淺論三坐標(biāo)測量機在教學(xué)中的應(yīng)用

甄雯　趙海軍

摘 要： 為了更好地適應(yīng)社會發(fā)展及企業(yè)技術(shù)需求，職業(yè)院校在教育教學(xué)上要緊跟職業(yè)行業(yè)發(fā)展。隨著現(xiàn)代測量技術(shù)的發(fā)展，三坐標(biāo)測量機在制造業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。文章對三坐標(biāo)測量技術(shù)的應(yīng)用進行了分析，探討了教學(xué)中相關(guān)學(xué)科理論與三坐標(biāo)測量機實踐的交叉點。

關(guān)鍵詞： 職業(yè)教育 三坐標(biāo)測量 教學(xué)應(yīng)用

1.引言

三坐標(biāo)測量機是一種集光、機、電、算為一體的精密光學(xué)測量儀器，適用于各種幾何元素和形位公差等方面的三維測量，也可以進行計算機數(shù)控（CNC）測量，所以在國外被稱為測量中心。作為高精度、高效率的自動化檢測設(shè)備，它已廣泛地應(yīng)用于機械制造、儀器儀表、電子、航空和國防工業(yè)等部門，特別適用于測量箱體類零件、模具精密鑄件、電子線路板、汽車外殼及飛機形體等帶有空間曲面的工作。

2.三坐標(biāo)測量機的工作原理

三坐標(biāo)測量機一般由測頭系統(tǒng)、硬件控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)及其他機械部件組成，如圖1所示。幾何量測量以點的坐標(biāo)位置為基礎(chǔ)，分為一維、二維和三維測量。三坐標(biāo)測量機的基本原理是將被測零件放入容許的測量空間，精密地測出被測零件在X、Y、Z三個坐標(biāo)位置的數(shù)值，根據(jù)這些點的數(shù)值經(jīng)過計算機數(shù)據(jù)處理，擬合形成測量元素，如圓、球、圓柱、圓錐、曲面等，經(jīng)過數(shù)學(xué)計算得出形狀、位置公差及其他幾何量數(shù)據(jù)。

3.三坐標(biāo)測量機在教學(xué)中的應(yīng)用

三坐標(biāo)測量技術(shù)涵蓋很多學(xué)科的知識，職業(yè)院校應(yīng)該將測量機的普遍應(yīng)用技術(shù)融入相應(yīng)有交叉的學(xué)科教學(xué)中，這些交叉點不僅能使職業(yè)院校的教學(xué)緊跟企業(yè)技術(shù)發(fā)展，更能有效提高學(xué)生的知識、技能水平。

3.1幾何尺寸和形位公差

對于制造完成的產(chǎn)品工件、模具必須對其進行幾何尺寸、角度和形位公差的評價，目的在于評價工件是否符合工程圖紙的設(shè)計要求。三坐標(biāo)測量機比傳統(tǒng)測量方法對于學(xué)生的學(xué)習(xí)更有優(yōu)勢，能夠更形象地使學(xué)生掌握公差的定義和基本測量準(zhǔn)則。相比以往普通量具量儀，現(xiàn)代企業(yè)更傾向于電子量具量儀及高精密度測量設(shè)備。而利用三坐標(biāo)測量機，可以利用測量軟件對設(shè)計值與測量數(shù)據(jù)對比、圖形對比，對產(chǎn)品的幾何尺寸和形位公差進行精確檢測。

3.2逆向測繪

三坐標(biāo)測量機除了具備常規(guī)的幾何尺寸和形位公差檢測功能外，在逆向工程技術(shù)和曲面坐標(biāo)檢測方面具有特殊的優(yōu)勢，非常適用于模具制造業(yè)。經(jīng)過三坐標(biāo)測量機對各項幾何尺寸和曲面的測量，而反向推出數(shù)字模型或設(shè)計圖紙。當(dāng)一些曲面輪廓是不規(guī)則的曲面時，可用油泥或石膏手工做出曲面作為底胚，然后用三坐標(biāo)測量機測出各截面的截線、特征線和分型線，用探針半徑補償后造型，在造型過程中圓滑曲線，從而設(shè)計制造出全新的模具。一般的，當(dāng)學(xué)生在某些模具使用一段時間出現(xiàn)磨損要進行修正，但又無原始數(shù)模的情況下，可以用截面法采集點云，用探針半徑補償后造型，從而達到完好如初的修復(fù)效果，并且形成設(shè)計數(shù)據(jù)或圖紙。

3.3CAD的導(dǎo)入和導(dǎo)出CAD應(yīng)用

工科學(xué)生在校期間都會接觸到機械制圖或者計算機繪圖這類課程，對于計算機輔助繪圖軟件（CAD）應(yīng)該并不陌生。三坐標(biāo)測量軟件中對CAD功能的引入，更是將三坐標(biāo)測量機的應(yīng)用領(lǐng)域和易用性推到一個新的高度。

