“三坐標測量技術”實驗教學項目

一、“三坐標測量技術”實驗項目背景

“公差配合與技術測量”是機械類專業基礎課，其實用性強，與生產實際密切相關聯。內容涉及機械產品及其零部件的設計、制造、維修、質量控制與生產管理等多方面標準及其技術知識。該課程基本概念多、名詞術語多、原則規定多，而且還比較抽象。只有理論緊密結合實際，開設相應的實驗教學項目，才能實現較高質量的教學效果。先進制造技術的發展對測量手段不斷提出新的、更高的要求。各種現代化、數字化的測量儀器在企業生產中已得到了廣泛的應用。為了使教學內容適應企業的要求，我校現代精密測量室引進了先進的三坐標測量機，改革了以前的實驗教學，收到了較好的效果。

二、三坐標測量機的簡介

三坐標測量機 （Coordinate Measuring Machining， 簡稱CMM） 是 20 世紀 60 年代發展起來的一種新型高效的精密測量儀器。因為其具有高精度（達到μm級）、萬能性（可代替多種長度計量儀器）、數字化（把實體的模型轉化成數字化的三維坐標）等特點，現已廣泛用于機械制造業、汽車工業、電子工業、航空航天工業和國防工業等各部門，成為現代工業檢測和質量控制不可缺少的萬能測量設備。三坐標測量機的基本測量原理就是將被測物體置于三坐標測量機的測量空間，通過測量頭探測，獲得被測物體上各測點的坐標位置，根據這些點的空間坐標值，經計算機按照最小二乘法等數學法則計算求出被測物體的幾何尺寸，形狀和相對位置。三坐標測量機一般由主機(包括光柵尺)、控制系統、軟件系統及測頭所組成，如圖1所示。

筆者學校擁有的三坐標測量機是2007年從海克斯康中國（青島）有限公司購進的一臺固定橋式三坐標測量機。此型號的測量機具有許多優良的特性：首先它的花崗石臺面與導軌采用整體結構，剛性好，受溫度濕度影響的變形小、結構簡單；其次大量利用自身重量輕，導熱系數大的硬質鋁合金作為運動部分的材料，測量機可以很快地并且均勻地適應溫度梯度，它十分適合車間工作環境的要求；再次，氣浮導軌的運用保證了保證機器運行平穩、高精度運動；擁有700×1000×700的測量空間，方便操縱，可以方便地在手動和自動模式之間切換。

2007年以來，我們利用三坐標測量機已經為機修、數控、模具、汽修專業的學生開出了多個實驗，收到了較好的效果。下面就對筆者所在學校的“三坐標測量技術”實驗教學項目進行介紹。

三、課程實驗項目的內容

本課程是在學生修完機械設計、機械制造基礎、機械制圖等課程后才開設的。總課時是60，理論教學學時20，實踐教學學時40。教學內容及教學進度安排如表1所示。

現在技工學校中三坐標測量機的擁有量很少，能開出實驗的學校就更少。下面對學校現代精密測量室利用三坐標測量機開設的10個實驗項目和實施情況進行簡要介紹，作為提高實驗教學質量，評價實驗質量提供一個討論的方向。我們把實驗分為三個階段。

1.基礎性實驗階段

該階段包括五個基本實驗，主要是要求學生對三坐標測量機的應用和測量過程和保養有一個初步的了解。實驗1是三坐標測量機認知實驗，讓學生實際觀察三坐標測量機各部件，掌握三坐標測量機的基本構成以及正確使用三坐標測量機的方法和步驟，能獨立正確操作三坐標測量機。實驗2是PC-DMIS測量軟件的應用實驗，使學生掌握正確打開軟件的步驟、PC-DMIS軟件的特點、軟件界面以及基本操作。有了三坐標測量機和測量軟件，如果想得到正確的測量結果，還需要建立工件坐標系，所以開設了實驗3。實驗3是手動測量、建立坐標系。通過該實驗，使學生掌握基本元素（點、線、面、圓、圓柱、圓錐、球）的手動測量的方法，以及利用“3-2-1”法正確建立坐標系及根據測量的需要進行坐標系的變換操作。建立好了工件坐標系和手動測量了所需要的基本元素，下面就可以對所需要的基本元素進行公差評價了。實驗4是公差評價，使學生掌握幾何尺寸公差、圓度、平面度、直線度等形狀公差評價；垂直度、平行度、位置度等位置公差評價。最后，實驗5是測量報告的輸出。學生通過觀看老師具體的操作，學會表格形式、圖文形式等多種形式報告的基本操作過程。

