基于三坐標(biāo)測量的技術(shù)分析
——世界技能競賽零件制造誤差產(chǎn)生的原因

廣東省機械高級技工學(xué)?！￡惤?/p>

基于三坐標(biāo)測量的技術(shù)分析
——世界技能競賽零件制造誤差產(chǎn)生的原因

廣東省機械高級技工學(xué)校陳建立

本文以在世界技能大賽零件中圓的尺寸為例，以一個質(zhì)量監(jiān)控人員的角度，分析三坐標(biāo)測量的結(jié)果，與手工測量的結(jié)果產(chǎn)生差異的原因，并在測量的角度出發(fā)，制定出制造的解決方案。

世界技能大賽；三坐標(biāo)測量；手工測量；世賽檢測標(biāo)準(zhǔn)；誤差分析

0　引言

在2015年之前，中國參加數(shù)屆世界技能大賽，從未獲得金牌，本文講述在2015年世界技能大賽數(shù)控銑項目，中國專家、教練團隊在奪金的路上，通過理解三坐標(biāo)測量的原理后，攻克一個非常重要的技術(shù)難點，最終以史無前例的高分獲得了中國歷史以來的首枚金牌。

世界技能大賽（以下簡稱“世賽”）是由世界技能組織舉辦的國際技能界的頂尖賽事，現(xiàn)有63個國家和地區(qū)成員，競賽項目共分為結(jié)構(gòu)與建筑技術(shù)、創(chuàng)意藝術(shù)和時尚、信息與通信技術(shù)、制造與工程技術(shù)、社會與個人服務(wù)、運輸與物流6個大類共計46個競賽項目。每個項目，一個國家只可選派一名選手參加，每兩年舉辦一屆，是世界各國和地區(qū)技能展示交流的平臺，被稱為“技能界的奧林匹克”。

世賽數(shù)控項目和國內(nèi)的全國數(shù)控比賽相比，在評判方式上，改變了以往主觀性較強，注重結(jié)果的方式。比賽不再過度追求加工的難度，而是更加注重加工精度。世賽數(shù)控項目主要通過三坐標(biāo)測量機等高精度檢測儀器對工件進行客觀檢測，提高檢測結(jié)果的公信度，保證了比賽的公正性。中國首次參賽是在2011年派代表團參加第41屆世賽，經(jīng)過第42、43兩屆參賽對世賽規(guī)則的摸索，以及在世界技能大賽的官方金牌贊助商?？怂箍倒镜募夹g(shù)支持，中航工業(yè)中國空空導(dǎo)彈研究院技術(shù)專家的幫助下，2015年，我校張志坤同學(xué)，代表中國參加第44屆世界技能大賽數(shù)控銑工項目獲得金牌，成為中國參加世界技能大賽以來的首枚金牌。

世賽數(shù)控銑項目，比賽的內(nèi)容分三個模塊，分別加工一個鋁件兩個鋼件，選手從拿到圖紙開始計時，在規(guī)定的時間內(nèi)完成零件的加工制造。每個尺寸配有相應(yīng)的分數(shù)，超差的尺寸則扣除相應(yīng)的分數(shù)，工件完整性、表面粗糙度以及更換毛坯或其他違反安全文明規(guī)范也都配有一定的分數(shù)。

1　問題的提出

技能競賽的名次是依據(jù)選手比賽的分數(shù)由高到低進行排序，決定選手名次高低的是工件完成的質(zhì)量。一個工件滿分為100分，經(jīng)過了兩屆的比賽，第41屆數(shù)控銑冠軍尺寸得分率為95%，第42屆數(shù)控銑冠軍尺寸得分率為97%，專家、教練團隊充分地認識到，如果這一屆要想獲得冠軍，尺寸得分率必須為100%，而在訓(xùn)練中，總是會有尺寸超差?，F(xiàn)就以2013年在德國萊比錫舉行的第42屆世賽數(shù)控銑工題目位置F11處直徑尺寸（）為例，零件工程圖如圖1所示。

圖1　零件工程圖

分析圖紙，工件有且只有一處基準(zhǔn)，如圖1所示B10處。故將此處基準(zhǔn)A作為基準(zhǔn)投影面，然后建立坐標(biāo)系。在不改變加工設(shè)備、測量設(shè)備等可控制的條件下，在機床上檢測結(jié)果如表1所示。

通過請專業(yè)的校準(zhǔn)機構(gòu)校驗了量具與三坐標(biāo)測量機，發(fā)現(xiàn)手工測量的尺寸，與三坐標(biāo)測量機測量的尺寸，還是存在差異。因此必須找到產(chǎn)生差異的原因，否則將與金牌無緣。

表1　檢測結(jié)果

測量一個圓的直徑，作為一個測量人員來說，應(yīng)該是非常簡單的，但是要分析解決以上出現(xiàn)尺寸不穩(wěn)定的問題，要求我們必須理解三坐標(biāo)測量的原理。

2　問題的分析

2.1世賽三坐標(biāo)檢測標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)世賽三坐標(biāo)檢測標(biāo)準(zhǔn)，零件是一個整體，局部尺寸與坐標(biāo)系、基準(zhǔn)面有關(guān)，故在選擇尺寸測量方法時均是選用二維的元素，如“線”。

