三坐標(biāo)測(cè)量方法的研究

李志芬 逯永 王堯 胡建英

摘 要：在進(jìn)行三坐標(biāo)的實(shí)際測(cè)量的過程中，工件的空間結(jié)構(gòu)存在著一定的復(fù)雜性，因此在工件之間的位置和尺寸精度方面具有非常高的要求。由于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)實(shí)際上是內(nèi)涵非常高級(jí)的測(cè)量和處理的軟件，因此在實(shí)際的測(cè)量過程中就會(huì)存在著形式公差，空間尺寸方面的處理能力也在不斷的增加，對(duì)復(fù)雜零件的檢測(cè)具有一定的優(yōu)勢(shì)。從目前的發(fā)展來看，由于零件被測(cè)要素限制在特定的空間之內(nèi)，造成測(cè)量精度受到限制。從一般情況發(fā)展來看，其直接性的測(cè)量存在著很大的難度。該文首先分析三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的實(shí)際組成，進(jìn)而分析三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)中的坐標(biāo)系，最終為其實(shí)際的測(cè)量方法以及應(yīng)用領(lǐng)域來進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：三坐標(biāo)機(jī) 測(cè)量方法 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 測(cè)量要素構(gòu)造

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（b）-0022-02

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)主要出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代中后期，其作為一種高效率性的新型精密測(cè)量?jī)x器設(shè)備投入使用，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車、飛機(jī)以及電子工業(yè)等方面的生產(chǎn)與制造中。三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x器不僅可以用于機(jī)械零件、模具等具體形狀的制作過程中，還需要精確其尺寸的大小、孔位以及孔中心的距離測(cè)量等等，以及應(yīng)用于各種形狀輪廓的實(shí)際測(cè)量。對(duì)于空間性的曲面測(cè)量，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)具有非常大的發(fā)展優(yōu)勢(shì)，除工作的準(zhǔn)確性以及效率性之外，其還能夠?qū)y(cè)量范圍不斷的拓寬等，在現(xiàn)代專業(yè)測(cè)量?jī)x器的發(fā)展過程中具有非常重要的指導(dǎo)性含義。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的實(shí)際測(cè)量過程中，其需要利用測(cè)頭來進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而借助三個(gè)坐標(biāo)的軸導(dǎo)軌來進(jìn)行三個(gè)空間上的方向移動(dòng)，只要在測(cè)量范圍之內(nèi)，測(cè)量機(jī)的任何測(cè)點(diǎn)都能夠達(dá)到。利用軸測(cè)量的方式對(duì)測(cè)點(diǎn)的三個(gè)方面X、Y、Z進(jìn)行具體位置上的不斷精確。在進(jìn)行被測(cè)幾何面的測(cè)量過程中，根據(jù)幾個(gè)坐標(biāo)值來進(jìn)行測(cè)量，就能夠測(cè)量出幾何的具體尺寸以及存在的誤差性。從另外一個(gè)角度來看，在工作臺(tái)的測(cè)量過程中，其可以利用Z軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)分度轉(zhuǎn)臺(tái)、環(huán)繞X軸旋轉(zhuǎn)式帶頂尖座的分度頭，為工作人員螺紋測(cè)量、齒輪測(cè)量以及凸輪測(cè)量等提供便利。

1 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的基本組成

坐標(biāo)測(cè)量機(jī)實(shí)際上是由4個(gè)部分構(gòu)成：測(cè)量機(jī)主體部分、控制系統(tǒng)部分、側(cè)頭側(cè)坐系統(tǒng)部分以及計(jì)算機(jī)測(cè)量軟件系統(tǒng)，其中測(cè)量機(jī)的主體部分作為基礎(chǔ)性的功能，其需要根據(jù)操作以及程序命令來對(duì)零件中的制定位置進(jìn)行坐標(biāo)點(diǎn)信息的采集。