2.進階性實驗階段

通過第一階段的實驗練習，學生對三坐標測量機的測量流程有了較深的了解。在第一階段主要是偏重于手動測量，在進階性實驗中我們主要是側重于三坐標測量機的自動測量，主要包括兩個實驗。實驗1是有圖樣的自動測量技術。通過該實驗，學生在有工件和圖樣的情況下，學會分析圖樣，正確地建立坐標系，并產生測量程序進行自動測量。實驗1是有實際工件的自動測量。在三坐標測量軟件中對CAD功能的引入，還可以實現虛擬測量，即在沒有實際工件的情況下對CAD模型在軟件中進行測量。PC-DMIS測量軟件擁有強大的CAD功能。實驗2是三維數模的測量。在該實驗中學生仔細觀看老師的操作步驟和方法，學會建立具有CAD數模的工件的坐標系和自動測量的方法。

3.提高性實驗階段

這一階段主要包括三個實驗。實驗1是曲線曲面的測量，學生通過老師講解開放曲線、封閉曲線及曲面的檢測具體步驟，學會實際工件中曲線曲面的檢測方法。實驗2是DMIS編程方法，實驗內容包括DMIS產生的意義、DMIS語法、程序語句、DMIS程序的具體應用、自動精建坐標系、循環程序、插入空走點等。通過該實驗，使學生掌握利用DMIS編程進行自動測量、多次循環測量等高級應用。實驗3是專用測量模塊使用，學生通過老師對每一個專用模塊的操作講解，了解統計模塊、齒輪測量、凸輪測量、葉片測量等專用模塊的使用。

四、課程實驗項目的考核

考核是對教師的教學質量和學生的學習質量兩方面的檢查和評定。本課程實驗項目的考核強調過程性考核和開放性考核，采用過程考核與期末考核相結合的方式。過程考核成績包括平時考核成績、開放考核成績。平時考核成績主要考核學生實訓作業的完成情況以及職業紀律；開放考核成績主要考核學生平時的理解能力、自主學習能力、語言表達能力、溝通合作能力等，以便發現和培養拔尖人才。考勤與平時表現占10%，實驗成績占50%，實驗評定標準參看表2，期末成績占40%。

考核過程應注重學生動手能力和實踐中分析問題、解決問題能力的考核，提高學生學習的積極性，真實地反映學生的實驗能力和素質。對在學習和應用上有創新的學生應給予特別鼓勵，全面綜合評價學生能力。

五、結語

本文簡要介紹了公差實驗課中利用三坐標測量機進行實驗教學的基本情況，包括項目背景、實驗內容及實驗評價。通過把三坐標測量機引入實驗教學，使學生對公差配合與技術測量從理論到實踐有了全新的認識，拓寬了知識面，使學生對高精度的三維傳感器、氣浮導軌、精密光柵尺系統、計算機控制等在實際中的應用有了更深刻、更直觀的認識。由于該實驗課程的重要性與實用性，受到同學們的重視與喜歡。筆者已編寫了該實驗課程的授課計劃、實驗大綱、實驗指導書、教材等一系列配套的教學資料。但怎樣在傳統的公差實驗中引入高新設備以改進教學方式，仍是一項較為復雜的系統工程，期待大家對本文所介紹的實驗項目提出寶貴的意見。

（作者單位：廣東省機械高級技工學校）