淺談三坐標測量機的選用及在制造系統中的應用

白月飛

[摘要]汽車零部件制造及裝配的高精度必然需求高精度的精密檢測,需求嚴密的質量控制。三坐標測量機是質量控制水平的鮮明標志。因此,分析三坐標測量機的具體選用方法,探討三坐標測量機在制造系統中的應用。

[關鍵詞]三坐標測量機質量控制制造系統

中圖分類號:TH6文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)1210160-01

一、三坐標測量機概述

三坐標測量機的工作原理是坐標測量,在某種意義上講,三維測量可以測量空間任何幾何尺寸,它的基本測量原理就是將被測物體置于三坐標測量機的測量空間,通過測量頭探測,獲得被測物體上各測點的坐標位置,根據這些點的空間坐標值,經計算機按照最小二乘法等數學法則計算求出被測物體的幾何尺寸,形狀和相對位置。如果在三坐標測量機上安裝回轉臺,在測量中不僅可以使用直角坐標系,還可以使用極坐標系,從而極大簡化諸如均布圓周上眾多圓孔位置度的檢測問題,極坐標的采用無疑擴大了測量范圍,同時,為專用用途設計的坐標機還有在X,Y,Z坐標軸上分別安裝回轉軸的情況,從而實現了所謂五坐標,六坐標測量機的測量功能。

二、三坐標測量機的選用

一般情況下,三坐標測量機的選用主要注意如下方面:

1.CMM的測量范圍。這是選擇CMM的首要因素。我們在計劃購買三坐標測量設備時,首先要清楚掌握所測產品的外圍尺寸,根據尺寸來確定相應規格的三坐標設備。例如在選用橋式結構CMM時,設備價格與橫梁的跨度成正比,而長度方向的尺寸對價格影響不大,因此我們只要滿足測量的范圍即可,不必追求不必要的大量程,如果被測工件所需被測量的只是整個產品的一部分,這時選用的CMM也要把整體工件放置在工作臺面上,同時要考慮產品的重量,不能超過CMM的承重范圍。CMM選用的測量范圍還要受到所選探頭系統的影響,因為探頭會占用一定的測量空間,所以在選定測量范圍時,就要考慮所選探頭的影響。目前從測量范圍而言,探頭普遍使用的是兩種:帶旋轉頭的探頭和固定式探頭。

(1)旋轉探頭:主要應用在生產型的三坐標測量機上。

(2)固定式探頭:主要應用在計量型的三坐標測量機上。它不存在旋轉探頭在旋轉過程中產生的旋轉誤差。因為存在旋轉探頭和固定探頭的工作原理差異,因此在選擇設備測量范圍的時候也是有區別的:旋轉探頭需要更大的測量范圍,對于同樣的一個工件,因為旋轉探頭在旋轉過程中會占用一些空間,根據我們的實踐經驗,在選擇CMM的時候,如果供應商標配旋轉探頭,就要考慮更大的CMM量程。

2.測量精度。三坐標測量機就是檢測工件幾何尺寸與形位誤差的計量儀器,滿足精度要求是首選目標。CMM選用時,一般可根據被測工件要求的檢測精度與測量機給定的測量不確定度相對比,看測量機精度是否符合要求。精度比對不是一個簡單的比較過程。測量機的技術規范中一般只給出單軸測長和空間測長的兩個不確定度計算公式及重復測量精度值。而在具體開展測量時,需要將被測參數的測量不確定度限制在一定范圍內。一般測量時,需要測量很多探測點。在進行形位公差測量時,更有大量探測點參與計算并帶來測量誤差,精確計算是很困難的,因此從經驗出發,在一般測量中,測量不確定度應為被測工件尺寸公差帶的1/5～1/3。

總之,用戶應選用精度(包括重復精度)稍高一些的坐標測量機。這不僅由于測量復雜工件時,測點可能帶入的誤差比預想的要大(由于測頭測桿變化或加長會引入更大的測量誤差),而且測量機的精度會隨使用次數增多而有所下降,一般測量機的不確定度數值小于或等于被測量尺寸要求不確定度的1/2時,就可以選用。

