淺析三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的應(yīng)用

朱冬偉

(襄陽(yáng)汽車職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 襄陽(yáng) 441021)

1.三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的意義與作用

隨著人們生活水平的提高和制造業(yè)的快速發(fā)展，特別是機(jī)床、機(jī)械、汽車、航空航天和電子工業(yè)的發(fā)展，各種復(fù)雜零件的研制和生產(chǎn)需要先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)；同時(shí)為應(yīng)對(duì)競(jìng)爭(zhēng)，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)非常重視提高加工效率和降低生產(chǎn)成本，其中最重要的是生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品。為此必須實(shí)行嚴(yán)格的質(zhì)量管理，只有在保證高質(zhì)量生產(chǎn)的前提下，制造業(yè)才能生存和發(fā)展。因此為保證零件的尺寸和技術(shù)性能符合要求，必須進(jìn)行精確的測(cè)量，因而體現(xiàn)三維測(cè)量技術(shù)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，并迅速發(fā)展和日趨完善。

越來(lái)越多的工件需要進(jìn)行空間三維測(cè)量，而傳統(tǒng)的測(cè)量方法不能滿足生產(chǎn)的需要。傳統(tǒng)的測(cè)量方法是用傳統(tǒng)測(cè)量工具(游標(biāo)卡尺、千分尺、量塊等)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量工具本身精度不高，人為誤差較大，工具量程小，被測(cè)工件尺寸、形狀受到限制，許多形狀復(fù)雜的測(cè)量任務(wù)(如曲面)難以實(shí)現(xiàn)，且占用工時(shí)較長(zhǎng)。

由于機(jī)械加工、數(shù)控機(jī)床加工及自動(dòng)化加工線的發(fā)展，生產(chǎn)節(jié)拍的加快，加工一個(gè)零件僅用幾十分鐘或幾分鐘，這就要求加快對(duì)復(fù)雜工件的檢測(cè)。例如汽車和摩托車都采用流水生產(chǎn)線，每輛車上有幾千甚至上萬(wàn)個(gè)零件，這些零件是專業(yè)化廠生產(chǎn)，最后集中部裝和總裝，每隔幾分鐘就生產(chǎn)出一輛車。在制造業(yè)中，大多數(shù)產(chǎn)品都是按照CAD數(shù)字模型在數(shù)控機(jī)床上制造完成的，它與原CAD數(shù)字模型相比，確定其在加工制造中產(chǎn)生的誤差，就需用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量。在三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x軟件系統(tǒng)中可以用圖形方式顯示CAD數(shù)字模型，再按照可視化方式從圖形上確定被測(cè)點(diǎn)，得到被測(cè)點(diǎn)的X、Y、Z坐標(biāo)軸及法向矢量，便可自動(dòng)生成測(cè)量程序。三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x可按法線方向?qū)ぜM(jìn)行精確測(cè)量，獲得準(zhǔn)確的坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果，也可與原CAD數(shù)字模型進(jìn)行比較并以圖形方式顯示，生成坐標(biāo)檢測(cè)報(bào)告(文本報(bào)告和圖表報(bào)告)全過(guò)程直觀快速，而用傳統(tǒng)的檢測(cè)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

綜合上述，三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的出現(xiàn)，標(biāo)志計(jì)量?jī)x器從古典的手動(dòng)方式向現(xiàn)代化自動(dòng)測(cè)試技術(shù)過(guò)渡的一個(gè)里程碑。三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)三維測(cè)量技術(shù)有重要的作用。實(shí)現(xiàn)對(duì)基本幾何元素的高效率、高精度測(cè)量與評(píng)定，解決了復(fù)雜形狀表面輪廓尺寸的測(cè)量，例如箱體零件的孔徑與孔位、葉片與齒輪、汽車與飛機(jī)等外廓尺寸檢測(cè)；提高了三維測(cè)量的測(cè)量精度，目前高精度坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的單軸精度，每米長(zhǎng)度內(nèi)可達(dá)1微米，三維空間精度可達(dá)1-2微米。對(duì)于車間檢測(cè)用的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，每米測(cè)量精度單軸也達(dá)3-4微米。

隨著三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的精度不斷提升，自動(dòng)化程序不斷發(fā)展，三維測(cè)量技術(shù)不斷進(jìn)步，大大提高測(cè)量效率，尤其是電子計(jì)算機(jī)的引入，不但便于數(shù)據(jù)處理，而且可以完成CNC功能控制，可使測(cè)量時(shí)間大大縮短。三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x與數(shù)控機(jī)床和加工中心配套組成生產(chǎn)加工線，促進(jìn)自動(dòng)生產(chǎn)線的發(fā)展。

