坐标测量机在几何量精密测量实验教学中的应用

李 旻

（华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州 510641）

在几何量精密测量的方法中，传统的平台检测法检测周期长，无法处理复杂的零件与曲面。专用检测器具柔性差，费用高。三坐标测量机可代替多种表面测量工具及昂贵的组合量规，缩短测量时间。三坐标测量机是一种以精密机械为基础，集光、机、电、计算机综合为一体的多功能精密计量测试设备，是一种通用性强、自动化程度高、精度高的测量系统，在先进制造技术和科学研究中，有着极其广泛的应用。三坐标测量机可以在工件一次装夹的情况下，通过探头的有效组合，完成零件中几乎所有几何元素的测量工作，它还可借助于其中自带的测量软件，在测量过程中完成对所测要素尺寸的计算与误差分析。

1 坐标测量机的测量过程

华南理工大学机械基础实验教学中心购置了美国Cim-Core公司的STINGER II三坐标柔性测量系统（图1）。

图1 STINGER II关节式测量机

该系统是目前市场上性价比最高的柔性测量臂系统之一，能够完成各种测量、检测任务以及逆向工程系统应用。该系统使用了主轴无限转动专利技术；采用了新一代ZERO-G平衡杆系统，可平衡测量臂的大部分自重，实现单手操作；碳石墨纤维材料臂身强度高，温度稳定性是铝的25倍，使得系统对环境要求极低；附带美国国家标准局（NIST）认证的长度标准尺，可随时对系统进行快速校准。

1.1 STINGER II的主要性能指标

测量空间为1.8m；

单点测量精度为0.015mm；点测重复精度为0.040mm；

空间长度测量精度为0.055mm。

STINGER II柔性测量系统，采用具有强大CAD功能的通用测量软件PC-DMIS。PC-DMIS软件用户界面简捷，能引导使用者进行零件编程、参数设置和工件检测，其一体化的图形功能，能够将检测数据生成可视化的图形报告。不管是简单的箱体类工件，还是复杂的轮廓和曲面，PC-DMIS软件都可帮助操作者高速、高效率和高精度进行测量。

1.2 三坐标测量机的测量流程

三坐标测量机的测量流程如下：

（1）固定好机器；

（2）检查并保证机器电源稳定且处于接地状态；

（3）分析图纸，确定需要测量的元素及其基准；

（4）固定好工件，确保在机器的有效范围内能把工件一次测量完整（若需做蛙跳则先规划好）；

（5）开启电源，机器复位；

（6）建立零件坐标系；

（7）进行检测项目元素的测量；

（8）进行形状、位置误差评价。

2 几何量精密测量实验教学现状

实验课是“互换性与技术测量”（又称“几何量公差与检测”，简称“互换性”）课程的重要实践环节。通过实验，学生可加深对课堂教学内容的理解，掌握几何参数测量、几何量计量器具的原理及测量方法，增强对互换性和公差基本概念的感性认识，培养正确使用常用计量器具以及处理测量结果的能力。大部分高校开出的“互换性”课程实验有“圆柱体塞规的测量”、“导轨直线度误差的测量”、“表面粗糙度的测量”、“圆柱螺纹的测量”、“齿轮齿距累积误差和齿距偏差的测量”和“齿轮公法线长度变动量及公法线平均长度偏差测量”实验。

这些实验项目都属于验证性、单一性实验，表现为实验目标的低层面和实验项目的独立性，教学目标还停留在对理论知识的验证及加深理解的层面上，而且是针对课本教材的某一章节来设计的，实验内容所涉及的知识面较窄，缺乏各学科知识点的关联性和交互性，实验手段比较单一，所用的大都还是传统的测试仪器设备。“互换性”课程实验缺少设计性、综合性的实验，不利于培养学生的开拓创新意识和分析解决问题的实践能力。

3 坐标测量机在几何量精密测量实验教学中的应用

3.1 在单一性实验教学中的应用

下面以平面度、同轴度误差的检测为例，对传统测量法与坐标测量机测量法进行对比。

3.1.1 平面度误差的检测

平面度误差的传统测量方法很多。对于平面度要求很高的小平面，可以用平晶测量，根据产生的干涉条纹进行计算，可得平面度误差。对于大平面，特别是刮削平面，生产现场常用涂色法进行检测。对于一般平面，广泛使用的是打表法、水平仪法等方法，图2所示为用指示表测量平面度误差。将工件支承在平板上，借助指示表调整被测平面对角线上的a与b两点，使这两点等高，再调整另一对角线上的c与d两点，使其等高。然后按一定布点移动指示表，测量平面上的点，指示表的最大与最小读数之差，即为该平面的平面度误差。传统的测量方法，容易出现较大测量误差，调平很麻烦，打表点数有限，并不能确定真正的最大值和最小值，是否调平也受到操作人员熟练程度的影响。

