三坐標測量機在軸類零件檢測中的應用

摘" 要：三坐標測量機是產品質量檢測中常用的高精度測量設備之一，具有很高的測量精度以及較快的測量速度，被廣泛應用于航空航天、汽車制造等領域的產品設計、制造、檢測全過程。該研究旨在探討三坐標測量機在傳動軸零件檢測中的應用，通過分析傳動軸零件的圖紙要求，詳細描述坐標系的建立、安全平面的設置、測量元素的編輯等內容，進行直徑、圓柱度、對稱度等項目的檢測。通過合理設置測量策略，不僅提高測量效率，還確保測量結果的可靠性，為軸類零件的高精度檢測提供一種有效的方法。

關鍵詞：三坐標測量機；軸類零件；零件檢測；測量策略；測量效率

中圖分類號：TG806" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）09-0184-04

Abstract： The coordinate measuring machine（CMM） is one of the high-precision measurement devices commonly used in quality measurement of products. It has high measuring accuracy and fast measuring speed， and is widely used in the whole process of product design， manufacturing and testing in aerospace， automobile manufacturing and other fields. This study aims to explore the application of CMM in the measurement of driveshaft part. By analyzing the drawing requirements of the drive shaft parts， the establishment of the coordinate system， the setting of the safety plane and the editing of the measurement elements are described in detail， and the items such as diameter， cylindricity and symmetry are measured. By reasonably setting the measurement strategy， the measurement efficiency is improved and the reliability of the measurement results is ensured， thereby providing a viable approach for high-precision measurement of shaft parts.

Keywords： coordinate measuring machine（CMM）; shaft part; part testing; measurement strategy; measurement efficiency

三坐標測量機是一種高精度的測量設備，廣泛應用于制造業領域[1]。其工作原理是將測量對象放置在工作平臺上裝夾固定后，使用探頭對測量對象進行接觸式或非接觸式測量，來獲得產品的坐標參數。借助計算機測量軟件，通過數學計算，精確地擬合出測量元素，進而得到產品的尺寸和幾何公差等數據[1-2]。三坐標測量機通過數控系統，使得設備在軟件編程完成的情況下能夠自動完成復雜的測量任務，具有高效性和智能性。

本文的目的是利用三坐標測量機完成典型軸類零件的檢測，并得到零件的測量報告。采用合理且高效的測量策略，有效提高檢測效率和結果的可靠性。其中坐標系的建立與元素測量策略的設置方法也適用于其他軸類零件的測量[3]，可供相關從業人員進行參考學習。

1" 硬件配置

選用型號為SPECTRUM 556的三坐標測量機，如圖1所示。X軸行程為500 mm，Y軸行程為500 mm，Z軸行程為600 mm，配套旋轉式探測系統RDS VAST XXT，選用型號為直徑1.5 mm、長度40 mm的探針。

RDS旋轉測座具有2個方向上的回轉自由度，其中A角指測頭繞Z軸旋轉的角度，順時針為正，逆時針為負，角度范圍為（-180°，+180°）；B角指測頭的旋轉角度，順時針為負，逆時針為正，機器默認角度將B角限制在（-155°，+155°）。配置RDS旋轉測頭，可以滿足多方位的測量需求，適合測量復雜零件。

測量傳動軸零件需要用到3種不同的測針，其中1號測針A0B0，即A角為0°、B角為0°；3號測針A0B90，即A角為0°、B角為90°；5號測針A0B-90，即A角為0°、B角為-90°。

2" 測量方案規劃

綜上所述，為了建立基礎坐標系，需要抽取圓柱1、平面1和對稱點1。為了完成傳動軸零件的9個檢測項目，還需要提取圓柱2、圓柱3、平面2、平面3、平面4和平面5，測量元素編號如圖3所示。

通過圓柱2和圓柱3構造階梯圓柱，通過平面2和平面3構造鍵槽的對稱平面1，通過平面4和平面5構造鍵槽的對稱平面2。

3" 工件裝夾與坐標系建立

3.1" 零件的裝夾

采用熱熔膠固定的方式，將傳動軸零件固定在V型塊上，再用平口鉗裝夾V型塊，零件裝夾時的朝向需與軟件中零件坐標系的朝向一致[4-5]。如圖4所示。

3.2" 坐標系的建立

測量傳動軸零件前，需要先建立坐標系。如圖5所示，空間旋轉選擇階梯圓柱1，階梯圓柱的軸線方向為+Z軸；平面旋轉選擇對稱點1，方向為+X軸；X-原點選擇圓柱1，Y-原點選擇圓柱1，Z-原點選擇平面1，單擊確定建立坐標系。

