三坐標測量方法的研究

李志芬 逯永 王堯 胡建英

摘 要：在進行三坐標的實際測量的過程中，工件的空間結構存在著一定的復雜性，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。由于三坐標測量機實際上是內涵非常高級的測量和處理的軟件，因此在實際的測量過程中就會存在著形式公差，空間尺寸方面的處理能力也在不斷的增加，對復雜零件的檢測具有一定的優勢。從目前的發展來看，由于零件被測要素限制在特定的空間之內，造成測量精度受到限制。從一般情況發展來看，其直接性的測量存在著很大的難度。該文首先分析三坐標測量機的實際組成，進而分析三坐標測量機中的坐標系，最終為其實際的測量方法以及應用領域來進行分析。

關鍵詞：三坐標機 測量方法 坐標轉換 測量要素構造

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（b）-0022-02

三坐標測量機主要出現于20世紀60年代中后期，其作為一種高效率性的新型精密測量儀器設備投入使用，現在已經廣泛應用于機械、汽車、飛機以及電子工業等方面的生產與制造中。三坐標測量儀器不僅可以用于機械零件、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量等等，以及應用于各種形狀輪廓的實際測量。對于空間性的曲面測量，三坐標測量機具有非常大的發展優勢，除工作的準確性以及效率性之外，其還能夠對測量范圍不斷的拓寬等，在現代專業測量儀器的發展過程中具有非常重要的指導性含義。

三坐標測量機的實際測量過程中，其需要利用測頭來進行測量，進而借助三個坐標的軸導軌來進行三個空間上的方向移動，只要在測量范圍之內，測量機的任何測點都能夠達到。利用軸測量的方式對測點的三個方面X、Y、Z進行具體位置上的不斷精確。在進行被測幾何面的測量過程中，根據幾個坐標值來進行測量，就能夠測量出幾何的具體尺寸以及存在的誤差性。從另外一個角度來看，在工作臺的測量過程中，其可以利用Z軸進行旋轉分度轉臺、環繞X軸旋轉式帶頂尖座的分度頭，為工作人員螺紋測量、齒輪測量以及凸輪測量等提供便利。

1 三坐標測量機的基本組成

坐標測量機實際上是由4個部分構成：測量機主體部分、控制系統部分、側頭側坐系統部分以及計算機測量軟件系統，其中測量機的主體部分作為基礎性的功能，其需要根據操作以及程序命令來對零件中的制定位置進行坐標點信息的采集。

控制系統部分主要以下兩點：第一，需要三標測量機來進行控制、驅動，借助測量三軸來進行速度、加速度方面的同步控制；第二，當觸發信號時，需要對相關數據進行采集和處理，系統處理光柵的實際數量參數，同時還可以記住補償性質文件對測量機的測量結果進行多達21項的誤差補償，也就是，從各個軸之間的直線度、自轉的誤差度、兩個角擺動的誤差度、三個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據方面的采集，對溫度問題進行充分的補償。從控制系統方面來看，通過三坐標測量工作狀態上的實時監測，諸如，形成控制監測、氣壓監測、速度監測、讀數監測、側頭監測等等，進而根據現實情況采取一定的保護措施，借助掃描側頭的處理來獲得準確的數據，借助掃描、計算機等方式來進行信息上的交流。從測頭、測座方面來看，其主要包括兩方面的內容：一方面就是需要根據命令進行旋轉，直至特定的角度；另外一個方面是需要借助測頭傳感器利用探針去接觸被測點，進而發出觸發性的信號。

2 三坐標測量機中的坐標系

（1）原始坐標系（開機自帶坐標系）：當控制系統處于開合狀態時，光柵技術實際上已經開始運轉，雖然三坐標測量機實際上是符合坐標系的實際定義，但是卻由于三坐標測量機在系統誤差的實際補償并沒有進行同步性的激活，這就使得原始坐標系并沒有充分地發揮其作用，缺乏實際性含義。

（2）機器坐標系（回機器零位后的坐標系）：測量機在實際的工作過程中，在執行“回家”命令之后，測量機將利用三軸光柵從零點來進行計數。一旦程序的補償功能被激活，三坐標測量機就能夠處于一種正常的工作狀態，而此刻的測量主要是任何的坐標點相對于機械的坐標原點而來的，因此被稱作是“機器坐標系”。

