三坐標(biāo)測量儀的原理及應(yīng)用

摘要

三坐標(biāo)作為一種精密的測量儀器,，可以用來測量幾何形狀,、長度及圓度分度等，下面主要針對三坐標(biāo)的應(yīng)用進(jìn)行講解,。

什么是三坐標(biāo)測量儀,？

三坐標(biāo)測量儀(Coordinate Measuring Machine, CMM) 是指在一個六面體的空間范圍內(nèi)，能夠表現(xiàn)幾何形狀,、長度及圓周分度等測量能力的儀器,，又稱為三坐標(biāo)測量儀或三次元。

三坐標(biāo)測量儀測量原理

三坐標(biāo)測量儀是測量和獲得尺寸數(shù)據(jù)的最有效的方法之一,，因為它可以代替多種表面測量工具及昂貴的組合量規(guī),，并把復(fù)雜的測量任務(wù)所需時間從小時減到分鐘。三坐標(biāo)測量儀的功能是快速準(zhǔn)確地評價尺寸數(shù)據(jù),，為操作者提供關(guān)于生產(chǎn)過程狀況的有用信息,，這與所有的手動測量設(shè)備有很大的區(qū)別。將被測物體置于三坐標(biāo)測量空間,，可獲得被測物體上各測點的坐標(biāo)位置,，根據(jù)這些點的空間坐標(biāo)值，經(jīng)計算求出被測物體的幾何尺寸,，形狀和位置,。

三坐標(biāo)測量儀的應(yīng)用

主要用于機(jī)械、汽車,、航空,、軍工、家具、工具原型,、機(jī)器等中小型配件,、模具等行業(yè)中的箱體、機(jī)架,、齒輪,、凸輪、蝸輪,、蝸桿,、葉片、曲線,、曲面等的測量,，還可用于電子、五金,、塑膠等行業(yè)中,，可以對工件的尺寸、形狀和形位公差進(jìn)行精密檢測,，從而完成零件檢測,、外形測量、過程控制等任務(wù),。

制造業(yè)中的質(zhì)量目標(biāo)在于將零件的生產(chǎn)與設(shè)計要求保持一致,。但是，保持生產(chǎn)過程的一致性要求對制造流程進(jìn)行控制,。建立和保持制造流程一致性最為有效的方法是準(zhǔn)確地測量工件尺寸,，獲得尺寸信息后，分析和反饋數(shù)據(jù)到生產(chǎn)過程中,，使之成為持續(xù)提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效工具,。

三坐標(biāo)測量儀是測量和獲得尺寸數(shù)據(jù)的最有效的方法之一，因為它可以代替多種表面測量工具及昂貴的組合量規(guī),，并把復(fù)雜的測量任務(wù)所需時間從小時減到分鐘,，并快速準(zhǔn)確地評價尺寸數(shù)據(jù)，為操作者提供關(guān)于生產(chǎn)過程狀況的有用信息,。

1,、三坐標(biāo)測量儀在模具行業(yè)中的應(yīng)用

三坐標(biāo)測量儀在模具行業(yè)中的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，它是一種設(shè)計開發(fā),、檢測,、統(tǒng)計分析的現(xiàn)代化的智能工具,，更是模具產(chǎn)品無與倫比的質(zhì)量技術(shù)保障的有效工具,。當(dāng)今主要使用的三坐標(biāo)測量儀有橋式測量機(jī)、龍門式測量機(jī)、水平臂式測量機(jī)和便攜式測量機(jī),。測量方式大致可分為接觸式與非接觸式兩種,，目前Metris LK的測量機(jī)在兩項技術(shù)上位居世界前列。

