朱萌恩 朱傳林 羅昆鵬 王旭

摘 要：三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，是現(xiàn)代工業(yè)檢測(cè)和質(zhì)量控制不可缺少的萬能測(cè)量設(shè)備。本文闡述了三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)產(chǎn)生的背景和測(cè)量原理，介紹了三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在模具制造行業(yè)中的應(yīng)用及注意事項(xiàng)，以保證測(cè)量的精度和效率。

關(guān)鍵詞：三坐標(biāo)測(cè)量機(jī);模具制造;質(zhì)量檢測(cè);逆向工程

中圖分類號(hào)：TG76文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）01-0042-03

Abstract： CMM is widely used in various industries， and is an indispensable universal measuring equipment for modern industrial detection and quality control. This paper described the background and measurement principle of CMM， introduced the application of CMM in mold manufacturing industry and matters needing attention， so as to ensure the accuracy and efficiency of measurement.

Keywords： CMM;mold manufacturing;quality inspection;reverse engineering

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（Coordinate Measuring Machine，CMM）是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種新型、高效、多功能的精密測(cè)量?jī)x器。它能在計(jì)算機(jī)控制下完成各種復(fù)雜測(cè)量，可以通過在機(jī)測(cè)量實(shí)現(xiàn)對(duì)加工中零件的質(zhì)量控制，還可以根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)逆向工程。目前，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)廣泛應(yīng)用于模具工業(yè)、汽車工業(yè)、電子工業(yè)、航空航天工業(yè)和國(guó)防工業(yè)等行業(yè)，成為現(xiàn)代工業(yè)檢測(cè)和質(zhì)量控制不可缺少的萬能測(cè)量設(shè)備[1]。

1 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)簡(jiǎn)介

1.1 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)產(chǎn)生背景

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的出現(xiàn)，一方面是由于自動(dòng)機(jī)床、數(shù)控機(jī)床高效率加工及越來越多復(fù)雜形狀零件加工，要求高速化、柔性化、通用化的檢測(cè)設(shè)備與之匹配;另一方面是由于電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)及精密加工技術(shù)的發(fā)展為坐標(biāo)測(cè)量機(jī)產(chǎn)生提供了技術(shù)基礎(chǔ)。圖1為世界上第一臺(tái)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。

1.2 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量原理

任何形狀都是由三維空間點(diǎn)組成的，所有的幾何測(cè)量都可以歸結(jié)為三維空間點(diǎn)的測(cè)量，因此精確地進(jìn)行空間點(diǎn)坐標(biāo)的采集，是評(píng)定任何幾何形狀的基礎(chǔ)。坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的基本原理是將被測(cè)零件放入允許的測(cè)量空間，精確地測(cè)出被測(cè)零件表面的點(diǎn)在空間三個(gè)坐標(biāo)位置的數(shù)值，將這些點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)值經(jīng)過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理，擬合形成圓、球、平面、圓錐等測(cè)量元素，再經(jīng)過數(shù)學(xué)計(jì)算的方法得出其形狀、位置公差及其他幾何量數(shù)據(jù)。圖2為測(cè)量原理圖。

2 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在模具質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

2.1 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在模具質(zhì)量檢測(cè)中的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)測(cè)量方式是指使用卡尺、高度規(guī)、量規(guī)等測(cè)量工具進(jìn)行測(cè)量。與傳統(tǒng)測(cè)量方式相比，利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行測(cè)量具有較大優(yōu)勢(shì)，具體體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

第一，對(duì)零件幾何形狀和尺寸的測(cè)量，利用傳統(tǒng)測(cè)量方式一般需要單獨(dú)進(jìn)行;而利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)可以同時(shí)對(duì)尺寸和形狀進(jìn)行測(cè)量，對(duì)工件的裝夾和調(diào)整幾乎沒有要求，只要在測(cè)量中保持工件穩(wěn)定即可。

第二，對(duì)于零件位置誤差的測(cè)量，利用傳統(tǒng)測(cè)量方式需要模擬基準(zhǔn)要素，采用具有足夠形狀的表面，使基準(zhǔn)實(shí)際要素與模擬基準(zhǔn)間形成符合最小條件的相對(duì)位置關(guān)系;而利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，只需測(cè)出工件上若干點(diǎn)的坐標(biāo)值，再利用測(cè)量軟件計(jì)算出位置誤差即可，方便快捷。

2.2 模具質(zhì)量檢測(cè)

2.2.1 模具零件質(zhì)量檢測(cè)。一套精密模具的完成，必須確保零件加工符合技術(shù)要求。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)作為一個(gè)高精密檢測(cè)設(shè)備，其主要功能是精確測(cè)量零件的外形尺寸和形位公差。零件檢測(cè)的基本流程為根據(jù)零件和圖紙制定一個(gè)詳細(xì)的檢測(cè)規(guī)劃，根據(jù)檢測(cè)規(guī)劃選擇合適的夾具、匹配的測(cè)頭，建立精確的坐標(biāo)系，編寫合理的程序，最終得到真實(shí)的報(bào)告。圖3為檢測(cè)基本流程[2]。

以塑膠模具中的關(guān)鍵零件模仁為例介紹檢測(cè)基本流程，具體如下。

第一，分析零件2D圖紙，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，完成對(duì)工件圖紙的準(zhǔn)確解讀，確定零件具體的測(cè)量要求。模仁的檢測(cè)內(nèi)容一般從三方面來把握：裝配定位尺寸，如虎口尺寸;封膠位尺寸;膠位尺寸。

