三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在精密加工中的應(yīng)用

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是現(xiàn)代化的一種自動(dòng)測(cè)量技術(shù)，是高精度、高效率自動(dòng)化測(cè)量技術(shù)發(fā)展的重要體現(xiàn)。按其機(jī)構(gòu)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(jié)構(gòu)形式，大部分公司三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)均為橋式結(jié)構(gòu)，適合日常教學(xué)與應(yīng)用。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量原理是精確測(cè)出零件表面的空間三坐標(biāo)值，經(jīng)過一定算法擬合成線、面、圓柱、球等測(cè)量元素，通過數(shù)學(xué)計(jì)算，得出其形狀、位置及其它幾何量數(shù)據(jù)?？梢?，精確測(cè)量出零件表面點(diǎn)的坐標(biāo)，是評(píng)價(jià)形狀、位置等幾何量誤差的基礎(chǔ)。
 

　　然而，實(shí)際的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)應(yīng)用并不充分，主要因?yàn)槿鴺?biāo)測(cè)量機(jī)的操作使用要求具有專業(yè)的知識(shí)基礎(chǔ)，非專業(yè)人員很難進(jìn)行后期編程等操作，更重要的是，測(cè)量方法沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，如點(diǎn)的個(gè)數(shù)、位置等的選取等，企業(yè)、高校多依靠經(jīng)驗(yàn)豐富的測(cè)量人員完成工件檢測(cè)、實(shí)踐教學(xué)等。
 

　　本文針對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量過程進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，去除人員、經(jīng)驗(yàn)、特殊工件對(duì)測(cè)量流程的影響，提出具有普遍適應(yīng)性的測(cè)量流程，包括分析工件圖紙、設(shè)計(jì)測(cè)量方案、完成測(cè)量過程、評(píng)價(jià)測(cè)量結(jié)果及打印測(cè)量報(bào)告等。這些將有助于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的初學(xué)人員學(xué)習(xí)與鞏固，是測(cè)量人員形成良好測(cè)量習(xí)慣和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量流程的重要知識(shí)基礎(chǔ)。
 

　　1：測(cè)量過程分析
 

　　本文以Daisy8106型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)為例，測(cè)量軟件為AC-DMIS通用型，結(jié)合實(shí)踐教學(xué)，簡(jiǎn)要分析三坐標(biāo)測(cè)量的測(cè)量規(guī)程。
 

　　1.1測(cè)量要求與流程
 

　　三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是一種精密度很高的測(cè)量設(shè)備，對(duì)工作環(huán)境有著嚴(yán)格要求，如溫度應(yīng)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(jù)圖紙要求確定被測(cè)量，大致規(guī)劃測(cè)量過程，如基準(zhǔn)的選擇、測(cè)點(diǎn)的布置等。
 

　　測(cè)量之前要選擇合適的測(cè)頭并進(jìn)行測(cè)頭校驗(yàn)，獲取測(cè)球半徑值。測(cè)頭校驗(yàn)一般使用標(biāo)準(zhǔn)球作為基準(zhǔn)，測(cè)點(diǎn)方法少為五點(diǎn)法，即標(biāo)準(zhǔn)球頂部取一點(diǎn)，赤道上測(cè)四點(diǎn)。校驗(yàn)時(shí)，測(cè)座、測(cè)頭、標(biāo)準(zhǔn)球均要固定良好，且表面潔凈。測(cè)頭校驗(yàn)是開始測(cè)量的首要環(huán)節(jié)，對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大，務(wù)必足夠重視。
 

　　為了避免測(cè)量時(shí)使用機(jī)器坐標(biāo)系帶來的回*，開始測(cè)量前還需要建立工件坐標(biāo)系。建立合適的坐標(biāo)系是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)后續(xù)測(cè)量的基礎(chǔ)，合理的坐標(biāo)系將有助于提高測(cè)量精度和測(cè)量效率，并且，批量檢測(cè)時(shí)，在編程中建立適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系可以降低工作強(qiáng)度，提高測(cè)量速率。簡(jiǎn)單來說，建立坐標(biāo)系的方法有以下三種：
 

　?、俟ぜ恢谜艺Ｖ饕獞?yīng)用于測(cè)量規(guī)則幾何工件時(shí)建立坐標(biāo)系，對(duì)三維模型的存在與否沒有要求。運(yùn)用該方法建立工件坐標(biāo)系時(shí)必須遵守321法則，即首先在待測(cè)工件上采三個(gè)以上的點(diǎn)來確定基準(zhǔn)平面，其次在工件上測(cè)量?jī)蓚€(gè)以上的點(diǎn)來確定基準(zhǔn)線，后確定基準(zhǔn)點(diǎn)，完成坐標(biāo)系建立。
 

　　@RPS找正。運(yùn)用RPS找正建立工件坐標(biāo)系需要三維模型，主要針對(duì)原點(diǎn)不在工件本身、或無法找到相應(yīng)的基準(zhǔn)元素，多用于曲面薄壁、鈑金類零件，如汽車、飛機(jī)的配件，這類零件的坐標(biāo)系多在車身或機(jī)身上。
 

　?、廴齻€(gè)中心點(diǎn)找正。三個(gè)中心點(diǎn)找正建立坐標(biāo)系的方法簡(jiǎn)稱三點(diǎn)找正，需要三維模型，主要針對(duì)一些特殊工件需通過三點(diǎn)找正確定工件位置的情況。其中，3個(gè)中心點(diǎn)必須是空間的非矢量元素，能確定準(zhǔn)確的位置。元素包括點(diǎn)、圓、橢圓、球、方槽、圓槽，但是點(diǎn)必須采點(diǎn)位置準(zhǔn)確，圓、橢圓、方槽、圓槽必須投影才可建立坐標(biāo)系。
 