图2 打表法测量平面度误差

用三坐标测量机来测量平面度误差，则既方便又准确。在三坐标测量系统中，平面是被作为一种特征元素来测量的。特征元素的测量，可以通过手动方式或自动方式来实现。手动方式是指首先通过手动采集该元素上的足够点数，计算机会自动生成该元素的特征参数及测量信息；自动方式是指在自动特征的相应菜单里通过下列三种方式获得测量元素的理论参数，进行自动测量：

（1）鼠标点取CAD上的特征元素；

（2）通过键盘输入该元素的理论数据；

（3）根据屏幕左下角状态栏的提示，手动测量该元素的足够采样点数获得理论数据，然后进行自动测量。测量平面度误差至少应测4点，点数越多，越能反映真实的平面度

图3所示为PC-DMIS软件界面显示的平面度测量结果。

图3 PC-DM IS软件界面的平面度测量结果

3.1.2 同轴度误差的检测

图4所示为用传统测量方法测量某台阶轴Φd对两端Φd1轴线组成的公共轴线的同轴度误差。测量时，将工件放置在两个等高的V形架上，沿铅垂轴截面的两条素线测量，记录两指示表在各测点读数差，取各测点读数差绝对值的最大值，为该轴截面轴线的同轴度误差。转动工件，按上述方法测量若干个轴截面，取其中最大的误差值，作为其同轴度误差。

图4 同轴度误差的检测

用三坐标测量机测量同轴度误差时，首先要确立基准轴线，基准应根据零件的技术要求来确定。建立坐标系时，通常是采集两个截面圆，每个截面圆至少6个点，计算机自动构造生成一条圆柱轴线，将该轴线作为坐标系的第一轴。然后测量被测元素，用同样的方法采集被测元素的表面一系列点，应注意，测量点应该尽可能在全长范围内均匀分布。测量完毕后，构造生成一根轴线。最后进行评价，一般是由系统自动计算评价，也可以根据坐标系中被测元素与基准的关系手动计算完成。

3.2 在综合设计性实验教学中的应用

可让学生采用三坐标测量机，对减速器齿轮轴和减速器箱体误差进行测量。实验前首先要求学生在分析减速器的工作原理以及各零件功能的基础上，根据课堂所学的理论知识对减速器齿轮轴和箱体各部分，提出尺寸公差和形位公差的要求，并说明提出该要求的依据以及如何选取基准。实验时，将减速器齿轮轴和箱体的产品设计图纸提供给学生，让他们分析自己的设计与产品设计图纸的差别，这样做可使学生懂得如何选择形位公差项目和公差等级以及如何标注，从而为后续的“机械设计”以及“机械制造工艺”等课程打下良好的基础。

学生在读懂齿轮轴和箱体的设计图纸之后，由学生根据零件图纸拟订实验方案，设计测量内容。学生首先必须画图标注各种公差配合来设计实验方案和确定测量内容，实验方案必须经指导老师审阅通过后，才能实施。指导老师讲解三坐标测量机的工作原理和操作规程之后，监督指导学生操作三坐标测量机，对零件的有关尺寸和形位误差进行测量，最后对获得的测量数据进行处理，获得最终结果，对零件是否符合设计要求做出判断。

4 结束语

将三坐标测量机引入实验教学，能使学生对互换性与技术测量从理论到实践获得全新的认识，拓宽其知识面。学生可对高精度的三维传感器、精密光栅尺系统、计算机控制等的实际应用能有更深刻、更直观的认识。学生通过基于三坐标测量机的综合设计性实验，能主动地综合运用所学的多门课的知识，能掌握很多公差技术概念，从而能培养学生查阅文献资料的能力、独立分析实验数据的能力、以及综合运用所学知识和基本技能解决实际问题的能力。最终使学生的工程实践能力得到提高，学生的就业竞争力得到增强。

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