周國(guó)玲，徐瑾西安理工大學(xué)

淺談幾何坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

周國(guó)玲1，徐瑾2西安理工大學(xué)

在實(shí)踐教學(xué)中運(yùn)用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)的零件進(jìn)行相關(guān)的測(cè)量，使得學(xué)生掌握精密測(cè)量技術(shù)和質(zhì)量過(guò)程控制之間的關(guān)系,對(duì)了解產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)、控制的整個(gè)質(zhì)量控制過(guò)程具有重要的意義。

幾何坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)；實(shí)踐教學(xué)；應(yīng)用

一、幾何坐標(biāo)測(cè)量在實(shí)踐教學(xué)中的意義

將三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)應(yīng)用在教學(xué)中，可以使機(jī)械制造專業(yè)的學(xué)生對(duì)機(jī)械零件的公差檢測(cè)的理論知識(shí)有更加形象具體的了解。對(duì)于擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)，提高學(xué)生的理論結(jié)合實(shí)踐的能力，對(duì)學(xué)生的應(yīng)用和創(chuàng)新能力都起到促進(jìn)作用。

1.通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)的學(xué)習(xí),學(xué)生可以更清楚的理解和明白工程圖紙的標(biāo)注信息,對(duì)零件標(biāo)注精度有了更深的理解,同時(shí)可以提高學(xué)生的繪圖能力。

2.通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)的學(xué)習(xí),學(xué)生能夠掌握和了解質(zhì)量控制和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)系,對(duì)零件的加工工藝有更深的理解。

3.隨著工業(yè)4.0的提出和發(fā)展,三坐標(biāo)測(cè)量的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,社會(huì)對(duì)坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)人才的需求日益增長(zhǎng),那么掌握了三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù),無(wú)疑多了一個(gè)很好的就業(yè)方向。

二、幾何坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的教學(xué)內(nèi)容

三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)覆蓋多個(gè)知識(shí),以德國(guó)卡爾蔡司公司接觸式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)為依托,指定零件,通過(guò)理論與實(shí)踐結(jié)合的方式進(jìn)行教學(xué),將以下內(nèi)容貫穿于整個(gè)實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中。

1.誤差測(cè)量和評(píng)定

對(duì)工件幾何誤差的測(cè)量與評(píng)定是坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)所在，但同時(shí)也是坐標(biāo)測(cè)量工作中難度較高的部分，究其原因在于對(duì)幾何公差的標(biāo)注、解釋和理解。幾何誤差的坐標(biāo)測(cè)量、計(jì)算與評(píng)定方法也比較復(fù)雜，而且目前還未形成相關(guān)的、統(tǒng)一的規(guī)范,主要依據(jù)產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.對(duì)工程圖紙信息的提取

工程圖紙是零件加工的依據(jù),同時(shí)也是對(duì)零件測(cè)量的依據(jù),那么就要對(duì)制造完成的零件或模具進(jìn)行幾何尺寸、角度和形位公差的評(píng)價(jià)。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)比傳統(tǒng)測(cè)量方法對(duì)于學(xué)生的學(xué)習(xí)更有優(yōu)勢(shì)，能夠更形象地使學(xué)生掌握公差的定義和基本測(cè)量準(zhǔn)則。

3.對(duì)零件進(jìn)行逆向測(cè)繪

隨著逆向工程的發(fā)展,三坐標(biāo)應(yīng)用于產(chǎn)品逆向測(cè)繪的地位越來(lái)越高,對(duì)于一些復(fù)雜曲面的零件,我們不能通過(guò)傳統(tǒng)的測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量,三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在逆向工程過(guò)程中有特殊的優(yōu)勢(shì),已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于模具制造等行業(yè)。通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)零件各項(xiàng)幾何尺寸和曲面的測(cè)量，從而反向推出數(shù)字模型和設(shè)計(jì)圖紙,大大提高了工作效率。

4.脫機(jī)編程和模擬仿真

脫機(jī)編程就是在脫機(jī)版軟件中載入CAD模型,通過(guò)鼠標(biāo)操作在CAD模型上提取所測(cè)元素,進(jìn)行特性輸出,安全五項(xiàng)檢查等工作。

在教學(xué)過(guò)程中因?yàn)樵O(shè)備數(shù)量有限,不能保證每位同學(xué)都能在機(jī)器上進(jìn)行在線測(cè)量,同時(shí)學(xué)生在學(xué)習(xí)初期操作水平有限,用脫機(jī)編程可以節(jié)約時(shí)間,又可以避免安全事故發(fā)生,又能很好的掌握三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的編程過(guò)程,學(xué)生編好的程序,老師進(jìn)行檢查后再聯(lián)機(jī)運(yùn)行。

