三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在凹球形髖關(guān)節(jié)假體球度徑向偏差自動(dòng)化檢測(cè)中的應(yīng)用

宋立超，韓昀初，于會(huì)華，魯剛

威海市食品藥品檢驗(yàn)檢測(cè)研究院 （山東威海 264210）

高效率和高精度是檢驗(yàn)人員衡量一臺(tái)設(shè)備或方法是否適用的核心標(biāo)準(zhǔn)之一[1]。因此，高精度、可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化批量檢測(cè)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)中發(fā)揮了重要作用。接觸式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)通過(guò)探針接觸[2]，記錄所測(cè)點(diǎn)的三坐標(biāo)位置，然后通過(guò)設(shè)備測(cè)量軟件將所測(cè)點(diǎn)位收集、分析，擬合成待評(píng)定要素[3]，實(shí)現(xiàn)同一產(chǎn)品多個(gè)要素的評(píng)定。

隨著醫(yī)療器械產(chǎn)品質(zhì)量控制的日趨嚴(yán)格，如何高效、準(zhǔn)確地對(duì)產(chǎn)品特性進(jìn)行檢測(cè)是目前臨床研究的方向。以髖臼內(nèi)襯為例，其尺寸測(cè)量指標(biāo)球度徑向偏差使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量，通常采用傳統(tǒng)球度測(cè)量法和非掃描測(cè)量法，前者所采集的球形表面特征區(qū)域較小，無(wú)法完整反映球面特征；后者在每個(gè)圓要素上采集的點(diǎn)數(shù)較少，易影響球度測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。而本研究采用分割掃描方法測(cè)量球度徑向偏差，從球形頂點(diǎn)將球形分割為4 個(gè)象限，每個(gè)象限以?huà)呙璺绞綔y(cè)量140°，既較為完整地掃描了球形各個(gè)特征區(qū)域，又采集了較多的測(cè)量點(diǎn)，明顯提高了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，現(xiàn)報(bào)道如下。

1 材料與方法

1.1 設(shè)備

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（日本三豐公司生產(chǎn)，STRATOApex 574 型）。測(cè) 量 范 圍 為500 mm×700 mm×400 mm，最大允許誤差=（0.7+2.5L/1000）μm，L=測(cè)量長(zhǎng)度（mm），探測(cè)誤差P=0.6 μm，測(cè)量軟件為MCOSMOS-1 v4.2R3，軟件算法為最小二乘法。

1.2 方法

將髖臼內(nèi)襯成品安裝于配套工裝夾具內(nèi)（圖1），平穩(wěn)地置于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)臺(tái)面上合適的位置，確保髖臼內(nèi)襯的凹球形頂點(diǎn)位于最深點(diǎn)。選擇滿(mǎn)足測(cè)量要求的測(cè)針，其長(zhǎng)度應(yīng)足以探測(cè)至凹球的最深點(diǎn)，校準(zhǔn)測(cè)針，以確保其精度。手動(dòng)建立坐標(biāo)系，以確定工件位置，進(jìn)入編程環(huán)節(jié)，再次手動(dòng)建立坐標(biāo)系，作為測(cè)量基準(zhǔn)，測(cè)量并擬合相關(guān)要素，記錄測(cè)量行程，最后評(píng)定球度徑向偏差。

圖1 髖臼內(nèi)襯安裝于工裝內(nèi)

1.2.1 建立坐標(biāo)系

合理的坐標(biāo)系可以提高檢測(cè)的精度和效率[4]。髖臼內(nèi)襯表面無(wú)基準(zhǔn)平面，因此考慮在凹球形中測(cè)量圓，擬合出球形并以球心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系。將髖臼內(nèi)襯凹球面向上安裝于工裝中，使凹形球面的頂點(diǎn)位于最深點(diǎn)。將樣品和工裝置于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)試驗(yàn)臺(tái)面，根據(jù)髖臼內(nèi)襯規(guī)格選擇適宜規(guī)格的測(cè)針。測(cè)針角度選取（0°，0°），校準(zhǔn)測(cè)針，然后建立坐標(biāo)系，以確定髖臼內(nèi)襯的位置。選擇“圓”命令，采集點(diǎn)數(shù)至少3 個(gè)，在凹形球面上平行于機(jī)械坐標(biāo)系X、Y 面的任意高度測(cè)量規(guī)定數(shù)量的點(diǎn)，擬合出圓1；再次選擇“圓”命令，采集點(diǎn)數(shù)至少3 個(gè)，調(diào)整測(cè)針高度，在凹形球面上平行于機(jī)械坐標(biāo)系X、Y 面的另一高度測(cè)量規(guī)定數(shù)量的點(diǎn)，擬合出圓2。選擇“球”命令，用測(cè)量點(diǎn)計(jì)算的方式結(jié)合要素圓1 和圓2，擬合出球1，將球1 的球心設(shè)置為原點(diǎn)。

