三坐標測量技術應用

姚紅雙

【摘 要】隨著國內制造業的迅速崛起，越來越多的三坐標測量機被用于車間檢驗站、工序間在線檢測、新產品開發、工模具制造和入庫驗收等進行零件和部件的尺寸、形狀及相互位置的檢測，從而完成零件檢測、外形測量、過程控制、逆向工程等任務。由于它的通用性強、測量范圍大、精度高、效率好、能與柔性制造系統相連接，已成為一類大型精密儀器。目前，國外著名的生產廠家有德國的蔡司（Zeiss）、萊茨（Leitz）和溫澤（WENZEL）、意大利的DEA、美國的布朗——夏普（Brown&Sharp）、日本的三豐（Mitutoyo）等公司。我國的主要生產廠家有思瑞，愛德華，壹興佰，佛迪，智泰，而不管國產或者進口大部分核心部件都是采用英國Renishaw。目前，三坐標測量機以其高精度高柔性以及優異的數字化能力，成為現代制造業尤其是模具工業設計、開發、加工制造和質量保證的重要手段。

【關鍵詞】三坐標；應用；校準；測量

一、三坐標測量機基本概述

1.三坐標測量機的定義：

由三個運動導軌，按笛卡兒坐標系組成的具有測量功能的測量儀器，稱為三坐標測量機，并且由計算機來分析處理數據（也可由計算機控制，實現全自動測量），是一種復雜程度很高的計量設備。

2.三坐標測量機測量原理：

坐標測量機是通過測頭系統與工件的相對移動，探測工件表面點三維坐標的測量系統，通過將被測物體置于三坐標測量機的測量空間，利用接觸或非接觸探測系統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，由軟件進行數學運算，求出待測的幾何尺寸和形狀、位置及其他幾何量數據。因此，坐標測量機具備高精度、高效率和萬能性的特點，是完成各種零部件幾何量測量與品質控制的理想解決方案。一般地，經過計算，可以擬合形成測量元素，如空間點、直線、圓、球、圓柱、圓錐、曲面等。

3.三坐標測量機的主要組成：

主機結構由框架、標尺系統、導軌、驅動裝置、轉臺平衡部件組成。電氣系統由電器控制系統、計算機、測量軟件、打印與繪圖裝置組成。

4.三坐標測量機的類型

當今主要使用的三坐標測量機按設計分類有水平臂式、橋式、龍門式、便攜式和懸臂式測量機。按測量方式大致可分為接觸式與非接觸式兩種。

5.測量機的工作環境條件

由于三坐標測量機是一種高精度的檢測設備，機房環境條件的好壞，對于測量機的影響有著至關重要的作用。這其中包括檢測工件狀態及環境、溫度條件、振動、濕度、供電電源、壓縮空氣等因素。環境溫度：20℃±2 ℃，梯度要求：空間< 1 ℃/m3，時間< 2 ℃/h，相對濕度：50%～70%，地線單獨接地<5Ω，震動：頻率5HZ～50HZ，壓縮空氣：6MPa，同時配備大功率穩壓電源。

6.基本測量步驟：

基本測量步驟依次為校正測頭、測量基本元素、計算所需結果、輸出測量結果。

二、三坐標測量機在機械制造中的應用實例

實例1：多測針多角度探針組校驗技巧

測頭是三坐標測量機的重要組成部分，起到數據采集的作用，測針校準是檢測工件的重要步驟，個別工件形狀復雜，檢測過程中為避免干涉，測頭文件需多選擇多根測針及幾百種轉換角度，按照常規校驗方法，每種角度的校驗都需要手動操作，過程時間長、效率低，同時因手動操作次數多，容易出現個別角度選擇錯誤，與標準球不對應等問題，造成校驗數據失準及設備撞擊事故風險。通過多測針多角度校驗編組，在測針校驗時只需根據測針角度和標準球不同調用相應測針編組，使校驗過程實現自動化，提高檢測效率，降低了生產成本，操作步驟如下：

1.打開測量程序，根據測針角度、標準球矢量方向不同，編制校驗程序，并分別編組，保存名稱；

2.根據測量工件選取測頭文件，調用對應的測針編組編號，設置校驗速度和測量點數，直接點擊“測量”即可完成一系列多測針多角度自動校驗；

3.查看校驗結果，確認數據符合精度要求。

實例2：復雜工件3D數模導入編程檢測

復雜工件檢測尺寸數據量龐大，結構復雜，檢測過程中工件個別部位與測頭存在干涉問題，存在安全風險；另一方面按照常規的三坐標手動編程方法，需要大量編程時間，效率低，數據準確性有待提高。如果通過數模導入會解決這些問題，以為?？怂箍禍y量機PC-DIMS軟件為例，編程過程中，首先導入CAD數模，通過粗建坐標系，零件坐標系和數模坐標系重合后，即迭代法建立坐標系，直接在數模上點擊，三坐標測量機以實現合理安排檢測路徑并且自動觸測被測特征的一種檢測方法。這種方法節省了大量的人力、物力、時間，降本增效，實現效益最大化。編制過程力求檢測程序編制周期短，路徑簡單；檢測程序運行安全，檢測數據準確，滿足工藝要求，操作步驟步驟如下：

1.將3D模型導入三坐標測量機PC-DMIS系統；

2.分析圖紙和工藝文件，根據工藝文件檢測要求編輯測頭文件，并進行校驗，保證校驗結果符合要求；

3.通過測量軟件讀取3D模型各個部位的坐標值和矢量值，根據工藝文件尺寸檢測要求，統一檢測基準和工藝基準，消除基準誤差，利用自動編程功能編程，合理安排檢測角度和檢測路徑；

4.優化檢測程序，提高檢測效率。

實例3：同軸度的測量

同軸度的測量誤差往往比實際誤差大是三坐標測量過程中一個常見問題，主要原因是對工件分析不深入，測頭組件配置不合理，測量方法不恰當。如下圖所示，當基準軸線與被測軸線較短并且距離較大時，如果用通常的方法評價同軸度，即將測量的基準軸線延長至被測軸線處，再計算出被測軸線與基準軸線的最大距離的兩倍得到同軸度數值，這樣的測量結果誤差往往很大，并且不符合實際情況。在這種情況下，我們首先應該盡量加大被測圓柱首位兩個截面的距離，否則誤差很大，同時應當采用先建立公共軸線再評價同軸度的方法，先在兩端圓柱各取圓心，連成一條3D直線作為公共軸線，然后用公共軸線作為基準軸線評價同軸度，這樣的檢測結果會更加貼近實際一些。

參考文獻：

[1]?？怂箍禍y量技術（青島）有限公司編《實用坐標測量技術》.北京化學工業出版社

[2]張國雄 《三坐標測量機》 天津大學出版社

[3]趙忠玉《測量與機械零件測繪》機械工業出版社

（作者單位：中國中車大同電力機車有限公司）01CF9AEF-72CC-46D0-AF3F-CE392D592F47