控制系統(tǒng)部分主要以下兩點(diǎn)：第一，需要三標(biāo)測(cè)量機(jī)來進(jìn)行控制、驅(qū)動(dòng)，借助測(cè)量三軸來進(jìn)行速度、加速度方面的同步控制；第二，當(dāng)觸發(fā)信號(hào)時(shí)，需要對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，系統(tǒng)處理光柵的實(shí)際數(shù)量參數(shù)，同時(shí)還可以記住補(bǔ)償性質(zhì)文件對(duì)測(cè)量機(jī)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行多達(dá)21項(xiàng)的誤差補(bǔ)償，也就是，從各個(gè)軸之間的直線度、自轉(zhuǎn)的誤差度、兩個(gè)角擺動(dòng)的誤差度、三個(gè)軸之間的垂直度上的誤差以及位置上的誤差等。此外還需要注重溫度數(shù)據(jù)方面的采集，對(duì)溫度問題進(jìn)行充分的補(bǔ)償。從控制系統(tǒng)方面來看，通過三坐標(biāo)測(cè)量工作狀態(tài)上的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，諸如，形成控制監(jiān)測(cè)、氣壓監(jiān)測(cè)、速度監(jiān)測(cè)、讀數(shù)監(jiān)測(cè)、側(cè)頭監(jiān)測(cè)等等，進(jìn)而根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況采取一定的保護(hù)措施，借助掃描側(cè)頭的處理來獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，借助掃描、計(jì)算機(jī)等方式來進(jìn)行信息上的交流。從測(cè)頭、測(cè)座方面來看，其主要包括兩方面的內(nèi)容：一方面就是需要根據(jù)命令進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，直至特定的角度；另外一個(gè)方面是需要借助測(cè)頭傳感器利用探針去接觸被測(cè)點(diǎn)，進(jìn)而發(fā)出觸發(fā)性的信號(hào)。

2 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)中的坐標(biāo)系

（1）原始坐標(biāo)系（開機(jī)自帶坐標(biāo)系）：當(dāng)控制系統(tǒng)處于開合狀態(tài)時(shí)，光柵技術(shù)實(shí)際上已經(jīng)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，雖然三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)實(shí)際上是符合坐標(biāo)系的實(shí)際定義，但是卻由于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在系統(tǒng)誤差的實(shí)際補(bǔ)償并沒有進(jìn)行同步性的激活，這就使得原始坐標(biāo)系并沒有充分地發(fā)揮其作用，缺乏實(shí)際性含義。

（2）機(jī)器坐標(biāo)系（回機(jī)器零位后的坐標(biāo)系）：測(cè)量機(jī)在實(shí)際的工作過程中，在執(zhí)行“回家”命令之后，測(cè)量機(jī)將利用三軸光柵從零點(diǎn)來進(jìn)行計(jì)數(shù)。一旦程序的補(bǔ)償功能被激活，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)就能夠處于一種正常的工作狀態(tài)，而此刻的測(cè)量主要是任何的坐標(biāo)點(diǎn)相對(duì)于機(jī)械的坐標(biāo)原點(diǎn)而來的，因此被稱作是“機(jī)器坐標(biāo)系”。

（3）零件坐標(biāo)系（以零件為基準(zhǔn)建立坐標(biāo)系）：在測(cè)量機(jī)械的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，工作人員通常利用零件的基準(zhǔn)來進(jìn)行坐標(biāo)系的建立，因此應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行公差評(píng)價(jià)，并且需要借助輔助測(cè)量的方式來進(jìn)行零件位置的測(cè)定。而這樣的坐標(biāo)系則被稱作是“零件坐標(biāo)系”。例如，在進(jìn)行零件坐標(biāo)系的建立過程中，其需要根據(jù)零件圖紙上的A、B、C的基準(zhǔn)性順序來進(jìn)行確定，第二軸則是利用坐標(biāo)零點(diǎn)來進(jìn)行。實(shí)際上，該順序是不能夠進(jìn)行顛倒的。由于零件坐標(biāo)系在實(shí)際的使用過程中具有靈活性與方便性，這樣就能夠?yàn)閷?shí)際的施工者提供便捷性。通過該種方法能夠提高檢測(cè)數(shù)據(jù)的精密性，在實(shí)際的運(yùn)用過程中，為了能夠?qū)τ谝恍┚哂刑厥庑缘臄?shù)據(jù)來進(jìn)行測(cè)量，相關(guān)的工作人員在實(shí)際的工作過程中大多借助零件坐標(biāo)系來作為輔助性的測(cè)量工具。

