三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在數(shù)控機(jī)床配件檢測(cè)中的應(yīng)用探索

呂巖，焦丕顯，李林，肖光臨

（1.沈陽(yáng)機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司；2.沈陽(yáng)第一機(jī)床廠，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

憑借著自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)得到了廣泛應(yīng)用，并取得了極佳的應(yīng)用效果，被稱為萬(wàn)能的測(cè)量設(shè)備。主要工作原理是在測(cè)量幾何元素時(shí)，重點(diǎn)針對(duì)這些幾何元素中某些點(diǎn)的坐標(biāo)位置予以測(cè)量，然后，結(jié)合這些點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，將規(guī)格、形狀、位置存在的偏差運(yùn)用數(shù)學(xué)運(yùn)算方式算出，換而言之，就是利用PC-DMIS等測(cè)量系統(tǒng)補(bǔ)償測(cè)頭半徑，擬合出相應(yīng)幾何元素，如點(diǎn)、線、面等，同時(shí)，對(duì)其尺寸進(jìn)行評(píng)價(jià)。因此，將三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在數(shù)控機(jī)床配件檢測(cè)中予以應(yīng)用，既高效又精準(zhǔn)，為數(shù)控機(jī)床安全、穩(wěn)定、順利地運(yùn)轉(zhuǎn)提供了有力保障。

1 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)概述

早在20世紀(jì)60年代，就已經(jīng)出現(xiàn)了三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，它是由英國(guó)FERRANTI公司研發(fā)制作而成。在當(dāng)時(shí)，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是最高效、最先進(jìn)的一種精密測(cè)量?jī)x器，但是，直到1980年，才獲得更好的發(fā)展與應(yīng)用。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的分辨率與顯示數(shù)值精確度可高達(dá)微米級(jí)以及以上，其能夠自動(dòng)對(duì)多個(gè)復(fù)雜的配件進(jìn)行高密度測(cè)量，其中，該設(shè)備所配備的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)起到了很大的積極作用。從某種角度來(lái)說(shuō)，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)也屬于數(shù)控設(shè)備的一種，根據(jù)結(jié)構(gòu)形式、測(cè)量行程、測(cè)量精確度予以劃分。一般情況下，三坐標(biāo)的測(cè)量步驟為：制定測(cè)量計(jì)劃方案、安裝測(cè)頭、校核測(cè)頭、人工構(gòu)建大致坐標(biāo)系、全自動(dòng)精密建設(shè)工作坐標(biāo)系、自主收集測(cè)量元素、建造元素、評(píng)估公差、生成報(bào)告。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)分接觸式和非接觸式，其各有優(yōu)缺點(diǎn)，一般根據(jù)常用檢測(cè)零部件選擇適合的軟件系統(tǒng)及探測(cè)方式。

現(xiàn)階段，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在我國(guó)電子、機(jī)械、塑膠以及儀表等領(lǐng)域獲得了廣泛運(yùn)用，具有極高的社會(huì)價(jià)值。數(shù)控設(shè)備推動(dòng)了現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，同時(shí)，現(xiàn)代工業(yè)向它提出了更高的精度要求。我們一致認(rèn)為，數(shù)控生產(chǎn)和先進(jìn)技術(shù)測(cè)量就像車上的兩個(gè)輪子，缺一不可。首先，數(shù)控設(shè)備加工出來(lái)的零件如果用普通量具來(lái)測(cè)量的話，不僅測(cè)量不準(zhǔn)確，而且還可能帶來(lái)更大的誤差，導(dǎo)致整批零件不合格或者重新加工。現(xiàn)在，具有代表性的先進(jìn)測(cè)量技術(shù)產(chǎn)物如三坐標(biāo)，它精確地測(cè)量了數(shù)控產(chǎn)品的精度和生產(chǎn)要求，使生產(chǎn)效率大大加快。如果用普通量具，很浪費(fèi)時(shí)間而且不準(zhǔn)確，所以有先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)是不可缺的。大量實(shí)踐研究數(shù)據(jù)表明，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)能夠通過(guò)科學(xué)合理的測(cè)量方式得知尺寸參數(shù)，且結(jié)果十分準(zhǔn)確，主要是由于其自身所具備的優(yōu)勢(shì)：常規(guī)儀器在測(cè)量時(shí)，流程煩瑣復(fù)雜，且周期較長(zhǎng)；而三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)簡(jiǎn)化了測(cè)量流程，縮短了測(cè)量時(shí)間，而且還能夠頂替多個(gè)表面測(cè)量?jī)x器以及價(jià)格高昂的組合量規(guī)，這些都是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)具備的優(yōu)勢(shì)。與常規(guī)測(cè)量設(shè)備對(duì)比，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在實(shí)際操作環(huán)節(jié)效率高，數(shù)據(jù)測(cè)量與采集比較全面，這也是在數(shù)控機(jī)床配件檢測(cè)中三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)獲得有效應(yīng)用的主要原因之一，即其可以在短時(shí)間得到更完整的數(shù)據(jù)信息。

