三坐標測量技術實戰應用

劉以芬　王傳法

摘要：本文闡述了三坐標測量技術的測量機理、測量流程，并對公司MCP新產品開發試制過程中遇到的形位公差，進行了典型案例解析，以及對編程技術的應用。

關鍵詞：測量機理；測量流程；案例解析；編程技術

引言

三坐標測量技術最主要的應用就是實現對形位公差的快速、精準測量。如何達到這一目的？就需要對三坐標測量的機理及整個檢測流程有所了解，更要對產品的形位公差有一個正確的理解，對測量軟件能夠熟練應用。

1.三坐標測量機理

三坐標測量機，其控制系統一般采用伺服電機數控系統控制，由花崗巖導軌等構件組成。其主要工作原理就是將被測物體置于三坐標測量空間，通過采集被測物體上的點，得出點的X、Y、Z坐標值，將這些坐標值經過計算機數據處理，擬合形成幾何測量要素，如：平面、直線、圓柱、圓錐、球面等。再通過理論位置（或尺寸）與實際位置（或尺寸）的比較得出其形狀、位置公差。三坐標測量機一般采用三個直線光柵尺進行測量，當觸發測頭發出測量信號時，三個坐標的光柵數據被同時鎖定，測得點的坐標，即X、Y、Z值，如此，得出工件的實際位置或尺寸。

2.三坐標測量流程

當進行實際測量工件時，為保證測量數據的準確和三坐標測量機能正確使用和維護，應嚴格按照測量流程進行檢測。

（1）分析被測零件圖紙，了解測量要求和方法，確定檢測方案或調用的程序；

（2）根據測量要素選擇測頭，校準測頭；

（3）將被測零件小心的置于測量平臺上，并按策劃要求放置、固定；

（4）編制或調用測量程序實施檢測，首次運行程序應注意減速運行，發現異常，及時按“緊急停”按鈕；

（5）評價測量要素，輸出測量結果，保存測量程序；

（6）拆卸零件，清理工作臺面，進行必要的保養。

3.典型案例解析

公司MCP新產品開發試制過程中，后橋被動錐齒輪端面齒位置度檢測較典型，如圖所示：

這是一個不常見且較難理解的端面齒位置度標注示例。每個齒的位置度公差帶為兩平行平面之間的距離。被測齒中心與框架基準C重合，兩齒之間的理論正確角度為45°。每個齒的中間面應限定在間距等于0.1，且對稱于理論正確位置的兩平行平面之間。該兩平行平面對稱于由基準軸線C和理論正確尺寸45°所確定的被測面的理論正確位置。依次測量8個齒的位置度。

如何完成這樣一個較為復雜的端面齒位置度測量呢？主要對以下幾點進行說明：

（1）正確建立坐標系。對于任何一個工件的檢測，正確建立坐標系是非常重要的。因為它直接影響之后的所有被測尺寸的測量結果。坐標圓點應按位置度標注要求選定，很顯然應將C基準，即Φ的中心作為坐標圓點O；Z坐標方向應由端面齒底平面來確定； X坐標方向應由兩個相對端面齒的中心來確定，即由A、B兩點確定。盡可能選擇被測要素的中間點，這兩個中間點應是分別在齒兩側中間位置采點后構造中點得出。X坐標的選擇對測量結果影響較大，應慎重考慮。

（2）采集測量點構造測量要素。由于該端面齒較淺且理論上垂直齒底平面，因此可忽略高度方向的傾斜誤差，以端面齒底平面為工作平面進行二維數據采集。測量其中一端面齒兩側面，得出點1、點2、點3、點4，分別構造1和2的中點，3和4的中點。依次類推，每個端面齒都構造出內外兩個中點，代表端面齒的實際位置。這樣總共測得32個點，構造出16個點，以供后續評價計算使用。

（3）計算測量結果。利用極坐標法計算位置度，輸入極角理論值45°，極徑理論值與實際值相同即可。因為齒的結構不同于孔，在徑向位置是不需要控制的，只需控制其周向位置。依次算出16個點與理論正確位置的偏離值，再將每個偏離值乘以2，即為16個點的位置度，也就是8個齒的位置度。

（4）分析測量結果。為什么構造這么多點？主要是考慮端面齒齒長方向的誤差，如果只采集齒的內、外或中間點，則不能代表整個齒的特性，易導致測量結果與實際不符，影響裝配質量。如果這些代表端面齒的點都包含于限定間距0.1范圍內，則端面齒的位置度即為合格；如果某個齒有一個點超出范圍，或兩個點均超出范圍且位于理論正確位置兩側，說明該齒至少在角度方面不合格，需要調整角度或旋轉坐標系重新評價；如果均超出范圍且在同一側，說明該齒中心偏離基準中心C，需要對工裝進行調整。

4.三坐標編程技術應用

在編制端面齒位置度測量程序時，考慮到重復測量的需要，特編制了自動測量程序。有幾點編程技巧供大家參考。

（1）先粗建坐標系，再精建坐標系完成測量程序的編制。粗建坐標系一般采點較少，且較易采集。每次測量時，只需手動完成粗建坐標系的采點，然后自動運行程序即可。能夠提高重復測量時的檢測效率，降低測量人員的勞動強度。

（2）在本案例中編程采點時，可利用陣列的方法，完成其中一個端面齒的采點后，以基準C為中心，通過偏轉角度、復制，脫機完成其余端面齒的采點程序，然后按照編好的程序自動運行其它端面齒的采點即可。能夠大副度降低測量人員的勞動強度，節省測量時間，提高測量的準確性。

（3）在計算位置度的時候，可適當旋轉坐標系，找到最佳基準，減少周向累積誤差，使所有端面齒誤差的最大值為最小。事實證明此方法能夠減少不良品率，提高技術經濟效益。

5.結束語

本文給大家闡述了三坐標測量技術的實戰應用理論、方法及形位公差分析。隨著三坐標測量機的廣泛應用，越來越多的人投入到三坐標測量中來，希望能給大家提供借鑒，更希望通過不斷地交流與探討，讓三坐標測量技術的應用水平有更大提高。

參考文獻：

[1]邢建中.PC-DMIS形位公差典型案列解析.海克斯康三坐標論壇2013年度