5.幾何坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果的合格判定

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量誤差是由測(cè)量過(guò)程中的不確定度引起的,在測(cè)量過(guò)程中引起測(cè)量誤差的因素包括∶(1)環(huán)境因素;(2)測(cè)量設(shè)備的參數(shù)設(shè)置和性能;(3)測(cè)量評(píng)定軟件和計(jì)算方法;(4)物理常數(shù)和轉(zhuǎn)換因子;(5)測(cè)量對(duì)象、工件特性;(6)GPS特性(產(chǎn)品幾何特征特性)、工件特性、測(cè)量?jī)x器的特性;(7)測(cè)量方法與過(guò)程規(guī)范;(8)計(jì)量檢測(cè)人員。

學(xué)生通過(guò)對(duì)測(cè)量結(jié)果的誤差分析,可以反復(fù)認(rèn)知測(cè)量過(guò)程中能夠引起測(cè)量誤差的因素,通過(guò)不同的測(cè)量方法比較,逐漸掌握測(cè)量的合理方法。

三、實(shí)際操作舉例

通過(guò)幾何坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)的學(xué)習(xí),學(xué)生不單要掌握三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的實(shí)際操作,而且要熟練掌握對(duì)于測(cè)量元素的誤差分析能力。

1.下面是學(xué)生對(duì)工件兩個(gè)孔的同軸度利用不同的方法進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程和結(jié)果分析：開(kāi)始測(cè)量→開(kāi)機(jī)(打開(kāi)空壓機(jī),三坐標(biāo)測(cè)量機(jī),上位機(jī))→進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置→校探針(包括主探針和工作探針)→建立坐標(biāo)系→建立安全平面→元素測(cè)量和評(píng)定→安全五項(xiàng)的設(shè)置→運(yùn)行→結(jié)果誤差分析（不合格）→（合格）打印報(bào)告。

2.測(cè)量結(jié)果分析

測(cè)量的目的就是檢驗(yàn)加工的精度是否滿足設(shè)計(jì)要求,由于受測(cè)量的不確定度影響,對(duì)于同一個(gè)特性,利用不同的測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量也會(huì)有不同的結(jié)果,下面以測(cè)量?jī)煽椎耐S度為例進(jìn)行分析(如圖所示)∶

測(cè)量工件圖

(1)測(cè)量截面之間的距離不同時(shí)的測(cè)量結(jié)果

在測(cè)量時(shí)如果測(cè)量基準(zhǔn)孔E時(shí),選擇的兩截面圓間距為固定的,測(cè)量孔1時(shí)選用不同距離的截面圓為測(cè)量元素時(shí)的測(cè)量結(jié)果如下表∶

基準(zhǔn)孔測(cè)量截面圓距離為20毫米時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)∶

截圓距離同軸度實(shí)測(cè)值18 0.6038 8 0.0914 10 0.0876 12 0.0807 15 0.3517

基準(zhǔn)孔測(cè)量截面圓距離為10毫米時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)∶

18 4.06截圓距離同軸度實(shí)測(cè)值5 8 0.0981 0.094 10 0.0839 12 0.0948 15 0.4899

在測(cè)量?jī)煽淄S度時(shí)，一般在基準(zhǔn)圓柱上選取兩個(gè)截面圓進(jìn)行測(cè)量，兩截面圓的圓心連線就是基準(zhǔn)軸，然后在被測(cè)孔上選取兩個(gè)截面圓進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量得截面圓圓心連線就是被測(cè)孔的軸線，最后計(jì)算兩個(gè)軸線的同軸度，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)∶在選擇的兩個(gè)截面圓距離盡量大,但是不宜將截面圓選在靠近孔口和孔的底部位置。

(2)不同采集點(diǎn)數(shù)的測(cè)量結(jié)果

采集點(diǎn)數(shù)量同軸度實(shí)測(cè)值8 0.0679 10 0.0624 12 0.079 15 0.0779 20 0.0814

在測(cè)量過(guò)程中所提取的被測(cè)工件的幾何元素都是由點(diǎn)組成，再經(jīng)過(guò)擬合算法得到理論幾何要素，那么所選取的采集點(diǎn)數(shù)對(duì)測(cè)量結(jié)果有很大的影響，并且所采集的點(diǎn)應(yīng)該均勻分布在截面圓上。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)的實(shí)踐課程，使學(xué)生了解到如何根據(jù)工程圖紙進(jìn)行測(cè)量工藝編制、掌握數(shù)字測(cè)量原理和方法、認(rèn)識(shí)數(shù)字測(cè)量技術(shù)應(yīng)用方法等知識(shí)。