基于三坐標(biāo)的對(duì)稱度測(cè)量評(píng)價(jià)研究*

黨威武

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，陜西 西安 710300)

0 引 言

隨著高端裝備制造業(yè)的不斷發(fā)展，技術(shù)革新速度加快，產(chǎn)品質(zhì)量要求愈加嚴(yán)格。以三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)為代表的智能檢測(cè)技術(shù)近些年發(fā)展迅速，具有高精度、高效率、智能化等特點(diǎn)，是智能制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展下，現(xiàn)代產(chǎn)品質(zhì)量控制與分析的重要手段，能實(shí)現(xiàn)零件尺寸公差、幾何公差及曲線、曲面的精密測(cè)量，被廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造、汽車模具、軍工裝備、教育培訓(xùn)等領(lǐng)域。對(duì)稱度作為幾何公差特征項(xiàng)目，表示零件兩個(gè)對(duì)稱要素(中心軸線或面)保持在同一中心平面內(nèi)的狀態(tài)，是零件上實(shí)際要素的對(duì)稱中心面對(duì)基準(zhǔn)要素的變化量，一般有面對(duì)面、面對(duì)線兩種。在實(shí)際零件檢測(cè)中，傳統(tǒng)測(cè)量難度大，測(cè)量流程復(fù)雜，檢測(cè)效率低。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)能根據(jù)零件三維模型，通過構(gòu)造特征組，反映實(shí)際要素中心面情況，高效率、高精度完成測(cè)量[1-2]。

應(yīng)用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量對(duì)稱度誤差，一定程度上，避免常規(guī)檢測(cè)方法所帶來的檢具設(shè)計(jì)、制造等麻煩，測(cè)量過程簡單、快速，測(cè)量結(jié)果精確度高，然而，就我校的實(shí)際教學(xué)情況分析，由于學(xué)生對(duì)對(duì)稱度幾何公差項(xiàng)目、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量機(jī)理均理解不夠透徹、精確，常常出現(xiàn)測(cè)量方法選擇不當(dāng)，導(dǎo)致機(jī)械零件對(duì)稱度實(shí)際測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)偏差，不能正確分析、評(píng)價(jià)零件[3-4]。因此，利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)對(duì)稱度時(shí)，選擇合理、正確的檢測(cè)方法至關(guān)重要，也是職業(yè)院校學(xué)生現(xiàn)代檢測(cè)技能培養(yǎng)的關(guān)鍵教學(xué)環(huán)節(jié)。

筆者教學(xué)過程中典型零件為載體，應(yīng)用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)其對(duì)稱度項(xiàng)目進(jìn)行分析與檢測(cè)，設(shè)計(jì)兩種測(cè)量方法，對(duì)比檢測(cè)過程與結(jié)果，并進(jìn)行誤差討論與分析，說明誤差產(chǎn)生原因，設(shè)計(jì)一種合理有效的對(duì)稱度檢測(cè)方法，為學(xué)生零件精度分析與檢測(cè)提供教學(xué)對(duì)比素材，一定程度上提升學(xué)生應(yīng)用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行零件檢測(cè)的工程實(shí)踐能力。

1 測(cè)量方法對(duì)比與誤差分析

1.1 零件精度分析

如圖1所示，為實(shí)際教學(xué)工件的零件圖，可以看出，是面對(duì)面的對(duì)稱度檢測(cè)項(xiàng)目，也就是說，基準(zhǔn)要素是上凸臺(tái)上表面和下凸臺(tái)下表面所形成的對(duì)稱中心面E，被測(cè)要素是中間凸臺(tái)上、下表面間實(shí)際變化趨勢(shì)所形成的中心面，公差值為0.1 mm。從理論上講，在不考慮測(cè)點(diǎn)位置帶來誤差的前提下，應(yīng)用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)時(shí)，測(cè)點(diǎn)數(shù)越多，測(cè)量結(jié)果越精確，因此，如何能準(zhǔn)確反映被測(cè)中心面的實(shí)際趨勢(shì)是設(shè)計(jì)測(cè)量方法的關(guān)鍵所在。

圖1 教學(xué)工件零件圖

1.2 測(cè)量方法對(duì)比

將上述零件對(duì)稱度檢測(cè)項(xiàng)目模擬并簡化成如圖2(a)所示的對(duì)稱度公差要求，基準(zhǔn)為上、下表面的對(duì)稱中心面，記作平面3，見圖3(a)，應(yīng)用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)對(duì)稱度時(shí)，第一種測(cè)量方法是在右側(cè)開口槽處上、下兩面采點(diǎn)，分別記作平面4與平面5，然后構(gòu)造平面4與平面5的中分面，記作平面6，見圖3(b)，評(píng)價(jià)中分面相對(duì)于基準(zhǔn)中心面的對(duì)稱度，見圖3(c)。

圖2 零件對(duì)稱度測(cè)量方法對(duì)比

第二種測(cè)量方法是在右側(cè)開口槽上、下兩面處拾取一系列特征點(diǎn)，圖2(b)所示為6組具有對(duì)稱位置分布的特征點(diǎn)，然后構(gòu)造特征組，即衍生的中間點(diǎn)，以對(duì)稱中心面(平面3)為基準(zhǔn)，檢測(cè)零件對(duì)稱度項(xiàng)目，見圖4。

