基于任務導向法汽車覆蓋件檢具的智能測量實訓*

李 剛，牛衛晶

(山西職業技術學院，山西 太原 030006)

0 引言

汽車覆蓋件檢具是保證汽車沖壓件質量的關鍵量具。一般的汽車覆蓋件檢具型面結構復雜、精度要求較高。為了保證檢具的精度,需要對汽車覆蓋件檢具型面實施測量,得到檢具型面的三維數據信息,從而判斷檢具產品是否合格。因此,準確高效地對汽車覆蓋件檢具型面進行三維測量,是保證檢具質量的基礎和關鍵。三維數據測量又稱產品表面數字化,是通過特定的測量設備和測量方法,將物體的表面形狀轉換成離散的三維坐標數據點的過程[1]。三坐標測量機(Coordinate Measuring Machine,CMM)以測量精度高、測量范圍廣、數據處理功能強、通用性好等優點廣泛應用于汽車、工程機械、模具等行業。

智能測量實訓是山西職業技術學院機械制造及自動化專業為期一周的技能操作課,主要任務是利用三坐標測量機完成某一復雜零件的檢測,并輸出報告。本次實訓采用了以汽車油箱口蓋檢具三坐標測量為任務的“任務導向法”來開展。

1 認識三坐標測量機

1.1 三坐標測量機的功能及結構

三坐標測量機是一種以精密機械為基礎,集光、機、電、計算機等多項技術于一體的現代精密測量設備[2],其功能主要有兩個:①對工件幾何尺寸的測量;②對工件形位公差的測量,并可用于逆向工程。三坐標測量機測量的數據通過計算機進行運算及數據處理,將所需結果(數據)打印出來,并繪制出圖形。

一般來說,一臺三坐標測量機系統主要由主機、測頭、電氣系統和軟件系統四部分組成,見圖1。

圖1 三坐標測量機的結構

本次實訓選用海克斯康Global Advantage 05.07.05移動橋式三坐標測量機,如圖2所示。該測量機X軸最大行程為500 mm,Y軸最大行程為700 mm,Z軸最大行程為500 mm,配置HP-T測頭。

1.2 三坐標測量機的工作原理

三坐標測量機的工作原理是:通過手柄來控制機器移動,利用探針去碰觸工件表面,取得該位置的X、Y、Z三個坐標值,將這些點坐標輸入測量軟件,擬合出測量元素點、線、面、圓等,然后計算出需要的尺寸、形狀、位置等幾何量數據。

測量時,首先由軟件系統給出測量命令,控制系統控制測量機主機接近被測特征,并利用Z軸末端所攜帶的測量系統進行接觸或非接觸式的測量,并將測量結果回傳到軟件系統,由軟件系統進行計算分析,得出測量結果。究其根本,三坐標測量機是基于坐標測量的通用化數字測量設備,它首先將各被測幾何元素的測量轉化為對這些元素上一些點坐標的測量,測得這些點坐標后,再根據這些點空間坐標值利用數學運算求出其尺寸精度、形狀精度和位置精度。

2 汽車油箱口蓋檢具三坐標檢測實訓流程

2.1 分析圖紙以明確任務要求

以檢測某汽車模具廠的油箱口蓋檢具作為本次的檢測任務,圖3為汽車油箱口蓋檢具零件圖。

圖3 汽車油箱口蓋檢具零件圖

檢測任務具體如下:①完成圖紙中檢具的檢測,檢測項目由檢測表給出;②圖紙中未標注公差按照±0.05 mm處理;③測量報告輸出項目有尺寸名稱、實測值、公差值、超差值,格式為PDF文件;④測量任務結束后,檢測人員打印報告并簽字確認。

通過分析以上任務,找出有精度要求的尺寸特征,這些尺寸即是需要三坐標測量的尺寸。列出的檢測表清單如表1所示。

表1 檢測表清單

2.2 裝夾工件

工件裝夾的最基本原則是在滿足測量要求的前提下盡可能以最少的裝夾次數完成全部尺寸測量。依據零件圖紙上所標注的尺寸,分析要測量的基準和被測要素,基準和被測要素決定了工件該如何擺放、測頭該如何配置以及測頭該旋轉哪些角度。工件裝夾方案見圖4。

圖4 工件裝夾

2.3 測頭校驗

測頭校準是三坐標測量機進行工件測量前必不可少的一個重要步驟[3,4]。校驗方式有手動校驗(MAN+DCC)和自動校驗(DCC+DCC)兩種模式。校驗測針的原因是因為測頭觸發有延遲,測針會有一定的形變。為獲取測量時的有效直徑,需進行測頭補償。特別要注意,添加角度進行標定時,要與參考針角度(A0B0)一起標定。

