三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在風(fēng)扇葉輪檢測(cè)中的應(yīng)用探究

楊 雪,王 娟,謝雨菁,王子威,王 凌,倪國(guó)林

(南京師范大學(xué)中北學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212300)

0 引言

所謂的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)就是在一個(gè)形狀為六面體的自身空間中測(cè)得物體長(zhǎng)度、圓周分度及形狀尺寸等這些基本尺寸。它主要適用于曲面的連續(xù)測(cè)量，也適用于標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用范圍，解決了測(cè)量研究上的不少難題。三維檢測(cè)是主要用于機(jī)械零件、電子元器件及各種形狀公差的三坐標(biāo)檢測(cè)方法，可以較為精確地判斷實(shí)際元件之間的誤差。

光學(xué)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是一種集成了光學(xué)、機(jī)械的大型智能精密儀器，由五個(gè)主要部件組成，分別是主機(jī)、測(cè)頭、測(cè)座系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，具備測(cè)量曲面精度高、測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

1 測(cè)量方法選擇

1.1 利用3-2-1法生成坐標(biāo)系

建立三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)頭，運(yùn)用快速3-2-1法建立坐標(biāo)系，通俗來(lái)說(shuō)就是在三個(gè)不同的平面上各確定3個(gè)點(diǎn)、2個(gè)點(diǎn)、1個(gè)點(diǎn)來(lái)構(gòu)建坐標(biāo)系。

1.2 三坐標(biāo)中使用的極坐標(biāo)系(也稱柱坐標(biāo)系)

極坐標(biāo)測(cè)量法是基于定心圓半徑的測(cè)量，由于定心圓有一定的雙向轉(zhuǎn)換間隔，所以定心圓在一定范圍內(nèi)是可以調(diào)整的，極坐標(biāo)測(cè)量與單測(cè)極坐標(biāo)測(cè)量原理相似，極坐標(biāo)系其實(shí)就是在平面坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上加上Z軸(H軸)所形成的，但是由于它所取的是相對(duì)的圓心基準(zhǔn)，因此，在單項(xiàng)評(píng)定的基礎(chǔ)上增加了數(shù)值分析，這樣能夠較為準(zhǔn)確地判斷工件幾何尺寸，而且聯(lián)合坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)加循環(huán)語(yǔ)句，編寫測(cè)量程序也很方便，程序代碼也會(huì)縮減很多，極坐標(biāo)的用途涉及廣泛，當(dāng)零件上中間是一個(gè)大孔，四周均勻分布幾十個(gè)小孔時(shí)，用極坐標(biāo)來(lái)評(píng)估位置也十分方便。

本次曲面檢測(cè)選擇用極坐標(biāo)系(柱坐標(biāo)系)來(lái)測(cè)量。

2 利用極坐標(biāo)測(cè)量風(fēng)扇葉輪曲面步驟

(1) 利用所學(xué)知識(shí)，分析風(fēng)扇葉輪的形狀和尺寸，進(jìn)行風(fēng)扇葉輪的三維建模(見(jiàn)圖1)，控制三坐標(biāo)測(cè)量裝置的運(yùn)行。

圖1 風(fēng)扇葉輪三維模型

(2) 選擇導(dǎo)入CAD文件，將建立好的風(fēng)扇葉輪三維模型導(dǎo)入系統(tǒng)，并設(shè)置模型自帶坐標(biāo)系與系統(tǒng)坐標(biāo)系相重合，軸向一致。隨后建立極坐標(biāo)系及測(cè)頭(并校檢測(cè)頭)，根據(jù)所需的設(shè)計(jì)要求在Creo草圖上繪制出1∶1比例的二維圖形(見(jiàn)圖2)，標(biāo)記每個(gè)被測(cè)圓弧的尺寸，同時(shí)將設(shè)計(jì)基準(zhǔn)點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，則這些被測(cè)圓弧圓心的坐標(biāo)值都是相對(duì)于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)點(diǎn)直角坐標(biāo)的。

圖2 風(fēng)葉輪尺寸

(3) 將風(fēng)扇葉輪水平擱置在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的大理石測(cè)量臺(tái)上后,利用紅寶石測(cè)頭手動(dòng)操作手柄采點(diǎn)(見(jiàn)圖3)測(cè)量風(fēng)扇葉輪曲面數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上分別采用3-2-1對(duì)齊方法和6點(diǎn)定位對(duì)齊方法建立極坐標(biāo)系(即柱坐標(biāo)系),詳情見(jiàn)表1。最后要保證其與模型的理論坐標(biāo)系一致對(duì)齊。

表1 坐標(biāo)系對(duì)齊方案

圖3 風(fēng)葉輪采集點(diǎn)

(4) 然后，編寫相關(guān)程序(見(jiàn)圖4)，并修補(bǔ)程序中的漏洞，多次操作同時(shí)檢查程序內(nèi)容與操作步驟是否一致，通過(guò)程序記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2。多次重復(fù)上述步驟以避免操作誤差過(guò)大，從而給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)不良后果。

表2 測(cè)量數(shù)據(jù)

圖4 部分程序截圖

(5) 通過(guò)對(duì)零件的多次測(cè)量，研究分析比較多次測(cè)量結(jié)果，以檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，并篩選較為準(zhǔn)確的結(jié)果，最后生成相關(guān)報(bào)告。

3 結(jié)語(yǔ)

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)具有測(cè)量范圍廣、精確度高、測(cè)量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)化、測(cè)量過(guò)程實(shí)際化等特點(diǎn)，作為一個(gè)高精度的測(cè)量?jī)x器，其最高精度能夠達(dá)到0.01 μm，甚至更高。同時(shí)，三坐標(biāo)測(cè)量的特征多，幾乎涵蓋了所有類型的尺寸測(cè)量，其具有便于工人操作、可實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，所以在當(dāng)今現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，充分利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的極坐標(biāo)測(cè)量方法不僅提高了測(cè)量效率，減少了工作時(shí)間，而且彌補(bǔ)了其他方法無(wú)法校正的不足。隨著測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，將三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)與圖形軟件相結(jié)合的模擬測(cè)量方法正越來(lái)越多地應(yīng)用于精密測(cè)量甚至超精密測(cè)量，借此來(lái)判斷工件各個(gè)表面在實(shí)際生產(chǎn)中的詳細(xì)尺寸。引入極坐標(biāo)檢測(cè)法能夠準(zhǔn)確判斷工件是否合格，有利于節(jié)約加工成本，同時(shí)能夠避免原材料浪費(fèi)，同時(shí)降低廢品率，并且能夠直觀顯示，使數(shù)據(jù)處理變得更加直接和便捷。