三坐標(biāo)測量方法與實(shí)際應(yīng)用探討

朱敏濤 路世鋒 宋兵

摘 要：本文從三坐標(biāo)測量機(jī)的相關(guān)原理構(gòu)成著手，進(jìn)一步的探究了三坐標(biāo)測量機(jī)當(dāng)中所使用到的坐標(biāo)系，并對三坐標(biāo)測量方法及其實(shí)際運(yùn)用進(jìn)行了詳細(xì)的分析，文末簡要的描述了測量方法能夠加以運(yùn)用的領(lǐng)域與前景。

關(guān)鍵詞：三坐標(biāo)測量；實(shí)際應(yīng)用；發(fā)展趨勢

三坐標(biāo)測量儀器自問世以來，作為世界先進(jìn)的測量系統(tǒng)，在對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件進(jìn)行精密測量的過程中起著越來越重要的作用，其不僅能夠?qū)Ω鞣N形狀的機(jī)械零件進(jìn)行精確測量，而且還能夠應(yīng)用于空間性的結(jié)構(gòu)測量工作中，是從二維到三維的跨越式升級，使測量更加精準(zhǔn)、高效，在測量儀器的專業(yè)化發(fā)展方面發(fā)揮著十分重要的指導(dǎo)意義。

1 三坐標(biāo)測量機(jī)的構(gòu)成要素

坐標(biāo)測量機(jī)的主要是由四大部件系統(tǒng)組成，分別為儀器的主體構(gòu)架（X、Y、Z三軸）、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集測頭/測座、控制系統(tǒng)，在這當(dāng)中主體結(jié)構(gòu)的作用是進(jìn)行一些基礎(chǔ)性的功能。運(yùn)行方式一般是通過相關(guān)的程序指令來進(jìn)行零件中的位置信息的收集，在通過數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)整合數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最后輸出用戶需要的測量結(jié)果。

2 三坐標(biāo)測量機(jī)的坐標(biāo)系

三坐標(biāo)測量機(jī)通過建立坐標(biāo)系，采集所在區(qū)域空間內(nèi)所測要素的坐標(biāo)位置，再通過復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理計(jì)算所測要素?cái)?shù)值。

2.1 機(jī)器坐標(biāo)系（回機(jī)器零位后的坐標(biāo)系）：

測量機(jī)運(yùn)用于日常工作當(dāng)中的時候，需要接收指令后，測量機(jī)通過使用三軸光柵從零點(diǎn)來進(jìn)行計(jì)數(shù)。若是添加了補(bǔ)償模式，三坐標(biāo)測量機(jī)將會保持一種正常的工作狀態(tài)，在這個時候就要重點(diǎn)關(guān)注所有的坐標(biāo)點(diǎn)相對于機(jī)械的坐標(biāo)原點(diǎn)，這也被稱作為“機(jī)器坐標(biāo)系”。使用機(jī)器坐標(biāo)系的好處是做臨時測量或者零件無明顯的直線特征時，構(gòu)造被測要素非常方便。

2.2 零件坐標(biāo)系（以零件作為基準(zhǔn)建立的坐標(biāo)系）：

當(dāng)我們使用三坐標(biāo)測量機(jī)對某機(jī)械進(jìn)行正常測量時，測量人員一般都會以某一個機(jī)械的零件的三個典型特征方向建立新的坐標(biāo)系，并為基準(zhǔn)來展開測量工作。在這種情況下得到的坐標(biāo)系是“零件坐標(biāo)系”。使用零件坐標(biāo)系的好處是在有圖紙的情況下，對此零件各種要素進(jìn)行測量，可以非常方便地構(gòu)造要素，而且進(jìn)行評價是與圖紙對比非常直觀[ 1 ]。

3 三坐標(biāo)測量方法分析

3.1 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

在運(yùn)用三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行實(shí)踐測量時，通常用到的轉(zhuǎn)換方法一般有兩種，既是平移式坐標(biāo)系與旋轉(zhuǎn)式坐標(biāo)系。如果在實(shí)際工作的時候，有斜孔測量情況的時候，斜孔會同坐標(biāo)軸產(chǎn)生一個角度，因而就要通過坐標(biāo)系來進(jìn)行旋轉(zhuǎn)以及轉(zhuǎn)換。所以，通過旋轉(zhuǎn)操作之后，在達(dá)到某一個角度的時候，其斜孔的方向就會同其中一個坐標(biāo)軸出現(xiàn)同向性的情況，這就給后期的數(shù)據(jù)的處理帶來了一定的幫助，如圖1所示。坐標(biāo)系可由X0、Y0轉(zhuǎn)換到X1、Y1。在通過坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)所得到的所有數(shù)據(jù)，其實(shí)都可以利用原來的坐標(biāo)系來進(jìn)行計(jì)算，這就極大的提升了實(shí)際測量的方便性、精確性。

