三坐標測量機在精密加工中的應用

三坐標測量機是現(xiàn)代化的一種自動測量技術(shù)，是高精度、高效率自動化測量技術(shù)發(fā)展的重要體現(xiàn)。按其機構(gòu)形式可分為橋式、龍門式、便攜式、懸臂式等，橋式是一種非常普遍的結(jié)構(gòu)形式，大部分公司三坐標測量機均為橋式結(jié)構(gòu)，適合日常教學與應用。三坐標測量機的測量原理是精確測出零件表面的空間三坐標值，經(jīng)過一定算法擬合成線、面、圓柱、球等測量元素，通過數(shù)學計算，得出其形狀、位置及其它幾何量數(shù)據(jù)。可見，精確測量出零件表面點的坐標，是評價形狀、位置等幾何量誤差的基礎。
 

　　然而，實際的三坐標測量機應用并不充分，主要因為三坐標測量機的操作使用要求具有專業(yè)的知識基礎，非專業(yè)人員很難進行后期編程等操作，更重要的是，測量方法沒有統(tǒng)一標準，如點的個數(shù)、位置等的選取等，企業(yè)、高校多依靠經(jīng)驗豐富的測量人員完成工件檢測、實踐教學等。
 

　　本文針對三坐標測量機的測量過程進行簡要分析，去除人員、經(jīng)驗、特殊工件對測量流程的影響，提出具有普遍適應性的測量流程，包括分析工件圖紙、設計測量方案、完成測量過程、評價測量結(jié)果及打印測量報告等。這些將有助于三坐標測量機的初學人員學習與鞏固，是測量人員形成良好測量習慣和標準測量流程的重要知識基礎。
 

　　1：測量過程分析
 

　　本文以Daisy8106型三坐標測量機為例，測量軟件為AC-DMIS通用型，結(jié)合實踐教學，簡要分析三坐標測量的測量規(guī)程。
 

　　1.1測量要求與流程
 

　　三坐標測量機是一種精密度很高的測量設備，對工作環(huán)境有著嚴格要求，如溫度應控制在20+/-2℃，濕度控制在40%-60%，以及良好的防震保證。
 

　　分析圖紙，根據(jù)圖紙要求確定被測量，大致規(guī)劃測量過程，如基準的選擇、測點的布置等。
 

　　測量之前要選擇合適的測頭并進行測頭校驗，獲取測球半徑值。測頭校驗一般使用標準球作為基準，測點方法少為五點法，即標準球頂部取一點，赤道上測四點。校驗時，測座、測頭、標準球均要固定良好，且表面潔凈。測頭校驗是開始測量的首要環(huán)節(jié)，對測量結(jié)果影響較大，務必足夠重視。
 

　　為了避免測量時使用機器坐標系帶來的回*，開始測量前還需要建立工件坐標系。建立合適的坐標系是三坐標測量機后續(xù)測量的基礎，合理的坐標系將有助于提高測量精度和測量效率，并且，批量檢測時，在編程中建立適當?shù)淖鴺讼悼梢越档凸ぷ鲝姸龋岣邷y量速率。簡單來說，建立坐標系的方法有以下三種：
 

　　①工件位置找正。主要應用于測量規(guī)則幾何工件時建立坐標系，對三維模型的存在與否沒有要求。運用該方法建立工件坐標系時必須遵守321法則，即首先在待測工件上采三個以上的點來確定基準平面，其次在工件上測量兩個以上的點來確定基準線，后確定基準點，完成坐標系建立。
 

　　@RPS找正。運用RPS找正建立工件坐標系需要三維模型，主要針對原點不在工件本身、或無法找到相應的基準元素，多用于曲面薄壁、鈑金類零件，如汽車、飛機的配件，這類零件的坐標系多在車身或機身上。
 

　　③三個中心點找正。三個中心點找正建立坐標系的方法簡稱三點找正，需要三維模型，主要針對一些特殊工件需通過三點找正確定工件位置的情況。其中，3個中心點必須是空間的非矢量元素，能確定準確的位置。元素包括點、圓、橢圓、球、方槽、圓槽，但是點必須采點位置準確，圓、橢圓、方槽、圓槽必須投影才可建立坐標系。
 

　　為了得到更加準確的測量數(shù)據(jù)，測量過程中要注意工件的擺放，以保證工件測點順序與測針移動方向一致，這樣測頭移動更合理、安全。三坐標測量機是通過拾取表面點的空間坐標來完成各種幾何量數(shù)據(jù)測量的，因此，測點個數(shù)及位置等的選取至關(guān)重要。理論上，采點越多越好，合理地增加測量點數(shù)可有效降低測量的不確定度，實際中，采樣點盡可能多且分布均勻，覆蓋整個元素范圍，并符合元素測量采點規(guī)律。另外，也可通過數(shù)學計算的方法分析點的個數(shù)和位置，Kim等人研究了測點數(shù)與測量結(jié)果之間的關(guān)系，結(jié)果表明，測點數(shù)越多，測量結(jié)果越精確，但實際中應用較少，多以少點數(shù)及經(jīng)驗確定。企業(yè)中批量檢測時，過多的測點數(shù)會降低測量效率，而要根據(jù)測量任務及精度要求，確定測量位置及點數(shù)。
 

　　三坐標測量機拾取空間采樣點坐標后，經(jīng)過數(shù)學運算才能得到零件的幾何參數(shù)誤差，算法中多采用小二乘法。
 

　　1.2測量結(jié)果評價與誤差來源分析
 

　　測量過程完成后，測量結(jié)果的分析與評定，主要是誤差來源分析，是高精度產(chǎn)品檢驗的一項要求，直接影響產(chǎn)品評定。它是測量可靠性的表達，定量的計算描述就是測量不確定度。測量不確定度的影響因素主要有以下幾個方面：
 

　　①方法誤差。主要指測量方法不完善引起的誤差，如采點個數(shù)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與零件裝配、功用等的透徹分析基礎上，對于不明確的地方，可以由有經(jīng)驗人員來把握。
 

　　②設備誤差。指由測量設備本身存在的誤差而引起的測量誤差，一般用測量機的示值誤差或不確定度來表示，它與機器的使用工況有關(guān)，因此，三坐標測量機的日常維護保養(yǎng)及定期的精度補償至關(guān)重要，另外，測頭部分也是此類誤差的重要來源，如測座不同角度旋轉(zhuǎn)定位時產(chǎn)生的誤差等。誤差補償技術(shù)是修正測量設備誤差的重要方法，科研工作者也進行了深入的研究，是未來提高三坐標測量機測量精度的主要發(fā)展趨勢。
 

　　③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(chǎn)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。
 

　　④環(huán)境誤差。指由于環(huán)境因素與測量設備規(guī)定的標準狀態(tài)不一致而引起的誤差。如溫度、濕度、氣壓、振動、灰塵等，其中以溫度對測量精度的影響大。三坐標測量機工作時的溫度要求是20+/-2℃
 

　　結(jié)束語
 

　　三坐標測量機作為一種精密檢測手段，其測量過程要求嚴格。本文就測量過程的主要環(huán)節(jié)進行了細致的分析，包括測量環(huán)境要求、測頭校驗、建立工件坐標系、工件位置擺放及采點個數(shù)與位置等，同時，討論了測量過程中誤差產(chǎn)生的來源，如方法誤差、設備誤差、人員誤差、環(huán)境誤差，并提出應對策略。實踐證明，良好的測量操作與測量結(jié)果誤差分析能夠?qū)崿F(xiàn)三坐標測量機的高精度、高效率使用，同時，也是測量人員的重要素養(yǎng)要求。