3 測(cè)量方法與實(shí)際應(yīng)用探討

3.1 測(cè)量方法

3.1.1 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

工作人員在進(jìn)行工件的實(shí)際檢測(cè)的過程中，其需要根據(jù)工件的實(shí)際坐標(biāo)系來完善或者是完成檢測(cè)性工作，實(shí)際上該過程存在非常大的工作難度。在該種情況之下，這就需要對(duì)坐標(biāo)系來進(jìn)行不斷的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而為零件的測(cè)量提供便捷性。從目前的發(fā)展來看，實(shí)際性的測(cè)量工作主要包含兩種轉(zhuǎn)換方式，旋轉(zhuǎn)性的坐標(biāo)系以及平移式坐標(biāo)系。當(dāng)在實(shí)際的測(cè)量過程中，其出現(xiàn)斜孔測(cè)量的問題時(shí)，如果斜孔和坐標(biāo)軸存在著一定的夾角，這就使得其需要坐標(biāo)系來進(jìn)行旋轉(zhuǎn)與轉(zhuǎn)換。因此，在進(jìn)行坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)之后，當(dāng)旋轉(zhuǎn)到一定的角度上其斜孔的方向能夠與其中的某一個(gè)坐標(biāo)軸存在著同向性的問題，這就為之后的數(shù)據(jù)測(cè)量以及數(shù)據(jù)的編程提供了便利性。而在對(duì)坐標(biāo)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)之后所測(cè)量出的數(shù)據(jù)可以借助原來的坐標(biāo)系來進(jìn)行數(shù)據(jù)上的分析，在最大程度上的提高實(shí)際測(cè)量的便捷性、準(zhǔn)確性。

3.1.2 構(gòu)造被測(cè)要素法

在進(jìn)行產(chǎn)品的加工過程中，其中最為重要的部分就是需要檢測(cè)其實(shí)際的工序與尺寸是否合格，這就需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行送檢。但是在實(shí)際的檢測(cè)的過程中，由于受到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等方面的限制使得該產(chǎn)品并沒有辦法進(jìn)行直接檢驗(yàn)，這就需要相關(guān)的工作人員在實(shí)際的工作過程中進(jìn)行被測(cè)要素的不斷延伸以及被測(cè)要素的轉(zhuǎn)換。例如，從一般情況來看，在產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，臺(tái)階孔的尺寸在其中具有十分重要的作用。但是由于臺(tái)階面自身尺寸的幾何圖形存在著不規(guī)則性，而進(jìn)行測(cè)頭監(jiān)測(cè)實(shí)際上也存在著非常大的困難。在三坐標(biāo)檢測(cè)機(jī)的實(shí)際使用過程中，其需要借助墊塊的方式來進(jìn)行被測(cè)尺寸的不斷延伸。當(dāng)監(jiān)測(cè)結(jié)果出現(xiàn)之后，其在將延伸的數(shù)據(jù)減去之后就是想要的數(shù)據(jù)。由于檢測(cè)的產(chǎn)品形狀存在著不確定性，這就使得產(chǎn)品的尺寸測(cè)量存在著非常大的困難，這就需要利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)來對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量與分析，提高整個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及便捷性。

3.1.3 轉(zhuǎn)換測(cè)量基準(zhǔn)法

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的構(gòu)建來進(jìn)行測(cè)量的過程中，其經(jīng)?？赡艽嬖谥鶞?zhǔn)以及被測(cè)量的要素存在著不同面的現(xiàn)象，由于該種工件在結(jié)構(gòu)上具有非常強(qiáng)的特殊性，進(jìn)而在其精讀的要求方面非常的高，因此，傳統(tǒng)的檢測(cè)方式和檢測(cè)方法并不能夠真正地完成實(shí)際的測(cè)量工作。對(duì)于這樣的工作方式，其可以采用轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)法，也就是將被測(cè)性要素與中間的基準(zhǔn)來進(jìn)行比較和計(jì)算，之后通過不斷的換算來明確被測(cè)要素、實(shí)際基準(zhǔn)之間的相互關(guān)系。在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，這就使得其為加工提供便利性，進(jìn)而將工件反面固定在加工正面，造成了工藝基準(zhǔn)、被測(cè)要素之間存在著不同面的現(xiàn)象。例如，在殼體形狀的加工過程中，其通常利用地面兩孔來進(jìn)行定位，之后對(duì)其正面進(jìn)行再加工。由于其對(duì)于加工孔以及底面孔的位置度等方面具有非常嚴(yán)格的要求，這就需要在進(jìn)行實(shí)際測(cè)量的過程中進(jìn)行基準(zhǔn)孔的轉(zhuǎn)換，同時(shí)還需要注重角度上的定向性。因此，在進(jìn)行殼體的測(cè)量過程中，其可以借助殼體中的兩個(gè)瞳孔來進(jìn)行角度方向、轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)等方面的確定，其在進(jìn)行實(shí)際性的測(cè)量過程中，需要利用同一個(gè)平面之內(nèi)兩個(gè)定位孔來確定實(shí)際的基準(zhǔn)，進(jìn)而建立坐標(biāo)系，之后測(cè)量出殼體兩孔上的實(shí)際坐標(biāo)值。之后借助工件翻轉(zhuǎn)以及兩個(gè)通孔角來進(jìn)行坐標(biāo)值反置，確定實(shí)際的坐標(biāo)系。