2 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在數(shù)控機(jī)床配件檢測(cè)中的應(yīng)用分析

通過(guò)對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)實(shí)踐應(yīng)用的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在數(shù)控機(jī)床配件檢測(cè)中運(yùn)用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)時(shí)，首先，會(huì)對(duì)配件的適應(yīng)性展開(kāi)詳細(xì)檢測(cè)；其次，是對(duì)配件有無(wú)故障損壞予以嚴(yán)格檢測(cè)。檢測(cè)目標(biāo)不同，流程、方式都有很大差異，因此，對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在數(shù)控機(jī)床配件檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行深入探究分析，借此推動(dòng)測(cè)量機(jī)向著科學(xué)化、合理化、規(guī)范化的方向發(fā)展。

2.1 數(shù)控機(jī)床配件適應(yīng)性檢測(cè)中對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的應(yīng)用分析

對(duì)數(shù)控機(jī)床配件適應(yīng)性進(jìn)行嚴(yán)格檢測(cè)，是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的核心要點(diǎn)。數(shù)控機(jī)床的正常順利運(yùn)轉(zhuǎn)離不開(kāi)配件的幫助，只有選擇最科學(xué)合理的配件，數(shù)控機(jī)床的功能、用途才會(huì)得以全面發(fā)揮。因?yàn)榕浼某叽纭⑿螤睢⑤喞惭b位置、承擔(dān)責(zé)任都有很大差異，所以，采購(gòu)人員一定要根據(jù)實(shí)際情況購(gòu)買合適的配件，并嚴(yán)格遵守規(guī)范流程對(duì)配件進(jìn)行安裝，為數(shù)控機(jī)床能夠安全穩(wěn)定地運(yùn)行奠定良好的基礎(chǔ)。如果在安裝配件環(huán)節(jié)，發(fā)生了配件適應(yīng)性較差的問(wèn)題，那么，會(huì)對(duì)數(shù)控機(jī)床運(yùn)行的順利、有序產(chǎn)生極大不利影響。由此可見(jiàn)，在對(duì)配件進(jìn)行安裝使用之前，對(duì)其適應(yīng)性如何進(jìn)行檢測(cè)十分必要。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的有效運(yùn)用，可以合理調(diào)節(jié)控制配件的每項(xiàng)參數(shù)，并將這些參數(shù)當(dāng)作重要參考依據(jù)，探析評(píng)估配件的三維坐標(biāo)，以此得到精準(zhǔn)的配件數(shù)據(jù)。然后，將此數(shù)據(jù)跟數(shù)控機(jī)床配件的標(biāo)準(zhǔn)范圍進(jìn)行比較，并找出不同之處或者數(shù)值差別較大的數(shù)據(jù)，然后，對(duì)這些數(shù)據(jù)展開(kāi)全方位研究分析，從而得知配件適應(yīng)性上存在的不足與問(wèn)題。這對(duì)配件的調(diào)換、維修等后續(xù)工作提供了大力幫助，同時(shí)，也加強(qiáng)了配件的應(yīng)用效率和質(zhì)量。換而言之，通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)數(shù)控機(jī)床配件展開(kāi)三維坐標(biāo)測(cè)量，然后，得到配件各方面的實(shí)際情況，并展開(kāi)深入分析討論，再根據(jù)結(jié)果確定該配件適應(yīng)性的強(qiáng)弱。在這個(gè)過(guò)程中，會(huì)將使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)所得出的配件數(shù)據(jù)跟數(shù)控機(jī)床配件的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，若是兩者數(shù)據(jù)之間的區(qū)別在允許限值內(nèi)，那么，說(shuō)明配件有適應(yīng)性、合格，可以投入使用；若是兩者數(shù)據(jù)之間的區(qū)別超出了一定范圍，那么，則代表該配件不具備適應(yīng)性，應(yīng)當(dāng)及時(shí)更換。

