宣默涵，于昕平，高小姣，李雨鵬，楊 羽

(1.長春設備工藝研究所，吉林 長春 130012；2.長春理工大學，吉林 長春 130022)

1 概述

目前，伴隨著世界范圍內(nèi)科技水平的大幅提升，對于工業(yè)、研究界所適用的零件標準要求也更為精確。為了使零件尺寸及其必要的技術性能達到實際需求，應在生產(chǎn)中做到極其精確的測量。為了達到這一要求，實用且高效率的精密測量儀器就必不可少，如何改進相關器材，創(chuàng)造并使用足夠精確、適配的檢測方法，已逐漸成為相關從業(yè)者必須考慮的問題之一[1]?？梢哉f，對于檢測環(huán)節(jié)而言，維持高精度以及高效率正是該環(huán)節(jié)的重要構成部分以及核心衡量標準之一。

三坐標測量機作為一種具備多種尖端技術、融合多項功能的高科技測量設備，因其自身具有的高測量精度、高柔性和出類拔萃的數(shù)字化能力，在同類產(chǎn)品中脫穎而出，不論是在傳統(tǒng)機械制造業(yè)、模具制造行業(yè)，還是更需要精確度的航空航天、國防軍工等行業(yè)，均得到了廣泛認可。時至今日，其已經(jīng)屬于現(xiàn)代工業(yè)檢測及質(zhì)量控制流程中，不可或缺的一種測量工具。在功能上，該測量機除了具備基礎測量功能，能夠?qū)α悴考叽纭⑿螤畎ㄏ嗷ノ恢玫然A數(shù)據(jù)進行測量外，還可以做到對控制加工，更利于制造者高效率地調(diào)整相關加工參數(shù)，減少生產(chǎn)消耗。

相較于以往使用的用于尺寸檢測及質(zhì)量控制用途的同類產(chǎn)品，三坐標測量機能集數(shù)種檢具的專門功能于一身，在最短的時間內(nèi)，能夠完成最多、足夠精確的產(chǎn)品尺寸檢測工作，還能對部件的幾何公差完成檢測，檢測精度達到了傳統(tǒng)技術無法匹敵的微米級，相較于其他測量工具的精準度有了質(zhì)的飛躍。

在基本工作原理方面，測量機將受測零件置于一定的測量空間范圍中，從而測量到受測對象表面點在空間內(nèi)的三坐標位置；接下來，測量機以測量軟件為工具，通過數(shù)學計算，擬合各測量元素，例如球、圓錐或者曲面等，進一步獲得形狀、位置公差等相關幾何數(shù)據(jù)。這樣就可以在一次裝夾流程內(nèi)，做到對所有所需測量元素數(shù)據(jù)的搜集工作；所應用的先進測量軟件，充分發(fā)揮其具備的在幾何構造、尺寸統(tǒng)計、公差評定等方面的各項功能，高效地對零件的各部分尺寸包括幾何公差進行必要的計算、評價。

作為機械加工過程中極為重要的組成部分，回轉(zhuǎn)體類零件對于角度誤差相當敏感。這一方面的誤差將對此類零件在配合精度、震動、運動軌跡等方面造成直接影響。所以，對于角度參數(shù)采集、測量工作的重要性也不言而喻。長期以來，在生產(chǎn)過程中，角度測量工作使用的常用工具為角度尺、直角尺、角度儀測量等，這類工具的缺陷也很明顯：只可以對單純角度進行測量，并存在需要找正范圍才能足夠精確的限制條件；在空間角度的測量上，這類工具只能束手無策。例如，隨著工業(yè)界的進步，許多前所未有的、結構相當緊湊的復雜殼體類產(chǎn)品，對角度測量提出了更多的要求。這類產(chǎn)品不論是在測量位置上，還是測量方向上，均五花八門，難以找到規(guī)律。如果使用傳統(tǒng)的角度尺來完成測量工作，就必須對產(chǎn)品上的所有角度予以重新定位，并消耗大量的精力在找正工作上，從而拉低測量效率，對生產(chǎn)工作不利[2-3]。

考慮到上述問題，三坐標測量機所具備的特有綜合優(yōu)勢能夠更適應現(xiàn)實的需求，高效率地完成測量工作。測量機能夠完成三維尺寸高精度檢測；在精確度上，還能夠利用測針轉(zhuǎn)動任意角度，完成任意位置上斜孔的測量；編程自動測量可以做到批量檢測，為檢測效率帶來極大提升。本文主旨為：利用三坐標測量機完成對后蓋零件批量的角度檢測，并對測量結果進行綜合分析，以期達到檢測效率的提升[4]，指導加工生產(chǎn)，輔助為產(chǎn)品定型。

