三坐标测量方法的研究

李志芬 逯永 王尧 胡建英

摘 要：在进行三坐标的实际测量的过程中，工件的空间结构存在着一定的复杂性，因此在工件之间的位置和尺寸精度方面具有非常高的要求。由于三坐标测量机实际上是内涵非常高级的测量和处理的软件，因此在实际的测量过程中就会存在着形式公差，空间尺寸方面的处理能力也在不断的增加，对复杂零件的检测具有一定的优势。从目前的发展来看，由于零件被测要素限制在特定的空间之内，造成测量精度受到限制。从一般情况发展来看，其直接性的测量存在着很大的难度。该文首先分析三坐标测量机的实际组成，进而分析三坐标测量机中的坐标系，最终为其实际的测量方法以及应用领域来进行分析。

关键词：三坐标机 测量方法 坐标转换 测量要素构造

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（b）-0022-02

三坐标测量机主要出现于20世纪60年代中后期，其作为一种高效率性的新型精密测量仪器设备投入使用，现在已经广泛应用于机械、汽车、飞机以及电子工业等方面的生产与制造中。三坐标测量仪器不仅可以用于机械零件、模具等具体形状的制作过程中，还需要精确其尺寸的大小、孔位以及孔中心的距离测量等等，以及应用于各种形状轮廓的实际测量。对于空间性的曲面测量，三坐标测量机具有非常大的发展优势，除工作的准确性以及效率性之外，其还能够对测量范围不断的拓宽等，在现代专业测量仪器的发展过程中具有非常重要的指导性含义。

三坐标测量机的实际测量过程中，其需要利用测头来进行测量，进而借助三个坐标的轴导轨来进行三个空间上的方向移动，只要在测量范围之内，测量机的任何测点都能够达到。利用轴测量的方式对测点的三个方面X、Y、Z进行具体位置上的不断精确。在进行被测几何面的测量过程中，根据几个坐标值来进行测量，就能够测量出几何的具体尺寸以及存在的误差性。从另外一个角度来看，在工作台的测量过程中，其可以利用Z轴进行旋转分度转台、环绕X轴旋转式带顶尖座的分度头，为工作人员螺纹测量、齿轮测量以及凸轮测量等提供便利。

1 三坐标测量机的基本组成

坐标测量机实际上是由4个部分构成：测量机主体部分、控制系统部分、侧头侧坐系统部分以及计算机测量软件系统，其中测量机的主体部分作为基础性的功能，其需要根据操作以及程序命令来对零件中的制定位置进行坐标点信息的采集。

控制系统部分主要以下两点：第一，需要三标测量机来进行控制、驱动，借助测量三轴来进行速度、加速度方面的同步控制；第二，当触发信号时，需要对相关数据进行采集和处理，系统处理光栅的实际数量参数，同时还可以记住补偿性质文件对测量机的测量结果进行多达21项的误差补偿，也就是，从各个轴之间的直线度、自转的误差度、两个角摆动的误差度、三个轴之间的垂直度上的误差以及位置上的误差等。此外还需要注重温度数据方面的采集，对温度问题进行充分的补偿。从控制系统方面来看，通过三坐标测量工作状态上的实时监测，诸如，形成控制监测、气压监测、速度监测、读数监测、侧头监测等等，进而根据现实情况采取一定的保护措施，借助扫描侧头的处理来获得准确的数据，借助扫描、计算机等方式来进行信息上的交流。从测头、测座方面来看，其主要包括两方面的内容：一方面就是需要根据命令进行旋转，直至特定的角度；另外一个方面是需要借助测头传感器利用探针去接触被测点，进而发出触发性的信号。

2 三坐标测量机中的坐标系

（1）原始坐标系（开机自带坐标系）：当控制系统处于开合状态时，光栅技术实际上已经开始运转，虽然三坐标测量机实际上是符合坐标系的实际定义，但是却由于三坐标测量机在系统误差的实际补偿并没有进行同步性的激活，这就使得原始坐标系并没有充分地发挥其作用，缺乏实际性含义。