3.2 構(gòu)造被測要素法

通常來講，進(jìn)行產(chǎn)品的生產(chǎn)當(dāng)中，臺階孔的大小是有著極為重要的作用。但是由于臺階面本身構(gòu)型以及大小就不一，所以，進(jìn)行測頭監(jiān)測就會遇到較大的難度。在三坐標(biāo)檢測機(jī)運(yùn)用操作當(dāng)中，就要使用到墊塊的方法去不停的延伸被檢測物的增加。在最終數(shù)據(jù)產(chǎn)生后，就要把延展部分的數(shù)據(jù)減掉，剩下的便是有價值的數(shù)據(jù)。因?yàn)榇蟛糠值拇龣z測樣都是不規(guī)則的物體，這就給尺寸大小的檢測帶來了不小的麻煩，因而就要引入三坐標(biāo)測量機(jī)來輔助數(shù)據(jù)的分析，從而能夠極大的提高數(shù)據(jù)分析的精準(zhǔn)性以及快速性。

3.3 轉(zhuǎn)換測量基準(zhǔn)法

在對比較復(fù)雜的模型的測量時，常常會出現(xiàn)基準(zhǔn)同被測量的要素出現(xiàn)不一致的情況，因?yàn)檫@種工件具有較為特別的性質(zhì)，因此對其精度的測量就極為難，所以，以往的檢測手段以及檢測方法就不能夠滿足其檢測要求。在這種情況下，需要使用到轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)法，其實(shí)是把被測性要素同中間的基準(zhǔn)進(jìn)行對比以及計(jì)算，然后經(jīng)過大量的換算來確定需要檢測的元素、實(shí)際基準(zhǔn)相互間的關(guān)聯(lián)。進(jìn)行實(shí)際操作當(dāng)中，就能夠極大的降低操作的復(fù)雜度，把工件穩(wěn)定在加工正面，也就會導(dǎo)致工藝基準(zhǔn)、被測要素沒有保持在同一平面的情況出現(xiàn)。比如，進(jìn)行殼體形狀的加工當(dāng)中，一般來說都會使用地面兩孔來對位置進(jìn)行確定，然后再進(jìn)行正面的加工。因?yàn)?，該方式對加工孔和底面孔的位置度等的確定都有著極為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，因而就需要通過實(shí)際測量來進(jìn)行基準(zhǔn)孔的相互變換，除此以外，同樣需要關(guān)注的是在角度上的定向性。所以，在針對殼體的測量當(dāng)中，能夠利用殼體當(dāng)中的兩個瞳孔對角度固定、轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)確定等，實(shí)際的操作當(dāng)中，就要使用到同一個平面當(dāng)中的兩點(diǎn)來進(jìn)行定位孔從而獲得實(shí)際的基準(zhǔn)，進(jìn)一步構(gòu)建坐標(biāo)系，隨后測量出殼體兩孔具體的坐標(biāo)值。然后通過對工件的翻轉(zhuǎn)還有兩個通孔角對坐標(biāo)信息進(jìn)行反置，從而獲得實(shí)際的坐標(biāo)系。

4 其他尺寸測量應(yīng)用

在實(shí)際的機(jī)械制造當(dāng)中，機(jī)械產(chǎn)品需要收集很多尺寸數(shù)據(jù)，從而得到比如導(dǎo)向裝置總的直度、圓度、拱度還有平行度上的大小數(shù)據(jù)，此外還需要針對角度、球、同心度和輪廓的尺寸進(jìn)行測定，是因?yàn)檫@些零件會牽涉到幾何問題，因而對于零件的實(shí)際空間信息的測定就會比較的困難。比如在機(jī)械行業(yè)中廣泛應(yīng)用的球體，有時當(dāng)球體圓度不足時，會嚴(yán)重影響使用效果，導(dǎo)致球體提前磨損而失效。這個時候通過使用三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理就十分的重要，它能夠把形狀公差縮小在極小的范圍當(dāng)中。