1.2.2 分割掃描法球度徑向偏差檢測(cè)

打開(kāi)“CNC 參數(shù)和CNC on”進(jìn)入編程模式，該模式下需根據(jù)測(cè)頭和髖臼內(nèi)襯位置建立適當(dāng)?shù)闹虚g位置，以記錄行程路徑。重復(fù)1.2.1 中的操作，再次建立坐標(biāo)系，以作為測(cè)量基準(zhǔn)，分別擬合出圓3、圓4 和球2，將球2 的球心設(shè)置為原點(diǎn)。

依據(jù)YY/T 0809.2-2020《外科植入物 部分和全髖關(guān)節(jié)假體 第2 部分：金屬、陶瓷及塑料關(guān)節(jié)面》[5]中A.2 髖臼中提供的第2 種方法編輯程序，使用具有掃描技術(shù)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，將球體從球形頂點(diǎn)（凹球的最深點(diǎn)）分成4 個(gè)45°的象限，每個(gè)象限測(cè)量140°（距球形頂點(diǎn)2×70°），使用高斯分布確定實(shí)際球形的球度[5]。

第1 步，將測(cè)頭移動(dòng)到接近凹形球面球心的位置，選擇“圓”命令，點(diǎn)擊“自動(dòng)圓測(cè)量”進(jìn)入圓的自動(dòng)測(cè)量模式。在該模式下依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范選擇“標(biāo)準(zhǔn)掃描”下的高斯濾波模式，掃描間距依測(cè)量要求而定。本方法掃描間距選擇0.02 mm，要素類(lèi)型選擇“孔”，其直徑依據(jù)凹形球面公稱(chēng)直徑輸入。在“自動(dòng)圓測(cè)量”界面中，輸入（X，Y，Z）的坐標(biāo)值（0，0，0），以確保圓心和球心為同一點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)面選擇XZ 面，調(diào)整測(cè)量起始角度和終止角度，使測(cè)頭能自動(dòng)測(cè)量140°（距球形頂點(diǎn)2×70°），該步驟擬合出圓5。

第2 步，再次選擇“圓”命令，點(diǎn)擊“自動(dòng)圓測(cè)量”進(jìn)入圓的自動(dòng)測(cè)量模式，在該模式下依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范選擇“標(biāo)準(zhǔn)掃描”下的高斯濾波模式，要素類(lèi)型選擇“孔”，其直徑依據(jù)凹形球面公稱(chēng)直徑輸入。在“自動(dòng)圓測(cè)量”界面中，輸入（X，Y，Z）的坐標(biāo)值（0，0，0），以確保圓心和球心為同一點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)面選擇YZ 面，調(diào)整測(cè)量起始角度和終止角度，使測(cè)頭能自動(dòng)測(cè)量140°（距球形頂點(diǎn)2×70°），該步驟擬合出圓6。

第3 步，選擇“移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系”命令，將Z 軸旋轉(zhuǎn)45°。重復(fù)第1、2 步的操作，分別擬合出圓7、8。

第4 步，選擇“球”命令，點(diǎn)擊“結(jié)合要素”，選擇圓5～8，選擇“用測(cè)量點(diǎn)計(jì)算”，以擬合出球3（圖2）。圓5～8 將球體從球形頂點(diǎn)（凹球的最深點(diǎn)）分成4 個(gè)45°的象限。

圖2 球3 要素繪圖

第5 步，點(diǎn)擊“要素公差檢驗(yàn)”-“球”要素，選擇球3，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求或工藝圖紙，輸入球度徑向偏差規(guī)定值，可與球度實(shí)測(cè)值進(jìn)行分析比較。