3.2 應(yīng)用探討

3.2.1 汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

在進(jìn)行汽車制造過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)工廠在實(shí)際的生產(chǎn)過程中需要采集相關(guān)的尺寸數(shù)據(jù)，進(jìn)而確定諸如導(dǎo)向裝置總的制度、圓度、拱度以及平行度上的尺寸數(shù)據(jù)，其他方面的角度、圓度、同心度以及輪廓的尺寸，由于這些零件的形狀存在著幾何圖形的問題，因此在實(shí)際的尺寸測(cè)量方面存在著非常大的問題，這就需要借助三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)來進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的精確，進(jìn)而將形狀公差控制在非常小的差別之中。例如，在進(jìn)行汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的建造過程中，零部件實(shí)際尺寸數(shù)據(jù)的精確性對(duì)其發(fā)展具有十分重要的作用，在實(shí)際的生產(chǎn)加工過程中，可以利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的方式來進(jìn)行零部件的精確性測(cè)量，對(duì)于幾何圖形的零部件進(jìn)行精確的數(shù)據(jù)測(cè)量，進(jìn)而提高零部件尺寸的精確性。

3.2.2 航天領(lǐng)域的應(yīng)用

在進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作過程中，其需要對(duì)其中的關(guān)鍵性零件部位來進(jìn)行不斷的研制，而其建設(shè)和發(fā)展離不開三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在其中的重要作用，在進(jìn)行生產(chǎn)制造的行業(yè)發(fā)展過程中，質(zhì)量具有十分重要的作用，同時(shí)也是航空制造行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。在進(jìn)行航空發(fā)展動(dòng)機(jī)的零部件研制過程中，航空企業(yè)在實(shí)際的發(fā)展過程中對(duì)于零部件的檢測(cè)手段越來越精密化、科學(xué)化，因此，在實(shí)際的工作過程中，為了能夠保障航天行業(yè)發(fā)展的質(zhì)量以及實(shí)際的工作進(jìn)度，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)則成為了航空企業(yè)發(fā)展的重要組成部分。例如，在進(jìn)行航空領(lǐng)域的發(fā)展過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)航天設(shè)備發(fā)展過程中具有十分重要的作用，但是由于其中大部分的零部件屬于一種幾何形狀，因此進(jìn)行數(shù)據(jù)的直接性測(cè)量存在一定的困難，這就需要借助三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)來對(duì)其尺寸進(jìn)行精確性測(cè)量，進(jìn)而提高航天零部件的精確度。

3.3 三坐標(biāo)檢測(cè)機(jī)發(fā)展趨勢(shì)分析

3.3.1 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)有利于提高測(cè)量的精密度

在現(xiàn)代化的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的發(fā)展過程中，現(xiàn)代化超精細(xì)的加工手段使得其在測(cè)量的精確度上實(shí)現(xiàn)了納米級(jí)別的精度，因此在測(cè)量的公差度上需要保證其精確度小于公差的十分之一，因此，在進(jìn)行相關(guān)的工作過程中，利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)來提高其精確性，提高測(cè)量?jī)x器的先進(jìn)性。

3.3.2 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)有利于提高實(shí)際的測(cè)量工作效率

