三坐標(biāo)測量技術(shù)應(yīng)用

姚紅雙

【摘 要】隨著國內(nèi)制造業(yè)的迅速崛起，越來越多的三坐標(biāo)測量機被用于車間檢驗站、工序間在線檢測、新產(chǎn)品開發(fā)、工模具制造和入庫驗收等進(jìn)行零件和部件的尺寸、形狀及相互位置的檢測，從而完成零件檢測、外形測量、過程控制、逆向工程等任務(wù)。由于它的通用性強、測量范圍大、精度高、效率好、能與柔性制造系統(tǒng)相連接，已成為一類大型精密儀器。目前，國外著名的生產(chǎn)廠家有德國的蔡司（Zeiss）、萊茨（Leitz）和溫澤（WENZEL）、意大利的DEA、美國的布朗——夏普（Brown&Sharp）、日本的三豐（Mitutoyo）等公司。我國的主要生產(chǎn)廠家有思瑞，愛德華，壹興佰，佛迪，智泰，而不管國產(chǎn)或者進(jìn)口大部分核心部件都是采用英國Renishaw。目前，三坐標(biāo)測量機以其高精度高柔性以及優(yōu)異的數(shù)字化能力，成為現(xiàn)代制造業(yè)尤其是模具工業(yè)設(shè)計、開發(fā)、加工制造和質(zhì)量保證的重要手段。

【關(guān)鍵詞】三坐標(biāo)；應(yīng)用；校準(zhǔn)；測量

一、三坐標(biāo)測量機基本概述

1.三坐標(biāo)測量機的定義：

由三個運動導(dǎo)軌，按笛卡兒坐標(biāo)系組成的具有測量功能的測量儀器，稱為三坐標(biāo)測量機，并且由計算機來分析處理數(shù)據(jù)（也可由計算機控制，實現(xiàn)全自動測量），是一種復(fù)雜程度很高的計量設(shè)備。

2.三坐標(biāo)測量機測量原理：

坐標(biāo)測量機是通過測頭系統(tǒng)與工件的相對移動，探測工件表面點三維坐標(biāo)的測量系統(tǒng)，通過將被測物體置于三坐標(biāo)測量機的測量空間，利用接觸或非接觸探測系統(tǒng)獲得被測物體上各測點的坐標(biāo)位置，根據(jù)這些點的空間坐標(biāo)值，由軟件進(jìn)行數(shù)學(xué)運算，求出待測的幾何尺寸和形狀、位置及其他幾何量數(shù)據(jù)。因此，坐標(biāo)測量機具備高精度、高效率和萬能性的特點，是完成各種零部件幾何量測量與品質(zhì)控制的理想解決方案。一般地，經(jīng)過計算，可以擬合形成測量元素，如空間點、直線、圓、球、圓柱、圓錐、曲面等。

3.三坐標(biāo)測量機的主要組成：

主機結(jié)構(gòu)由框架、標(biāo)尺系統(tǒng)、導(dǎo)軌、驅(qū)動裝置、轉(zhuǎn)臺平衡部件組成。電氣系統(tǒng)由電器控制系統(tǒng)、計算機、測量軟件、打印與繪圖裝置組成。

4.三坐標(biāo)測量機的類型

當(dāng)今主要使用的三坐標(biāo)測量機按設(shè)計分類有水平臂式、橋式、龍門式、便攜式和懸臂式測量機。按測量方式大致可分為接觸式與非接觸式兩種。

5.測量機的工作環(huán)境條件

由于三坐標(biāo)測量機是一種高精度的檢測設(shè)備，機房環(huán)境條件的好壞，對于測量機的影響有著至關(guān)重要的作用。這其中包括檢測工件狀態(tài)及環(huán)境、溫度條件、振動、濕度、供電電源、壓縮空氣等因素。環(huán)境溫度：20℃±2 ℃，梯度要求：空間< 1 ℃/m3，時間< 2 ℃/h，相對濕度：50%～70%，地線單獨接地<5Ω，震動：頻率5HZ～50HZ，壓縮空氣：6MPa，同時配備大功率穩(wěn)壓電源。