（2）机器坐标系（回机器零位后的坐标系）：测量机在实际的工作过程中，在执行“回家”命令之后，测量机将利用三轴光栅从零点来进行计数。一旦程序的补偿功能被激活，三坐標测量机就能够处于一种正常的工作状态，而此刻的测量主要是任何的坐标点相对于机械的坐标原点而来的，因此被称作是“机器坐标系”。

（3）零件坐标系（以零件为基准建立坐标系）：在测量机械的实际运转过程中，工作人员通常利用零件的基准来进行坐标系的建立，因此应当对其进行公差评价，并且需要借助辅助测量的方式来进行零件位置的测定。而这样的坐标系则被称作是“零件坐标系”。例如，在进行零件坐标系的建立过程中，其需要根据零件图纸上的A、B、C的基准性顺序来进行确定，第二轴则是利用坐标零点来进行。实际上，该顺序是不能够进行颠倒的。由于零件坐标系在实际的使用过程中具有灵活性与方便性，这样就能够为实际的施工者提供便捷性。通过该种方法能够提高检测数据的精密性，在实际的运用过程中，为了能够对于一些具有特殊性的数据来进行测量，相关的工作人员在实际的工作过程中大多借助零件坐标系来作为辅助性的测量工具。

3 测量方法与实际应用探讨

3.1 测量方法

3.1.1 坐标系转换

工作人员在进行工件的实际检测的过程中，其需要根据工件的实际坐标系来完善或者是完成检测性工作，实际上该过程存在非常大的工作难度。在该种情况之下，这就需要对坐标系来进行不断的转换，进而为零件的测量提供便捷性。从目前的发展来看，实际性的测量工作主要包含两种转换方式，旋转性的坐标系以及平移式坐标系。当在实际的测量过程中，其出现斜孔测量的问题时，如果斜孔和坐标轴存在着一定的夹角，这就使得其需要坐标系来进行旋转与转换。因此，在进行坐标的旋转之后，当旋转到一定的角度上其斜孔的方向能够与其中的某一个坐标轴存在着同向性的问题，这就为之后的数据测量以及数据的编程提供了便利性。而在对坐标轴进行旋转之后所测量出的数据可以借助原来的坐标系来进行数据上的分析，在最大程度上的提高实际测量的便捷性、准确性。

3.1.2 构造被测要素法

在进行产品的加工过程中，其中最为重要的部分就是需要检测其实际的工序与尺寸是否合格，这就需要对产品进行送检。但是在实际的检测的过程中，由于受到产品结构等方面的限制使得该产品并没有办法进行直接检验，这就需要相关的工作人员在实际的工作过程中进行被测要素的不断延伸以及被测要素的转换。例如，从一般情况来看，在产品的生产过程中，台阶孔的尺寸在其中具有十分重要的作用。但是由于台阶面自身尺寸的几何图形存在着不规则性，而进行测头监测实际上也存在着非常大的困难。在三坐标检测机的实际使用过程中，其需要借助垫块的方式来进行被测尺寸的不断延伸。当监测结果出现之后，其在将延伸的数据减去之后就是想要的数据。由于检测的产品形状存在着不确定性，这就使得产品的尺寸测量存在着非常大的困难，这就需要利用三坐标测量机来对其数据进行测量与分析，提高整个测量数据的准确性以及便捷性。

3.1.3 转换测量基准法

在进行结构相对复杂的构建来进行测量的过程中，其经常可能存在着基准以及被测量的要素存在着不同面的现象，由于该种工件在结构上具有非常强的特殊性，进而在其精读的要求方面非常的高，因此，传统的检测方式和检测方法并不能够真正地完成实际的测量工作。对于这样的工作方式，其可以采用转换基准法，也就是将被测性要素与中间的基准来进行比较和计算，之后通过不断的换算来明确被测要素、实际基准之间的相互关系。在实际的生产过程中，这就使得其为加工提供便利性，进而将工件反面固定在加工正面，造成了工艺基准、被测要素之间存在着不同面的现象。例如，在壳体形状的加工过程中，其通常利用地面两孔来进行定位，之后对其正面进行再加工。由于其对于加工孔以及底面孔的位置度等方面具有非常严格的要求，这就需要在进行实际测量的过程中进行基准孔的转换，同时还需要注重角度上的定向性。因此，在进行壳体的测量过程中，其可以借助壳体中的两个瞳孔来进行角度方向、转换基准等方面的确定，其在进行实际性的测量过程中，需要利用同一个平面之内两个定位孔来确定实际的基准，进而建立坐标系，之后测量出壳体两孔上的实际坐标值。之后借助工件翻转以及两个通孔角来进行坐标值反置，确定实际的坐标系。