2.三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的組成及工作原理

三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x是典型的機(jī)電一體化設(shè)備，它由機(jī)械系統(tǒng)和電子系統(tǒng)兩大系統(tǒng)部分組成。機(jī)械系統(tǒng)一般由3個(gè)正交的直線運(yùn)動(dòng)軸構(gòu)成，橫向X導(dǎo)軌系統(tǒng)裝在工作臺(tái)上，移動(dòng)橋架橫梁是Y向?qū)к壪到y(tǒng)，豎直Z向?qū)к壪到y(tǒng)裝在中央滑架內(nèi)，3個(gè)方向軸上均裝有光柵尺用于測(cè)量各軸位移值。人工驅(qū)動(dòng)的手輪及機(jī)動(dòng)、數(shù)控驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)一般都在各軸附近，用來(lái)觸測(cè)被檢測(cè)零件表面的測(cè)頭Z軸的端部。電子系統(tǒng)一般由光柵計(jì)數(shù)系統(tǒng)、測(cè)頭信號(hào)接口和計(jì)算機(jī)等組成，由于獲得被測(cè)坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x是基于坐標(biāo)測(cè)量的通用化數(shù)字測(cè)量設(shè)備。它首先將各被測(cè)幾何元素的測(cè)量轉(zhuǎn)化為這些幾何元素上一些點(diǎn)坐標(biāo)位置的測(cè)量，在測(cè)得這些點(diǎn)的坐標(biāo)位置后，再根據(jù)這些點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，經(jīng)過(guò)數(shù)字運(yùn)算求出其尺寸和幾何誤差。如要測(cè)量工件上一圓柱孔的直徑，可以在垂直于孔軸線的截面內(nèi)，觸測(cè)內(nèi)孔壁上3個(gè)點(diǎn)，再根據(jù)這三個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值就可計(jì)算出孔的直徑及圓心坐標(biāo)；如果在該截面內(nèi)觸測(cè)更多的點(diǎn)，則可根據(jù)最小二乘法或最小條件計(jì)算出該截面圓的圓度誤差；如果對(duì)多個(gè)垂直于孔軸線的截面圓進(jìn)行測(cè)量，則可根據(jù)測(cè)得點(diǎn)的坐標(biāo)值可計(jì)算出孔的圓柱度誤差以及各截面圓的圓心坐標(biāo)，又可以計(jì)算出孔軸線位置；如果再在孔端面上觸測(cè)三點(diǎn)，可計(jì)算出孔軸線對(duì)端面位置度誤差。由此可見(jiàn)，三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的這一測(cè)量原理使其具有很大的通用性與柔性。從原理上說(shuō)，它可以測(cè)量工件上任何幾何元素的幾何參數(shù)。

3.三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的測(cè)量及控制系統(tǒng)

三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量系統(tǒng)由標(biāo)尺系統(tǒng)和測(cè)頭系統(tǒng)構(gòu)成，它們是三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x關(guān)鍵組成部分，決定著三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量精度的高低。標(biāo)尺系統(tǒng)是用來(lái)度量各軸的坐標(biāo)值的，目前三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x上使用的標(biāo)尺系統(tǒng)種類很多，它們與在各機(jī)床和儀器上使用的標(biāo)尺系統(tǒng)大致相同，按其性質(zhì)可分機(jī)械式標(biāo)尺系統(tǒng)、光學(xué)式標(biāo)尺系統(tǒng)和電氣式標(biāo)尺系統(tǒng)。根據(jù)國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x所使用的標(biāo)尺系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析，使用最多的是光柵，其次是感應(yīng)同步器和光學(xué)編碼器。有些高精度三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的標(biāo)尺系統(tǒng)采用激光干涉儀。三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x是用測(cè)頭來(lái)拾取信號(hào)的，因而測(cè)頭的性能直接影響測(cè)量精度和測(cè)量效率，沒(méi)有先進(jìn)的測(cè)頭就無(wú)法充分發(fā)揮測(cè)量?jī)x器的功能。為了擴(kuò)大測(cè)頭功能，提高測(cè)量效率以及探測(cè)各種零件的不同部位，常需為測(cè)頭配置各種附件，如測(cè)端、探針、連接器、測(cè)頭回轉(zhuǎn)附件等。

控制系統(tǒng)是三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的關(guān)鍵組成部分之一，其主要功能：讀取空間坐標(biāo)值，控制測(cè)量瞄準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)測(cè)頭信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)與處理，控制機(jī)械系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)測(cè)量所必須的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的狀態(tài)以保障整個(gè)系統(tǒng)的安全性和可靠性等。

現(xiàn)代的三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x都配備有計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)來(lái)采集數(shù)據(jù)，通過(guò)運(yùn)算輸出所需的測(cè)量結(jié)果，更好滿足用戶需要，大大降低用戶投入成本，提高工作效率。