甄雯　趙海軍

摘 要： 為了更好地適應社會發(fā)展及企業(yè)技術需求，職業(yè)院校在教育教學上要緊跟職業(yè)行業(yè)發(fā)展。隨著現(xiàn)代測量技術的發(fā)展，三坐標測量機在制造業(yè)中的應用越來越廣泛。文章對三坐標測量技術的應用進行了分析，探討了教學中相關學科理論與三坐標測量機實踐的交叉點。

關鍵詞： 職業(yè)教育 三坐標測量 教學應用

1.引言

三坐標測量機是一種集光、機、電、算為一體的精密光學測量儀器，適用于各種幾何元素和形位公差等方面的三維測量，也可以進行計算機數控（CNC）測量，所以在國外被稱為測量中心。作為高精度、高效率的自動化檢測設備，它已廣泛地應用于機械制造、儀器儀表、電子、航空和國防工業(yè)等部門，特別適用于測量箱體類零件、模具精密鑄件、電子線路板、汽車外殼及飛機形體等帶有空間曲面的工作。

2.三坐標測量機的工作原理

三坐標測量機一般由測頭系統(tǒng)、硬件控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)及其他機械部件組成，如圖1所示。幾何量測量以點的坐標位置為基礎，分為一維、二維和三維測量。三坐標測量機的基本原理是將被測零件放入容許的測量空間，精密地測出被測零件在X、Y、Z三個坐標位置的數值，根據這些點的數值經過計算機數據處理，擬合形成測量元素，如圓、球、圓柱、圓錐、曲面等，經過數學計算得出形狀、位置公差及其他幾何量數據。

3.三坐標測量機在教學中的應用

三坐標測量技術涵蓋很多學科的知識，職業(yè)院校應該將測量機的普遍應用技術融入相應有交叉的學科教學中，這些交叉點不僅能使職業(yè)院校的教學緊跟企業(yè)技術發(fā)展，更能有效提高學生的知識、技能水平。

3.1幾何尺寸和形位公差

對于制造完成的產品工件、模具必須對其進行幾何尺寸、角度和形位公差的評價，目的在于評價工件是否符合工程圖紙的設計要求。三坐標測量機比傳統(tǒng)測量方法對于學生的學習更有優(yōu)勢，能夠更形象地使學生掌握公差的定義和基本測量準則。相比以往普通量具量儀，現(xiàn)代企業(yè)更傾向于電子量具量儀及高精密度測量設備。而利用三坐標測量機，可以利用測量軟件對設計值與測量數據對比、圖形對比，對產品的幾何尺寸和形位公差進行精確檢測。

3.2逆向測繪

三坐標測量機除了具備常規(guī)的幾何尺寸和形位公差檢測功能外，在逆向工程技術和曲面坐標檢測方面具有特殊的優(yōu)勢，非常適用于模具制造業(yè)。經過三坐標測量機對各項幾何尺寸和曲面的測量，而反向推出數字模型或設計圖紙。當一些曲面輪廓是不規(guī)則的曲面時，可用油泥或石膏手工做出曲面作為底胚，然后用三坐標測量機測出各截面的截線、特征線和分型線，用探針半徑補償后造型，在造型過程中圓滑曲線，從而設計制造出全新的模具。一般的，當學生在某些模具使用一段時間出現(xiàn)磨損要進行修正，但又無原始數模的情況下，可以用截面法采集點云，用探針半徑補償后造型，從而達到完好如初的修復效果，并且形成設計數據或圖紙。

3.3CAD的導入和導出CAD應用

工科學生在校期間都會接觸到機械制圖或者計算機繪圖這類課程，對于計算機輔助繪圖軟件（CAD）應該并不陌生。三坐標測量軟件中對CAD功能的引入，更是將三坐標測量機的應用領域和易用性推到一個新的高度。

