三坐标测量机在数控机床配件检测中的应用探索

2021-04-14吕岩焦丕显李林肖光临

中国设备工程 2021年7期

吕岩，焦丕显，李林，肖光临

（1.沈阳机床（集团）有限责任公司；2.沈阳第一机床厂，辽宁沈阳 110000）

凭借着自身独特的优势，三坐标测量机得到了广泛应用，并取得了极佳的应用效果，被称为万能的测量设备。主要工作原理是在测量几何元素时，重点针对这些几何元素中某些点的坐标位置予以测量，然后，结合这些点的空间坐标值，将规格、形状、位置存在的偏差运用数学运算方式算出，换而言之，就是利用PC-DMIS等测量系统补偿测头半径，拟合出相应几何元素，如点、线、面等，同时，对其尺寸进行评价。因此，将三坐标测量机在数控机床配件检测中予以应用，既高效又精准，为数控机床安全、稳定、顺利地运转提供了有力保障。

1 三坐标测量机概述

早在20世纪60年代，就已经出现了三坐标测量机，它是由英国FERRANTI公司研发制作而成。在当时，三坐标测量机是最高效、最先进的一种精密测量仪器，但是，直到1980年，才获得更好的发展与应用。三坐标测量机的分辨率与显示数值精确度可高达微米级以及以上，其能够自动对多个复杂的配件进行高密度测量，其中，该设备所配备的计算机数控系统起到了很大的积极作用。从某种角度来说，三坐标测量机也属于数控设备的一种，根据结构形式、测量行程、测量精确度予以划分。一般情况下，三坐标的测量步骤为：制定测量计划方案、安装测头、校核测头、人工构建大致坐标系、全自动精密建设工作坐标系、自主收集测量元素、建造元素、评估公差、生成报告。三坐标测量机分接触式和非接触式，其各有优缺点，一般根据常用检测零部件选择适合的软件系统及探测方式。

现阶段，三坐标测量机在我国电子、机械、塑胶以及仪表等领域获得了广泛运用，具有极高的社会价值。数控设备推动了现代工业的发展，同时，现代工业向它提出了更高的精度要求。我们一致认为，数控生产和先进技术测量就像车上的两个轮子，缺一不可。首先，数控设备加工出来的零件如果用普通量具来测量的话，不仅测量不准确，而且还可能带来更大的误差，导致整批零件不合格或者重新加工。现在，具有代表性的先进测量技术产物如三坐标，它精确地测量了数控产品的精度和生产要求，使生产效率大大加快。如果用普通量具，很浪费时间而且不准确，所以有先进的测量技术是不可缺的。大量实践研究数据表明，三坐标测量机能够通过科学合理的测量方式得知尺寸参数，且结果十分准确，主要是由于其自身所具备的优势：常规仪器在测量时，流程烦琐复杂，且周期较长；而三坐标测量机简化了测量流程，缩短了测量时间，而且还能够顶替多个表面测量仪器以及价格高昂的组合量规，这些都是三坐标测量机具备的优势。与常规测量设备对比，三坐标测量机在实际操作环节效率高，数据测量与采集比较全面，这也是在数控机床配件检测中三坐标测量机获得有效应用的主要原因之一，即其可以在短时间得到更完整的数据信息。

2 三坐标测量机在数控机床配件检测中的应用分析

通过对三坐标测量机实践应用的调查发现，在数控机床配件检测中运用三坐标测量机时，首先，会对配件的适应性展开详细检测；其次，是对配件有无故障损坏予以严格检测。检测目标不同，流程、方式都有很大差异，因此，对三坐标测量机在数控机床配件检测中的应用进行深入探究分析，借此推动测量机向着科学化、合理化、规范化的方向发展。

2.1 数控机床配件适应性检测中对三坐标测量机的应用分析

对数控机床配件适应性进行严格检测，是三坐标测量机的核心要点。数控机床的正常顺利运转离不开配件的帮助，只有选择最科学合理的配件，数控机床的功能、用途才会得以全面发挥。因为配件的尺寸、形状、轮廓、安装位置、承担责任都有很大差异，所以，采购人员一定要根据实际情况购买合适的配件，并严格遵守规范流程对配件进行安装，为数控机床能够安全稳定地运行奠定良好的基础。如果在安装配件环节，发生了配件适应性较差的问题，那么，会对数控机床运行的顺利、有序产生极大不利影响。由此可见，在对配件进行安装使用之前，对其适应性如何进行检测十分必要。

