基于三坐标测量机的实验教学方法探索

姚利娟

(西南科技大学 工程技术中心，四川 绵阳 621010)

工程训练是大学生实践教学环节中的一个重要组成部分，旨在对学生进行全面系统的工程技术教育和工艺技术训练，使学生了解工程概念，提高工程素质，并最终成为适应现代工程发展需要的应用型创新人才［1－3］。传统的金工实习等训练项目已不能满足新形势下的人才培养需求，开展现代加工制造技术的教学与实践的必要性日益凸显。在这种背景下，《产品创新设计》与《先进制造技术》等一系列课程逐渐被纳入工程训练课程体系中。

现代测量技术在先进制造技术中具有举足轻重的地位，对实现零件互换性、保证产品质量起到至关重要的作用。随着现代科学技术的发展，工业生产自动化程度的日益提高，对产品的可靠性及质量的要求越来越高，测量仪器也越来越趋于精密化、集成化、智能化［4］。

20世纪60年代后期发展起来的三坐标测量机作为上述发展趋势的典型代表，三坐标测量机是一种高效的新型精密测量设备，可用于测量各种机械零件、模具等的形状尺寸、孔位、孔中心距以及各种形状的轮廓，并且特别适用于测量带有空间曲面的工件。由于三坐标测量机具有高准确度、高效率、大测量范围的优点，已成为几何量测量仪器的一个重要发展方向［5］。

将三坐标测量机应用于现代测量技术的实验教学环节，能够使学生在实际动手操作中，了解现代测量技术的基本特点，并掌握一定的先进测量方法，对拓展学生知识结构、提高工程实践能力起到积极作用［6］。

1 实验设计

实验设备采用海克斯康公司生产的Explorer 07.10.05三坐标测量机，如图1所示。

图1 Explorer三坐标测量机

Explorer系列测量机是功能完善的通用型数控测量机，并配备PC－DMIS测量软件，能够满足各种中小尺寸零部件的测量需要。其各项指标如下［7］:

1)主要技术指标

行程范围(mm)X/Y/Z:700×980×500;最大三维速度(mm/s):520;最大三维加速度(mm/s2):780。

2)精度指标

最大示值误差(MPEE):2.5+3.3 L/1 000 μm;最大探测误差(MPEP):2.8 μm。

实验授课对象为以机械专业为主的理工科学生，针对学生所学专业及所具备的专业基础知识的不同，将实验划分为三个层次，如图2所示［8］。

图2 现代测量技术实验结构层次

1.1 基础认知实验设计

基础认知实验面向所有理工科学生，以讲授及演示操作为主。主要涉及现代测量技术的基本概念、三坐标测量机的硬件构成和功能。包括:三坐标测量机的主体部分，终端控制计算机和打印机，数控设备及其外设以及三坐标测量系统的软件功能。另外，在本阶段的实验中，将介绍三坐标测量系统的测量原理及其在现代工业生产各环节中的应用。

1.2 基本操作技能实验设计

基本操作技能实验主要针对近机械类及机械类专业低年级学生，学习三坐标测量机及测量软件的基本操作，如选择并校验测头、装夹待测工件以及如何利用三坐标测量机对简单零件进行单一几何量的手动测量，如手动测量点、直线、平面、圆、圆柱等，并学习分析所测量的尺寸及形位公差。

为加强本实验环节与工程训练体系内其他实验环节的联系，本实验所选用的待测工件均来自学生在其他实验环节中所做的作品，如图3所示。其中，图3(a)工件要求测量上表面各孔的相对位置、前后两侧面的平行度以及两侧面相对上表面的垂直度;图3(b)工件则主要检测轴两端的同轴度。

检测步骤如下:

1)合理选择并校验测头，以保证测量精度;

2)装夹工件，要求定位合理且便于测量;

3)手动测量所需几何量，其中工件a主要测量上表面、前后两个侧面及上表面各孔。工件b主要测量轴两端的柱体;

4)对所测量进行评价;

5)生成检测报告。

图3 实验所用工件

针对图3所示的两个工件，部分检测结果分别如表1和表2所示。

表1 工件a检测结果 mm

表2 工件b检测结果 mm

基本操作技能实验的目的在于使学生通过实验原理的学习和实际操作，加深对公差测量等方面理论知识的理解，并初步掌握三坐标测量机的测量方法。同时通过对其他实验环节作品的检测，将产品的设计、加工及质量检测等环节结合到一起，能够对工业生产过程有更加完整、清晰地认识和了解。

1.3 技能提升实验设计

技能提升实验只针对机械专业三、四年级学生开设，要求学生首先掌握三坐标测量机自动检测零件的基本方法，在此基础上针对某一特定零件，分析零件图纸及加工技术要求，设计测量方案;针对零件的各项形位公差进行自动检测，最终生成检测结果，并与技术要求进行比对，以验证零件是否符合加工工艺要求。

为提高学生解决实际问题的能力，技能提升实验所用待测工件一般选用工业生产中常见基本零件，如箱体类或盘盖类零件等。以图4所示教学样品工件为例，要求测量的几何量包括左右两侧孔的同轴度、斜面的倾斜角度等。

具体实验步骤如下:

1)分析零件图纸，明确零件技术要求，以确定待测几何量，拟定测量方案;

2)根据图纸标明的零件加工基准或CAD数模中的坐标系建立零件坐标系，进行自动测量;

3)评价所测量，生成检测报告。

图4所示工件的最终检测报告如图5所示。

图4 技能提升实验教学样品工件

图5 工件检测报告

技能提升实验的目的在于，使学生了解三坐标测量机在零件自动检测中的应用及自动测量方法，并掌握如何评价测量结果。同时，尝试解决实际生产中所遇到的测量问题［9］。

2 结束语

三坐标测量机以其高精度、高效率等优势已经广泛应用于现代加工制造行业。经教学实践证明，将三坐标测量机应用到现代测量技术实验教学环节中，为学生提供包括简单几何量测量、产品检测等在内的多项实验项目，能够使学生在实验过程中加深对测量技术等基本理论知识的理解，了解现代测量技术的特点，掌握以三坐标测量机为代表的现代测量方法的基本原理和典型应用，使学生在拓展自身知识结构的同时提高了工程实践能力。

［1］ 周娅，魏德强，廖维奇，等．机电综合工程训练中心建设的探索与实践［J］．实验技术与管理，2011，28(12):9－10，14．

［2］ 周郴知，苏龙江．关于工程训练中心建设的思考［J］．中国教育技术装备，2006(12):43－45．

［3］ 惠记庄，刘海明，邹亚科，等．现代工程训练中心建设及训练模式的探索［J］．实验技术与管理，2009，26(3):115－118．

［4］ 赵志刚，赵伟，黄松岭．试论现代测量技术的主要进步特征及发展趋势［J］．电子测量与仪器学报，2008(Z1):1－7．

［5］ 高大军，余晓芬．坐标测量机交互式虚拟实验室的设计［J］．实验室研究与探索，2008，27(9):58－60，84．

［6］ 赵天婵，冯俊，胡珺．充分利用三坐标测量机培养学生工程实践能力［J］．实验技术与管理，2008，25(6):152－155．

［7］ 海克斯康测量技术(青岛)有限公司．实用坐标测量技术［M］．北京:化学工业出版社，2007．

［8］ 陈伟，张其平．重新认识与组织实验教学［J］．实验室研究与探索，2011，30(10):357－359，367．

［9］ 杨雪荣，成思源，马登富，等．基于三坐标测量机实验教学的探索与实践［J］．实验室研究与探索，2011，30(11):112－115．