三坐標測量斜孔零件的應用研究

宣默涵，于昕平，高小姣，李雨鵬，楊 羽

(1.長春設備工藝研究所，吉林 長春 130012；2.長春理工大學，吉林 長春 130022)

1 概述

目前，伴隨著世界范圍內科技水平的大幅提升，對于工業、研究界所適用的零件標準要求也更為精確。為了使零件尺寸及其必要的技術性能達到實際需求，應在生產中做到極其精確的測量。為了達到這一要求，實用且高效率的精密測量儀器就必不可少，如何改進相關器材，創造并使用足夠精確、適配的檢測方法，已逐漸成為相關從業者必須考慮的問題之一[1]。可以說，對于檢測環節而言，維持高精度以及高效率正是該環節的重要構成部分以及核心衡量標準之一。

三坐標測量機作為一種具備多種尖端技術、融合多項功能的高科技測量設備，因其自身具有的高測量精度、高柔性和出類拔萃的數字化能力，在同類產品中脫穎而出，不論是在傳統機械制造業、模具制造行業，還是更需要精確度的航空航天、國防軍工等行業，均得到了廣泛認可。時至今日，其已經屬于現代工業檢測及質量控制流程中，不可或缺的一種測量工具。在功能上，該測量機除了具備基礎測量功能，能夠對零部件尺寸、形狀包括相互位置等基礎數據進行測量外，還可以做到對控制加工，更利于制造者高效率地調整相關加工參數，減少生產消耗。

相較于以往使用的用于尺寸檢測及質量控制用途的同類產品，三坐標測量機能集數種檢具的專門功能于一身，在最短的時間內，能夠完成最多、足夠精確的產品尺寸檢測工作，還能對部件的幾何公差完成檢測，檢測精度達到了傳統技術無法匹敵的微米級，相較于其他測量工具的精準度有了質的飛躍。

在基本工作原理方面，測量機將受測零件置于一定的測量空間范圍中，從而測量到受測對象表面點在空間內的三坐標位置；接下來，測量機以測量軟件為工具，通過數學計算，擬合各測量元素，例如球、圓錐或者曲面等，進一步獲得形狀、位置公差等相關幾何數據。這樣就可以在一次裝夾流程內，做到對所有所需測量元素數據的搜集工作；所應用的先進測量軟件，充分發揮其具備的在幾何構造、尺寸統計、公差評定等方面的各項功能，高效地對零件的各部分尺寸包括幾何公差進行必要的計算、評價。

作為機械加工過程中極為重要的組成部分，回轉體類零件對于角度誤差相當敏感。這一方面的誤差將對此類零件在配合精度、震動、運動軌跡等方面造成直接影響。所以，對于角度參數采集、測量工作的重要性也不言而喻。長期以來，在生產過程中，角度測量工作使用的常用工具為角度尺、直角尺、角度儀測量等，這類工具的缺陷也很明顯：只可以對單純角度進行測量，并存在需要找正范圍才能足夠精確的限制條件；在空間角度的測量上，這類工具只能束手無策。例如，隨著工業界的進步，許多前所未有的、結構相當緊湊的復雜殼體類產品，對角度測量提出了更多的要求。這類產品不論是在測量位置上，還是測量方向上，均五花八門，難以找到規律。如果使用傳統的角度尺來完成測量工作，就必須對產品上的所有角度予以重新定位，并消耗大量的精力在找正工作上，從而拉低測量效率，對生產工作不利[2-3]。

考慮到上述問題，三坐標測量機所具備的特有綜合優勢能夠更適應現實的需求，高效率地完成測量工作。測量機能夠完成三維尺寸高精度檢測；在精確度上，還能夠利用測針轉動任意角度，完成任意位置上斜孔的測量；編程自動測量可以做到批量檢測，為檢測效率帶來極大提升。本文主旨為：利用三坐標測量機完成對后蓋零件批量的角度檢測，并對測量結果進行綜合分析，以期達到檢測效率的提升[4]，指導加工生產，輔助為產品定型。

2 設備簡介

本次檢測使用的設備是德國卡爾蔡司的三坐標測量儀(見圖1)。規格為1 000 mm×1 200 mm×600 mm，承重300 kg，長度測量的示值誤差MPE=(2.2+L/300) μm。

圖1 三坐標測量儀

3 制定檢測方案

測量環境：溫度(20±2) ℃，濕度40%～60%，ZEISS三坐標測量機供氣氣壓0.5～0.6 MPa。

ZEISS三坐標測量機為坐標平面投影，使用系統為笛卡爾坐標測量系統；測量元素以坐標平面為基礎，結果能夠對當下坐標系下元素投影所具備的屬性特征予以反映。

用于測量的零件應當做去毛刺處理，保持表面潔凈。將受測體后蓋零件置于測量儀工作平臺，依照平臺定位釘的定位指示，對受測體完成定位及裝夾。選擇相應測針，在進行測量前應對該測針進行校驗，驗證其是否具備足夠的準確性。以零件為中心，建立相應的工件坐標系；根據圖樣提供的特征，手動測量工件，完成公差檢測，進入編程環節；與此同時，完成對檢測路徑、安全距離、回退距離的確認工作。數據搜集完成后，評價相應結果，自動完成檢測報告并輸出。

4 建立坐標系

零件裝夾工序：以圖樣為基準，把受測零件置于測量儀的工作平臺之上。假設將工作平臺設定為坐標系原點，工件呈軸對稱圖形，這將使得機器在運行過程中，所檢測到的工件位置同實際位置有所偏差，從而發生撞針情況，更有甚者會出現三坐標探針損壞的結果(見圖2)。因此，選擇把坐標系建立于工件自身，利用其上的圓柱、曲面等相關元素設立坐標系，從而降低因擺放位置、方向造成的撞針發生概率(見圖3)。

