李 旻

（華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州 510641）

在幾何量精密測量的方法中，傳統(tǒng)的平臺檢測法檢測周期長，無法處理復雜的零件與曲面。專用檢測器具柔性差，費用高。三坐標測量機可代替多種表面測量工具及昂貴的組合量規(guī)，縮短測量時間。三坐標測量機是一種以精密機械為基礎，集光、機、電、計算機綜合為一體的多功能精密計量測試設備，是一種通用性強、自動化程度高、精度高的測量系統(tǒng)，在先進制造技術和科學研究中，有著極其廣泛的應用。三坐標測量機可以在工件一次裝夾的情況下，通過探頭的有效組合，完成零件中幾乎所有幾何元素的測量工作，它還可借助于其中自帶的測量軟件，在測量過程中完成對所測要素尺寸的計算與誤差分析。

1 坐標測量機的測量過程

華南理工大學機械基礎實驗教學中心購置了美國Cim-Core公司的STINGER II三坐標柔性測量系統(tǒng)（圖1）。

圖1 STINGER II關節(jié)式測量機

該系統(tǒng)是目前市場上性價比最高的柔性測量臂系統(tǒng)之一，能夠完成各種測量、檢測任務以及逆向工程系統(tǒng)應用。該系統(tǒng)使用了主軸無限轉動專利技術；采用了新一代ZERO-G平衡桿系統(tǒng)，可平衡測量臂的大部分自重，實現(xiàn)單手操作；碳石墨纖維材料臂身強度高，溫度穩(wěn)定性是鋁的25倍，使得系統(tǒng)對環(huán)境要求極低；附帶美國國家標準局（NIST）認證的長度標準尺，可隨時對系統(tǒng)進行快速校準。

1.1 STINGER II的主要性能指標

測量空間為1.8m；

單點測量精度為0.015mm；點測重復精度為0.040mm；

空間長度測量精度為0.055mm。

STINGER II柔性測量系統(tǒng)，采用具有強大CAD功能的通用測量軟件PC-DMIS。PC-DMIS軟件用戶界面簡捷，能引導使用者進行零件編程、參數(shù)設置和工件檢測，其一體化的圖形功能，能夠將檢測數(shù)據(jù)生成可視化的圖形報告。不管是簡單的箱體類工件，還是復雜的輪廓和曲面，PC-DMIS軟件都可幫助操作者高速、高效率和高精度進行測量。

1.2 三坐標測量機的測量流程

三坐標測量機的測量流程如下：

（1）固定好機器；

（2）檢查并保證機器電源穩(wěn)定且處于接地狀態(tài)；

（3）分析圖紙，確定需要測量的元素及其基準；

（4）固定好工件，確保在機器的有效范圍內能把工件一次測量完整（若需做蛙跳則先規(guī)劃好）；

（5）開啟電源，機器復位；

（6）建立零件坐標系；

（7）進行檢測項目元素的測量；

（8）進行形狀、位置誤差評價。

2 幾何量精密測量實驗教學現(xiàn)狀

實驗課是“互換性與技術測量”（又稱“幾何量公差與檢測”，簡稱“互換性”）課程的重要實踐環(huán)節(jié)。通過實驗，學生可加深對課堂教學內容的理解，掌握幾何參數(shù)測量、幾何量計量器具的原理及測量方法，增強對互換性和公差基本概念的感性認識，培養(yǎng)正確使用常用計量器具以及處理測量結果的能力。大部分高校開出的“互換性”課程實驗有“圓柱體塞規(guī)的測量”、“導軌直線度誤差的測量”、“表面粗糙度的測量”、“圓柱螺紋的測量”、“齒輪齒距累積誤差和齒距偏差的測量”和“齒輪公法線長度變動量及公法線平均長度偏差測量”實驗。

這些實驗項目都屬于驗證性、單一性實驗，表現(xiàn)為實驗目標的低層面和實驗項目的獨立性，教學目標還停留在對理論知識的驗證及加深理解的層面上，而且是針對課本教材的某一章節(jié)來設計的，實驗內容所涉及的知識面較窄，缺乏各學科知識點的關聯(lián)性和交互性，實驗手段比較單一，所用的大都還是傳統(tǒng)的測試儀器設備。“互換性”課程實驗缺少設計性、綜合性的實驗，不利于培養(yǎng)學生的開拓創(chuàng)新意識和分析解決問題的實踐能力。

3 坐標測量機在幾何量精密測量實驗教學中的應用

3.1 在單一性實驗教學中的應用

下面以平面度、同軸度誤差的檢測為例，對傳統(tǒng)測量法與坐標測量機測量法進行對比。

3.1.1 平面度誤差的檢測

平面度誤差的傳統(tǒng)測量方法很多。對于平面度要求很高的小平面，可以用平晶測量，根據(jù)產(chǎn)生的干涉條紋進行計算，可得平面度誤差。對于大平面，特別是刮削平面，生產(chǎn)現(xiàn)場常用涂色法進行檢測。對于一般平面，廣泛使用的是打表法、水平儀法等方法，圖2所示為用指示表測量平面度誤差。將工件支承在平板上，借助指示表調整被測平面對角線上的a與b兩點，使這兩點等高，再調整另一對角線上的c與d兩點，使其等高。然后按一定布點移動指示表，測量平面上的點，指示表的最大與最小讀數(shù)之差，即為該平面的平面度誤差。傳統(tǒng)的測量方法，容易出現(xiàn)較大測量誤差，調平很麻煩，打表點數(shù)有限，并不能確定真正的最大值和最小值，是否調平也受到操作人員熟練程度的影響。

