浅论三坐标测量机在教学中的应用

甄雯　赵海军

摘 要： 为了更好地适应社会发展及企业技术需求，职业院校在教育教学上要紧跟职业行业发展。随着现代测量技术的发展，三坐标测量机在制造业中的应用越来越广泛。文章对三坐标测量技术的应用进行了分析，探讨了教学中相关学科理论与三坐标测量机实践的交叉点。

关键词： 职业教育 三坐标测量 教学应用

1.引言

三坐标测量机是一种集光、机、电、算为一体的精密光学测量仪器，适用于各种几何元素和形位公差等方面的三维测量，也可以进行计算机数控（CNC）测量，所以在国外被称为测量中心。作为高精度、高效率的自动化检测设备，它已广泛地应用于机械制造、仪器仪表、电子、航空和国防工业等部门，特别适用于测量箱体类零件、模具精密铸件、电子线路板、汽车外壳及飞机形体等带有空间曲面的工作。

2.三坐标测量机的工作原理

三坐标测量机一般由测头系统、硬件控制系统、软件系统及其他机械部件组成，如图1所示。几何量测量以点的坐标位置为基础，分为一维、二维和三维测量。三坐标测量机的基本原理是将被测零件放入容许的测量空间，精密地测出被测零件在X、Y、Z三个坐标位置的数值，根据这些点的数值经过计算机数据处理，拟合形成测量元素，如圆、球、圆柱、圆锥、曲面等，经过数学计算得出形状、位置公差及其他几何量数据。

3.三坐标测量机在教学中的应用

三坐标测量技术涵盖很多学科的知识，职业院校应该将测量机的普遍应用技术融入相应有交叉的学科教学中，这些交叉点不仅能使职业院校的教学紧跟企业技术发展，更能有效提高学生的知识、技能水平。

3.1几何尺寸和形位公差

对于制造完成的产品工件、模具必须对其进行几何尺寸、角度和形位公差的评价，目的在于评价工件是否符合工程图纸的设计要求。三坐标测量机比传统测量方法对于学生的学习更有优势，能够更形象地使学生掌握公差的定义和基本测量准则。相比以往普通量具量仪，现代企业更倾向于电子量具量仪及高精密度测量设备。而利用三坐标测量机，可以利用测量软件对设计值与测量数据对比、图形对比，对产品的几何尺寸和形位公差进行精确检测。

3.2逆向测绘

三坐标测量机除了具备常规的几何尺寸和形位公差检测功能外，在逆向工程技术和曲面坐标检测方面具有特殊的优势，非常适用于模具制造业。经过三坐标测量机对各项几何尺寸和曲面的测量，而反向推出数字模型或设计图纸。当一些曲面轮廓是不规则的曲面时，可用油泥或石膏手工做出曲面作为底胚，然后用三坐标测量机测出各截面的截线、特征线和分型线，用探针半径补偿后造型，在造型过程中圆滑曲线，从而设计制造出全新的模具。一般的，当学生在某些模具使用一段时间出现磨损要进行修正，但又无原始数模的情况下，可以用截面法采集点云，用探针半径补偿后造型，从而达到完好如初的修复效果，并且形成设计数据或图纸。

3.3CAD的导入和导出CAD应用

工科学生在校期间都会接触到机械制图或者计算机绘图这类课程，对于计算机辅助绘图软件（CAD）应该并不陌生。三坐标测量软件中对CAD功能的引入，更是将三坐标测量机的应用领域和易用性推到一个新的高度。

3.3.1虚拟测量

虚拟测量就是在没有实际工件的情况下对CAD模型在软件中进行测量。要进行虚拟测量时，选择脱机工作模式，导入所要测量的CAD模型，并将CAD模型对应到选定的坐标系中进行测量。根据所要测量的几何元素，使用鼠标在CAD模型上点击所要采点的位置，此时CAD模型上会显示采点的位置及其矢量方向。虚拟测量可以通过对没有尺寸数据的CAD模型进行测量，确定其各种尺寸参数，但这不是虚拟测量的主要目的，虚拟测量的主要功能是为在脱机状态下进行自动测量编程做服务。

3.3.2脱机编程

虚拟测量可以通过对没有尺寸数据的CAD模型进行测量，确定其各种尺寸参数。虚拟测量的主要功能是在脱机状态下进行自动测量编程。无论生产与否，只要将设计部门设计的CAD图纸文件输入测量软件中，就可以编程。对于学校来说，在教师教学之后进行多人测量是不实际的，因此学生使用计算机进行脱机程序编写是安全的学习过程。在程序编制完成之后，可以在CAD环境中调用程序进行模拟测量，对程序进行验证，这样学生既能找出运行过程中出现的错误测量路径和采点，还能由教师指导学生对程序进行修正，亦将实际测量中可能出现的问题降到最低，最大限度地保证人和机器在测量过程中的安全性。

3.3.3CAD输出用于逆向工程

逆向工程也称反求工程或反向工程，是根据已存在的产品或零件原型构造产品或零件的工程设计模型，并在此基础上对已有产品进行剖析、理解和改进，是对已有设计的再设计。数据处理是逆向工程的一项重要技术环节，它决定了后续CAD模型重建过程能否方便、正确地进行。丈量点的数目分为一般数据点和海量数据点；丈量数据可以分为散乱数据点和规矩数据点；不同丈量系统的丈量数据格式也不一样的，几乎所有丈量方式和丈量系统都不可避免地存在误差。因此，在利用丈量数据进行CAD重建前必须对丈量数据进行处理。最后利用软件对数据进行修改，或直接进行数控机床加工法编程，最终再由数控机床进行加工，完成产品制作。

3.3.4误差分析

三坐标测量机虽然测量精度较普通量具测量准确得多，但必定存在测量误差。误差分析是对学生学习过程后的一种反复认知。误差包括三个轴的定位误差、六个直线度误差、九个角摆误差及三个垂直度误差等几何参数；包括测头的瞄准误差、测力变化、测头各向异性、摩擦引起的误差及测头的示值误差引起的探测误差；以及工件、操作、环境的影响等误差。如果在测量形位误差时采用的检测原则不对，选用的方法不完善、不严密、不确切，便会造成测量方法误差。因此，测量的人要熟悉测量方法才能减少测量方法误差。

4.结语

三坐标测量机是一种通用性强、自动化程度高、精度高的大型空间几何量检测设备，目前被广泛应用于先进制造技术及其科研中。在机械类专业实验教学环节中引入三坐标测量机改进教学内容，形成以综合实验、创新性实验为主体的实验教学方案，让广大学生学到三维检测、测量数据分析诊断、模具设计、反求工程等方面的专业知识和实践知识，既扩大学生的知识面，又培养学生其学科理论及操作技巧，以及对科学严谨而认真的态度。我们利用三坐标测量机和其他学科的交叉知识技能点对学生进行更广泛而专业的教育和培养，充分发挥一体化教学的特性，使学生在教学过程中发挥积极主动性，把所学知识与设计、加工工艺融合，拓宽学生应用所学知识理论的视野及对企业和社会的适应力提升。

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科研课题：汽车零件精密测量技术的研究（YYK2014037）。