，84．

［6］ 趙天嬋，馮俊，胡珺．充分利用三坐標測量機培養(yǎng)學生工程實踐能力［J］．實驗技術與管理，2008，25(6):152－155．

［7］ ?？怂箍禍y量技術(青島)有限公司．實用坐標測量技術［M］．北京:化學工業(yè)出版社，2007．

［8］ 陳偉，張其平．重新認識與組織實驗教學［J］．實驗室研究與探索，2011，30(10):357－359，367．

［9］ 楊雪榮，成思源，馬登富，等．基于三坐標測量機實驗教學的探索與實踐［J］．實驗室研究與探索，2011，30(11):112－115．