浅谈三坐标测量机的选用及在制造系统中的应用

白月飞

[摘要]汽车零部件制造及装配的高精度必然需求高精度的精密检测,需求严密的质量控制。三坐标测量机是质量控制水平的鲜明标志。因此,分析三坐标测量机的具体选用方法,探讨三坐标测量机在制造系统中的应用。

[关键词]三坐标测量机质量控制制造系统

中图分类号:TH6文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)1210160-01

一、三坐标测量机概述

三坐标测量机的工作原理是坐标测量,在某种意义上讲,三维测量可以测量空间任何几何尺寸,它的基本测量原理就是将被测物体置于三坐标测量机的测量空间,通过测量头探测,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,经计算机按照最小二乘法等数学法则计算求出被测物体的几何尺寸,形状和相对位置。如果在三坐标测量机上安装回转台,在测量中不仅可以使用直角坐标系,还可以使用极坐标系,从而极大简化诸如均布圆周上众多圆孔位置度的检测问题,极坐标的采用无疑扩大了测量范围,同时,为专用用途设计的坐标机还有在X,Y,Z坐标轴上分别安装回转轴的情况,从而实现了所谓五坐标,六坐标测量机的测量功能。

二、三坐标测量机的选用

一般情况下,三坐标测量机的选用主要注意如下方面:

1.CMM的测量范围。这是选择CMM的首要因素。我们在计划购买三坐标测量设备时,首先要清楚掌握所测产品的外围尺寸,根据尺寸来确定相应规格的三坐标设备。例如在选用桥式结构CMM时,设备价格与横梁的跨度成正比,而长度方向的尺寸对价格影响不大,因此我们只要满足测量的范围即可,不必追求不必要的大量程,如果被测工件所需被测量的只是整个产品的一部分,这时选用的CMM也要把整体工件放置在工作台面上,同时要考虑产品的重量,不能超过CMM的承重范围。CMM选用的测量范围还要受到所选探头系统的影响,因为探头会占用一定的测量空间,所以在选定测量范围时,就要考虑所选探头的影响。目前从测量范围而言,探头普遍使用的是两种:带旋转头的探头和固定式探头。

(1)旋转探头:主要应用在生产型的三坐标测量机上。

(2)固定式探头:主要应用在计量型的三坐标测量机上。它不存在旋转探头在旋转过程中产生的旋转误差。因为存在旋转探头和固定探头的工作原理差异,因此在选择设备测量范围的时候也是有区别的:旋转探头需要更大的测量范围,对于同样的一个工件,因为旋转探头在旋转过程中会占用一些空间,根据我们的实践经验,在选择CMM的时候,如果供应商标配旋转探头,就要考虑更大的CMM量程。

2.测量精度。三坐标测量机就是检测工件几何尺寸与形位误差的计量仪器,满足精度要求是首选目标。CMM选用时,一般可根据被测工件要求的检测精度与测量机给定的测量不确定度相对比,看测量机精度是否符合要求。精度比对不是一个简单的比较过程。测量机的技术规范中一般只给出单轴测长和空间测长的两个不确定度计算公式及重复测量精度值。而在具体开展测量时,需要将被测参数的测量不确定度限制在一定范围内。一般测量时,需要测量很多探测点。在进行形位公差测量时,更有大量探测点参与计算并带来测量误差,精确计算是很困难的,因此从经验出发,在一般测量中,测量不确定度应为被测工件尺寸公差带的1/5～1/3。

总之,用户应选用精度(包括重复精度)稍高一些的坐标测量机。这不仅由于测量复杂工件时,测点可能带入的误差比预想的要大(由于测头测杆变化或加长会引入更大的测量误差),而且测量机的精度会随使用次数增多而有所下降,一般测量机的不确定度数值小于或等于被测量尺寸要求不确定度的1/2时,就可以选用。

3.探头形式。从探头的工作形式对测量结果的准确性影响来看,目前普遍使用的探头有接触式触发探头、接触式扫描探头和非接触式光学探头等。选用设备探头时,根据测量需求,测量速度及测量频率选择探头形式。

4.光栅尺。光栅尺是三坐标测量机的读数基准,因而要求其热膨胀系数尽可能的低,以保证读数的准确性。现在关于光栅尺的材料研发也是围绕降低热膨胀系数进行的。测量机按自动化程度分为手动(或机动)与CNC(自控)两大类。选用时,应根据检测对象的批量大小、自动化程度、操作人员技术水平及资金投入大小去权衡。当然CNC测量机精度水平高、测量速度快,但测量前的准备时间相对较长、技术要求相对较高、资金投入相对较大。

三、三坐标测量机在制造系统中的应用

三坐标测量机目前不仅是一种实验室的计量仪器,而且被大量应用在机加及装配生产车间中,在汽车行业,CMM更是产品质量保证和质量控制必备的测量工具。它在实践工作中的应用主要体现在如下几个方面:

1.产品质量检验。由于加工产品形状愈来愈复杂,精度愈来愈高,CMM逐步成为产品质量检验的主要检具,对产品生产中的每道工序进行全加工尺寸检验,确保为下道工序提供合格品。在每道工序加工生产中,只要有一个状态发生变化就应该送CMM检测,例如更换加工刀具,调整加工节拍或程序,对于极其复杂的加工件,传统检具已经不能满足质量控制的要求,同时检具的加工与设计由于加工的复杂性已经成为了一个难题,因此加工的现状促使三坐标测量机成为制造系统中质量检验的主要手段。以汽车发动机厂为例,每周机加部门都要将加工成品件送到质量管理部门,运用CMM对缸体、缸盖、曲轴等成品件进行全尺寸检测,全面检验其加工质量;每半个月对每条加工线各道工序加工件进行送检,检验工序产品质量。周期检验考核生产过程的稳定性,检验生产系统(人、机器、材料、加工方法等)是否处于正常稳定状态,用于消除系统误差。逐批检验是判定批产品质量是否合格,控制随机误差。

2.了解设备的调整状态。如果测量结果表明加工得到的零件尺寸都偏向公差带的一边,便说明设备没有调到最佳状态,必要时可以进行设备调整,或者进行加工夹具的调整。

3.随时及时地了解工艺过程的发展趋势,对产品及设备的状态发出警示信号。如果加工件的尺寸出现系统性的向一个方向漂移,说明存在刀具磨损,热漂移或其它因素,如果发现被测量的几何参数的形状误差越来越大,说明刀具变钝,摩擦力增大,加工振动加剧等情况,从而提醒相关人员及时采取措施进行补救。

4.提供质量体系认证的原始审核数据。目前汽车行业中各个企业纷纷通过TS16949质量认证。在该质量体系认证标准中,其中重要工作部分是对加工的产品进行产品审核,产品审核的内容及程序如下所示,其中产品的监视和测量是最重要环节,产品审核既是一项质量控制工作,又是一项质量保证活动,应遵循持续改进的方针,三坐标测量机对一个企业的所有加工产品进行检测,提供认证机构进行企业审核的依据和对象,是一切基础工作的根本。

参考文献:

[1]曹麟祥、汪慰军等,三坐标测量机的现状、发展与未来,北京机械工业出版社,2000.

[2]王昊,三坐标测量技术在汽车业中的应用,现代制造工程,2005.

[3]叶宗茂,三坐标对螺纹孔位置尺寸的正确测量,现代制造工程,2005.