3.3.1虛擬測量

虛擬測量就是在沒有實際工件的情況下對CAD模型在軟件中進行測量。要進行虛擬測量時，選擇脫機工作模式，導(dǎo)入所要測量的CAD模型，并將CAD模型對應(yīng)到選定的坐標(biāo)系中進行測量。根據(jù)所要測量的幾何元素，使用鼠標(biāo)在CAD模型上點擊所要采點的位置，此時CAD模型上會顯示采點的位置及其矢量方向。虛擬測量可以通過對沒有尺寸數(shù)據(jù)的CAD模型進行測量，確定其各種尺寸參數(shù)，但這不是虛擬測量的主要目的，虛擬測量的主要功能是為在脫機狀態(tài)下進行自動測量編程做服務(wù)。

3.3.2脫機編程

虛擬測量可以通過對沒有尺寸數(shù)據(jù)的CAD模型進行測量，確定其各種尺寸參數(shù)。虛擬測量的主要功能是在脫機狀態(tài)下進行自動測量編程。無論生產(chǎn)與否，只要將設(shè)計部門設(shè)計的CAD圖紙文件輸入測量軟件中，就可以編程。對于學(xué)校來說，在教師教學(xué)之后進行多人測量是不實際的，因此學(xué)生使用計算機進行脫機程序編寫是安全的學(xué)習(xí)過程。在程序編制完成之后，可以在CAD環(huán)境中調(diào)用程序進行模擬測量，對程序進行驗證，這樣學(xué)生既能找出運行過程中出現(xiàn)的錯誤測量路徑和采點，還能由教師指導(dǎo)學(xué)生對程序進行修正，亦將實際測量中可能出現(xiàn)的問題降到最低，最大限度地保證人和機器在測量過程中的安全性。

3.3.3CAD輸出用于逆向工程

逆向工程也稱反求工程或反向工程，是根據(jù)已存在的產(chǎn)品或零件原型構(gòu)造產(chǎn)品或零件的工程設(shè)計模型，并在此基礎(chǔ)上對已有產(chǎn)品進行剖析、理解和改進，是對已有設(shè)計的再設(shè)計。數(shù)據(jù)處理是逆向工程的一項重要技術(shù)環(huán)節(jié)，它決定了后續(xù)CAD模型重建過程能否方便、正確地進行。丈量點的數(shù)目分為一般數(shù)據(jù)點和海量數(shù)據(jù)點；丈量數(shù)據(jù)可以分為散亂數(shù)據(jù)點和規(guī)矩數(shù)據(jù)點；不同丈量系統(tǒng)的丈量數(shù)據(jù)格式也不一樣的，幾乎所有丈量方式和丈量系統(tǒng)都不可避免地存在誤差。因此，在利用丈量數(shù)據(jù)進行CAD重建前必須對丈量數(shù)據(jù)進行處理。最后利用軟件對數(shù)據(jù)進行修改，或直接進行數(shù)控機床加工法編程，最終再由數(shù)控機床進行加工，完成產(chǎn)品制作。

3.3.4誤差分析

三坐標(biāo)測量機雖然測量精度較普通量具測量準(zhǔn)確得多，但必定存在測量誤差。誤差分析是對學(xué)生學(xué)習(xí)過程后的一種反復(fù)認知。誤差包括三個軸的定位誤差、六個直線度誤差、九個角擺誤差及三個垂直度誤差等幾何參數(shù)；包括測頭的瞄準(zhǔn)誤差、測力變化、測頭各向異性、摩擦引起的誤差及測頭的示值誤差引起的探測誤差；以及工件、操作、環(huán)境的影響等誤差。如果在測量形位誤差時采用的檢測原則不對，選用的方法不完善、不嚴密、不確切，便會造成測量方法誤差。因此，測量的人要熟悉測量方法才能減少測量方法誤差。

4.結(jié)語

三坐標(biāo)測量機是一種通用性強、自動化程度高、精度高的大型空間幾何量檢測設(shè)備，目前被廣泛應(yīng)用于先進制造技術(shù)及其科研中。在機械類專業(yè)實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中引入三坐標(biāo)測量機改進教學(xué)內(nèi)容，形成以綜合實驗、創(chuàng)新性實驗為主體的實驗教學(xué)方案，讓廣大學(xué)生學(xué)到三維檢測、測量數(shù)據(jù)分析診斷、模具設(shè)計、反求工程等方面的專業(yè)知識和實踐知識，既擴大學(xué)生的知識面，又培養(yǎng)學(xué)生其學(xué)科理論及操作技巧，以及對科學(xué)嚴謹而認真的態(tài)度。我們利用三坐標(biāo)測量機和其他學(xué)科的交叉知識技能點對學(xué)生進行更廣泛而專業(yè)的教育和培養(yǎng)，充分發(fā)揮一體化教學(xué)的特性，使學(xué)生在教學(xué)過程中發(fā)揮積極主動性，把所學(xué)知識與設(shè)計、加工工藝融合，拓寬學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識理論的視野及對企業(yè)和社會的適應(yīng)力提升。

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科研課題：汽車零件精密測量技術(shù)的研究（YYK2014037）。