用三坐标测量机对特型零件测量的研究

董 宇，李岩松

（1.人民解放军驻沈阳飞机工业集团有限公司军代表室，辽宁 沈阳110034；2.沈阳亚特重型装备制造有限公司，辽宁 沈阳110135）

三坐标测量机作为现代大型精密仪器，已越来越显示出其重要性和广阔的发展前景。其可方便地进行空间三维尺寸的测量，可实现在线检测及自动化测量。其优点体现为：

（1）通用性强，可实现空间坐标点位的测量，方便地测量出各种零件的三维轮廓尺寸和位置精度；

（2）测量精确可靠；

（3）可方便地进行数据处理与程序控制。因而其可纳入自动化生产和柔性加工线中，并成为一个重要的组成部分。

进入60年代以来，工业生产有了很大的发展，特别是机床、机械、汽车、航空航天和电子工业兴起后，各种复杂零件的研制和生产需要先进的检测技术与仪器，因而体现三维测量技术的三坐标测量机应运而生，并迅速发展和完善。本文针对难测量、难摆放零件及特殊位置孔的测量进行研究，对本文相似零件有很好的参考价值。

1 复杂零件的测量难度

随着三坐标测量机的发展与普及，其作为一种全新的测量手段，要求必须有全新的与其相关的测量方法及测量思维，我选用了图1所示的零件作为特例来进行说明。

图1 测量零件示意图

该零件的测量难度叙述几种在以下几点：

（1）零件的摆放。由于该零件2个方向都有孔，所以零件的摆放一定要注意，首先是要保证能够测量所有孔，二是要保证能够方便建立坐标系。

（2）坐标系的建立。该零件为5坐标加工的零件，其两个侧面都是NC曲面，曲面2上8个孔都为矢量孔，该零件在加工为成品后，已经失去了原有的加工基准，同时，在设计上也没有设计基准供测量使用。所以，该零件在坐标的建立上已经不能采取普通的建坐标系的方法。

（3）孔的测量。由于曲面2上8个孔都为矢量孔，首先就要解决如何以最简单的方法将各孔矢量方向输入程序中，同时各矢量角度偏差很大，一个测头方向已经不能满足需要，测头的方向要与孔的矢量方向尽量一致，否则小则影响测量，产生测量偏差，大则碰撞测头，对机床造成伤害。

（4）孔的评价。由于在设计上这12个孔都为NC加工孔，没有孔距，不能像其它图纸的孔以孔距来评价。

2 测量方案制定

2.1 建立坐标系

曲面1为一直平面，上面4个孔都垂直于平面，将Z面建立在曲面1上，将零件Z方向建立与机床Y方向一致，可以解决孔的测量问题，同时也给测头足够的空间来进行偏摆。将零件原点放在曲面1的一个孔上，将X方向定义为从原点指向另一孔中心的方向上，至此，零件坐标系的建立已经完成。零件的摆放及坐标系如图2所示。

图2 零件的摆放及坐标系的建立

2.2 测头偏摆

在零件摆放好后，要对测头的偏摆进行设计，以测量所有孔及数据点。首先测量曲面1、相邻两曲面及其上的6个孔的测头角度直接可以定义为A90B0，可以满足这一侧面的所有数据点及孔的测量要求。而曲面2，对数据点的测量及前4个孔的测量，测头角度定义为A0B0就可以满足要求，但对后四个孔的测量A0B0角已经无法满足要求，通过数模测量后，得到4个孔相对零件Z面的角度分别为14.7°及44.65°，所以另外设计两个测头角度A15B180、A45B180用于完成另外4个孔的测量任务。这样，所有NC曲面的数据点及矢量孔的测头偏摆已经做完。

2.3 测量数据的提取及格式化

在数据的提取上，本着最大分布于被测曲面的原则，在曲面1一侧提取了8个数据点，在曲面2一侧提取了10个点，在对孔的处理上，提取了14个孔的孔中心坐标及孔的矢量方向，并将点坐标格式化为：PNTn X，Y，Z，I，J，K格式。同时将数据点分文件处理，曲面1一侧测量点数据为一个文件，孔位数据为一个文件，曲面2一侧测量点数据为一个文件，孔位数据为一个文件，共4个文件，以方便数据的读入与数据处理。

