基于三坐標的對稱度測量評價研究*

黨威武

(陜西國防工業職業技術學院 智能制造學院，陜西 西安 710300)

0 引 言

隨著高端裝備制造業的不斷發展，技術革新速度加快，產品質量要求愈加嚴格。以三坐標測量機為代表的智能檢測技術近些年發展迅速，具有高精度、高效率、智能化等特點，是智能制造產業發展下，現代產品質量控制與分析的重要手段，能實現零件尺寸公差、幾何公差及曲線、曲面的精密測量，被廣泛應用于航空航天、機械制造、汽車模具、軍工裝備、教育培訓等領域。對稱度作為幾何公差特征項目，表示零件兩個對稱要素(中心軸線或面)保持在同一中心平面內的狀態，是零件上實際要素的對稱中心面對基準要素的變化量，一般有面對面、面對線兩種。在實際零件檢測中，傳統測量難度大，測量流程復雜，檢測效率低。三坐標測量機能根據零件三維模型，通過構造特征組，反映實際要素中心面情況，高效率、高精度完成測量[1-2]。

應用三坐標測量機測量對稱度誤差，一定程度上，避免常規檢測方法所帶來的檢具設計、制造等麻煩，測量過程簡單、快速，測量結果精確度高，然而，就我校的實際教學情況分析，由于學生對對稱度幾何公差項目、三坐標測量機測量機理均理解不夠透徹、精確，常常出現測量方法選擇不當，導致機械零件對稱度實際測量結果出現偏差，不能正確分析、評價零件[3-4]。因此，利用三坐標測量機檢測對稱度時，選擇合理、正確的檢測方法至關重要，也是職業院校學生現代檢測技能培養的關鍵教學環節。

筆者教學過程中典型零件為載體，應用三坐標測量機對其對稱度項目進行分析與檢測，設計兩種測量方法，對比檢測過程與結果，并進行誤差討論與分析，說明誤差產生原因，設計一種合理有效的對稱度檢測方法，為學生零件精度分析與檢測提供教學對比素材，一定程度上提升學生應用三坐標測量機進行零件檢測的工程實踐能力。

1 測量方法對比與誤差分析

1.1 零件精度分析

如圖1所示，為實際教學工件的零件圖，可以看出，是面對面的對稱度檢測項目，也就是說，基準要素是上凸臺上表面和下凸臺下表面所形成的對稱中心面E，被測要素是中間凸臺上、下表面間實際變化趨勢所形成的中心面，公差值為0.1 mm。從理論上講，在不考慮測點位置帶來誤差的前提下，應用三坐標測量機檢測時，測點數越多，測量結果越精確，因此，如何能準確反映被測中心面的實際趨勢是設計測量方法的關鍵所在。

圖1 教學工件零件圖

1.2 測量方法對比

將上述零件對稱度檢測項目模擬并簡化成如圖2(a)所示的對稱度公差要求，基準為上、下表面的對稱中心面，記作平面3，見圖3(a)，應用三坐標測量機檢測對稱度時，第一種測量方法是在右側開口槽處上、下兩面采點，分別記作平面4與平面5，然后構造平面4與平面5的中分面，記作平面6，見圖3(b)，評價中分面相對于基準中心面的對稱度，見圖3(c)。

圖2 零件對稱度測量方法對比

第二種測量方法是在右側開口槽上、下兩面處拾取一系列特征點，圖2(b)所示為6組具有對稱位置分布的特征點，然后構造特征組，即衍生的中間點，以對稱中心面(平面3)為基準，檢測零件對稱度項目，見圖4。

圖3 構造中分面測量對稱度過程截圖

圖4 構造特征組測量對稱度過程截圖

應用上述兩種測量方法評價對稱度，測量結果如圖5所示，可以看出，針對零件對稱度公差要求，出現了兩種不同的測量數據與結論。從理論上講，通過采集上下面處具有對稱位置分布的特征點，構造的特征組，如圖2(b)序號3處所示，能完整、清晰、合理的反應被測中心面的實際變化趨勢，因此，測量方法較為合理，測量結果較為準確。而第一種測量方法，是以擬合的上下兩平面構造中分面進行測量的，在上下兩平面擬合時，由于采點數量限制，以及采點位置的局限性，將導致構造的中分面不能真實反映被測對象中分面的實際變化趨勢，出現測量數據不準確、測量結果不真實的現象。也就是說，在應用三坐標測量機進行檢測時，采點數量與采點位置的選擇，往往會對測量結果產生較大的影響，這些也一直是計量人員為提高測量精度而不懈努力的方向。

圖5 測量結果對比圖

1.3 誤差分析

有效設計測量方案，是正確進行測量結果評定的關鍵，應用三坐標測量機進行測量時，合理的測量方法選擇，嚴格的人員誤差控制，是實現高精度產品檢驗的一項基本要求，且直接影響產品評定[5]。下面主要從測量方法選擇、人員誤差兩方面進行誤差分析。

(1) 測量方法誤差 主要指測量方法不完善引起的誤差，如采點個數及位置的選擇，基準的選擇與測量，工件安裝是否合理等等。測量方法的選擇要建立在對圖紙正確理解，以及對零件的裝配要求、功能要求等分析的基礎上，結合三坐標測量機的測量原理及過程，合理設計檢測方案，實施有效測量，準確完成產品評價。對于不明確的地方，可以由有經驗人員來把握。

(2) 人員誤差 指測量人員受到自身能力限制，而在測量時引入的誤差，如手動采點時由于測量速度、方向、力度的差異而產生的誤差。測量人員在工作過程中盡量使各種測量影響因素趨于一致、降低到最小，如相同的測量力、測量速度均勻過渡等，并盡量使用三坐標測量機自動測量模式，這些在一定程度上可以減小人員誤差。

2 實踐效果

實際教學過程中，教師針對零件的檢出項目、三坐標測量機的測量原理及操作步驟等講解、演示完之后，學生分組練習利用三坐標測量機檢測對稱度項目等操作過程，結果發現，部分小組學生對對稱度檢測原理理解不夠透徹，而是采用構造中分面的方法進行測量，導致錯誤測量結果。因此，應用三坐標測量機進行對稱度評價時，采用上述兩種測量方法對比講解，深刻闡述構造特征組能較準確反應被測要素的實際變化趨勢，提高測量結果準確性，并且，從實際教學效果來看，有助于提升學生精度分析與檢測的實際應用能力和現代檢測崗前技能水平，為培育高端技能人才奠定堅實基礎。

3 結 語

三坐標測量機作為一種先進的幾何量檢測儀器，發展迅速、應用廣泛。文中是基于三坐標測量機的對稱度項目測量方法的對比分析研究，指出一種合理有效的測量方法，即通過構造特征組實現精確測量。分析傳統構造中分面檢測對稱度產生誤差較大的原因，最后，簡要從測量方法與人員誤差兩方面指出，應用三坐標測量機時產生誤差的主要原因，為有效應用三坐標測量機實現零件精確測量提供研究基礎，為職業院校三坐標測量機實訓提供教學對比素材與案例，有效強化學生應用三坐標測量機進行精度分析與檢測的工程實踐能力。