2.2 數(shù)控機(jī)床配件故障損壞檢測(cè)中對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的應(yīng)用分析

對(duì)數(shù)控機(jī)床配件故障損壞進(jìn)行詳細(xì)檢測(cè)是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的重心主旨。配件是數(shù)控機(jī)床中最關(guān)鍵的構(gòu)成部分，其對(duì)數(shù)控機(jī)床的平穩(wěn)順利運(yùn)行起著決定性作用。但是，隨著數(shù)控機(jī)床夜以繼日的生產(chǎn)加工，其配件也會(huì)向老齡化發(fā)展，且極有可能出現(xiàn)磨損現(xiàn)象，如果配件的老齡化或者磨損達(dá)到較高程度后，就會(huì)影響數(shù)控機(jī)床的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生故障，進(jìn)而直接拉低數(shù)控機(jī)床的加工效率、加工精確度，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)安全事故。所以，應(yīng)用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)數(shù)控機(jī)床配件是否存在破損、故障等問(wèn)題進(jìn)行檢測(cè)具有重要意義。

由于數(shù)控機(jī)床在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，無(wú)論是哪種配件，其尺寸大小、外形輪廓、屬性效能都有明確規(guī)定，因此，如果數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)了故障問(wèn)題，相關(guān)工作人員只需要將數(shù)控機(jī)床中所應(yīng)用到的配件類型、規(guī)格大小等數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)饺鴺?biāo)測(cè)量機(jī)中，然后，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)中測(cè)量反饋板塊能夠精準(zhǔn)找出數(shù)控機(jī)床在運(yùn)行中出現(xiàn)故障的配件類別和相關(guān)數(shù)據(jù)信息。由于是跟數(shù)控機(jī)床配件的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行的比較，因此，出現(xiàn)故障的配件數(shù)據(jù)差異值會(huì)更大，這也從側(cè)面提高了故障判斷、剖析的無(wú)誤性和精準(zhǔn)性。總的來(lái)說(shuō)，在數(shù)控機(jī)床配件故障損壞檢測(cè)環(huán)節(jié)應(yīng)用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)用具，不但高效率、高準(zhǔn)確度，而且還具備極強(qiáng)的實(shí)效性。

3 應(yīng)用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)數(shù)控機(jī)床長(zhǎng)絲杠螺距累積誤差進(jìn)行測(cè)量的實(shí)例分析

絲杠是數(shù)控機(jī)床中最重要的配件之一，為數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)、定位起到了很大的積極作用。其中絲杠的螺距累積誤差參數(shù)對(duì)生產(chǎn)制作絲杠的精確度而言至關(guān)重要。比如，某梯形輪廓絲杠的生產(chǎn)技術(shù)要求單螺距誤差不得超過(guò)9μm，任意50mm螺距累積誤差不得超出13μm等。對(duì)短絲杠螺距累積誤差進(jìn)行測(cè)量時(shí)，可以應(yīng)用萬(wàn)能工具顯微鏡；對(duì)長(zhǎng)絲杠螺距累積誤差進(jìn)行測(cè)量，再應(yīng)用顯微鏡是不可行的，就算是對(duì)長(zhǎng)絲杠進(jìn)行分距離測(cè)量，也不能對(duì)300mm以及全長(zhǎng)絲杠螺距累積誤差予以測(cè)量。并且如果該廠家不生產(chǎn)絲杠配件，基本上都沒(méi)有專業(yè)測(cè)量絲杠螺距累積誤差的儀器，像絲杠導(dǎo)程儀、激光絲杠動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x器等。那么，不生產(chǎn)制作絲杠的廠家就會(huì)選擇使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)絲杠螺距累積誤差進(jìn)行測(cè)量。雖然三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)生產(chǎn)廠家具備測(cè)量絲杠螺距累積誤差的系統(tǒng)軟件，但是，成本較高，而且測(cè)量流程、數(shù)據(jù)處理跟實(shí)際需求不符，所以，我們自己編制了一個(gè)測(cè)量絲杠、處理數(shù)據(jù)的程序，希望能夠?qū)崿F(xiàn)精確測(cè)量絲杠螺距累積誤差的目標(biāo)。