三坐标测量机的有效运用，可以合理调节控制配件的每项参数，并将这些参数当作重要参考依据，探析评估配件的三维坐标，以此得到精准的配件数据。然后，将此数据跟数控机床配件的标准范围进行比较，并找出不同之处或者数值差别较大的数据，然后，对这些数据展开全方位研究分析，从而得知配件适应性上存在的不足与问题。这对配件的调换、维修等后续工作提供了大力帮助，同时，也加强了配件的应用效率和质量。换而言之，通过三坐标测量机对数控机床配件展开三维坐标测量，然后，得到配件各方面的实际情况，并展开深入分析讨论，再根据结果确定该配件适应性的强弱。在这个过程中，会将使用三坐标测量机所得出的配件数据跟数控机床配件的标准设计数据进行比较，若是两者数据之间的区别在允许限值内，那么，说明配件有适应性、合格，可以投入使用；若是两者数据之间的区别超出了一定范围，那么，则代表该配件不具备适应性，应当及时更换。

2.2 数控机床配件故障损坏检测中对三坐标测量机的应用分析

对数控机床配件故障损坏进行详细检测是三坐标测量机的重心主旨。配件是数控机床中最关键的构成部分，其对数控机床的平稳顺利运行起着决定性作用。但是，随着数控机床夜以继日的生产加工，其配件也会向老龄化发展，且极有可能出现磨损现象，如果配件的老龄化或者磨损达到较高程度后，就会影响数控机床的正常运转，从而导致数控机床产生故障，进而直接拉低数控机床的加工效率、加工精确度，严重时还会出现安全事故。所以，应用三坐标测量机对数控机床配件是否存在破损、故障等问题进行检测具有重要意义。

由于数控机床在实际应用过程中，无论是哪种配件，其尺寸大小、外形轮廓、属性效能都有明确规定，因此，如果数控机床出现了故障问题，相关工作人员只需要将数控机床中所应用到的配件类型、规格大小等数据信息传输到三坐标测量机中，然后，三坐标测量机中测量反馈板块能够精准找出数控机床在运行中出现故障的配件类别和相关数据信息。由于是跟数控机床配件的标准设计数据进行的比较，因此，出现故障的配件数据差异值会更大，这也从侧面提高了故障判断、剖析的无误性和精准性。总的来说，在数控机床配件故障损坏检测环节应用三坐标测量机用具，不但高效率、高准确度，而且还具备极强的实效性。

3 应用三坐标测量机对数控机床长丝杠螺距累积误差进行测量的实例分析

丝杠是数控机床中最重要的配件之一，为数控机床的传动、定位起到了很大的积极作用。其中丝杠的螺距累积误差参数对生产制作丝杠的精确度而言至关重要。比如，某梯形轮廓丝杠的生产技术要求单螺距误差不得超过9μm，任意50mm螺距累积误差不得超出13μm等。对短丝杠螺距累积误差进行测量时，可以应用万能工具显微镜；对长丝杠螺距累积误差进行测量，再应用显微镜是不可行的，就算是对长丝杠进行分距离测量，也不能对300mm以及全长丝杠螺距累积误差予以测量。并且如果该厂家不生产丝杠配件，基本上都没有专业测量丝杠螺距累积误差的仪器，像丝杠导程仪、激光丝杠动态测量仪器等。那么，不生产制作丝杠的厂家就会选择使用三坐标测量机对丝杠螺距累积误差进行测量。虽然三坐标测量机生产厂家具备测量丝杠螺距累积误差的系统软件，但是，成本较高，而且测量流程、数据处理跟实际需求不符，所以，我们自己编制了一个测量丝杠、处理数据的程序，希望能够实现精确测量丝杠螺距累积误差的目标。

3.1 测量及数据处理

应用的测量软件为AUTOMET3.0版，丝杠测量程序基本流程有：（1）对即将测量的丝杠进行彻底清洗，然后，将其固定在三坐标测量机上，使其跟机器坐标保持平行状态。如，沿着X方向搁置；（2）选取最合理的测杆长度和测球，对测杆长度予以核算，之后定义测头，同时，对每个测头进行严格校验，最后保存；（3）在AUTOMET3.0版软件上进行编程。将以上测量程序运行完毕后，测量软件会出示以下数据信息，并生成文本格式，保存在相应文件中。比如，该螺距为12mm，测量长度为1米的丝杠，测量结构如表1所示。