3.探頭形式。從探頭的工作形式對測量結果的準確性影響來看,目前普遍使用的探頭有接觸式觸發探頭、接觸式掃描探頭和非接觸式光學探頭等。選用設備探頭時,根據測量需求,測量速度及測量頻率選擇探頭形式。

4.光柵尺。光柵尺是三坐標測量機的讀數基準,因而要求其熱膨脹系數盡可能的低,以保證讀數的準確性。現在關于光柵尺的材料研發也是圍繞降低熱膨脹系數進行的。測量機按自動化程度分為手動(或機動)與CNC(自控)兩大類。選用時,應根據檢測對象的批量大小、自動化程度、操作人員技術水平及資金投入大小去權衡。當然CNC測量機精度水平高、測量速度快,但測量前的準備時間相對較長、技術要求相對較高、資金投入相對較大。

三、三坐標測量機在制造系統中的應用

三坐標測量機目前不僅是一種實驗室的計量儀器,而且被大量應用在機加及裝配生產車間中,在汽車行業,CMM更是產品質量保證和質量控制必備的測量工具。它在實踐工作中的應用主要體現在如下幾個方面:

1.產品質量檢驗。由于加工產品形狀愈來愈復雜,精度愈來愈高,CMM逐步成為產品質量檢驗的主要檢具,對產品生產中的每道工序進行全加工尺寸檢驗,確保為下道工序提供合格品。在每道工序加工生產中,只要有一個狀態發生變化就應該送CMM檢測,例如更換加工刀具,調整加工節拍或程序,對于極其復雜的加工件,傳統檢具已經不能滿足質量控制的要求,同時檢具的加工與設計由于加工的復雜性已經成為了一個難題,因此加工的現狀促使三坐標測量機成為制造系統中質量檢驗的主要手段。以汽車發動機廠為例,每周機加部門都要將加工成品件送到質量管理部門,運用CMM對缸體、缸蓋、曲軸等成品件進行全尺寸檢測,全面檢驗其加工質量;每半個月對每條加工線各道工序加工件進行送檢,檢驗工序產品質量。周期檢驗考核生產過程的穩定性,檢驗生產系統(人、機器、材料、加工方法等)是否處于正常穩定狀態,用于消除系統誤差。逐批檢驗是判定批產品質量是否合格,控制隨機誤差。

2.了解設備的調整狀態。如果測量結果表明加工得到的零件尺寸都偏向公差帶的一邊,便說明設備沒有調到最佳狀態,必要時可以進行設備調整,或者進行加工夾具的調整。

3.隨時及時地了解工藝過程的發展趨勢,對產品及設備的狀態發出警示信號。如果加工件的尺寸出現系統性的向一個方向漂移,說明存在刀具磨損,熱漂移或其它因素,如果發現被測量的幾何參數的形狀誤差越來越大,說明刀具變鈍,摩擦力增大,加工振動加劇等情況,從而提醒相關人員及時采取措施進行補救。

4.提供質量體系認證的原始審核數據。目前汽車行業中各個企業紛紛通過TS16949質量認證。在該質量體系認證標準中,其中重要工作部分是對加工的產品進行產品審核,產品審核的內容及程序如下所示,其中產品的監視和測量是最重要環節,產品審核既是一項質量控制工作,又是一項質量保證活動,應遵循持續改進的方針,三坐標測量機對一個企業的所有加工產品進行檢測,提供認證機構進行企業審核的依據和對象,是一切基礎工作的根本。

參考文獻:

[1]曹麟祥、汪慰軍等,三坐標測量機的現狀、發展與未來,北京機械工業出版社,2000.

[2]王昊,三坐標測量技術在汽車業中的應用,現代制造工程,2005.

[3]葉宗茂,三坐標對螺紋孔位置尺寸的正確測量,現代制造工程,2005.