三坐標測量機在模具制造行業中的應用

朱萌恩 朱傳林 羅昆鵬 王旭

摘 要：三坐標測量機廣泛應用于各個行業，是現代工業檢測和質量控制不可缺少的萬能測量設備。本文闡述了三坐標測量機產生的背景和測量原理，介紹了三坐標測量機在模具制造行業中的應用及注意事項，以保證測量的精度和效率。

關鍵詞：三坐標測量機;模具制造;質量檢測;逆向工程

中圖分類號：TG76文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）01-0042-03

Abstract： CMM is widely used in various industries， and is an indispensable universal measuring equipment for modern industrial detection and quality control. This paper described the background and measurement principle of CMM， introduced the application of CMM in mold manufacturing industry and matters needing attention， so as to ensure the accuracy and efficiency of measurement.

Keywords： CMM;mold manufacturing;quality inspection;reverse engineering

三坐標測量機（Coordinate Measuring Machine，CMM）是20世紀60年代發展起來的一種新型、高效、多功能的精密測量儀器。它能在計算機控制下完成各種復雜測量，可以通過在機測量實現對加工中零件的質量控制，還可以根據測量的數據實現逆向工程。目前，三坐標測量機廣泛應用于模具工業、汽車工業、電子工業、航空航天工業和國防工業等行業，成為現代工業檢測和質量控制不可缺少的萬能測量設備[1]。

1 三坐標測量機簡介

1.1 三坐標測量機產生背景

三坐標測量機的出現，一方面是由于自動機床、數控機床高效率加工及越來越多復雜形狀零件加工，要求高速化、柔性化、通用化的檢測設備與之匹配;另一方面是由于電子技術、計算機技術、數字控制技術及精密加工技術的發展為坐標測量機產生提供了技術基礎。圖1為世界上第一臺三坐標測量機。

1.2 三坐標測量機測量原理

任何形狀都是由三維空間點組成的，所有的幾何測量都可以歸結為三維空間點的測量，因此精確地進行空間點坐標的采集，是評定任何幾何形狀的基礎。坐標測量機的基本原理是將被測零件放入允許的測量空間，精確地測出被測零件表面的點在空間三個坐標位置的數值，將這些點的坐標數值經過計算機數據處理，擬合形成圓、球、平面、圓錐等測量元素，再經過數學計算的方法得出其形狀、位置公差及其他幾何量數據。圖2為測量原理圖。

2 三坐標測量機在模具質量檢測中的應用

2.1 三坐標測量機在模具質量檢測中的優勢

傳統測量方式是指使用卡尺、高度規、量規等測量工具進行測量。與傳統測量方式相比，利用三坐標測量機進行測量具有較大優勢，具體體現在以下兩個方面。

第一，對零件幾何形狀和尺寸的測量，利用傳統測量方式一般需要單獨進行;而利用三坐標測量機可以同時對尺寸和形狀進行測量，對工件的裝夾和調整幾乎沒有要求，只要在測量中保持工件穩定即可。

第二，對于零件位置誤差的測量，利用傳統測量方式需要模擬基準要素，采用具有足夠形狀的表面，使基準實際要素與模擬基準間形成符合最小條件的相對位置關系;而利用三坐標測量機，只需測出工件上若干點的坐標值，再利用測量軟件計算出位置誤差即可，方便快捷。

2.2 模具質量檢測

2.2.1 模具零件質量檢測。一套精密模具的完成，必須確保零件加工符合技術要求。三坐標測量機作為一個高精密檢測設備，其主要功能是精確測量零件的外形尺寸和形位公差。零件檢測的基本流程為根據零件和圖紙制定一個詳細的檢測規劃，根據檢測規劃選擇合適的夾具、匹配的測頭，建立精確的坐標系，編寫合理的程序，最終得到真實的報告。圖3為檢測基本流程[2]。

以塑膠模具中的關鍵零件模仁為例介紹檢測基本流程，具體如下。

第一，分析零件2D圖紙，根據相關標準和規范，完成對工件圖紙的準確解讀，確定零件具體的測量要求。模仁的檢測內容一般從三方面來把握：裝配定位尺寸，如虎口尺寸;封膠位尺寸;膠位尺寸。