在進(jìn)行三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的實(shí)際應(yīng)用過程中，其能夠在一定程度上改進(jìn)機(jī)械的總體結(jié)構(gòu)，注重輕型以及熱變形相對(duì)較小的新型材料的應(yīng)用，諸如空心薄壁結(jié)構(gòu)、人工合成材料以及鋁陶瓷等等，其有利于提高零部件加工的科學(xué)性，實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)；三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的應(yīng)用對(duì)于提高控制系統(tǒng)的實(shí)際使用性能具有十分重要的作用，通過測(cè)量機(jī)的高速度運(yùn)動(dòng)能夠保持運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，實(shí)現(xiàn)測(cè)量機(jī)工作定位的準(zhǔn)確性，保證其不產(chǎn)生震蕩；在進(jìn)行三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的實(shí)際使用的過程中，其需要采用動(dòng)態(tài)性采集，進(jìn)而不斷地提高測(cè)量速度，深入地研究測(cè)量機(jī)在實(shí)際發(fā)展中的動(dòng)態(tài)性誤差，并且對(duì)其中存在的誤差來進(jìn)行補(bǔ)償，諸如漂浮、測(cè)頭以及剛度等問題，在最大程度上提高軟件實(shí)際的運(yùn)行效率。

4 結(jié)語(yǔ)

在進(jìn)行工業(yè)上的幾何量的實(shí)際工作過程中，坐標(biāo)測(cè)量方式已經(jīng)成為了目前應(yīng)用性最廣的一種計(jì)量技術(shù)。實(shí)際上，在進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的實(shí)際檢測(cè)的過程中，其實(shí)際的取樣策略都是需要客戶來進(jìn)行控制，而測(cè)量的精確程度實(shí)際上與機(jī)器的精確度、軟件的科學(xué)性等方面都具有十分重要的關(guān)聯(lián)。也就是說，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)發(fā)展優(yōu)勢(shì)在于能夠進(jìn)行多樣性的幾何量來進(jìn)行測(cè)量，其與傳統(tǒng)簡(jiǎn)單性以及單一性的檢測(cè)儀器具有非常大的差別，這也是其發(fā)展的優(yōu)勢(shì)。因此，用戶在進(jìn)行三坐標(biāo)檢測(cè)機(jī)的使用過程中，需要根據(jù)實(shí)際需要來進(jìn)行特定探針與特定測(cè)頭的配置，進(jìn)而能夠確定三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的實(shí)際檢測(cè)位置以及檢測(cè)的數(shù)量，同時(shí)還需要根據(jù)測(cè)頭的接觸零件設(shè)定來決定其工作的速度以及實(shí)際的工作方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 丁希侖，孫娜，解玉文，等.一種新型的接觸式曲面測(cè)量機(jī)器人系統(tǒng)[J].中國(guó)機(jī)械工程，2007，18（18）：2233-2236.

[2] 李劍，王文，陳子辰.自由曲面測(cè)量若干關(guān)鍵問題的研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2001，20（5）：764-766.

[3] 石照耀，張斌，林家春，等.坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)半世紀(jì)——演變與趨勢(shì)[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，37（5）：648-656.

[4] 黃奎，莫健華，鐘凱，等.柔性關(guān)節(jié)臂式測(cè)量機(jī)的誤差仿真分析[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32（10）：1346-1352.

[5] 陳明，劉新宇.基于CAD模型的三坐標(biāo)機(jī)矢量檢測(cè)方法與誤差分析[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006（25）：218-220.

[6] 張鳳林，虞和濟(jì)，虞鋼.空間自由曲面測(cè)量技術(shù)的動(dòng)態(tài)與發(fā)展[J].現(xiàn)代計(jì)量測(cè)試，1998（5）：3-6.

[7] 徐巧玉.大型裝備在線三維視覺測(cè)量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007：43-48.

[8] 彭凱.基于光靶標(biāo)的雙相機(jī)三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].天津：天津大學(xué)，2007：12-20.

[9] 石照耀，謝華錕，費(fèi)業(yè)泰.復(fù)雜曲面測(cè)量技術(shù)的研究綜述[J].機(jī)械工藝師，2000（11）：38-401.

[10] 單東日，柯映林，劉云峰.反求工程中復(fù)雜曲面測(cè)量規(guī)劃研究[J].中國(guó)機(jī)械工程，2003，14（1）：9-12.