將校驗標準球固定在測量機工作平面上,用無水乙醇擦拭干凈,測量機的移動和手動打點過程由操縱手柄控制,在操作過程中需要長按加電按鈕才能控制測量機。這是為了防止無關人員誤觸手柄而造成設備損壞。當測頭距離零件較遠時,直接搖動搖桿實現快速接近;當測頭與零件距離靠近時,慢速按可實現慢速接近,直到測針接觸零件完成打點操作。測頭校驗如圖5所示。

圖5 測頭校驗

2.4 建立坐標系

2.4.1 粗建坐標系

新建程序進入PC-DMIS編輯界面并加載測頭文件,選擇工作平面為Z正,并將測針旋轉到A0B0方向。利用操縱手柄控制測量機,在平面A上打三個點,按確認按鈕。軟件界面點擊插入—新建坐標系,在彈出的坐標系功能窗口中選中平面1,選擇Z+,點擊找正,再次選中平面1,在Z前打勾,點擊原點,點擊確定。

同理,控制測量機在平面B沿著X+向打兩個點,確定直線1,軟件界面點擊新建坐標系,選擇直線1。圍繞Z+旋轉到X+,點擊旋轉,再次選擇直線1,在Y前打勾,點擊原點,點擊確定。

最后在平面C打一個點,確定點1,點擊新建坐標系,選中點1,在X前打勾,點擊原點,最后點擊確定,工件坐標系粗建完畢,如圖6所示。

圖6 粗建坐標系

2.4.2 精建坐標系

接下來利用面的方法精建坐標系。在平面上均勻打點,確定平面2、平面3和平面4,點擊新建坐標系,選中平面2,選擇Z+,點擊找正,選中平面2,在Z前打勾,點擊原點。選中平面3圍繞Z+旋轉到Y-,點擊旋轉。選中平面3,在Y前打勾,點擊原點。選中平面4,在X前打勾,點擊原點,最后點擊確定,此時坐標系精建完畢。

2.5 特征測量及評價

將CAD數模通過IGES格式導入PC-DMIS軟件中,根據任務要求,分別要對Φ20的圓孔直徑、平面2到平面5的二維距離5 mm、平面2到平面6的二維距離10 mm、平面2到平面7的二維距離20 mm、平面4到平面8的二維距離80 mm、平面3到平面9的二維距離60 mm六個尺寸進行測量,通過操縱系統測針對上述特征進行逐一手動打點測量,然后進行特征評價。PC-DMIS軟件界面如圖7所示。

圖7 PC-DMIS軟件界面

控制測量機在被測特征上打點,分別得到平面5、平面6、平面7、平面8、平面9和柱體1。在打點的過程中要注意避免測針撞擊工件,選擇的測量點也應該能最大限度地反映被測量特點。當所有需要評價的特征測量完畢后,進行尺寸評價。

點擊位置評價,在彈出的特征位置窗口中選中柱體1,在直徑前打勾,并輸入理論尺寸20以及上、下公差±0.05,點擊創建,點擊關閉。選擇工作平面為Y-,點擊距離評價,選中平面2和平面5,輸入標稱值5和上、下公差±0.05。距離類型選擇二維,關系選擇按Z軸方向選擇平行于,點擊創建。

同理,測量出平面2到平面6的距離、平面2到平面7的距離,選擇工作平面為Z軸,點擊距離評價。選中平面4和平面8,輸入標稱值和上、下公差,距離類型選擇二維關系,關系選擇Y軸方向選擇平行于,點擊創建。同理可測量出平面3到平面9的距離。

2.6 輸出報告和分析結論

執行完上一步操作,點擊視圖報告窗口,在報告窗口中可以查看完整的報告,如圖8所示。查看結果無誤后,點擊保存打印報告按鈕,將報告保存為指定PDF格式。

圖8 檢測報告

由以上測量報告分析可知,6個檢測項目誤差全部達到加工工藝要求,得出結論:該汽車油箱口蓋檢具檢測合格。

3 結束語

通過這次“任務導向”智能測量實訓,學生在三坐標測量機操作和PC-DMIS軟件操作上的技能提升較為明顯。“任務導向法”的核心是任務,任務是學生學習的目標和動力,任務必須來自于企業的真實場景,而不是在學校能夠虛構出來的。為了讓學生了解測量技術的發展和企業的實際需求,將校企協同育人的培養模式應用于實驗教學,從而讓學生在學習過程中不斷提高自身能力[5]。

基于任務導向法的三坐標測量實訓,由經驗豐富的教師根據學生的學習目標從企業真實場景中選取合適的測量任務。任務完成過程中,切實以學生為中心,以任務為導向。學生根據任務需求積極主動地探究學習相關知識技能,實現了以教材為主向以工作場景為主的轉變,以理論課堂為主向以實踐操作為主的轉變,以及以老師為主向以學生為主的轉變;讓學生真正實現了從上課“聽懂”到實操“做對”的教學目標。通過這次實訓,進一步驗證了“任務導向法”在實訓教學改革中起到的關鍵作用。