基于三坐標測量的技術分析
——世界技能競賽零件制造誤差產生的原因

廣東省機械高級技工學校　陳建立

基于三坐標測量的技術分析
——世界技能競賽零件制造誤差產生的原因

廣東省機械高級技工學校陳建立

本文以在世界技能大賽零件中圓的尺寸為例，以一個質量監控人員的角度，分析三坐標測量的結果，與手工測量的結果產生差異的原因，并在測量的角度出發，制定出制造的解決方案。

世界技能大賽；三坐標測量；手工測量；世賽檢測標準；誤差分析

0　引言

在2015年之前，中國參加數屆世界技能大賽，從未獲得金牌，本文講述在2015年世界技能大賽數控銑項目，中國專家、教練團隊在奪金的路上，通過理解三坐標測量的原理后，攻克一個非常重要的技術難點，最終以史無前例的高分獲得了中國歷史以來的首枚金牌。

世界技能大賽（以下簡稱“世賽”）是由世界技能組織舉辦的國際技能界的頂尖賽事，現有63個國家和地區成員，競賽項目共分為結構與建筑技術、創意藝術和時尚、信息與通信技術、制造與工程技術、社會與個人服務、運輸與物流6個大類共計46個競賽項目。每個項目，一個國家只可選派一名選手參加，每兩年舉辦一屆，是世界各國和地區技能展示交流的平臺，被稱為“技能界的奧林匹克”。

世賽數控項目和國內的全國數控比賽相比，在評判方式上，改變了以往主觀性較強，注重結果的方式。比賽不再過度追求加工的難度，而是更加注重加工精度。世賽數控項目主要通過三坐標測量機等高精度檢測儀器對工件進行客觀檢測，提高檢測結果的公信度，保證了比賽的公正性。中國首次參賽是在2011年派代表團參加第41屆世賽，經過第42、43兩屆參賽對世賽規則的摸索，以及在世界技能大賽的官方金牌贊助商海克斯康公司的技術支持，中航工業中國空空導彈研究院技術專家的幫助下，2015年，我校張志坤同學，代表中國參加第44屆世界技能大賽數控銑工項目獲得金牌，成為中國參加世界技能大賽以來的首枚金牌。

世賽數控銑項目，比賽的內容分三個模塊，分別加工一個鋁件兩個鋼件，選手從拿到圖紙開始計時，在規定的時間內完成零件的加工制造。每個尺寸配有相應的分數，超差的尺寸則扣除相應的分數，工件完整性、表面粗糙度以及更換毛坯或其他違反安全文明規范也都配有一定的分數。

1　問題的提出

技能競賽的名次是依據選手比賽的分數由高到低進行排序，決定選手名次高低的是工件完成的質量。一個工件滿分為100分，經過了兩屆的比賽，第41屆數控銑冠軍尺寸得分率為95%，第42屆數控銑冠軍尺寸得分率為97%，專家、教練團隊充分地認識到，如果這一屆要想獲得冠軍，尺寸得分率必須為100%，而在訓練中，總是會有尺寸超差。現就以2013年在德國萊比錫舉行的第42屆世賽數控銑工題目位置F11處直徑尺寸（）為例，零件工程圖如圖1所示。

圖1　零件工程圖

分析圖紙，工件有且只有一處基準，如圖1所示B10處。故將此處基準A作為基準投影面，然后建立坐標系。在不改變加工設備、測量設備等可控制的條件下，在機床上檢測結果如表1所示。