2.2世界技能競賽（數(shù)控銑項目）的規(guī)則與零件制造要點

2.2.1加工制造時間短

從拿到圖紙，有三個小時的畫圖、編輯加工軌跡的時間，然后只有四個小時的時間加工制造，時間到了，無論有沒有加工完整，都必須停止加工。

2.2.2單件生產(chǎn)

雖然在規(guī)則上允許更換毛坯，但是要扣除較多的分數(shù)，那相當(dāng)于自己放棄金牌，所以必須首件就是成品。

2.2.3高精度尺寸多

一般零件上高精度尺寸一般是15%-20%，而我們競賽的零件，高精度尺寸一般都是要達到60%-70%。

2.2.4裝夾次數(shù)多

一般除了正面、反面需要裝夾加工外，側(cè)面還需要裝夾加工，另外由于一些特定要素的加工，一個零件加工完成，至少要裝夾5次以上。

2.2.5切削加工余量大

零件在加工之前的重量是1.3千克，加工完成后的重量是0.6千克，金屬切除部分超過50%。

2.2.6加工制造所用裝備世界頂級。

中國是制造大國，為了能夠在此次技能競賽中顯示中國制造業(yè)的實力，不惜使用世界頂級量具、刀具等。

2.3誤差產(chǎn)生的主要原因

2.3.1基準(zhǔn)投影面的問題

在加工基準(zhǔn)面A后，反面裝夾加工圓柱時，會產(chǎn)生平行度誤差，也即是基準(zhǔn)的投影面發(fā)生傾斜的情況。如圖2所示。

圖2　基準(zhǔn)投影面發(fā)生傾斜圖

圖3　基準(zhǔn)面發(fā)生變形圖

2.3.2變形的問題

由于切削力、夾緊力、內(nèi)應(yīng)力的原因，會導(dǎo)致基準(zhǔn)面以及被測元素變形。如圖3所示。

3　通過理解三坐標(biāo)測量原理，解決圓的尺寸不穩(wěn)定的方案

3.1減小平行度誤差

由于加工的時間有限，直到賽前是不知道圖紙形狀的，所以不能制作專用的夾具來裝夾工件，以前我們是采用精密虎鉗配合平行等高墊塊來裝夾?，F(xiàn)改進為使用軟鉗口來代替平行等高墊塊。在分析圖紙后，在軟鉗口上加工出相應(yīng)的裝夾高度及形狀，減少使用平行等高墊塊的誤差。

3.2盡量減小工件變形

工件的變形主要由兩部分因素產(chǎn)生。

（1）首先是夾緊力，可采用定位原件來限制工件的自由度，來減少夾緊力過大，另外在加工時，使用“四刀”完成一個尺寸，即是粗加工——首次半精加工——再次半精加工——精加工。在首次半精加工后，釋放虎鉗的夾緊力，重新使用稍小的力裝夾，從而達到減小夾緊力引起的變形。

（2）其次是最關(guān)鍵且最容易讓大家所忽視的內(nèi)應(yīng)力變形。當(dāng)一個零件被加工成如圖1所示的零件時，內(nèi)部材料切除50%以上，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力是必然的。在賽場的環(huán)境下，沒有設(shè)備消除內(nèi)應(yīng)力，更不可能通過時效處理來消除內(nèi)應(yīng)力，所以我們只能采用“敲打法”，整個零件正反面粗加工后，拆下在準(zhǔn)備好的木板上“敲打”，使工件連續(xù)抖動，從而達到減小內(nèi)應(yīng)力引起的變形。

4　總結(jié)

要分析三坐標(biāo)測量的結(jié)果與手工測量為什么會存在差異，必須掌握三坐標(biāo)測量計算的原理，在世賽檢測標(biāo)準(zhǔn)下，大部分只能使用二維元素圓來評價，而二維元素基準(zhǔn)投影面有關(guān)，另外，如果零件元素發(fā)生變形，基準(zhǔn)平面又發(fā)生變形，那么，測量出來的結(jié)果肯定與我們手工測量的結(jié)果會差異比較大。

在找到產(chǎn)生差異的原因后，再使用軟鉗口代替平行等高墊塊來減小平行度誤差，以及使用定位原件來限制工件的自由度，來減少夾緊力和使用“敲打法”來減小內(nèi)應(yīng)力引起的變形。

5　結(jié)束語

看似是很簡單的一個問題，但是卻圓了中國參加世界技能大賽這么多年以來的金牌夢，并且是在制造業(yè)的項目中拔得頭籌，勇奪中國首金。工業(yè)4.0的時代已悄然來臨，中國制造2025的號角也已經(jīng)吹響，世界技能競賽中國也奪下金牌，依據(jù)中國人力資源和社會保障部湯濤部長的指示，要將職業(yè)技能競賽打造成第二個奧林匹克，也要像體育競賽一樣普及全國，并要申報承辦2021年世界技能競賽，屆時全球63個國家和地區(qū)的技能精英將齊聚中國大地，那將會是職業(yè)教育、職業(yè)競技的另一個春天！

［1］2012幾何量測量技術(shù)應(yīng)用論文集［C］.?？怂箍禍y量技術(shù)（青島）有限公司.

［2］PC-DMIS參考手冊［S］.海克斯康測量技術(shù)（青島）有限公司.

［3］官方論壇在線研討會［C］.?？怂箍禍y量技術(shù)（青島）有限公司.

［4］世界技能競賽評分標(biāo)準(zhǔn)［S］.世界技能競賽中國研究中心.