圖2 坐標系建立在工作平臺上

圖3 坐標系建立在工件上

5 手動檢測

首先對后蓋零件進行檢測，然后后蓋零件將壓裝噴管，形成新零件后球體。測量噴管角度，根據圖樣要求，公差應為24°±8′。基準及噴管夾角數據，使用下列3類方式測量：1)噴管投影于工作平面，基準與投影間產生的夾角；2)構造平面，平面調用噴管等元素，基準同平面夾角；3)基于工件為軸對稱圖形的前提，將兩兩相對噴管完成連接，構成直線，基準與直線間夾角[5]。

在對上述幾種方式得到的測量結果進行分析后，同圖樣相比較，最終選用第2種方法完成測量工作。

6 編程

手動輸入所有元素，設置參數。圓柱劃分成2個圓，即上層圓與下層圓，每層圓再各選擇4個測量點；平面參數亦選擇4個點。設定輸出的圓柱直徑數據，基準面同各元素間夾角；設定安全平面，設定回退距離。鑒于三坐標本身的轉角數值是5°，圖樣需要的數值是24°，故探針同噴管法線方向不垂直，因此在測量時，探針連接桿將同噴管互相形成干涉，這將對測量結果造成不利影響。故筆者選擇使用φ8紅寶石探針，并選擇桿較細的探針進行連接，以達到削弱干涉影響、提升精度的效果[6-8]，程序自動運行完成后的結果如圖4所示。

7 技術難點及創新點

本次研究的主要技術難點是，在實際的測量計算過程中，以驗證測量方法為目的進行多次測量技術以及最后的評價結果來看，其中是存在大量數據偏差的，也就是說在研究三坐標測量斜孔角度的過程中，需要以特定的方法才能實現更高的效率和更高的準確度。針對這一難點，本次研究以大量的實測計算為基礎，總結歸納了諸多次實測過程為依據，最后反復計算對比，得出了唯一有效的測量方法。

主要創新點分為3個方面。其一：在經過多次實驗性測量的方法過程和計算結果的參考對比之后，筆者最后發現，只有構造平面，平面調用噴管等元素，基準同平面夾角的方法可以測得準確數據并且在之后的評測結果中確保成功。其他2種方法均有偏差，并且得不到良好的評測結果。其二：有利于提高測量的精密度，在三坐標測量機的發展和應用過程中，測量的精密度無疑是最為重要的指標。通過本次研究得出的測量方法，可以有效解決在面對斜孔這類限于產品結構而不能快速準確測量的問題。其三：有利于提高實際測量工作效率。在實際使用三坐標測量機對產品進行測量的過程中，面對因產品構造而無法快速測量的狀況，本次研究正是針對斜孔這一問題，研究得出新的測量方法以解決這一問題，從而縮短單個零件的測量時長，提高實際測量工作效率。

8 注意事項

在利用三坐標測量機進行檢測時，零件擺放位置、夾具選取工作尤為重要。倘若零件未能使用匹配的夾具完成裝夾，對于測量數值以及最后的計算結果將會造成不可忽視的影響。所以，恰當、適配的夾具選取必不可少。零件測量面應當潔凈無銹，污漬對于測量的精準度也有比較明顯的負面效果。除此之外，室內溫濕度同測量結果的精確性也有相當程度的關聯。極端的溫度、濕度都會使得測量數值發生偏差[9]。

圖4 檢測記錄

三坐標測量機通常采用接觸式測量法。使用該方法時，測頭將碰觸工件表面，從而取得被測要素點。測頭頭部由一個桿同測球構成，測頭通常采用紅寶石作為材料。測頭本身的相關質量、屬性會對測量過程造成如下影響。

1)適當的測頭桿長度。由于接觸測量法的特點，測頭同工件之間不可避免地會產生力的作用，測頭受到沖擊后，必然會發生變形的趨勢。如果測桿過長，剛性較差，就會更容易發生變形，在進行輪廓要素的捕捉工作時，更容易失準，從而使得圓度誤差的測量精度有所損失。

2)適當的測球直徑。被生產出的工件，表面再潔凈也不可能達到完全光滑，一定會存在表面粗糙度誤差。測球同工件表面點接觸時，測球越小，再捕捉要素點時，就更能展現出粗糙度誤差施加在點捕捉精度上的效果。而在測量圓度誤差時，測球將用正交側面點同工件表面完成碰觸，此時就算適當加大測球直徑，也不會對誤差補償造成消極影響，反而還能夠削弱表面粗糙度對點捕捉失真的不良影響[10]。

采樣點數與點擬合所得輪廓的粗糙度值之間呈負相關關系，前者數量越少，后者數值就越高，精度也就更低。考慮到這種情況，筆者認為，需要適度地對采樣點間距予以縮短，以期取得采樣精度上的提升；在采樣點數量上也應控制在一定范圍內，不能因為對精度的需求，反而影響了測量的效率[11]。

隨著機械加工的發展，零件將以不同的狀態呈現，也是基礎零件的延伸。后球體檢測程序的基礎是后蓋的檢測程序，所以在斜孔角度評價上也有延續。斜孔角度的評價方法尤為重要，決定著零件加工是否成功。選擇斜孔角度的評價方法，是經過反復試驗、調試和調整所得的結果。

9 結語

本文使用三坐標測量機來完成對斜孔角度的測量工作，通過統計試驗結果，證實了零件在多數情況下均避免了傳統方式角度尺測量法的測量死角，能夠在充分地滿足對數據高精度要求的前提下，大幅節約檢測消耗時間，有效提高檢測效率。尤其在對復雜零件進行角度檢測時，標準化的檢測程序對零件檢測精度與效率優勢更起著至關重要的作用。