5 三坐標(biāo)測量方法的發(fā)展趨勢

三坐標(biāo)測量作為新生代的測量方式發(fā)展迅速，是測量行業(yè)進(jìn)步的主要驅(qū)動力，目前三坐標(biāo)測量機(jī)主要從以下幾個方向發(fā)展：三坐標(biāo)的測量精度、三坐標(biāo)測量機(jī)的運(yùn)行速度、三坐標(biāo)測量軟件的智能化。

5.1 有利于提高測量的精密度

如今的三坐標(biāo)測量機(jī)發(fā)展里程當(dāng)中，現(xiàn)代化超精細(xì)的加工方法可以將其測量的精確度提升至納米級別，所以，在測量的公差度就要確保其精確度不能夠超過公差的十分之一，所以，開展這些工作的時候，通過使用三坐標(biāo)測量機(jī)就能夠極大的提升其精準(zhǔn)度，提升測量設(shè)備的精度。

5.2 有利于提高實(shí)際的測量工作效率

實(shí)際操作三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行測量的時候，它可以在一定范圍內(nèi)有效的改進(jìn)機(jī)械的總體結(jié)構(gòu)，側(cè)重于輕型還有熱變形不大的新型材料的應(yīng)用，比如空心薄壁結(jié)構(gòu)、人工合成材料還有鋁陶瓷等等，能夠極大的提升零部件加工的科學(xué)性，從而能夠提升機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化；三坐標(biāo)測量機(jī)的使用可以有效的提升控制系統(tǒng)在作業(yè)當(dāng)中的性能，借助測量機(jī)在高速運(yùn)行，并且可以確保其平穩(wěn)性的性質(zhì)，因而測量機(jī)工作的精度影響因素就是，確保設(shè)備不會出現(xiàn)較大的振動；運(yùn)用三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行實(shí)際的操作過程當(dāng)中，就要使用到動態(tài)性收集，進(jìn)一步的提升其采集效率，深入地研究測量機(jī)運(yùn)用于實(shí)際操作時的動態(tài)性誤差，同時對產(chǎn)生的誤差進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，比如漂浮、測頭還有剛度等一些情況，極大的提升軟件在運(yùn)用時的運(yùn)行效率。

5.3 在航天領(lǐng)域的發(fā)展

在航天領(lǐng)域，對于航空發(fā)動機(jī)的生產(chǎn)當(dāng)中，就要重點(diǎn)對其中的一些關(guān)鍵性零件部位進(jìn)行不斷的提升，所有研發(fā)過程都與三坐標(biāo)測量機(jī)密切相關(guān)，這也就顯示出了其重要的價值，在生產(chǎn)制造的行業(yè)的整體發(fā)展當(dāng)中，對于原件質(zhì)量的控制是尤為關(guān)鍵的一個步驟，并且還是航空制造行業(yè)非常關(guān)注的一個問題。針對航空發(fā)展動機(jī)的零部件研制過程中，相關(guān)企業(yè)對元件的檢測方法以及檢測設(shè)備的要求變得更加的精密化、科學(xué)化，所以，進(jìn)行實(shí)際的生產(chǎn)時，便于確保航天行業(yè)發(fā)展的水平以及進(jìn)展速度的先關(guān)要求，三坐標(biāo)測量機(jī)逐漸成為了航空領(lǐng)域發(fā)展不可或缺的重要組成部分。比如，在進(jìn)行航空領(lǐng)域逐漸前行過程當(dāng)中，發(fā)動機(jī)的不斷研發(fā)對于航空領(lǐng)域的提升有著至關(guān)重要的意義，但發(fā)動機(jī)當(dāng)中很多的元件有不同的構(gòu)型存在，這也就使得數(shù)據(jù)的直接性測量帶來了不小的麻煩，通過使用三坐標(biāo)測量機(jī)就能夠較好的對其尺寸大小進(jìn)行準(zhǔn)確的測算，于是能夠極大的提升航天零部件的精確度[ 4 ]。

參考文獻(xiàn)：

[1] 唱宇，楊桂棟.三坐標(biāo)測量機(jī)的發(fā)展趨勢[J].民營科技，2015（03）.

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[3] 黃沛麗.關(guān)于三坐標(biāo)測量機(jī)坐標(biāo)系的建立[J].科技信息，2010（18）.

[4] 呂玉梅，臧繼嵩.三坐標(biāo)測量方法探討與應(yīng)用[J].北華航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2009（04）.