圖3 構(gòu)造中分面測(cè)量對(duì)稱度過程截圖

圖4 構(gòu)造特征組測(cè)量對(duì)稱度過程截圖

應(yīng)用上述兩種測(cè)量方法評(píng)價(jià)對(duì)稱度，測(cè)量結(jié)果如圖5所示，可以看出，針對(duì)零件對(duì)稱度公差要求，出現(xiàn)了兩種不同的測(cè)量數(shù)據(jù)與結(jié)論。從理論上講，通過采集上下面處具有對(duì)稱位置分布的特征點(diǎn)，構(gòu)造的特征組，如圖2(b)序號(hào)3處所示，能完整、清晰、合理的反應(yīng)被測(cè)中心面的實(shí)際變化趨勢(shì)，因此，測(cè)量方法較為合理，測(cè)量結(jié)果較為準(zhǔn)確。而第一種測(cè)量方法，是以擬合的上下兩平面構(gòu)造中分面進(jìn)行測(cè)量的，在上下兩平面擬合時(shí)，由于采點(diǎn)數(shù)量限制，以及采點(diǎn)位置的局限性，將導(dǎo)致構(gòu)造的中分面不能真實(shí)反映被測(cè)對(duì)象中分面的實(shí)際變化趨勢(shì)，出現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、測(cè)量結(jié)果不真實(shí)的現(xiàn)象。也就是說，在應(yīng)用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，采點(diǎn)數(shù)量與采點(diǎn)位置的選擇，往往會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，這些也一直是計(jì)量人員為提高測(cè)量精度而不懈努力的方向。

圖5 測(cè)量結(jié)果對(duì)比圖

1.3 誤差分析

有效設(shè)計(jì)測(cè)量方案，是正確進(jìn)行測(cè)量結(jié)果評(píng)定的關(guān)鍵，應(yīng)用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，合理的測(cè)量方法選擇，嚴(yán)格的人員誤差控制，是實(shí)現(xiàn)高精度產(chǎn)品檢驗(yàn)的一項(xiàng)基本要求，且直接影響產(chǎn)品評(píng)定[5]。下面主要從測(cè)量方法選擇、人員誤差兩方面進(jìn)行誤差分析。

(1) 測(cè)量方法誤差 主要指測(cè)量方法不完善引起的誤差，如采點(diǎn)個(gè)數(shù)及位置的選擇，基準(zhǔn)的選擇與測(cè)量，工件安裝是否合理等等。測(cè)量方法的選擇要建立在對(duì)圖紙正確理解，以及對(duì)零件的裝配要求、功能要求等分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量原理及過程，合理設(shè)計(jì)檢測(cè)方案，實(shí)施有效測(cè)量，準(zhǔn)確完成產(chǎn)品評(píng)價(jià)。對(duì)于不明確的地方，可以由有經(jīng)驗(yàn)人員來把握。

(2) 人員誤差 指測(cè)量人員受到自身能力限制，而在測(cè)量時(shí)引入的誤差，如手動(dòng)采點(diǎn)時(shí)由于測(cè)量速度、方向、力度的差異而產(chǎn)生的誤差。測(cè)量人員在工作過程中盡量使各種測(cè)量影響因素趨于一致、降低到最小，如相同的測(cè)量力、測(cè)量速度均勻過渡等，并盡量使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)自動(dòng)測(cè)量模式，這些在一定程度上可以減小人員誤差。

2 實(shí)踐效果

實(shí)際教學(xué)過程中，教師針對(duì)零件的檢出項(xiàng)目、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量原理及操作步驟等講解、演示完之后，學(xué)生分組練習(xí)利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)對(duì)稱度項(xiàng)目等操作過程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，部分小組學(xué)生對(duì)對(duì)稱度檢測(cè)原理理解不夠透徹，而是采用構(gòu)造中分面的方法進(jìn)行測(cè)量，導(dǎo)致錯(cuò)誤測(cè)量結(jié)果。因此，應(yīng)用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行對(duì)稱度評(píng)價(jià)時(shí)，采用上述兩種測(cè)量方法對(duì)比講解，深刻闡述構(gòu)造特征組能較準(zhǔn)確反應(yīng)被測(cè)要素的實(shí)際變化趨勢(shì)，提高測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性，并且，從實(shí)際教學(xué)效果來看，有助于提升學(xué)生精度分析與檢測(cè)的實(shí)際應(yīng)用能力和現(xiàn)代檢測(cè)崗前技能水平，為培育高端技能人才奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3 結(jié) 語

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)作為一種先進(jìn)的幾何量檢測(cè)儀器，發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛。文中是基于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的對(duì)稱度項(xiàng)目測(cè)量方法的對(duì)比分析研究，指出一種合理有效的測(cè)量方法，即通過構(gòu)造特征組實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。分析傳統(tǒng)構(gòu)造中分面檢測(cè)對(duì)稱度產(chǎn)生誤差較大的原因，最后，簡要從測(cè)量方法與人員誤差兩方面指出，應(yīng)用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)時(shí)產(chǎn)生誤差的主要原因，為有效應(yīng)用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)實(shí)現(xiàn)零件精確測(cè)量提供研究基礎(chǔ)，為職業(yè)院校三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)實(shí)訓(xùn)提供教學(xué)對(duì)比素材與案例，有效強(qiáng)化學(xué)生應(yīng)用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行精度分析與檢測(cè)的工程實(shí)踐能力。