　　為了得到更加準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)，測(cè)量過程中要注意工件的擺放，以保證工件測(cè)點(diǎn)順序與測(cè)針移動(dòng)方向一致，這樣測(cè)頭移動(dòng)更合理、安全。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是通過拾取表面點(diǎn)的空間坐標(biāo)來完成各種幾何量數(shù)據(jù)測(cè)量的，因此，測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)及位置等的選取至關(guān)重要。理論上，采點(diǎn)越多越好，合理地增加測(cè)量點(diǎn)數(shù)可有效降低測(cè)量的不確定度，實(shí)際中，采樣點(diǎn)盡可能多且分布均勻，覆蓋整個(gè)元素范圍，并符合元素測(cè)量采點(diǎn)規(guī)律。另外，也可通過數(shù)學(xué)計(jì)算的方法分析點(diǎn)的個(gè)數(shù)和位置，Kim等人研究了測(cè)點(diǎn)數(shù)與測(cè)量結(jié)果之間的關(guān)系，結(jié)果表明，測(cè)點(diǎn)數(shù)越多，測(cè)量結(jié)果越精確，但實(shí)際中應(yīng)用較少，多以少點(diǎn)數(shù)及經(jīng)驗(yàn)確定。企業(yè)中批量檢測(cè)時(shí)，過多的測(cè)點(diǎn)數(shù)會(huì)降低測(cè)量效率，而要根據(jù)測(cè)量任務(wù)及精度要求，確定測(cè)量位置及點(diǎn)數(shù)。
 

　　三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)拾取空間采樣點(diǎn)坐標(biāo)后，經(jīng)過數(shù)學(xué)運(yùn)算才能得到零件的幾何參數(shù)誤差，算法中多采用小二乘法。
 

　　1.2測(cè)量結(jié)果評(píng)價(jià)與誤差來源分析
 

　　測(cè)量過程完成后，測(cè)量結(jié)果的分析與評(píng)定，主要是誤差來源分析，是高精度產(chǎn)品檢驗(yàn)的一項(xiàng)要求，直接影響產(chǎn)品評(píng)定。它是測(cè)量可靠性的表達(dá)，定量的計(jì)算描述就是測(cè)量不確定度。測(cè)量不確定度的影響因素主要有以下幾個(gè)方面：
 

　　①方法誤差。主要指測(cè)量方法不*引起的誤差，如采點(diǎn)個(gè)數(shù)及位置的選擇，基準(zhǔn)的選擇與測(cè)量，工件安裝是否合理等等。測(cè)量方法的選擇要建立在對(duì)圖紙與零件裝配、功用等的透徹分析基礎(chǔ)上，對(duì)于不明確的地方，可以由有經(jīng)驗(yàn)人員來把握。
 

　?、谠O(shè)備誤差。指由測(cè)量設(shè)備本身存在的誤差而引起的測(cè)量誤差，一般用測(cè)量機(jī)的示值誤差或不確定度來表示，它與機(jī)器的使用工況有關(guān)，因此，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的日常維護(hù)保養(yǎng)及定期的精度補(bǔ)償至關(guān)重要，另外，測(cè)頭部分也是此類誤差的重要來源，如測(cè)座不同角度旋轉(zhuǎn)定位時(shí)產(chǎn)生的誤差等。誤差補(bǔ)償技術(shù)是修正測(cè)量設(shè)備誤差的重要方法，科研工作者也進(jìn)行了深入的研究，是未來提高三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量精度的主要發(fā)展趨勢(shì)。
 

　?、廴藛T誤差。指測(cè)量人員受到自身能力限制，而在測(cè)量時(shí)引入的誤差，如手動(dòng)采點(diǎn)時(shí)由于測(cè)量速度、方向、力度的差異而產(chǎn)生的誤差。測(cè)量人員在工作過程中盡量使各種測(cè)量影響因素趨于一致、降低到小，如相同的測(cè)量力、測(cè)量速度均勻過渡等，并盡量使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)自動(dòng)測(cè)量模式，這些在一定程度上可以減小人員誤差。
 

　?、墉h(huán)境誤差。指由于環(huán)境因素與測(cè)量設(shè)備規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)不一致而引起的誤差。如溫度、濕度、氣壓、振動(dòng)、灰塵等，其中以溫度對(duì)測(cè)量精度的影響大。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)工作時(shí)的溫度要求是20+/-2℃
 

　　結(jié)束語
 

　　三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)作為一種精密檢測(cè)手段，其測(cè)量過程要求嚴(yán)格。本文就測(cè)量過程的主要環(huán)節(jié)進(jìn)行了細(xì)致的分析，包括測(cè)量環(huán)境要求、測(cè)頭校驗(yàn)、建立工件坐標(biāo)系、工件位置擺放及采點(diǎn)個(gè)數(shù)與位置等，同時(shí)，討論了測(cè)量過程中誤差產(chǎn)生的來源，如方法誤差、設(shè)備誤差、人員誤差、環(huán)境誤差，并提出應(yīng)對(duì)策略。實(shí)踐證明，良好的測(cè)量操作與測(cè)量結(jié)果誤差分析能夠?qū)崿F(xiàn)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的高精度、高效率使用，同時(shí)，也是測(cè)量人員的重要素養(yǎng)要求。