数据的评价：对数据点的评价，根据设计要求，评价点的X、Y、Z及矢量方向的上的偏差，公差±0.1；对孔的评价，因为是曲面上的矢量孔，不能采用评价孔距的方法来评价孔，所以对孔也采用了点一个的评价方法，利用孔中心的孔位数据，评价其X、Y、Z及矢量方向上的偏差，公差为0.075。

3 程序设计

在测量方案确定后，接下来的工作就是对测量程序进行设计，得用PCDMISCAD测量软件进行程序设计。

3.1 坐标系的建立

首先进行手动建坐标系，将运行模式改为手动，加载当前测头220，测尖T1A90B0。为了测量准确，在曲面1上采5点建立Z轴，采曲面1上两个孔建立X方向。手动建坐标系结束后，将运行模式改更为自动模式，设定安全平面Z正，高度10 mm，复制手动建坐标系，进行自动建坐标系，以消除手动建坐标系带来的一些偏差。

3.2 曲面1上孔的测量及评价

利用程序中找开文件的功能，打开曲面1上孔位数据点文件，插入评价功能，对刚测量的孔进行评价，程序如下：

终止循环，孔的测量及评价程序结束。

3.3 测头偏摆

为了能对曲面2上的数据进行测量，必须进行摆动测头，首先将测头移动到一个相对安全的地方，使测头在偏摆过程中不至于撞上零件或夹具。所以在程序中插入移动功能，使测头远离工件及夹具，程序段如下：

移动/点,300,0,100

然后进行测头的偏摆，为曲面2的数据点的测量做好准备，插入测头偏摆功能，使测头摆动到A0B0，程序段如下：

测尖/T1A0B0,柱测尖IJK=1,-0.0000,0.0000,角度=90

3.4 曲面2上数据点的测量及评价

为了能正确的测量曲面2上的数据点，上面的安全平面设定已经不能满足测量要求，所以将安全平面更改为X正，高度为30 mm，以防在安全移动过程中与零件发生碰撞，其程序如下：

安全平面/X正,90,X正,0

其余测量程序如曲面1上数据点的测量及评价的相同。

3.5 曲面2上的孔的测量及评价

由于曲面2上后4个孔要进行测头的偏摆，所以其在程序上要与其它的孔测量分开，首先进行头4个孔的测量工作，将文件文件打开并读取前4个数据，进行孔的测量及评价，这时将测尖移动到安全平面，并将测头摆动到A15B180，以进行后两个孔的测量及评价。此时文件指针位于文件第5行，指向第5个孔的孔位数据处，重新进行循环，循环次数2次，进行后两个孔的测量及评价，为了使测量机在进入孔的过程中可以沿矢量方向移动，不和孔壁发生碰撞，在测孔对话框中，选择移动选项，如图3所示。并输入4，使测头在进入和退出孔的过程沿矢量方向移动。完整程序如下：

图3 曲面2上的孔的测量及评价

移动/安全平面

测尖/T1A15B180,柱测尖IJK=0.9652,-0.0242,-0.2602,角度=-95.268

重新将测尖移动到安全平面，并将测头摆动到A45B180，以进行最后两个孔的测量及评价。此时文件指针位于文件第7行，指向第7个孔的孔位数据处，重新进行循环，循环次数2次，进行最后两个孔的测量及评价，程序如上。

4 结束语

PCDMISCAD测量软件简单易学，功能强大，可操作性强，在对复杂型面及多矢量方向孔的测量上，PCDMISCAD测量软件可以很好地完成对这类零件测量任务，但却需要操作者必须对PCDMISCAD软件本身以及测量方法和测量思维有比较深入地了解，才能正确地进行测量方案规划、程序设计及评价。

[1]航空工艺装备设计手册编写组.航空工艺装备设计手册-量具设计[K].北京：国防工业出版社，1979.

[2]航空工艺装备设计手册编写组.航空工艺装备设计手册-刀具设计[K].北京：国防工业出版社，1979

[3]袁哲俊，等.金属切削刀具[M].上海：上海科学技术出版社，1992.

[4]GB1800-89，GB1804-89.公差与配合[S].

[5]GB1882-90.形状与位置公差[S].