【摘 要】随着国内制造业的迅速崛起，越来越多的三坐标测量机被用于车间检验站、工序间在线检测、新产品开发、工模具制造和入库验收等进行零件和部件的尺寸、形状及相互位置的检测，从而完成零件检测、外形测量、过程控制、逆向工程等任务。由于它的通用性强、测量范围大、精度高、效率好、能与柔性制造系统相连接，已成为一类大型精密仪器。目前，国外著名的生产厂家有德国的蔡司（Zeiss）、莱茨（Leitz）和温泽（WENZEL）、意大利的DEA、美国的布朗——夏普（Brown&Sharp）、日本的三丰（Mitutoyo）等公司。我国的主要生产厂家有思瑞，爱德华，壹兴佰，佛迪，智泰，而不管国产或者进口大部分核心部件都是采用英国Renishaw。目前，三坐标测量机以其高精度高柔性以及优异的数字化能力，成为现代制造业尤其是模具工业设计、开发、加工制造和质量保证的重要手段。
【关键词】三坐标；应用；校准；测量
一、三坐标测量机基本概述
1.三坐标测量机的定义：
由三个运动导轨，按笛卡儿坐标系组成的具有测量功能的测量仪器，称为三坐标测量机，并且由计算机来分析处理数据（也可由计算机控制，实现全自动测量），是一种复杂程度很高的计量设备。
2.三坐标测量机测量原理：
坐标测量机是通过测头系统与工件的相对移动，探测工件表面点三维坐标的测量系统，通过将被测物体置于三坐标测量机的测量空间，利用接触或非接触探测系统获得被测物体上各测点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，由软件进行数学运算，求出待测的几何尺寸和形状、位置及其他几何量数据。因此，坐标测量机具备高精度、高效率和万能性的特点，是完成各种零部件几何量测量与品质控制的理想解决方案。一般地，经过计算，可以拟合形成测量元素，如空间点、直线、圆、球、圆柱、圆锥、曲面等。
3.三坐标测量机的主要组成：
主机结构由框架、标尺系统、导轨、驱动装置、转台平衡部件组成。电气系统由电器控制系统、计算机、测量软件、打印与绘图装置组成。
4.三坐标测量机的类型
当今主要使用的三坐标测量机按设计分类有水平臂式、桥式、龙门式、便携式和悬臂式测量机。按测量方式大致可分为接触式与非接触式两种。
5.测量机的工作环境条件
由于三坐标测量机是一种高精度的检测设备，机房环境条件的好坏，对于测量机的影响有着至关重要的作用。这其中包括检测工件状态及环境、温度条件、振动、湿度、供电电源、压缩空气等因素。环境温度：20℃±2 ℃，梯度要求：空间< 1 ℃/m3，时间< 2 ℃/h，相对湿度：50%～70%，地线单独接地<5Ω，震动：频率5HZ～50HZ，压缩空气：6MPa，同时配备大功率稳压电源。
6.基本测量步骤：
基本测量步骤依次为校正测头、测量基本元素、计算所需结果、输出测量结果。
二、三坐标测量机在机械制造中的应用实例
实例1：多测针多角度探针组校验技巧
测头是三坐标测量机的重要组成部分，起到数据采集的作用，测针校准是检测工件的重要步骤，个别工件形状复杂，检测过程中为避免干涉，测头文件需多选择多根测针及几百种转换角度，按照常规校验方法，每种角度的校验都需要手动操作，过程时间长、效率低，同时因手动操作次数多，容易出现个别角度选择错误，与标准球不对应等问题，造成校验数据失准及设备撞击事故风险。通过多测针多角度校验编组，在测针校验时只需根据测针角度和标准球不同调用相应测针编组，使校验过程实现自动化，提高检测效率，降低了生产成本，操作步骤如下：
1.打开测量程序，根据测针角度、标准球矢量方向不同，編制校验程序，并分别编组，保存名称；
2.根据测量工件选取测头文件，调用对应的测针编组编号，设置校验速度和测量点数，直接点击“测量”即可完成一系列多测针多角度自动校验；
3.查看校验结果，确认数据符合精度要求。
实例2：复杂工件3D数模导入编程检测
复杂工件检测尺寸数据量庞大，结构复杂，检测过程中工件个别部位与测头存在干涉问题，存在安全风险；另一方面按照常规的三坐标手动编程方法，需要大量编程时间，效率低，数据准确性有待提高。如果通过数模导入会解决这些问题，以为海克斯康测量机PC-DIMS软件为例，编程过程中，首先导入CAD数模，通过粗建坐标系，零件坐标系和数模坐标系重合后，即迭代法建立坐标系，直接在数模上点击，三坐标测量机以实现合理安排检测路径并且自动触测被测特征的一种检测方法。这种方法节省了大量的人力、物力、时间，降本增效，实现效益最大化。编制过程力求检测程序编制周期短，路径简单；检测程序运行安全，检测数据准确，满足工艺要求，操作步骤步骤如下：
1.将3D模型导入三坐标测量机PC-DMIS系统；
2.分析图纸和工艺文件，根据工艺文件检测要求编辑测头文件，并进行校验，保证校验结果符合要求；
3.通过测量软件读取3D模型各个部位的坐标值和矢量值，根据工艺文件尺寸检测要求，统一检测基准和工艺基准，消除基准误差，利用自动编程功能编程，合理安排检测角度和检测路径；
4.优化检测程序，提高检测效率。
实例3：同轴度的测量
同轴度的测量误差往往比实际误差大是三坐标测量过程中一个常见问题，主要原因是对工件分析不深入，测头组件配置不合理，测量方法不恰当。如下图所示，当基准轴线与被测轴线较短并且距离较大时，如果用通常的方法评价同轴度，即将测量的基准轴线延长至被测轴线处，再计算出被测轴线与基准轴线的最大距离的两倍得到同轴度数值，这样的测量结果误差往往很大，并且不符合实际情况。在这种情况下，我们首先应该尽量加大被测圆柱首位两个截面的距离，否则误差很大，同时应当采用先建立公共轴线再评价同轴度的方法，先在两端圆柱各取圆心，连成一条3D直线作为公共轴线，然后用公共轴线作为基准轴线评价同轴度，这样的检测结果会更加贴近实际一些。
参考文献：
[1]海克斯康测量技术（青岛）有限公司编《实用坐标测量技术》.北京化学工业出版社
[2]张国雄 《三坐标测量机》 天津大学出版社
[3]赵忠玉《测量与机械零件测绘》机械工业出版社
（作者单位：中国中车大同电力机车有限公司）
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