三坐標測量機在精密加工中的應用

三坐標測量機是現代化的一種自動測量技術，是高精度、高效率自動化測量技術發展的重要體現。按其機構形式可分為橋式、龍門式、便攜式、懸臂式等，橋式是一種非常普遍的結構形式，大部分公司三坐標測量機均為橋式結構，適合日常教學與應用。三坐標測量機的測量原理是精確測出零件表面的空間三坐標值，經過一定算法擬合成線、面、圓柱、球等測量元素，通過數學計算，得出其形狀、位置及其它幾何量數據。可見，精確測量出零件表面點的坐標，是評價形狀、位置等幾何量誤差的基礎。
 

　　然而，實際的三坐標測量機應用并不充分，主要因為三坐標測量機的操作使用要求具有專業的知識基礎，非專業人員很難進行后期編程等操作，更重要的是，測量方法沒有統一標準，如點的個數、位置等的選取等，企業、高校多依靠經驗豐富的測量人員完成工件檢測、實踐教學等。
 

　　本文針對三坐標測量機的測量過程進行簡要分析，去除人員、經驗、特殊工件對測量流程的影響，提出具有普遍適應性的測量流程，包括分析工件圖紙、設計測量方案、完成測量過程、評價測量結果及打印測量報告等。這些將有助于三坐標測量機的初學人員學習與鞏固，是測量人員形成良好測量習慣和標準測量流程的重要知識基礎。
 

　　1：測量過程分析
 

　　本文以Daisy8106型三坐標測量機為例，測量軟件為AC-DMIS通用型，結合實踐教學，簡要分析三坐標測量的測量規程。
 

　　1.1測量要求與流程
 

　　三坐標測量機是一種精密度很高的測量設備，對工作環境有著嚴格要求，如溫度應控制在20+/-2℃，濕度控制在40%-60%，以及良好的防震保證。
 

　　分析圖紙，根據圖紙要求確定被測量，大致規劃測量過程，如基準的選擇、測點的布置等。
 

　　測量之前要選擇合適的測頭并進行測頭校驗，獲取測球半徑值。測頭校驗一般使用標準球作為基準，測點方法少為五點法，即標準球頂部取一點，赤道上測四點。校驗時，測座、測頭、標準球均要固定良好，且表面潔凈。測頭校驗是開始測量的首要環節，對測量結果影響較大，務必足夠重視。
 

　　為了避免測量時使用機器坐標系帶來的回*，開始測量前還需要建立工件坐標系。建立合適的坐標系是三坐標測量機后續測量的基礎，合理的坐標系將有助于提高測量精度和測量效率，并且，批量檢測時，在編程中建立適當的坐標系可以降低工作強度，提高測量速率。簡單來說，建立坐標系的方法有以下三種：
 

　　①工件位置找正。主要應用于測量規則幾何工件時建立坐標系，對三維模型的存在與否沒有要求。運用該方法建立工件坐標系時必須遵守321法則，即首先在待測工件上采三個以上的點來確定基準平面，其次在工件上測量兩個以上的點來確定基準線，后確定基準點，完成坐標系建立。
 

　　@RPS找正。運用RPS找正建立工件坐標系需要三維模型，主要針對原點不在工件本身、或無法找到相應的基準元素，多用于曲面薄壁、鈑金類零件，如汽車、飛機的配件，這類零件的坐標系多在車身或機身上。
 

　　③三個中心點找正。三個中心點找正建立坐標系的方法簡稱三點找正，需要三維模型，主要針對一些特殊工件需通過三點找正確定工件位置的情況。其中，3個中心點必須是空間的非矢量元素，能確定準確的位置。元素包括點、圓、橢圓、球、方槽、圓槽，但是點必須采點位置準確，圓、橢圓、方槽、圓槽必須投影才可建立坐標系。
 

　　為了得到更加準確的測量數據，測量過程中要注意工件的擺放，以保證工件測點順序與測針移動方向一致，這樣測頭移動更合理、安全。三坐標測量機是通過拾取表面點的空間坐標來完成各種幾何量數據測量的，因此，測點個數及位置等的選取至關重要。理論上，采點越多越好，合理地增加測量點數可有效降低測量的不確定度，實際中，采樣點盡可能多且分布均勻，覆蓋整個元素范圍，并符合元素測量采點規律。另外，也可通過數學計算的方法分析點的個數和位置，Kim等人研究了測點數與測量結果之間的關系，結果表明，測點數越多，測量結果越精確，但實際中應用較少，多以少點數及經驗確定。企業中批量檢測時，過多的測點數會降低測量效率，而要根據測量任務及精度要求，確定測量位置及點數。
 

　　三坐標測量機拾取空間采樣點坐標后，經過數學運算才能得到零件的幾何參數誤差，算法中多采用小二乘法。
 

　　1.2測量結果評價與誤差來源分析
 

　　測量過程完成后，測量結果的分析與評定，主要是誤差來源分析，是高精度產品檢驗的一項要求，直接影響產品評定。它是測量可靠性的表達，定量的計算描述就是測量不確定度。測量不確定度的影響因素主要有以下幾個方面：
 

　　①方法誤差。主要指測量方法不完善引起的誤差，如采點個數及位置的選擇，基準的選擇與測量，工件安裝是否合理等等。測量方法的選擇要建立在對圖紙與零件裝配、功用等的透徹分析基礎上，對于不明確的地方，可以由有經驗人員來把握。
 

　　②設備誤差。指由測量設備本身存在的誤差而引起的測量誤差，一般用測量機的示值誤差或不確定度來表示，它與機器的使用工況有關，因此，三坐標測量機的日常維護保養及定期的精度補償至關重要，另外，測頭部分也是此類誤差的重要來源，如測座不同角度旋轉定位時產生的誤差等。誤差補償技術是修正測量設備誤差的重要方法，科研工作者也進行了深入的研究，是未來提高三坐標測量機測量精度的主要發展趨勢。
 

　　③人員誤差。指測量人員受到自身能力限制，而在測量時引入的誤差，如手動采點時由于測量速度、方向、力度的差異而產生的誤差。測量人員在工作過程中盡量使各種測量影響因素趨于一致、降低到小，如相同的測量力、測量速度均勻過渡等，并盡量使用三坐標測量機自動測量模式，這些在一定程度上可以減小人員誤差。
 

　　④環境誤差。指由于環境因素與測量設備規定的標準狀態不一致而引起的誤差。如溫度、濕度、氣壓、振動、灰塵等，其中以溫度對測量精度的影響大。三坐標測量機工作時的溫度要求是20+/-2℃
 

　　結束語
 

　　三坐標測量機作為一種精密檢測手段，其測量過程要求嚴格。本文就測量過程的主要環節進行了細致的分析，包括測量環境要求、測頭校驗、建立工件坐標系、工件位置擺放及采點個數與位置等，同時，討論了測量過程中誤差產生的來源，如方法誤差、設備誤差、人員誤差、環境誤差，并提出應對策略。實踐證明，良好的測量操作與測量結果誤差分析能夠實現三坐標測量機的高精度、高效率使用，同時，也是測量人員的重要素養要求。