（3）零件坐標系（以零件為基準建立坐標系）：在測量機械的實際運轉過程中，工作人員通常利用零件的基準來進行坐標系的建立，因此應當對其進行公差評價，并且需要借助輔助測量的方式來進行零件位置的測定。而這樣的坐標系則被稱作是“零件坐標系”。例如，在進行零件坐標系的建立過程中，其需要根據零件圖紙上的A、B、C的基準性順序來進行確定，第二軸則是利用坐標零點來進行。實際上，該順序是不能夠進行顛倒的。由于零件坐標系在實際的使用過程中具有靈活性與方便性，這樣就能夠為實際的施工者提供便捷性。通過該種方法能夠提高檢測數據的精密性，在實際的運用過程中，為了能夠對于一些具有特殊性的數據來進行測量，相關的工作人員在實際的工作過程中大多借助零件坐標系來作為輔助性的測量工具。

3 測量方法與實際應用探討

3.1 測量方法

3.1.1 坐標系轉換

工作人員在進行工件的實際檢測的過程中，其需要根據工件的實際坐標系來完善或者是完成檢測性工作，實際上該過程存在非常大的工作難度。在該種情況之下，這就需要對坐標系來進行不斷的轉換，進而為零件的測量提供便捷性。從目前的發展來看，實際性的測量工作主要包含兩種轉換方式，旋轉性的坐標系以及平移式坐標系。當在實際的測量過程中，其出現斜孔測量的問題時，如果斜孔和坐標軸存在著一定的夾角，這就使得其需要坐標系來進行旋轉與轉換。因此，在進行坐標的旋轉之后，當旋轉到一定的角度上其斜孔的方向能夠與其中的某一個坐標軸存在著同向性的問題，這就為之后的數據測量以及數據的編程提供了便利性。而在對坐標軸進行旋轉之后所測量出的數據可以借助原來的坐標系來進行數據上的分析，在最大程度上的提高實際測量的便捷性、準確性。

3.1.2 構造被測要素法

在進行產品的加工過程中，其中最為重要的部分就是需要檢測其實際的工序與尺寸是否合格，這就需要對產品進行送檢。但是在實際的檢測的過程中，由于受到產品結構等方面的限制使得該產品并沒有辦法進行直接檢驗，這就需要相關的工作人員在實際的工作過程中進行被測要素的不斷延伸以及被測要素的轉換。例如，從一般情況來看，在產品的生產過程中，臺階孔的尺寸在其中具有十分重要的作用。但是由于臺階面自身尺寸的幾何圖形存在著不規則性，而進行測頭監測實際上也存在著非常大的困難。在三坐標檢測機的實際使用過程中，其需要借助墊塊的方式來進行被測尺寸的不斷延伸。當監測結果出現之后，其在將延伸的數據減去之后就是想要的數據。由于檢測的產品形狀存在著不確定性，這就使得產品的尺寸測量存在著非常大的困難，這就需要利用三坐標測量機來對其數據進行測量與分析，提高整個測量數據的準確性以及便捷性。

3.1.3 轉換測量基準法

在進行結構相對復雜的構建來進行測量的過程中，其經常可能存在著基準以及被測量的要素存在著不同面的現象，由于該種工件在結構上具有非常強的特殊性，進而在其精讀的要求方面非常的高，因此，傳統的檢測方式和檢測方法并不能夠真正地完成實際的測量工作。對于這樣的工作方式，其可以采用轉換基準法，也就是將被測性要素與中間的基準來進行比較和計算，之后通過不斷的換算來明確被測要素、實際基準之間的相互關系。在實際的生產過程中，這就使得其為加工提供便利性，進而將工件反面固定在加工正面，造成了工藝基準、被測要素之間存在著不同面的現象。例如，在殼體形狀的加工過程中，其通常利用地面兩孔來進行定位，之后對其正面進行再加工。由于其對于加工孔以及底面孔的位置度等方面具有非常嚴格的要求，這就需要在進行實際測量的過程中進行基準孔的轉換，同時還需要注重角度上的定向性。因此，在進行殼體的測量過程中，其可以借助殼體中的兩個瞳孔來進行角度方向、轉換基準等方面的確定，其在進行實際性的測量過程中，需要利用同一個平面之內兩個定位孔來確定實際的基準，進而建立坐標系，之后測量出殼體兩孔上的實際坐標值。之后借助工件翻轉以及兩個通孔角來進行坐標值反置，確定實際的坐標系。