3.3.1虛擬測量

虛擬測量就是在沒有實際工件的情況下對CAD模型在軟件中進行測量。要進行虛擬測量時，選擇脫機工作模式，導入所要測量的CAD模型，并將CAD模型對應到選定的坐標系中進行測量。根據所要測量的幾何元素，使用鼠標在CAD模型上點擊所要采點的位置，此時CAD模型上會顯示采點的位置及其矢量方向。虛擬測量可以通過對沒有尺寸數據的CAD模型進行測量，確定其各種尺寸參數，但這不是虛擬測量的主要目的，虛擬測量的主要功能是為在脫機狀態(tài)下進行自動測量編程做服務。

3.3.2脫機編程

虛擬測量可以通過對沒有尺寸數據的CAD模型進行測量，確定其各種尺寸參數。虛擬測量的主要功能是在脫機狀態(tài)下進行自動測量編程。無論生產與否，只要將設計部門設計的CAD圖紙文件輸入測量軟件中，就可以編程。對于學校來說，在教師教學之后進行多人測量是不實際的，因此學生使用計算機進行脫機程序編寫是安全的學習過程。在程序編制完成之后，可以在CAD環(huán)境中調用程序進行模擬測量，對程序進行驗證，這樣學生既能找出運行過程中出現(xiàn)的錯誤測量路徑和采點，還能由教師指導學生對程序進行修正，亦將實際測量中可能出現(xiàn)的問題降到最低，最大限度地保證人和機器在測量過程中的安全性。

3.3.3CAD輸出用于逆向工程

逆向工程也稱反求工程或反向工程，是根據已存在的產品或零件原型構造產品或零件的工程設計模型，并在此基礎上對已有產品進行剖析、理解和改進，是對已有設計的再設計。數據處理是逆向工程的一項重要技術環(huán)節(jié)，它決定了后續(xù)CAD模型重建過程能否方便、正確地進行。丈量點的數目分為一般數據點和海量數據點；丈量數據可以分為散亂數據點和規(guī)矩數據點；不同丈量系統(tǒng)的丈量數據格式也不一樣的，幾乎所有丈量方式和丈量系統(tǒng)都不可避免地存在誤差。因此，在利用丈量數據進行CAD重建前必須對丈量數據進行處理。最后利用軟件對數據進行修改，或直接進行數控機床加工法編程，最終再由數控機床進行加工，完成產品制作。

3.3.4誤差分析

三坐標測量機雖然測量精度較普通量具測量準確得多，但必定存在測量誤差。誤差分析是對學生學習過程后的一種反復認知。誤差包括三個軸的定位誤差、六個直線度誤差、九個角擺誤差及三個垂直度誤差等幾何參數；包括測頭的瞄準誤差、測力變化、測頭各向異性、摩擦引起的誤差及測頭的示值誤差引起的探測誤差；以及工件、操作、環(huán)境的影響等誤差。如果在測量形位誤差時采用的檢測原則不對，選用的方法不完善、不嚴密、不確切，便會造成測量方法誤差。因此，測量的人要熟悉測量方法才能減少測量方法誤差。

4.結語

三坐標測量機是一種通用性強、自動化程度高、精度高的大型空間幾何量檢測設備，目前被廣泛應用于先進制造技術及其科研中。在機械類專業(yè)實驗教學環(huán)節(jié)中引入三坐標測量機改進教學內容，形成以綜合實驗、創(chuàng)新性實驗為主體的實驗教學方案，讓廣大學生學到三維檢測、測量數據分析診斷、模具設計、反求工程等方面的專業(yè)知識和實踐知識，既擴大學生的知識面，又培養(yǎng)學生其學科理論及操作技巧，以及對科學嚴謹而認真的態(tài)度。我們利用三坐標測量機和其他學科的交叉知識技能點對學生進行更廣泛而專業(yè)的教育和培養(yǎng)，充分發(fā)揮一體化教學的特性，使學生在教學過程中發(fā)揮積極主動性，把所學知識與設計、加工工藝融合，拓寬學生應用所學知識理論的視野及對企業(yè)和社會的適應力提升。

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科研課題：汽車零件精密測量技術的研究（YYK2014037）。