3.1 測(cè)量及數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用的測(cè)量軟件為AUTOMET3.0版，絲杠測(cè)量程序基本流程有：（1）對(duì)即將測(cè)量的絲杠進(jìn)行徹底清洗，然后，將其固定在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上，使其跟機(jī)器坐標(biāo)保持平行狀態(tài)。如，沿著X方向擱置；（2）選取最合理的測(cè)桿長(zhǎng)度和測(cè)球，對(duì)測(cè)桿長(zhǎng)度予以核算，之后定義測(cè)頭，同時(shí)，對(duì)每個(gè)測(cè)頭進(jìn)行嚴(yán)格校驗(yàn)，最后保存；（3）在AUTOMET3.0版軟件上進(jìn)行編程。將以上測(cè)量程序運(yùn)行完畢后，測(cè)量軟件會(huì)出示以下數(shù)據(jù)信息，并生成文本格式，保存在相應(yīng)文件中。比如，該螺距為12mm，測(cè)量長(zhǎng)度為1米的絲杠，測(cè)量結(jié)構(gòu)如表1所示。

用人工對(duì)測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行處理十分復(fù)雜，卻極易發(fā)生偏差，因此，我們通過(guò)某個(gè)系統(tǒng)編制了一個(gè)數(shù)據(jù)處理軟件，對(duì)上述測(cè)量數(shù)據(jù)信息展開(kāi)了處理，從而得出測(cè)量長(zhǎng)度上的單螺距誤差、任意50mm長(zhǎng)螺距累積誤差的最大值等參數(shù)，還將其制作成曲線圖，讓工作人員更加直觀、形象地查看真實(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)跟標(biāo)準(zhǔn)值的區(qū)別。不僅如此，該軟件還具備文本編輯功能，為工作人員的使用提供了極大便利。

表1 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量結(jié)果

3.2 測(cè)量環(huán)節(jié)注意事項(xiàng)

在此程序正式開(kāi)始運(yùn)行之前，主要問(wèn)題是絲杠如何找正、如何正確構(gòu)建配件坐標(biāo)系。對(duì)此，首先，要做的是，將絲杠的軸線當(dāng)做配件坐標(biāo)系的第一軸（X），這是由于絲杠的外圓徑向跳動(dòng)、圓柱度公差要求比較高，所以，應(yīng)當(dāng)通過(guò)絲杠的外圓尋找正軸線。其次，在絲杠外圓部位的多個(gè)截面上采點(diǎn)，可以多采集幾個(gè)截面，可以有效提升軸線的精準(zhǔn)性。將所采集的點(diǎn)作為圓柱的軸線，也就是絲杠的軸線，對(duì)其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，即為配件坐標(biāo)系的第一軸，之后作過(guò)此軸線的一個(gè)平面，并對(duì)這個(gè)平面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使其成為配件坐標(biāo)系的第二軸，并在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)頭應(yīng)當(dāng)測(cè)量的齒面上設(shè)置配件坐標(biāo)系的原點(diǎn)。方可運(yùn)行以上測(cè)量程序，絲杠的螺距、測(cè)量長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)結(jié)合被測(cè)量絲杠的標(biāo)準(zhǔn)值予以輸入。該行徑能夠?yàn)闇y(cè)頭在單個(gè)法平面內(nèi)（包括絲杠軸線），跟軸心距離一致的齒面上予以采點(diǎn)，進(jìn)而為得到各齒所對(duì)應(yīng)的第一個(gè)齒的實(shí)測(cè)累積螺距提供有力保障。

4 在數(shù)控機(jī)床配件檢測(cè)中應(yīng)用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的注意事項(xiàng)

通過(guò)上方剖析發(fā)現(xiàn)，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)數(shù)控機(jī)床配件檢測(cè)而言至關(guān)重要，為了確保三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的應(yīng)用成效，應(yīng)當(dāng)對(duì)以下幾點(diǎn)多加注意。