2 設備簡介

本次檢測使用的設備是德國卡爾蔡司的三坐標測量儀(見圖1)。規(guī)格為1 000 mm×1 200 mm×600 mm，承重300 kg，長度測量的示值誤差MPE=(2.2+L/300) μm。

圖1 三坐標測量儀

3 制定檢測方案

測量環(huán)境：溫度(20±2) ℃，濕度40%～60%，ZEISS三坐標測量機供氣氣壓0.5～0.6 MPa。

ZEISS三坐標測量機為坐標平面投影，使用系統(tǒng)為笛卡爾坐標測量系統(tǒng)；測量元素以坐標平面為基礎，結果能夠?qū)Ξ斚伦鴺讼迪略赝队八邆涞膶傩蕴卣饔枰苑从场?/p>

用于測量的零件應當做去毛刺處理，保持表面潔凈。將受測體后蓋零件置于測量儀工作平臺，依照平臺定位釘?shù)亩ㄎ恢甘荆瑢κ軠y體完成定位及裝夾。選擇相應測針，在進行測量前應對該測針進行校驗，驗證其是否具備足夠的準確性。以零件為中心，建立相應的工件坐標系；根據(jù)圖樣提供的特征，手動測量工件，完成公差檢測，進入編程環(huán)節(jié)；與此同時，完成對檢測路徑、安全距離、回退距離的確認工作。數(shù)據(jù)搜集完成后，評價相應結果，自動完成檢測報告并輸出。

4 建立坐標系

零件裝夾工序：以圖樣為基準，把受測零件置于測量儀的工作平臺之上。假設將工作平臺設定為坐標系原點，工件呈軸對稱圖形，這將使得機器在運行過程中，所檢測到的工件位置同實際位置有所偏差，從而發(fā)生撞針情況，更有甚者會出現(xiàn)三坐標探針損壞的結果(見圖2)。因此，選擇把坐標系建立于工件自身，利用其上的圓柱、曲面等相關元素設立坐標系，從而降低因擺放位置、方向造成的撞針發(fā)生概率(見圖3)。

圖2 坐標系建立在工作平臺上

圖3 坐標系建立在工件上

5 手動檢測

首先對后蓋零件進行檢測，然后后蓋零件將壓裝噴管，形成新零件后球體。測量噴管角度，根據(jù)圖樣要求，公差應為24°±8′?；鶞始皣姽軍A角數(shù)據(jù)，使用下列3類方式測量：1)噴管投影于工作平面，基準與投影間產(chǎn)生的夾角；2)構造平面，平面調(diào)用噴管等元素，基準同平面夾角；3)基于工件為軸對稱圖形的前提，將兩兩相對噴管完成連接，構成直線，基準與直線間夾角[5]。

在對上述幾種方式得到的測量結果進行分析后，同圖樣相比較，最終選用第2種方法完成測量工作。

6 編程

手動輸入所有元素，設置參數(shù)。圓柱劃分成2個圓，即上層圓與下層圓，每層圓再各選擇4個測量點；平面參數(shù)亦選擇4個點。設定輸出的圓柱直徑數(shù)據(jù)，基準面同各元素間夾角；設定安全平面，設定回退距離。鑒于三坐標本身的轉(zhuǎn)角數(shù)值是5°，圖樣需要的數(shù)值是24°，故探針同噴管法線方向不垂直，因此在測量時，探針連接桿將同噴管互相形成干涉，這將對測量結果造成不利影響。故筆者選擇使用φ8紅寶石探針，并選擇桿較細的探針進行連接，以達到削弱干涉影響、提升精度的效果[6-8]，程序自動運行完成后的結果如圖4所示。

7 技術難點及創(chuàng)新點

本次研究的主要技術難點是，在實際的測量計算過程中，以驗證測量方法為目的進行多次測量技術以及最后的評價結果來看，其中是存在大量數(shù)據(jù)偏差的，也就是說在研究三坐標測量斜孔角度的過程中，需要以特定的方法才能實現(xiàn)更高的效率和更高的準確度。針對這一難點，本次研究以大量的實測計算為基礎，總結歸納了諸多次實測過程為依據(jù)，最后反復計算對比，得出了唯一有效的測量方法。