圖2 打表法測量平面度誤差

用三坐標測量機來測量平面度誤差，則既方便又準確。在三坐標測量系統(tǒng)中，平面是被作為一種特征元素來測量的。特征元素的測量，可以通過手動方式或自動方式來實現(xiàn)。手動方式是指首先通過手動采集該元素上的足夠點數(shù)，計算機會自動生成該元素的特征參數(shù)及測量信息；自動方式是指在自動特征的相應菜單里通過下列三種方式獲得測量元素的理論參數(shù)，進行自動測量：

（1）鼠標點取CAD上的特征元素；

（2）通過鍵盤輸入該元素的理論數(shù)據(jù)；

（3）根據(jù)屏幕左下角狀態(tài)欄的提示，手動測量該元素的足夠采樣點數(shù)獲得理論數(shù)據(jù)，然后進行自動測量。測量平面度誤差至少應測4點，點數(shù)越多，越能反映真實的平面度

圖3所示為PC-DMIS軟件界面顯示的平面度測量結果。

圖3 PC-DM IS軟件界面的平面度測量結果

3.1.2 同軸度誤差的檢測

圖4所示為用傳統(tǒng)測量方法測量某臺階軸Φd對兩端Φd1軸線組成的公共軸線的同軸度誤差。測量時，將工件放置在兩個等高的V形架上，沿鉛垂軸截面的兩條素線測量，記錄兩指示表在各測點讀數(shù)差，取各測點讀數(shù)差絕對值的最大值，為該軸截面軸線的同軸度誤差。轉動工件，按上述方法測量若干個軸截面，取其中最大的誤差值，作為其同軸度誤差。

圖4 同軸度誤差的檢測

用三坐標測量機測量同軸度誤差時，首先要確立基準軸線，基準應根據(jù)零件的技術要求來確定。建立坐標系時，通常是采集兩個截面圓，每個截面圓至少6個點，計算機自動構造生成一條圓柱軸線，將該軸線作為坐標系的第一軸。然后測量被測元素，用同樣的方法采集被測元素的表面一系列點，應注意，測量點應該盡可能在全長范圍內均勻分布。測量完畢后，構造生成一根軸線。最后進行評價，一般是由系統(tǒng)自動計算評價，也可以根據(jù)坐標系中被測元素與基準的關系手動計算完成。

3.2 在綜合設計性實驗教學中的應用

可讓學生采用三坐標測量機，對減速器齒輪軸和減速器箱體誤差進行測量。實驗前首先要求學生在分析減速器的工作原理以及各零件功能的基礎上，根據(jù)課堂所學的理論知識對減速器齒輪軸和箱體各部分，提出尺寸公差和形位公差的要求，并說明提出該要求的依據(jù)以及如何選取基準。實驗時，將減速器齒輪軸和箱體的產(chǎn)品設計圖紙?zhí)峁┙o學生，讓他們分析自己的設計與產(chǎn)品設計圖紙的差別，這樣做可使學生懂得如何選擇形位公差項目和公差等級以及如何標注，從而為后續(xù)的“機械設計”以及“機械制造工藝”等課程打下良好的基礎。

學生在讀懂齒輪軸和箱體的設計圖紙之后，由學生根據(jù)零件圖紙擬訂實驗方案，設計測量內容。學生首先必須畫圖標注各種公差配合來設計實驗方案和確定測量內容，實驗方案必須經(jīng)指導老師審閱通過后，才能實施。指導老師講解三坐標測量機的工作原理和操作規(guī)程之后，監(jiān)督指導學生操作三坐標測量機，對零件的有關尺寸和形位誤差進行測量，最后對獲得的測量數(shù)據(jù)進行處理，獲得最終結果，對零件是否符合設計要求做出判斷。

4 結束語

將三坐標測量機引入實驗教學，能使學生對互換性與技術測量從理論到實踐獲得全新的認識，拓寬其知識面。學生可對高精度的三維傳感器、精密光柵尺系統(tǒng)、計算機控制等的實際應用能有更深刻、更直觀的認識。學生通過基于三坐標測量機的綜合設計性實驗，能主動地綜合運用所學的多門課的知識，能掌握很多公差技術概念，從而能培養(yǎng)學生查閱文獻資料的能力、獨立分析實驗數(shù)據(jù)的能力、以及綜合運用所學知識和基本技能解決實際問題的能力。最終使學生的工程實踐能力得到提高，學生的就業(yè)競爭力得到增強。

[1]朱文堅，謝小鵬，黃鎮(zhèn)昌.機械基礎實驗教程[M].北京：科學出版社，2005.

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[3]趙天嬋，馮 俊.充分利用三坐標測量機培養(yǎng)學生工程實踐能力[J].實驗技術與管理，2008，25(6)：152-155.