4.1 探究三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的工作原理

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的顯著特點(diǎn)就是綜合性較強(qiáng)，所以充分了解并知曉其測(cè)量原理后，再對(duì)其展開(kāi)使用，這樣得到的測(cè)量結(jié)果與不了解三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)工作原理就測(cè)量所得到的結(jié)果相比，前者更加準(zhǔn)確、更加可靠。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的基本工作原理為：基于點(diǎn)的坐標(biāo)、位置進(jìn)行測(cè)量，主要有一維、二維和三維測(cè)量。

首先，將被測(cè)量配件放進(jìn)測(cè)量空間內(nèi)，從而可以得出被測(cè)配件在X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)位置的參數(shù)，然后，將這些參數(shù)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)予以處理，整合生成測(cè)量元素，比如，圓球、圓柱、圓錐、曲面等，之后運(yùn)營(yíng)數(shù)學(xué)計(jì)算方式對(duì)其形狀、位置公差、其他幾何參數(shù)等進(jìn)行核算。因此，相關(guān)工作人員在數(shù)控機(jī)床配件檢測(cè)環(huán)節(jié)應(yīng)用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)時(shí)，一定要提前對(duì)該測(cè)量器械的工作原理進(jìn)行全面的了解與認(rèn)知，然后，建立一套科學(xué)合理的應(yīng)用規(guī)范制度，有助于后期測(cè)量工作中應(yīng)用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)時(shí)操作更加標(biāo)準(zhǔn)，從而顯著提高三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的應(yīng)用效果。

4.2 定期對(duì)工作人員進(jìn)行培訓(xùn)教育

盡管現(xiàn)在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在檢測(cè)數(shù)控機(jī)床配件過(guò)程中已經(jīng)具備較高智能化和自動(dòng)化了，然而，去工作流程編制和某些操作要通過(guò)工作人員才能完成。如果工作人員對(duì)該設(shè)備了解程度不足，或者是操作技能不達(dá)標(biāo)，就會(huì)直接影響三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的應(yīng)用效果。所以，要想切實(shí)提升三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的應(yīng)用成效，一定要不斷提升相關(guān)操作人員的專業(yè)技能、認(rèn)識(shí)度、操控水準(zhǔn)以及職業(yè)素養(yǎng)等。比如，可以組織工作人員開(kāi)展定期培訓(xùn)活動(dòng)，主要培訓(xùn)內(nèi)容有三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的工作原理、操作技能等，為后續(xù)測(cè)量環(huán)節(jié)的高效率、高質(zhì)量奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4.3 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的養(yǎng)護(hù)與維修工作

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)自身結(jié)構(gòu)、貯存環(huán)境等內(nèi)外因素都會(huì)對(duì)其測(cè)量結(jié)果造成一定影響，因此，應(yīng)當(dāng)將這些會(huì)對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)應(yīng)用成效造成影響的內(nèi)在或者外在因素進(jìn)行分析研究，并提出相應(yīng)的解決策略。我們可以每天用干凈綢布蘸適量的高純度酒精，由內(nèi)向外擦拭氣浮導(dǎo)軌的工作區(qū)域，按下三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的應(yīng)急鍵，拖動(dòng)各移動(dòng)軸，檢查運(yùn)動(dòng)是否正常。每天要手工排除過(guò)濾器及排水口的油、水混合物，并檢查過(guò)濾器流量指示器是否工作正常，如果壓降超出規(guī)定的要求，則必須更換濾芯。每周用吸塵器清理三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)表面（防塵罩外表面）及工作環(huán)境，檢查壓力表示值是否正常。對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行定期維修與養(yǎng)護(hù)等，借此提高三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在數(shù)控機(jī)床配件檢測(cè)的應(yīng)用效果。

5 結(jié)語(yǔ)

總而言之，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)通過(guò)合理有效的方式能夠檢測(cè)數(shù)控機(jī)床配件的適應(yīng)性以及故障損壞問(wèn)題，而且與其他測(cè)量方式相比，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)操作過(guò)程簡(jiǎn)便快捷、所需時(shí)間短效率高，也極大地避免了由于其他因素影響導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)誤差的情況出現(xiàn)，顯著提升了測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度，這對(duì)數(shù)控機(jī)床安全、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行有很大的幫助。