3.3" 安全平面的建立

安全平面是一個將工件測量范圍完全包裹的六面體空間，機器在元素和元素之間運行時，不允許探針的任何部分進入安全平面。如此一來，安全平面就起到了規劃探針路徑的功能。安全平面有CP+Z、CP-Z、CP+Y、CP-Y、CP+X、CP-X這6個方向的平面可以選擇。通過從CAD模型提取安全平面的方式為傳動軸零件建立安全平面，其中邊界距離設置為20 mm。

4" 元素測量策略

平面1的測量策略為平面上的環形路徑，如圖6（a）所示，測針為1號測針（A0B0），安全平面為CP+Z。平面2的測量策略為多義線掃描方式，如圖6（b）所示，測針為5號測針（A0B-90），安全平面為CP+X。用同樣的方式為平面3、平面4、平面5設置測量策略。

圓柱1的測量策略為3條圓路徑并且要注意避開鍵槽，如圖7（a）所示。測針為1號測針（A0B0）。起始高度為5 mm，目標高度為25 mm，截面數為3 mm，安全平面為CP+Z。

圓柱3無法僅使用一根測針進行測量，否則會造成碰撞和干涉[3]。因此圓柱3的測量策略為使用5號測針（A0B-90）測量+X一側的3個半圓路徑，使用3號測針（A0B90）測量-X一側的3個半圓路徑，如圖 7（b）所示。并且為每一個圓路徑設置一個安全平面，具體設置見表1。以相同的方式為圓柱2設置測量策略，由于圓柱2軸長較小，只需2層圓路徑，如圖7（c）所示。

上述元素的評定方法都選擇默認的最小二乘法，并勾選濾波和粗差清除；測量速度設為10 mm/s，步進寬度設為0.1 mm。

5" 定義輸出特性

根據對傳動軸零件圖紙和測量項目的分析，根據表2所示的尺寸檢測表進行輸出特性設置。

6" 生成測量結果

在編輯完元素和特性之后、測量程序運行之前，確保安全平面、安全距離、回退距離、探針系統、測針無誤，才能運行測量程序[6]。在本項目中，安全距離都設為0，由于圓柱1上的鍵槽寬度為6 mm，測針紅寶石球徑為1.5 mm，所以將回退距離設置為3 mm。

單擊運行按鈕，進入到程序運行窗口，勾選清除已存在的結果，選擇手動坐標系找正并勾選全部特性，運行順序為按元素列表，速度設為80 mm/s，單擊開始。按照軟件提示的順序，操作手柄進行坐標系的找正。完成后，三坐標測量機開始自動運行程序，測量程序運行結束后，自動彈出如圖8所示的測量報告。

7" 結束語

軸類零件是制造業中十分常見的零件之一，具有旋轉對稱性，常常用于傳遞扭矩等，對同軸度、圓柱度等幾何公差要求較高。本項目介紹了典型傳動軸零件的坐標系建立和測量策略設置方法，主要特點為：①坐標系建立合理，空間旋轉階梯圓柱軸線作為+Z方向，平面旋轉采用對稱點作為+X軸的方向，將坐標原點建立在了圓柱的上平面處。基礎坐標系方向與機器坐標系方向一致，確保了測量的方便性，降低了撞針危險。②在圓柱策略的編程中采用了多層圓路徑，同時在測量時避開了鍵槽，避免了探針與工件的干涉，精確地評估圓柱的尺寸和形狀。③元素策略的設置與測量順序安排合理，可以大幅減少探針在非測量時的移動距離，避免了探針來回旋轉所浪費的時間，提高了檢測效率[7]。

參考文獻：

[1] 韋鐘夫.三坐標測量機在汽車制造業中的應用[J].金屬加工（冷加工），2023（8）：5-7.

[2] 李鎮.淺談三坐標測量機在實踐教學中的應用[J].科技風，2018（4）：18.

[3] 田豐.三坐標檢測結果的可靠性探討[J].內燃機與配件，2024（15）：103-105.

[4] 陳慧瀛，陸永華.三坐標測量在葉輪葉片型面誤差檢測中的應用[J].中國機械，2024（10）：45-48.

[5] 宣默涵，于昕平，高小姣，等.三坐標測量斜孔零件的應用研究[J].新技術新工藝，2022（9）：70-74.

[6] 趙慶嶸.基于Calypso的三坐標測量機精度校準[J].城市建設理論研究（電子版），2019（34）：25.

[7] 孫佳慧.三坐標測量機在質檢專業教學中的應用[J].信息記錄材料，2018，19（2）：171-172.