主要創(chuàng)新點分為3個方面。其一：在經(jīng)過多次實驗性測量的方法過程和計算結果的參考對比之后，筆者最后發(fā)現(xiàn)，只有構造平面，平面調(diào)用噴管等元素，基準同平面夾角的方法可以測得準確數(shù)據(jù)并且在之后的評測結果中確保成功。其他2種方法均有偏差，并且得不到良好的評測結果。其二：有利于提高測量的精密度，在三坐標測量機的發(fā)展和應用過程中，測量的精密度無疑是最為重要的指標。通過本次研究得出的測量方法，可以有效解決在面對斜孔這類限于產(chǎn)品結構而不能快速準確測量的問題。其三：有利于提高實際測量工作效率。在實際使用三坐標測量機對產(chǎn)品進行測量的過程中，面對因產(chǎn)品構造而無法快速測量的狀況，本次研究正是針對斜孔這一問題，研究得出新的測量方法以解決這一問題，從而縮短單個零件的測量時長，提高實際測量工作效率。

8 注意事項

在利用三坐標測量機進行檢測時，零件擺放位置、夾具選取工作尤為重要。倘若零件未能使用匹配的夾具完成裝夾，對于測量數(shù)值以及最后的計算結果將會造成不可忽視的影響。所以，恰當、適配的夾具選取必不可少。零件測量面應當潔凈無銹，污漬對于測量的精準度也有比較明顯的負面效果。除此之外，室內(nèi)溫濕度同測量結果的精確性也有相當程度的關聯(lián)。極端的溫度、濕度都會使得測量數(shù)值發(fā)生偏差[9]。

圖4 檢測記錄

三坐標測量機通常采用接觸式測量法。使用該方法時，測頭將碰觸工件表面，從而取得被測要素點。測頭頭部由一個桿同測球構成，測頭通常采用紅寶石作為材料。測頭本身的相關質(zhì)量、屬性會對測量過程造成如下影響。

1)適當?shù)臏y頭桿長度。由于接觸測量法的特點，測頭同工件之間不可避免地會產(chǎn)生力的作用，測頭受到?jīng)_擊后，必然會發(fā)生變形的趨勢。如果測桿過長，剛性較差，就會更容易發(fā)生變形，在進行輪廓要素的捕捉工作時，更容易失準，從而使得圓度誤差的測量精度有所損失。

2)適當?shù)臏y球直徑。被生產(chǎn)出的工件，表面再潔凈也不可能達到完全光滑，一定會存在表面粗糙度誤差。測球同工件表面點接觸時，測球越小，再捕捉要素點時，就更能展現(xiàn)出粗糙度誤差施加在點捕捉精度上的效果。而在測量圓度誤差時，測球?qū)⒂谜粋让纥c同工件表面完成碰觸，此時就算適當加大測球直徑，也不會對誤差補償造成消極影響，反而還能夠削弱表面粗糙度對點捕捉失真的不良影響[10]。

采樣點數(shù)與點擬合所得輪廓的粗糙度值之間呈負相關關系，前者數(shù)量越少，后者數(shù)值就越高，精度也就更低?？紤]到這種情況，筆者認為，需要適度地對采樣點間距予以縮短，以期取得采樣精度上的提升；在采樣點數(shù)量上也應控制在一定范圍內(nèi)，不能因為對精度的需求，反而影響了測量的效率[11]。

隨著機械加工的發(fā)展，零件將以不同的狀態(tài)呈現(xiàn)，也是基礎零件的延伸。后球體檢測程序的基礎是后蓋的檢測程序，所以在斜孔角度評價上也有延續(xù)。斜孔角度的評價方法尤為重要，決定著零件加工是否成功。選擇斜孔角度的評價方法，是經(jīng)過反復試驗、調(diào)試和調(diào)整所得的結果。

9 結語

本文使用三坐標測量機來完成對斜孔角度的測量工作，通過統(tǒng)計試驗結果，證實了零件在多數(shù)情況下均避免了傳統(tǒng)方式角度尺測量法的測量死角，能夠在充分地滿足對數(shù)據(jù)高精度要求的前提下，大幅節(jié)約檢測消耗時間，有效提高檢測效率。尤其在對復雜零件進行角度檢測時，標準化的檢測程序?qū)α慵z測精度與效率優(yōu)勢更起著至關重要的作用。