模具的型芯型腔與導(dǎo)柱導(dǎo)套的匹配如果出現(xiàn)偏差,，可以通過三坐標(biāo)測量儀找出偏差值以便糾正,。在模具的型芯型腔輪廓加工成型后，很多鑲件和局部的曲面要通過電極在電脈沖上加工成形,，從而電極加工的質(zhì)量和非標(biāo)準(zhǔn)的曲面質(zhì)量成為模具質(zhì)量的關(guān)鍵,。因此，用三坐標(biāo)測量儀測量電極的形狀必不可少,。 三坐標(biāo)測量儀可以應(yīng)用3D數(shù)模的輸入,，將成品模具與數(shù)模上的定位、尺寸,、相關(guān)的形位公差,、曲線、曲面進(jìn)行測量比較,，輸出圖形化報告,，直觀清晰的反映模具質(zhì)量，從而形成完整的模具成品檢測報告,。 在某些模具使用了一段時間出現(xiàn)磨損要進(jìn)行修正,，但又無原始設(shè)計數(shù)據(jù)(即數(shù)模)的情況下，可以用截面法采集點云,，用規(guī)定格式輸出,，探針半徑補(bǔ)償后造型，從而達(dá)到完好如初的修復(fù)效果,。

當(dāng)一些曲面輪廓既非圓弧,，又非拋物線，而是一些不規(guī)則的曲面時,，可用油泥或石膏手工做出曲面作為底胚,。然后用三坐標(biāo)測量儀測出各個截面上的截線、特征線和分型線,，用規(guī)定格式輸出,，探針半徑補(bǔ)償后造型，在造型過程中圓滑曲線,，從而設(shè)計制造出全新的模具,。

三坐標(biāo)測量儀以其高精度高柔性以及優(yōu)異的數(shù)字化能力，成為現(xiàn)代制造業(yè)尤其是模具工業(yè)設(shè)計,、開發(fā),、加工制造和質(zhì)量保證的重要手段。我側(cè)重談一下測量機(jī)對于模具工業(yè)的兩個重要作用。

第一,、測量機(jī)能夠為模具工業(yè)提供質(zhì)量保證,，是模具制造企業(yè)測量和檢測的最好選擇。測量機(jī)在處理不同工作方面的靈活性以及自身的高精度,，使其成為一個仲裁者,。在為過程控制提供尺寸數(shù)據(jù)的同時，測量機(jī)可提供入廠產(chǎn)品檢驗,、機(jī)床的校驗,、客戶質(zhì)量認(rèn)證、量規(guī)檢驗,、加工試驗以及優(yōu)化機(jī)床設(shè)置等附加性能,。高度柔性的三坐標(biāo)測量儀可以配置在車間環(huán)境，并直接參與到模具加工,、裝配,、試模、修模的各個階段,，提供必要的檢測反饋,，減少返工的次數(shù)并縮短模具開發(fā)周期，從而最終降低模具的制造成本并將生產(chǎn)納入控制,。

第二,、測量機(jī)具備強(qiáng)大的逆向工程能力，是一個理想的數(shù)字化工具,。通過不同類型測頭和不同結(jié)構(gòu)形式測量機(jī)的組合,，能夠快速、精確的獲取工件表面的三維數(shù)據(jù)和幾何特征,，這對于模具的設(shè)計,、樣品的復(fù)制、損壞模具的修復(fù)特別有用,。此外,，測量機(jī)還可以配備接觸式和非接觸式掃描測頭，并利用PC-DMIS測量軟件提供的強(qiáng)大的掃描功能,，完成具備自由曲面形狀特征的復(fù)雜工件CAD模型的復(fù)制,。無需經(jīng)過任何轉(zhuǎn)換，可以被各種CAD軟件直接識別和編程,，從而大大提高了模具設(shè)計的效率,。

具體來說，在模具制造企業(yè)中應(yīng)用測量機(jī)完成設(shè)計和檢測任務(wù)時,，要密切關(guān)注測量基準(zhǔn)的選擇,、測頭的標(biāo)定和選擇,、測點數(shù)及測量位置的規(guī)劃、坐標(biāo)系的建立,、環(huán)境的影響,、局部幾何特征的影響,、CNC控制參數(shù)等多方面的因素,。這當(dāng)中的每一個因素，都足以影響測量結(jié)果的精確和效率,。