1.2.3 傳統(tǒng)球度測(cè)量

傳統(tǒng)的球度徑向偏差測(cè)量方法是在球面上平行于XY 面的不同高度上測(cè)量2 個(gè)圓要素，將2 個(gè)圓要素構(gòu)造成球形，以測(cè)量球度徑向偏差。測(cè)量圓要素選擇“標(biāo)準(zhǔn)掃描”模式，掃描間距為0.02 mm。相較于分割掃描法球度徑向偏差檢測(cè)，其采集球形表面的特征區(qū)域較少。

1.2.4 非掃描測(cè)量

非掃描測(cè)量為采用點(diǎn)接觸測(cè)量的方法檢測(cè)球度徑向偏差，與1.2.2 方法比較，其測(cè)量圓5～8 時(shí)采用點(diǎn)接觸式測(cè)量，每個(gè)圓要素采集7 個(gè)點(diǎn)要素。相較于分割掃描法球度徑向偏差檢測(cè)，其在每個(gè)圓要素上采集的特征區(qū)域較少。

2 結(jié)果

本研究在20 ℃試驗(yàn)環(huán)境下分別進(jìn)行3 種不同方法的球度徑向偏差檢測(cè)（均測(cè)量10 次）。與分割掃描法比較，傳統(tǒng)球度測(cè)量方法測(cè)得的球度徑向偏差結(jié)果離散程度較高；非掃描測(cè)量方法測(cè)得的球度徑向偏差結(jié)果離散程度較低，但結(jié)果整體小于分割掃描法，見(jiàn)表1 及圖3。

表1 不同方法測(cè)量的球度徑向偏差結(jié)果

圖3 不同方法測(cè)量球度徑向偏差比較

3 討論

根據(jù)測(cè)量結(jié)果，傳統(tǒng)球度測(cè)量方法較高的離散程度表明，該方法采集球形表面特征區(qū)域較小，無(wú)法完整地反映球形表面特征。理論上來(lái)說(shuō)，

測(cè)量點(diǎn)在待測(cè)面上分布的越多越密集，測(cè)量結(jié)果越精確[6]，因此，非掃描測(cè)量方法測(cè)得的結(jié)果表明點(diǎn)接觸式測(cè)量的精度一般不如掃描式測(cè)量。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)采用分割掃描法測(cè)量髖臼內(nèi)襯球度徑向偏差具備如下優(yōu)點(diǎn)。（1）本方法建立坐標(biāo)系僅需通過(guò)測(cè)量2 個(gè)不同高度的圓，將兩圓擬合為球，將球心設(shè)置為坐標(biāo)原點(diǎn)即可。（2）象限分割方便。通過(guò)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系Z 軸45°角，使測(cè)針可在旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)系中進(jìn)行XZ 驅(qū)動(dòng)面和YZ 驅(qū)動(dòng)面上的自動(dòng)圓測(cè)量，簡(jiǎn)化了圓測(cè)量的步驟，實(shí)現(xiàn)了象限分割。（3）自動(dòng)化程度較高。對(duì)同一批次工件，在程序編輯完成后，進(jìn)入“CMM 重復(fù)模式”，僅需通過(guò)探針在凹球面不同高度采集兩個(gè)圓要素，即可自動(dòng)化運(yùn)行，且工件位置可自由變動(dòng)，無(wú)需考慮工件位置變動(dòng)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響[7]。（4）測(cè)量精確度高。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)精度最高可達(dá)微米級(jí)，采用標(biāo)準(zhǔn)掃描方式可以更精確地反映待測(cè)量表面的特征。本方法掃描經(jīng)球形頂點(diǎn)在間隔45°角的不同方向上采集更多的圓要素，使擬合出的球形更接近實(shí)際球形。

4 結(jié)論

本研究使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)完成對(duì)凹球形髖關(guān)節(jié)假體的球度徑向偏差檢測(cè)工作，通過(guò)掃描采點(diǎn)及編程的方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜工件關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的自動(dòng)化檢測(cè)，提高了檢測(cè)的精度和效率。隨著醫(yī)療器械行業(yè)的快速發(fā)展，具備高精度、高效率特點(diǎn)的三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)將在醫(yī)療器械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測(cè)方面發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。