用人工对测量结果数据进行处理十分复杂，却极易发生偏差，因此，我们通过某个系统编制了一个数据处理软件，对上述测量数据信息展开了处理，从而得出测量长度上的单螺距误差、任意50mm长螺距累积误差的最大值等参数，还将其制作成曲线图，让工作人员更加直观、形象地查看真实测量数据跟标准值的区别。不仅如此，该软件还具备文本编辑功能，为工作人员的使用提供了极大便利。

表1 三坐标测量机测量结果

3.2 测量环节注意事项

在此程序正式开始运行之前，主要问题是丝杠如何找正、如何正确构建配件坐标系。对此，首先，要做的是，将丝杠的轴线当做配件坐标系的第一轴（X），这是由于丝杠的外圆径向跳动、圆柱度公差要求比较高，所以，应当通过丝杠的外圆寻找正轴线。其次，在丝杠外圆部位的多个截面上采点，可以多采集几个截面，可以有效提升轴线的精准性。将所采集的点作为圆柱的轴线，也就是丝杠的轴线，对其进行旋转，即为配件坐标系的第一轴，之后作过此轴线的一个平面，并对这个平面进行旋转，使其成为配件坐标系的第二轴，并在三坐标测量机的测头应当测量的齿面上设置配件坐标系的原点。方可运行以上测量程序，丝杠的螺距、测量长度应当结合被测量丝杠的标准值予以输入。该行径能够为测头在单个法平面内（包括丝杠轴线），跟轴心距离一致的齿面上予以采点，进而为得到各齿所对应的第一个齿的实测累积螺距提供有力保障。

4 在数控机床配件检测中应用三坐标测量机的注意事项

通过上方剖析发现，三坐标测量机对数控机床配件检测而言至关重要，为了确保三坐标测量机的应用成效，应当对以下几点多加注意。

4.1 探究三坐标测量机的工作原理

三坐标测量机的显著特点就是综合性较强，所以充分了解并知晓其测量原理后，再对其展开使用，这样得到的测量结果与不了解三坐标测量机工作原理就测量所得到的结果相比，前者更加准确、更加可靠。三坐标测量机的基本工作原理为：基于点的坐标、位置进行测量，主要有一维、二维和三维测量。

首先，将被测量配件放进测量空间内，从而可以得出被测配件在X、Y、Z三个坐标位置的参数，然后，将这些参数利用计算机技术予以处理，整合生成测量元素，比如，圆球、圆柱、圆锥、曲面等，之后运营数学计算方式对其形状、位置公差、其他几何参数等进行核算。因此，相关工作人员在数控机床配件检测环节应用三坐标测量机时，一定要提前对该测量器械的工作原理进行全面的了解与认知，然后，建立一套科学合理的应用规范制度，有助于后期测量工作中应用三坐标测量机时操作更加标准，从而显著提高三坐标测量机的应用效果。

4.2 定期对工作人员进行培训教育

尽管现在三坐标测量机在检测数控机床配件过程中已经具备较高智能化和自动化了，然而，去工作流程编制和某些操作要通过工作人员才能完成。如果工作人员对该设备了解程度不足，或者是操作技能不达标，就会直接影响三坐标测量机的应用效果。所以，要想切实提升三坐标测量机的应用成效，一定要不断提升相关操作人员的专业技能、认识度、操控水准以及职业素养等。比如，可以组织工作人员开展定期培训活动，主要培训内容有三坐标测量机的工作原理、操作技能等，为后续测量环节的高效率、高质量奠定坚实基础。

4.3 三坐标测量机的养护与维修工作

三坐标测量机自身结构、贮存环境等内外因素都会对其测量结果造成一定影响，因此，应当将这些会对三坐标测量机应用成效造成影响的内在或者外在因素进行分析研究，并提出相应的解决策略。我们可以每天用干净绸布蘸适量的高纯度酒精，由内向外擦拭气浮导轨的工作区域，按下三坐标测量机的应急键，拖动各移动轴，检查运动是否正常。每天要手工排除过滤器及排水口的油、水混合物，并检查过滤器流量指示器是否工作正常，如果压降超出规定的要求，则必须更换滤芯。每周用吸尘器清理三坐标测量机表面（防尘罩外表面）及工作环境，检查压力表示值是否正常。对三坐标测量机进行定期维修与养护等，借此提高三坐标测量机在数控机床配件检测的应用效果。