3.2 應用探討

3.2.1 汽車領域的應用

在進行汽車制造過程中，發動機工廠在實際的生產過程中需要采集相關的尺寸數據，進而確定諸如導向裝置總的制度、圓度、拱度以及平行度上的尺寸數據，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，因此在實際的尺寸測量方面存在著非常大的問題，這就需要借助三坐標測量機來進行相關數據的精確，進而將形狀公差控制在非常小的差別之中。例如，在進行汽車發動機的建造過程中，零部件實際尺寸數據的精確性對其發展具有十分重要的作用，在實際的生產加工過程中，可以利用三坐標測量機的方式來進行零部件的精確性測量，對于幾何圖形的零部件進行精確的數據測量，進而提高零部件尺寸的精確性。

3.2.2 航天領域的應用

在進行航空發動機的實際工作過程中，其需要對其中的關鍵性零件部位來進行不斷的研制，而其建設和發展離不開三坐標測量機在其中的重要作用，在進行生產制造的行業發展過程中，質量具有十分重要的作用，同時也是航空制造行業發展的重點。在進行航空發展動機的零部件研制過程中，航空企業在實際的發展過程中對于零部件的檢測手段越來越精密化、科學化，因此，在實際的工作過程中，為了能夠保障航天行業發展的質量以及實際的工作進度，三坐標測量機則成為了航空企業發展的重要組成部分。例如，在進行航空領域的發展過程中，發動機在整個航天設備發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，因此進行數據的直接性測量存在一定的困難，這就需要借助三坐標測量機來對其尺寸進行精確性測量，進而提高航天零部件的精確度。

3.3 三坐標檢測機發展趨勢分析

3.3.1 三坐標測量機有利于提高測量的精密度

在現代化的三坐標測量機的發展過程中，現代化超精細的加工手段使得其在測量的精確度上實現了納米級別的精度，因此在測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，在進行相關的工作過程中，利用三坐標測量機來提高其精確性，提高測量儀器的先進性。

3.3.2 三坐標測量機有利于提高實際的測量工作效率

在進行三坐標測量機的實際應用過程中，其能夠在一定程度上改進機械的總體結構，注重輕型以及熱變形相對較小的新型材料的應用，諸如空心薄壁結構、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性，實現機械結構的不斷改進；三坐標測量機的應用對于提高控制系統的實際使用性能具有十分重要的作用，通過測量機的高速度運動能夠保持運動的平穩性，實現測量機工作定位的準確性，保證其不產生震蕩；在進行三坐標測量機的實際使用的過程中，其需要采用動態性采集，進而不斷地提高測量速度，深入地研究測量機在實際發展中的動態性誤差，并且對其中存在的誤差來進行補償，諸如漂浮、測頭以及剛度等問題，在最大程度上提高軟件實際的運行效率。

4 結語

在進行工業上的幾何量的實際工作過程中，坐標測量方式已經成為了目前應用性最廣的一種計量技術。實際上，在進行坐標測量機的實際檢測的過程中，其實際的取樣策略都是需要客戶來進行控制，而測量的精確程度實際上與機器的精確度、軟件的科學性等方面都具有十分重要的關聯。也就是說，三坐標測量機發展優勢在于能夠進行多樣性的幾何量來進行測量，其與傳統簡單性以及單一性的檢測儀器具有非常大的差別，這也是其發展的優勢。因此，用戶在進行三坐標檢測機的使用過程中，需要根據實際需要來進行特定探針與特定測頭的配置，進而能夠確定三坐標測量機的實際檢測位置以及檢測的數量，同時還需要根據測頭的接觸零件設定來決定其工作的速度以及實際的工作方向。

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