通過請專業的校準機構校驗了量具與三坐標測量機，發現手工測量的尺寸，與三坐標測量機測量的尺寸，還是存在差異。因此必須找到產生差異的原因，否則將與金牌無緣。

表1　檢測結果

測量一個圓的直徑，作為一個測量人員來說，應該是非常簡單的，但是要分析解決以上出現尺寸不穩定的問題，要求我們必須理解三坐標測量的原理。

2　問題的分析

2.1世賽三坐標檢測標準

依據世賽三坐標檢測標準，零件是一個整體，局部尺寸與坐標系、基準面有關，故在選擇尺寸測量方法時均是選用二維的元素，如“線”。

2.2世界技能競賽（數控銑項目）的規則與零件制造要點

2.2.1加工制造時間短

從拿到圖紙，有三個小時的畫圖、編輯加工軌跡的時間，然后只有四個小時的時間加工制造，時間到了，無論有沒有加工完整，都必須停止加工。

2.2.2單件生產

雖然在規則上允許更換毛坯，但是要扣除較多的分數，那相當于自己放棄金牌，所以必須首件就是成品。

2.2.3高精度尺寸多

一般零件上高精度尺寸一般是15%-20%，而我們競賽的零件，高精度尺寸一般都是要達到60%-70%。

2.2.4裝夾次數多

一般除了正面、反面需要裝夾加工外，側面還需要裝夾加工，另外由于一些特定要素的加工，一個零件加工完成，至少要裝夾5次以上。

2.2.5切削加工余量大

零件在加工之前的重量是1.3千克，加工完成后的重量是0.6千克，金屬切除部分超過50%。

2.2.6加工制造所用裝備世界頂級。

中國是制造大國，為了能夠在此次技能競賽中顯示中國制造業的實力，不惜使用世界頂級量具、刀具等。

2.3誤差產生的主要原因

2.3.1基準投影面的問題

在加工基準面A后，反面裝夾加工圓柱時，會產生平行度誤差，也即是基準的投影面發生傾斜的情況。如圖2所示。

圖2　基準投影面發生傾斜圖

圖3　基準面發生變形圖

2.3.2變形的問題

由于切削力、夾緊力、內應力的原因，會導致基準面以及被測元素變形。如圖3所示。

3　通過理解三坐標測量原理，解決圓的尺寸不穩定的方案

3.1減小平行度誤差

由于加工的時間有限，直到賽前是不知道圖紙形狀的，所以不能制作專用的夾具來裝夾工件，以前我們是采用精密虎鉗配合平行等高墊塊來裝夾。現改進為使用軟鉗口來代替平行等高墊塊。在分析圖紙后，在軟鉗口上加工出相應的裝夾高度及形狀，減少使用平行等高墊塊的誤差。

3.2盡量減小工件變形

工件的變形主要由兩部分因素產生。

（1）首先是夾緊力，可采用定位原件來限制工件的自由度，來減少夾緊力過大，另外在加工時，使用“四刀”完成一個尺寸，即是粗加工——首次半精加工——再次半精加工——精加工。在首次半精加工后，釋放虎鉗的夾緊力，重新使用稍小的力裝夾，從而達到減小夾緊力引起的變形。

（2）其次是最關鍵且最容易讓大家所忽視的內應力變形。當一個零件被加工成如圖1所示的零件時，內部材料切除50%以上，產生內應力是必然的。在賽場的環境下，沒有設備消除內應力，更不可能通過時效處理來消除內應力，所以我們只能采用“敲打法”，整個零件正反面粗加工后，拆下在準備好的木板上“敲打”，使工件連續抖動，從而達到減小內應力引起的變形。

4　總結

要分析三坐標測量的結果與手工測量為什么會存在差異，必須掌握三坐標測量計算的原理，在世賽檢測標準下，大部分只能使用二維元素圓來評價，而二維元素基準投影面有關，另外，如果零件元素發生變形，基準平面又發生變形，那么，測量出來的結果肯定與我們手工測量的結果會差異比較大。

在找到產生差異的原因后，再使用軟鉗口代替平行等高墊塊來減小平行度誤差，以及使用定位原件來限制工件的自由度，來減少夾緊力和使用“敲打法”來減小內應力引起的變形。

5　結束語

看似是很簡單的一個問題，但是卻圓了中國參加世界技能大賽這么多年以來的金牌夢，并且是在制造業的項目中拔得頭籌，勇奪中國首金。工業4.0的時代已悄然來臨，中國制造2025的號角也已經吹響，世界技能競賽中國也奪下金牌，依據中國人力資源和社會保障部湯濤部長的指示，要將職業技能競賽打造成第二個奧林匹克，也要像體育競賽一樣普及全國，并要申報承辦2021年世界技能競賽，屆時全球63個國家和地區的技能精英將齊聚中國大地，那將會是職業教育、職業競技的另一個春天！

［1］2012幾何量測量技術應用論文集［C］.海克斯康測量技術（青島）有限公司.

［2］PC-DMIS參考手冊［S］.海克斯康測量技術（青島）有限公司.

［3］官方論壇在線研討會［C］.海克斯康測量技術（青島）有限公司.

［4］世界技能競賽評分標準［S］.世界技能競賽中國研究中心.