3.2 应用探讨

3.2.1 汽车领域的应用

在进行汽车制造过程中，发动机工厂在实际的生产过程中需要采集相关的尺寸数据，进而确定诸如导向装置总的制度、圆度、拱度以及平行度上的尺寸数据，其他方面的角度、圆度、同心度以及轮廓的尺寸，由于这些零件的形状存在着几何图形的问题，因此在实际的尺寸测量方面存在着非常大的问题，这就需要借助三坐标测量机来进行相关数据的精确，进而将形状公差控制在非常小的差别之中。例如，在进行汽车发动机的建造过程中，零部件实际尺寸数据的精确性对其发展具有十分重要的作用，在实际的生产加工过程中，可以利用三坐标测量机的方式来进行零部件的精确性测量，对于几何图形的零部件进行精确的数据测量，进而提高零部件尺寸的精确性。

3.2.2 航天领域的应用

在进行航空发动机的实际工作过程中，其需要对其中的关键性零件部位来进行不断的研制，而其建设和发展离不开三坐标测量机在其中的重要作用，在进行生产制造的行业发展过程中，质量具有十分重要的作用，同时也是航空制造行业发展的重点。在进行航空发展动机的零部件研制过程中，航空企业在实际的发展过程中对于零部件的检测手段越来越精密化、科学化，因此，在实际的工作过程中，为了能够保障航天行业发展的质量以及实际的工作进度，三坐标测量机则成为了航空企业发展的重要组成部分。例如，在进行航空领域的发展过程中，发动机在整个航天设备发展过程中具有十分重要的作用，但是由于其中大部分的零部件属于一种几何形状，因此进行数据的直接性测量存在一定的困难，这就需要借助三坐标测量机来对其尺寸进行精确性测量，进而提高航天零部件的精确度。

3.3 三坐标检测机发展趋势分析

3.3.1 三坐标测量机有利于提高测量的精密度

在现代化的三坐标测量机的发展过程中，现代化超精细的加工手段使得其在测量的精确度上实现了纳米级别的精度，因此在测量的公差度上需要保证其精确度小于公差的十分之一，因此，在进行相关的工作过程中，利用三坐标测量机来提高其精确性，提高测量仪器的先进性。

3.3.2 三坐标测量机有利于提高实际的测量工作效率

在进行三坐标测量机的实际应用过程中，其能够在一定程度上改进机械的总体结构，注重轻型以及热变形相对较小的新型材料的应用，诸如空心薄壁结构、人工合成材料以及铝陶瓷等等，其有利于提高零部件加工的科学性，实现机械结构的不断改进；三坐标测量机的应用对于提高控制系统的实际使用性能具有十分重要的作用，通过测量机的高速度运动能够保持运动的平稳性，实现测量机工作定位的准确性，保证其不产生震荡；在进行三坐标测量机的实际使用的过程中，其需要采用动态性采集，进而不断地提高测量速度，深入地研究测量机在实际发展中的动态性误差，并且对其中存在的误差来进行补偿，诸如漂浮、测头以及刚度等问题，在最大程度上提高软件实际的运行效率。

4 结语

在进行工业上的几何量的实际工作过程中，坐标测量方式已经成为了目前应用性最广的一种计量技术。实际上，在进行坐标测量机的实际检测的过程中，其实际的取样策略都是需要客户来进行控制，而测量的精确程度实际上与机器的精确度、软件的科学性等方面都具有十分重要的关联。也就是说，三坐标测量机发展优势在于能够进行多样性的几何量来进行测量，其与传统简单性以及单一性的检测仪器具有非常大的差别，这也是其发展的优势。因此，用户在进行三坐标检测机的使用过程中，需要根据实际需要來进行特定探针与特定测头的配置，进而能够确定三坐标测量机的实际检测位置以及检测的数量，同时还需要根据测头的接触零件设定来决定其工作的速度以及实际的工作方向。

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