朱冬偉

(襄陽汽車職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 襄陽 441021)

1.三坐標(biāo)測量儀的意義與作用

隨著人們生活水平的提高和制造業(yè)的快速發(fā)展，特別是機床、機械、汽車、航空航天和電子工業(yè)的發(fā)展，各種復(fù)雜零件的研制和生產(chǎn)需要先進(jìn)的檢測技術(shù)；同時為應(yīng)對競爭，生產(chǎn)現(xiàn)場非常重視提高加工效率和降低生產(chǎn)成本，其中最重要的是生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品。為此必須實行嚴(yán)格的質(zhì)量管理，只有在保證高質(zhì)量生產(chǎn)的前提下，制造業(yè)才能生存和發(fā)展。因此為保證零件的尺寸和技術(shù)性能符合要求，必須進(jìn)行精確的測量，因而體現(xiàn)三維測量技術(shù)的三坐標(biāo)測量機應(yīng)運而生，并迅速發(fā)展和日趨完善。

越來越多的工件需要進(jìn)行空間三維測量，而傳統(tǒng)的測量方法不能滿足生產(chǎn)的需要。傳統(tǒng)的測量方法是用傳統(tǒng)測量工具(游標(biāo)卡尺、千分尺、量塊等)進(jìn)行測量，測量工具本身精度不高，人為誤差較大，工具量程小，被測工件尺寸、形狀受到限制，許多形狀復(fù)雜的測量任務(wù)(如曲面)難以實現(xiàn)，且占用工時較長。

由于機械加工、數(shù)控機床加工及自動化加工線的發(fā)展，生產(chǎn)節(jié)拍的加快，加工一個零件僅用幾十分鐘或幾分鐘，這就要求加快對復(fù)雜工件的檢測。例如汽車和摩托車都采用流水生產(chǎn)線，每輛車上有幾千甚至上萬個零件，這些零件是專業(yè)化廠生產(chǎn)，最后集中部裝和總裝，每隔幾分鐘就生產(chǎn)出一輛車。在制造業(yè)中，大多數(shù)產(chǎn)品都是按照CAD數(shù)字模型在數(shù)控機床上制造完成的，它與原CAD數(shù)字模型相比，確定其在加工制造中產(chǎn)生的誤差，就需用三坐標(biāo)測量儀進(jìn)行測量。在三坐標(biāo)測量儀軟件系統(tǒng)中可以用圖形方式顯示CAD數(shù)字模型，再按照可視化方式從圖形上確定被測點，得到被測點的X、Y、Z坐標(biāo)軸及法向矢量，便可自動生成測量程序。三坐標(biāo)測量儀可按法線方向?qū)ぜM(jìn)行精確測量，獲得準(zhǔn)確的坐標(biāo)測量結(jié)果，也可與原CAD數(shù)字模型進(jìn)行比較并以圖形方式顯示，生成坐標(biāo)檢測報告(文本報告和圖表報告)全過程直觀快速，而用傳統(tǒng)的檢測方法無法實現(xiàn)。

綜合上述，三坐標(biāo)測量儀的出現(xiàn)，標(biāo)志計量儀器從古典的手動方式向現(xiàn)代化自動測試技術(shù)過渡的一個里程碑。三坐標(biāo)測量儀對三維測量技術(shù)有重要的作用。實現(xiàn)對基本幾何元素的高效率、高精度測量與評定，解決了復(fù)雜形狀表面輪廓尺寸的測量，例如箱體零件的孔徑與孔位、葉片與齒輪、汽車與飛機等外廓尺寸檢測；提高了三維測量的測量精度，目前高精度坐標(biāo)測量機的單軸精度，每米長度內(nèi)可達(dá)1微米，三維空間精度可達(dá)1-2微米。對于車間檢測用的三坐標(biāo)測量機，每米測量精度單軸也達(dá)3-4微米。

隨著三坐標(biāo)測量儀的精度不斷提升，自動化程序不斷發(fā)展，三維測量技術(shù)不斷進(jìn)步，大大提高測量效率，尤其是電子計算機的引入，不但便于數(shù)據(jù)處理，而且可以完成CNC功能控制，可使測量時間大大縮短。三坐標(biāo)測量儀與數(shù)控機床和加工中心配套組成生產(chǎn)加工線，促進(jìn)自動生產(chǎn)線的發(fā)展。