第二，確定測(cè)量?jī)?nèi)容后，要分析實(shí)現(xiàn)測(cè)量要求的測(cè)桿配置。在分析過程中，要特別注意以下幾點(diǎn)：測(cè)桿組合要少，測(cè)量孔的測(cè)桿直徑在不影響其他尺寸測(cè)量的前提下要盡可能稍大些，加長(zhǎng)桿要合理組合。

第三，分析測(cè)量基準(zhǔn)在哪以及怎樣建立坐標(biāo)系。檢測(cè)工作需要根據(jù)檢測(cè)需求分析零件測(cè)量所需的坐標(biāo)系。一般來說，模仁基準(zhǔn)四面分中居多。

第四，明確測(cè)量的程序、測(cè)量順序、測(cè)量策略等。

第五，裝夾方案設(shè)計(jì)也是檢測(cè)中不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)。裝夾的目的是保證檢測(cè)零件具有穩(wěn)定性、可重復(fù)性。設(shè)計(jì)裝夾方案時(shí)要考慮裝夾的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)測(cè)量的方便性、測(cè)針、測(cè)量特征分布、零件測(cè)量的可重復(fù)性、零件的變形影響等。

第六，運(yùn)行程序并輸出測(cè)量結(jié)果。三坐標(biāo)圖形報(bào)告可以同時(shí)顯示測(cè)量圖形或CAD模型與相應(yīng)的測(cè)量尺寸。圖4為模具零件——模仁檢測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)圖。

2.2.2 電極質(zhì)量檢測(cè)。在模具加工過程中，一些模具零件的型腔無法使用數(shù)控或線割加工，需要通過電極放電加工成形。此時(shí)電極的質(zhì)量是影響模具質(zhì)量的關(guān)鍵，用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量電極的形狀和位置尤為必要。利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量電極的形狀和位置簡(jiǎn)單快捷。新建零件程序，在測(cè)量軟件中導(dǎo)入電極CAD模型，四面分中建立基本坐標(biāo)系，編制測(cè)量程序，從模型上確定被測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行尺寸評(píng)價(jià)，自動(dòng)運(yùn)行程序后輸出報(bào)告，從而為下道放電工序加工提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。圖5為電極圖。

3 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在機(jī)測(cè)量的應(yīng)用

修模一直是模具加工行業(yè)比較棘手的工作。運(yùn)用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行在機(jī)測(cè)量，可以在工件不脫離機(jī)床的情況下，直接進(jìn)行三維尺寸如曲面、曲線等特征的測(cè)量，然后根據(jù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。在一些精細(xì)加工中，也可以根據(jù)結(jié)果進(jìn)行余量輔助加工。在機(jī)測(cè)量可以有效提高模具修模效率、節(jié)省模具生產(chǎn)成本。

4 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在模具逆向工程中的應(yīng)用

逆向工程是從20世紀(jì)末以來發(fā)展起來的一種產(chǎn)品批量生產(chǎn)以及二次開發(fā)的新興工程技術(shù)，由于與傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)順序相反，因此通常被稱作逆向工程。在逆向工程中，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是非常重要的設(shè)備，在產(chǎn)品原件的數(shù)字化以及曲面重構(gòu)過程中發(fā)揮著重要作用。通過利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量各項(xiàng)幾何尺寸和曲面，以獲取實(shí)物模型的特征參數(shù)，并借助相關(guān)軟件根據(jù)所獲取的特征數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中重構(gòu)產(chǎn)品的3D模型，然后再進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)與制造。這在模具制造、汽車等行業(yè)中應(yīng)用較為廣泛[3]。

5 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)使用的注意事項(xiàng)

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是一種高精密檢測(cè)儀器，正確使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)其使用壽命、精度起著關(guān)鍵作用，使用時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：工件吊裝時(shí)，不可撞擊三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的任何部件;正確裝夾固定零件;確保符合零件與測(cè)量機(jī)的等溫要求;分析圖紙，保證建立的坐標(biāo)系符合要求;程序運(yùn)行時(shí)，確保路徑正確，不發(fā)生撞針現(xiàn)象;對(duì)于一些大型模具，檢測(cè)結(jié)束后應(yīng)及時(shí)吊下工作臺(tái)，避免工作臺(tái)長(zhǎng)時(shí)間處于承載狀態(tài)，并及時(shí)清理工作臺(tái)面等。

6 結(jié)語

目前，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)因高精度、高柔性及優(yōu)異的數(shù)字化能力，已經(jīng)成為模具工業(yè)設(shè)計(jì)、開發(fā)、加工制造和質(zhì)量保證的重要手段，在模具制造業(yè)中有著十分廣闊的應(yīng)用前景。在使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)完成設(shè)計(jì)和測(cè)量任務(wù)時(shí)，要嚴(yán)格遵循使用要求，注意測(cè)量基準(zhǔn)的選擇和測(cè)頭的選擇，以保證測(cè)量的精度和效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉祚時(shí)，倪瀟娟.三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].機(jī)械制造，2004（8）：32-34.

[2]趙韓，劉達(dá)新，董玉德，等.基于CAD的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)規(guī)劃系統(tǒng)的開發(fā)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2009（9）：1846-1853.

[3]馬淑梅，李愛平，陳彬.逆向工程與計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品創(chuàng)新[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2005（5）：160-162.