宋立超，韓昀初，于會華，魯剛

威海市食品藥品檢驗檢測研究院 （山東威海 264210）

高效率和高精度是檢驗人員衡量一臺設備或方法是否適用的核心標準之一[1]。因此，高精度、可實現(xiàn)自動化批量檢測的三坐標測量機在工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量檢測中發(fā)揮了重要作用。接觸式三坐標測量機通過探針接觸[2]，記錄所測點的三坐標位置，然后通過設備測量軟件將所測點位收集、分析，擬合成待評定要素[3]，實現(xiàn)同一產(chǎn)品多個要素的評定。

隨著醫(yī)療器械產(chǎn)品質(zhì)量控制的日趨嚴格，如何高效、準確地對產(chǎn)品特性進行檢測是目前臨床研究的方向。以髖臼內(nèi)襯為例，其尺寸測量指標球度徑向偏差使用三坐標測量機測量，通常采用傳統(tǒng)球度測量法和非掃描測量法，前者所采集的球形表面特征區(qū)域較小，無法完整反映球面特征；后者在每個圓要素上采集的點數(shù)較少，易影響球度測量結(jié)果的準確性。而本研究采用分割掃描方法測量球度徑向偏差，從球形頂點將球形分割為4 個象限，每個象限以掃描方式測量140°，既較為完整地掃描了球形各個特征區(qū)域，又采集了較多的測量點，明顯提高了測量結(jié)果的準確性和穩(wěn)定性，現(xiàn)報道如下。

1 材料與方法

1.1 設備

三坐標測量機（日本三豐公司生產(chǎn)，STRATOApex 574 型）。測 量 范 圍 為500 mm×700 mm×400 mm，最大允許誤差=（0.7+2.5L/1000）μm，L=測量長度（mm），探測誤差P=0.6 μm，測量軟件為MCOSMOS-1 v4.2R3，軟件算法為最小二乘法。

1.2 方法

將髖臼內(nèi)襯成品安裝于配套工裝夾具內(nèi)（圖1），平穩(wěn)地置于三坐標測量機臺面上合適的位置，確保髖臼內(nèi)襯的凹球形頂點位于最深點。選擇滿足測量要求的測針，其長度應足以探測至凹球的最深點，校準測針，以確保其精度。手動建立坐標系，以確定工件位置，進入編程環(huán)節(jié)，再次手動建立坐標系，作為測量基準，測量并擬合相關(guān)要素，記錄測量行程，最后評定球度徑向偏差。

圖1 髖臼內(nèi)襯安裝于工裝內(nèi)

1.2.1 建立坐標系

合理的坐標系可以提高檢測的精度和效率[4]。髖臼內(nèi)襯表面無基準平面，因此考慮在凹球形中測量圓，擬合出球形并以球心為原點建立坐標系。將髖臼內(nèi)襯凹球面向上安裝于工裝中，使凹形球面的頂點位于最深點。將樣品和工裝置于三坐標測量機試驗臺面，根據(jù)髖臼內(nèi)襯規(guī)格選擇適宜規(guī)格的測針。測針角度選?。?°，0°），校準測針，然后建立坐標系，以確定髖臼內(nèi)襯的位置。選擇“圓”命令，采集點數(shù)至少3 個，在凹形球面上平行于機械坐標系X、Y 面的任意高度測量規(guī)定數(shù)量的點，擬合出圓1；再次選擇“圓”命令，采集點數(shù)至少3 個，調(diào)整測針高度，在凹形球面上平行于機械坐標系X、Y 面的另一高度測量規(guī)定數(shù)量的點，擬合出圓2。選擇“球”命令，用測量點計算的方式結(jié)合要素圓1 和圓2，擬合出球1，將球1 的球心設置為原點。

1.2.2 分割掃描法球度徑向偏差檢測

打開“CNC 參數(shù)和CNC on”進入編程模式，該模式下需根據(jù)測頭和髖臼內(nèi)襯位置建立適當?shù)闹虚g位置，以記錄行程路徑。重復1.2.1 中的操作，再次建立坐標系，以作為測量基準，分別擬合出圓3、圓4 和球2，將球2 的球心設置為原點。

依據(jù)YY/T 0809.2-2020《外科植入物 部分和全髖關(guān)節(jié)假體 第2 部分：金屬、陶瓷及塑料關(guān)節(jié)面》[5]中A.2 髖臼中提供的第2 種方法編輯程序，使用具有掃描技術(shù)的三坐標測量機，將球體從球形頂點（凹球的最深點）分成4 個45°的象限，每個象限測量140°（距球形頂點2×70°），使用高斯分布確定實際球形的球度[5]。

第1 步，將測頭移動到接近凹形球面球心的位置，選擇“圓”命令，點擊“自動圓測量”進入圓的自動測量模式。在該模式下依據(jù)標準規(guī)范選擇“標準掃描”下的高斯濾波模式，掃描間距依測量要求而定。本方法掃描間距選擇0.02 mm，要素類型選擇“孔”，其直徑依據(jù)凹形球面公稱直徑輸入。在“自動圓測量”界面中，輸入（X，Y，Z）的坐標值（0，0，0），以確保圓心和球心為同一點，驅(qū)動面選擇XZ 面，調(diào)整測量起始角度和終止角度，使測頭能自動測量140°（距球形頂點2×70°），該步驟擬合出圓5。