2.三坐標(biāo)測量儀的組成及工作原理

三坐標(biāo)測量儀是典型的機電一體化設(shè)備，它由機械系統(tǒng)和電子系統(tǒng)兩大系統(tǒng)部分組成。機械系統(tǒng)一般由3個正交的直線運動軸構(gòu)成，橫向X導(dǎo)軌系統(tǒng)裝在工作臺上，移動橋架橫梁是Y向?qū)к壪到y(tǒng)，豎直Z向?qū)к壪到y(tǒng)裝在中央滑架內(nèi)，3個方向軸上均裝有光柵尺用于測量各軸位移值。人工驅(qū)動的手輪及機動、數(shù)控驅(qū)動的電動機一般都在各軸附近，用來觸測被檢測零件表面的測頭Z軸的端部。電子系統(tǒng)一般由光柵計數(shù)系統(tǒng)、測頭信號接口和計算機等組成，由于獲得被測坐標(biāo)點數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

三坐標(biāo)測量儀是基于坐標(biāo)測量的通用化數(shù)字測量設(shè)備。它首先將各被測幾何元素的測量轉(zhuǎn)化為這些幾何元素上一些點坐標(biāo)位置的測量，在測得這些點的坐標(biāo)位置后，再根據(jù)這些點的空間坐標(biāo)值，經(jīng)過數(shù)字運算求出其尺寸和幾何誤差。如要測量工件上一圓柱孔的直徑，可以在垂直于孔軸線的截面內(nèi)，觸測內(nèi)孔壁上3個點，再根據(jù)這三個點的坐標(biāo)值就可計算出孔的直徑及圓心坐標(biāo)；如果在該截面內(nèi)觸測更多的點，則可根據(jù)最小二乘法或最小條件計算出該截面圓的圓度誤差；如果對多個垂直于孔軸線的截面圓進(jìn)行測量，則可根據(jù)測得點的坐標(biāo)值可計算出孔的圓柱度誤差以及各截面圓的圓心坐標(biāo)，又可以計算出孔軸線位置；如果再在孔端面上觸測三點，可計算出孔軸線對端面位置度誤差。由此可見，三坐標(biāo)測量儀的這一測量原理使其具有很大的通用性與柔性。從原理上說，它可以測量工件上任何幾何元素的幾何參數(shù)。

3.三坐標(biāo)測量儀的測量及控制系統(tǒng)

三坐標(biāo)測量儀測量系統(tǒng)由標(biāo)尺系統(tǒng)和測頭系統(tǒng)構(gòu)成，它們是三坐標(biāo)測量儀關(guān)鍵組成部分，決定著三坐標(biāo)測量儀測量精度的高低。標(biāo)尺系統(tǒng)是用來度量各軸的坐標(biāo)值的，目前三坐標(biāo)測量儀上使用的標(biāo)尺系統(tǒng)種類很多，它們與在各機床和儀器上使用的標(biāo)尺系統(tǒng)大致相同，按其性質(zhì)可分機械式標(biāo)尺系統(tǒng)、光學(xué)式標(biāo)尺系統(tǒng)和電氣式標(biāo)尺系統(tǒng)。根據(jù)國內(nèi)外生產(chǎn)三坐標(biāo)測量儀所使用的標(biāo)尺系統(tǒng)統(tǒng)計分析，使用最多的是光柵，其次是感應(yīng)同步器和光學(xué)編碼器。有些高精度三坐標(biāo)測量儀的標(biāo)尺系統(tǒng)采用激光干涉儀。三坐標(biāo)測量儀是用測頭來拾取信號的，因而測頭的性能直接影響測量精度和測量效率，沒有先進(jìn)的測頭就無法充分發(fā)揮測量儀器的功能。為了擴大測頭功能，提高測量效率以及探測各種零件的不同部位，常需為測頭配置各種附件，如測端、探針、連接器、測頭回轉(zhuǎn)附件等。

控制系統(tǒng)是三坐標(biāo)測量儀的關(guān)鍵組成部分之一，其主要功能：讀取空間坐標(biāo)值，控制測量瞄準(zhǔn)系統(tǒng)對測頭信號進(jìn)行實時響應(yīng)與處理，控制機械系統(tǒng)實現(xiàn)測量所必須的運動，實現(xiàn)監(jiān)控坐標(biāo)測量儀的狀態(tài)以保障整個系統(tǒng)的安全性和可靠性等。

現(xiàn)代的三坐標(biāo)測量儀都配備有計算機，由計算機來采集數(shù)據(jù)，通過運算輸出所需的測量結(jié)果，更好滿足用戶需要，大大降低用戶投入成本，提高工作效率。