6.基本測量步驟：

基本測量步驟依次為校正測頭、測量基本元素、計算所需結(jié)果、輸出測量結(jié)果。

二、三坐標(biāo)測量機在機械制造中的應(yīng)用實例

實例1：多測針多角度探針組校驗技巧

測頭是三坐標(biāo)測量機的重要組成部分，起到數(shù)據(jù)采集的作用，測針校準(zhǔn)是檢測工件的重要步驟，個別工件形狀復(fù)雜，檢測過程中為避免干涉，測頭文件需多選擇多根測針及幾百種轉(zhuǎn)換角度，按照常規(guī)校驗方法，每種角度的校驗都需要手動操作，過程時間長、效率低，同時因手動操作次數(shù)多，容易出現(xiàn)個別角度選擇錯誤，與標(biāo)準(zhǔn)球不對應(yīng)等問題，造成校驗數(shù)據(jù)失準(zhǔn)及設(shè)備撞擊事故風(fēng)險。通過多測針多角度校驗編組，在測針校驗時只需根據(jù)測針角度和標(biāo)準(zhǔn)球不同調(diào)用相應(yīng)測針編組，使校驗過程實現(xiàn)自動化，提高檢測效率，降低了生產(chǎn)成本，操作步驟如下：

1.打開測量程序，根據(jù)測針角度、標(biāo)準(zhǔn)球矢量方向不同，編制校驗程序，并分別編組，保存名稱；

2.根據(jù)測量工件選取測頭文件，調(diào)用對應(yīng)的測針編組編號，設(shè)置校驗速度和測量點數(shù)，直接點擊“測量”即可完成一系列多測針多角度自動校驗；

3.查看校驗結(jié)果，確認(rèn)數(shù)據(jù)符合精度要求。

實例2：復(fù)雜工件3D數(shù)模導(dǎo)入編程檢測

復(fù)雜工件檢測尺寸數(shù)據(jù)量龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，檢測過程中工件個別部位與測頭存在干涉問題，存在安全風(fēng)險；另一方面按照常規(guī)的三坐標(biāo)手動編程方法，需要大量編程時間，效率低，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性有待提高。如果通過數(shù)模導(dǎo)入會解決這些問題，以為海克斯康測量機PC-DIMS軟件為例，編程過程中，首先導(dǎo)入CAD數(shù)模，通過粗建坐標(biāo)系，零件坐標(biāo)系和數(shù)模坐標(biāo)系重合后，即迭代法建立坐標(biāo)系，直接在數(shù)模上點擊，三坐標(biāo)測量機以實現(xiàn)合理安排檢測路徑并且自動觸測被測特征的一種檢測方法。這種方法節(jié)省了大量的人力、物力、時間，降本增效，實現(xiàn)效益最大化。編制過程力求檢測程序編制周期短，路徑簡單；檢測程序運行安全，檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，滿足工藝要求，操作步驟步驟如下：

1.將3D模型導(dǎo)入三坐標(biāo)測量機PC-DMIS系統(tǒng)；

2.分析圖紙和工藝文件，根據(jù)工藝文件檢測要求編輯測頭文件，并進(jìn)行校驗，保證校驗結(jié)果符合要求；

3.通過測量軟件讀取3D模型各個部位的坐標(biāo)值和矢量值，根據(jù)工藝文件尺寸檢測要求，統(tǒng)一檢測基準(zhǔn)和工藝基準(zhǔn)，消除基準(zhǔn)誤差，利用自動編程功能編程，合理安排檢測角度和檢測路徑；

4.優(yōu)化檢測程序，提高檢測效率。

實例3：同軸度的測量

同軸度的測量誤差往往比實際誤差大是三坐標(biāo)測量過程中一個常見問題，主要原因是對工件分析不深入，測頭組件配置不合理，測量方法不恰當(dāng)。如下圖所示，當(dāng)基準(zhǔn)軸線與被測軸線較短并且距離較大時，如果用通常的方法評價同軸度，即將測量的基準(zhǔn)軸線延長至被測軸線處，再計算出被測軸線與基準(zhǔn)軸線的最大距離的兩倍得到同軸度數(shù)值，這樣的測量結(jié)果誤差往往很大，并且不符合實際情況。在這種情況下，我們首先應(yīng)該盡量加大被測圓柱首位兩個截面的距離，否則誤差很大，同時應(yīng)當(dāng)采用先建立公共軸線再評價同軸度的方法，先在兩端圓柱各取圓心，連成一條3D直線作為公共軸線，然后用公共軸線作為基準(zhǔn)軸線評價同軸度，這樣的檢測結(jié)果會更加貼近實際一些。

參考文獻(xiàn)：

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[3]趙忠玉《測量與機械零件測繪》機械工業(yè)出版社

（作者單位：中國中車大同電力機車有限公司）01CF9AEF-72CC-46D0-AF3F-CE392D592F47