第2 步，再次選擇“圓”命令，點擊“自動圓測量”進入圓的自動測量模式，在該模式下依據(jù)標準規(guī)范選擇“標準掃描”下的高斯濾波模式，要素類型選擇“孔”，其直徑依據(jù)凹形球面公稱直徑輸入。在“自動圓測量”界面中，輸入（X，Y，Z）的坐標值（0，0，0），以確保圓心和球心為同一點，驅(qū)動面選擇YZ 面，調(diào)整測量起始角度和終止角度，使測頭能自動測量140°（距球形頂點2×70°），該步驟擬合出圓6。

第3 步，選擇“移動和旋轉(zhuǎn)坐標系”命令，將Z 軸旋轉(zhuǎn)45°。重復第1、2 步的操作，分別擬合出圓7、8。

第4 步，選擇“球”命令，點擊“結(jié)合要素”，選擇圓5～8，選擇“用測量點計算”，以擬合出球3（圖2）。圓5～8 將球體從球形頂點（凹球的最深點）分成4 個45°的象限。

圖2 球3 要素繪圖

第5 步，點擊“要素公差檢驗”-“球”要素，選擇球3，根據(jù)標準要求或工藝圖紙，輸入球度徑向偏差規(guī)定值，可與球度實測值進行分析比較。

1.2.3 傳統(tǒng)球度測量

傳統(tǒng)的球度徑向偏差測量方法是在球面上平行于XY 面的不同高度上測量2 個圓要素，將2 個圓要素構(gòu)造成球形，以測量球度徑向偏差。測量圓要素選擇“標準掃描”模式，掃描間距為0.02 mm。相較于分割掃描法球度徑向偏差檢測，其采集球形表面的特征區(qū)域較少。

1.2.4 非掃描測量

非掃描測量為采用點接觸測量的方法檢測球度徑向偏差，與1.2.2 方法比較，其測量圓5～8 時采用點接觸式測量，每個圓要素采集7 個點要素。相較于分割掃描法球度徑向偏差檢測，其在每個圓要素上采集的特征區(qū)域較少。

2 結(jié)果

本研究在20 ℃試驗環(huán)境下分別進行3 種不同方法的球度徑向偏差檢測（均測量10 次）。與分割掃描法比較，傳統(tǒng)球度測量方法測得的球度徑向偏差結(jié)果離散程度較高；非掃描測量方法測得的球度徑向偏差結(jié)果離散程度較低，但結(jié)果整體小于分割掃描法，見表1 及圖3。

表1 不同方法測量的球度徑向偏差結(jié)果

圖3 不同方法測量球度徑向偏差比較

3 討論

根據(jù)測量結(jié)果，傳統(tǒng)球度測量方法較高的離散程度表明，該方法采集球形表面特征區(qū)域較小，無法完整地反映球形表面特征。理論上來說，

測量點在待測面上分布的越多越密集，測量結(jié)果越精確[6]，因此，非掃描測量方法測得的結(jié)果表明點接觸式測量的精度一般不如掃描式測量。

三坐標測量機采用分割掃描法測量髖臼內(nèi)襯球度徑向偏差具備如下優(yōu)點。（1）本方法建立坐標系僅需通過測量2 個不同高度的圓，將兩圓擬合為球，將球心設置為坐標原點即可。（2）象限分割方便。通過旋轉(zhuǎn)坐標系Z 軸45°角，使測針可在旋轉(zhuǎn)后的坐標系中進行XZ 驅(qū)動面和YZ 驅(qū)動面上的自動圓測量，簡化了圓測量的步驟，實現(xiàn)了象限分割。（3）自動化程度較高。對同一批次工件，在程序編輯完成后，進入“CMM 重復模式”，僅需通過探針在凹球面不同高度采集兩個圓要素，即可自動化運行，且工件位置可自由變動，無需考慮工件位置變動對檢測結(jié)果的影響[7]。（4）測量精確度高。三坐標測量機精度最高可達微米級，采用標準掃描方式可以更精確地反映待測量表面的特征。本方法掃描經(jīng)球形頂點在間隔45°角的不同方向上采集更多的圓要素，使擬合出的球形更接近實際球形。

4 結(jié)論

本研究使用三坐標測量機完成對凹球形髖關(guān)節(jié)假體的球度徑向偏差檢測工作，通過掃描采點及編程的方式，實現(xiàn)了對復雜工件關(guān)鍵技術(shù)指標的自動化檢測，提高了檢測的精度和效率。隨著醫(yī)療器械行業(yè)的快速發(fā)展，具備高精度、高效率特點的三坐標測量技術(shù)將在醫(yī)療器械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測方面發(fā)揮越來越重要的作用。