第二，確定測量內容后，要分析實現測量要求的測桿配置。在分析過程中，要特別注意以下幾點：測桿組合要少，測量孔的測桿直徑在不影響其他尺寸測量的前提下要盡可能稍大些，加長桿要合理組合。

第三，分析測量基準在哪以及怎樣建立坐標系。檢測工作需要根據檢測需求分析零件測量所需的坐標系。一般來說，模仁基準四面分中居多。

第四，明確測量的程序、測量順序、測量策略等。

第五，裝夾方案設計也是檢測中不可缺少的一個環節。裝夾的目的是保證檢測零件具有穩定性、可重復性。設計裝夾方案時要考慮裝夾的穩定性、數據測量的方便性、測針、測量特征分布、零件測量的可重復性、零件的變形影響等。

第六，運行程序并輸出測量結果。三坐標圖形報告可以同時顯示測量圖形或CAD模型與相應的測量尺寸。圖4為模具零件——模仁檢測的現場圖。

2.2.2 電極質量檢測。在模具加工過程中，一些模具零件的型腔無法使用數控或線割加工，需要通過電極放電加工成形。此時電極的質量是影響模具質量的關鍵，用三坐標測量機測量電極的形狀和位置尤為必要。利用三坐標測量機測量電極的形狀和位置簡單快捷。新建零件程序，在測量軟件中導入電極CAD模型，四面分中建立基本坐標系，編制測量程序，從模型上確定被測點，進行尺寸評價，自動運行程序后輸出報告，從而為下道放電工序加工提供精準的數據。圖5為電極圖。

3 三坐標測量機在機測量的應用

修模一直是模具加工行業比較棘手的工作。運用三坐標測量機進行在機測量，可以在工件不脫離機床的情況下，直接進行三維尺寸如曲面、曲線等特征的測量，然后根據測量結果進行及時調整。在一些精細加工中，也可以根據結果進行余量輔助加工。在機測量可以有效提高模具修模效率、節省模具生產成本。

4 三坐標測量機在模具逆向工程中的應用

逆向工程是從20世紀末以來發展起來的一種產品批量生產以及二次開發的新興工程技術，由于與傳統的產品開發順序相反，因此通常被稱作逆向工程。在逆向工程中，三坐標測量機是非常重要的設備，在產品原件的數字化以及曲面重構過程中發揮著重要作用。通過利用三坐標測量機測量各項幾何尺寸和曲面，以獲取實物模型的特征參數，并借助相關軟件根據所獲取的特征數據在計算機中重構產品的3D模型，然后再進行產品的設計開發與制造。這在模具制造、汽車等行業中應用較為廣泛[3]。

5 三坐標測量機使用的注意事項

三坐標測量機是一種高精密檢測儀器，正確使用三坐標測量機對其使用壽命、精度起著關鍵作用，使用時應注意以下幾個方面：工件吊裝時，不可撞擊三坐標測量機的任何部件;正確裝夾固定零件;確保符合零件與測量機的等溫要求;分析圖紙，保證建立的坐標系符合要求;程序運行時，確保路徑正確，不發生撞針現象;對于一些大型模具，檢測結束后應及時吊下工作臺，避免工作臺長時間處于承載狀態，并及時清理工作臺面等。

6 結語

目前，三坐標測量機因高精度、高柔性及優異的數字化能力，已經成為模具工業設計、開發、加工制造和質量保證的重要手段，在模具制造業中有著十分廣闊的應用前景。在使用三坐標測量機完成設計和測量任務時，要嚴格遵循使用要求，注意測量基準的選擇和測頭的選擇，以保證測量的精度和效率。

參考文獻：

[1]劉祚時，倪瀟娟.三坐標測量機（CMM）的現狀和發展趨勢[J].機械制造，2004（8）：32-34.

[2]趙韓，劉達新，董玉德，等.基于CAD的三坐標測量機檢測規劃系統的開發[J].儀器儀表學報，2009（9）：1846-1853.

[3]馬淑梅，李愛平，陳彬.逆向工程與計算機輔助產品創新[J].機械設計與制造，2005（5）：160-162.