2,、三坐標(biāo)測量儀在汽車行業(yè)的應(yīng)用

坐標(biāo)測量機(jī)是通過測頭系統(tǒng)與工件的相對移動，探測工件表面點三維坐標(biāo)的測量系統(tǒng),。通過將被測物體置于三坐標(biāo)測量儀的測量空間,，利用接觸或非接觸探測系統(tǒng)獲得被測物體上各測點的坐標(biāo)位置，根據(jù)這些點的空間坐標(biāo)值,，由軟件進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算,，求出待測的幾何尺寸和形狀、位置,。因此,，坐標(biāo)測量機(jī)具備高精度、高效率和萬能性的特點,，是完成各種汽車零部件幾何量測量與品質(zhì)控制的理想解決方案,。 

汽車零部件具有品質(zhì)要求高、批量大,、形狀各異的特點,。根據(jù)不同的零部件測量類型，主要分為箱體,、復(fù)雜形狀和曲線曲面三類,，每一類相對測量系統(tǒng)的配置是不盡相同的，需要從測量系統(tǒng)的主機(jī),、探測系統(tǒng)和軟件方面進(jìn)行相互的配套與選擇,。

3、三坐標(biāo)測量儀在發(fā)動機(jī)制造中的應(yīng)用 

在現(xiàn)代制造業(yè)中,，高精度的綜合測量機(jī)越來越多的應(yīng)用于生產(chǎn)過程中,，使產(chǎn)品質(zhì)量的目標(biāo)和關(guān)鍵漸漸由最終檢驗轉(zhuǎn)化為對制造流程進(jìn)行控制，通過信息反饋對加工設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行及時的調(diào)整,，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定生產(chǎn)過程,，提高生產(chǎn)效率。

發(fā)動機(jī)是由許多各種形狀的零部件組成,，這些零部件的制造質(zhì)量直接關(guān)系到發(fā)動機(jī)的性能和壽命,。因此,，需要在這些零部件生產(chǎn)中進(jìn)行非常精密的檢測，以保證產(chǎn)品的精度及公差配合,。在現(xiàn)代制造業(yè)中,，高精度的綜合測量機(jī)越來越多的應(yīng)用于生產(chǎn)過程中，使產(chǎn)品質(zhì)量的目標(biāo)和關(guān)鍵漸漸由最終檢驗轉(zhuǎn)化為對制造流程進(jìn)行控制,，通過信息反饋對加工設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行及時的調(diào)整,，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定生產(chǎn)過程，提高生產(chǎn)效率,。

在傳統(tǒng)測量方法選擇上,，人們主要依靠兩種測量手段完成對箱體類工件和復(fù)雜幾何形狀工件的測量，即：通過三坐標(biāo)測量儀執(zhí)行箱體類工件的檢測,；通過專用測量設(shè)備,，例如專用齒輪檢測儀、專用凸輪檢測設(shè)備等完成具有復(fù)雜幾何形狀工件的測量,。因此對于從事生產(chǎn)復(fù)雜幾何形狀工件的企業(yè)來說,，完成上述產(chǎn)品的質(zhì)量控制企業(yè)不僅需要配置通用測量設(shè)備，例如三坐標(biāo)測量儀,，通用標(biāo)準(zhǔn)量具,、量儀，同時還需要配置專用檢測設(shè)備,，例如各種尺寸類型的齒輪專用檢測儀器,，凸輪檢測儀器等。這樣往往導(dǎo)致企業(yè)的計量部門需要配置多類型的計量設(shè)備和從事計量操作的專業(yè)檢測人員,，計量設(shè)備使用率較低,，同時企業(yè)負(fù)擔(dān)較高的計量人員的培訓(xùn)費用和計量設(shè)備使用和維護(hù)費用；企業(yè)無法實現(xiàn)柔性,、通用計量檢測,。因此，降低企業(yè)的測量成本,，計量人員的培訓(xùn)費用,，測量設(shè)備的使用和維修費用，達(dá)到提高測量檢測效率的目的,，使企業(yè)具備生產(chǎn)過程的實時質(zhì)量控制能力,，這將關(guān)系到企業(yè)在市場活動中的應(yīng)變能力，對幫助企業(yè)建立并維護(hù)良好的市場信譽(yù),，具有重要的決定作用,。