三坐标测量机在模具制造行业中的应用

朱萌恩 朱传林 罗昆鹏 王旭

摘 要：三坐标测量机广泛应用于各个行业，是现代工业检测和质量控制不可缺少的万能测量设备。本文阐述了三坐标测量机产生的背景和测量原理，介绍了三坐标测量机在模具制造行业中的应用及注意事项，以保证测量的精度和效率。

关键词：三坐标测量机;模具制造;质量检测;逆向工程

中图分类号：TG76文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）01-0042-03

Abstract： CMM is widely used in various industries， and is an indispensable universal measuring equipment for modern industrial detection and quality control. This paper described the background and measurement principle of CMM， introduced the application of CMM in mold manufacturing industry and matters needing attention， so as to ensure the accuracy and efficiency of measurement.

Keywords： CMM;mold manufacturing;quality inspection;reverse engineering

三坐标测量机（Coordinate Measuring Machine，CMM）是20世纪60年代发展起来的一种新型、高效、多功能的精密测量仪器。它能在计算机控制下完成各种复杂测量，可以通过在机测量实现对加工中零件的质量控制，还可以根据测量的数据实现逆向工程。目前，三坐标测量机广泛应用于模具工业、汽车工业、电子工业、航空航天工业和国防工业等行业，成为现代工业检测和质量控制不可缺少的万能测量设备[1]。

1 三坐标测量机简介

1.1 三坐标测量机产生背景

三坐标测量机的出现，一方面是由于自动机床、数控机床高效率加工及越来越多复杂形状零件加工，要求高速化、柔性化、通用化的检测设备与之匹配;另一方面是由于电子技术、计算机技术、数字控制技术及精密加工技术的发展为坐标测量机产生提供了技术基础。图1为世界上第一台三坐标测量机。

1.2 三坐标测量机测量原理

任何形状都是由三维空间点组成的，所有的几何测量都可以归结为三维空间点的测量，因此精确地进行空间点坐标的采集，是评定任何几何形状的基础。坐标测量机的基本原理是将被测零件放入允许的测量空间，精确地测出被测零件表面的点在空间三个坐标位置的数值，将这些点的坐标数值经过计算机数据处理，拟合形成圆、球、平面、圆锥等测量元素，再经过数学计算的方法得出其形状、位置公差及其他几何量数据。图2为测量原理图。

2 三坐标测量机在模具质量检测中的应用

2.1 三坐标测量机在模具质量检测中的优势

传统测量方式是指使用卡尺、高度规、量规等测量工具进行测量。与传统测量方式相比，利用三坐标测量机进行测量具有较大优势，具体体现在以下两个方面。

第一，对零件几何形状和尺寸的测量，利用传统测量方式一般需要单独进行;而利用三坐标测量机可以同时对尺寸和形状进行测量，对工件的装夹和调整几乎没有要求，只要在测量中保持工件稳定即可。

第二，对于零件位置误差的测量，利用传统测量方式需要模拟基准要素，采用具有足够形状的表面，使基准实际要素与模拟基准间形成符合最小条件的相对位置关系;而利用三坐标测量机，只需测出工件上若干点的坐标值，再利用测量软件计算出位置误差即可，方便快捷。

2.2 模具质量检测

2.2.1 模具零件质量检测。一套精密模具的完成，必须确保零件加工符合技术要求。三坐标测量机作为一个高精密检测设备，其主要功能是精确测量零件的外形尺寸和形位公差。零件检测的基本流程为根据零件和图纸制定一个详细的检测规划，根据检测规划选择合适的夹具、匹配的测头，建立精确的坐标系，编写合理的程序，最终得到真实的报告。图3为检测基本流程[2]。

以塑胶模具中的关键零件模仁为例介绍检测基本流程，具体如下。

第一，分析零件2D图纸，根据相关标准和规范，完成对工件图纸的准确解读，确定零件具体的测量要求。模仁的检测内容一般从三方面来把握：装配定位尺寸，如虎口尺寸;封胶位尺寸;胶位尺寸。

第二，确定测量内容后，要分析实现测量要求的测杆配置。在分析过程中，要特别注意以下几点：测杆组合要少，测量孔的测杆直径在不影响其他尺寸测量的前提下要尽可能稍大些，加长杆要合理组合。

第三，分析测量基准在哪以及怎样建立坐标系。检测工作需要根据检测需求分析零件测量所需的坐标系。一般來说，模仁基准四面分中居多。

第四，明确测量的程序、测量顺序、测量策略等。

第五，装夹方案设计也是检测中不可缺少的一个环节。装夹的目的是保证检测零件具有稳定性、可重复性。设计装夹方案时要考虑装夹的稳定性、数据测量的方便性、测针、测量特征分布、零件测量的可重复性、零件的变形影响等。

第六，运行程序并输出测量结果。三坐标图形报告可以同时显示测量图形或CAD模型与相应的测量尺寸。图4为模具零件——模仁检测的现场图。

2.2.2 电极质量检测。在模具加工过程中，一些模具零件的型腔无法使用数控或线割加工，需要通过电极放电加工成形。此时电极的质量是影响模具质量的关键，用三坐标测量机测量电极的形状和位置尤为必要。利用三坐标测量机测量电极的形状和位置简单快捷。新建零件程序，在测量软件中导入电极CAD模型，四面分中建立基本坐标系，编制测量程序，从模型上确定被测点，进行尺寸评价，自动运行程序后输出报告，从而为下道放电工序加工提供精准的数据。图5为电极图。

3 三坐标测量机在机测量的应用

修模一直是模具加工行业比较棘手的工作。运用三坐标测量机进行在机测量，可以在工件不脱离机床的情况下，直接进行三维尺寸如曲面、曲线等特征的测量，然后根据测量结果进行及时调整。在一些精细加工中，也可以根据结果进行余量辅助加工。在机测量可以有效提高模具修模效率、节省模具生产成本。

4 三坐标测量机在模具逆向工程中的应用

逆向工程是从20世纪末以来发展起来的一种产品批量生产以及二次开发的新兴工程技术，由于与传统的产品开发顺序相反，因此通常被称作逆向工程。在逆向工程中，三坐标测量机是非常重要的设备，在产品原件的数字化以及曲面重构过程中发挥着重要作用。通过利用三坐标测量机测量各项几何尺寸和曲面，以获取实物模型的特征参数，并借助相关软件根据所获取的特征数据在计算机中重构产品的3D模型，然后再进行产品的设计开发与制造。这在模具制造、汽车等行业中应用较为广泛[3]。

5 三坐标测量机使用的注意事项

三坐标测量机是一种高精密检测仪器，正确使用三坐标测量机对其使用寿命、精度起着关键作用，使用时应注意以下几个方面：工件吊装时，不可撞击三坐标测量机的任何部件;正确装夹固定零件;确保符合零件与测量机的等温要求;分析图纸，保证建立的坐标系符合要求;程序运行时，确保路径正确，不发生撞针现象;对于一些大型模具，检测结束后应及时吊下工作台，避免工作台长时间处于承载状态，并及时清理工作台面等。

6 结语

目前，三坐标测量机因高精度、高柔性及优异的数字化能力，已经成为模具工业设计、开发、加工制造和质量保证的重要手段，在模具制造业中有着十分广阔的应用前景。在使用三坐标测量机完成设计和测量任务时，要严格遵循使用要求，注意测量基准的选择和测头的选择，以保证测量的精度和效率。

参考文献：

[1]刘祚时，倪潇娟.三坐标测量机（CMM）的現状和发展趋势[J].机械制造，2004（8）：32-34.

[2]赵韩，刘达新，董玉德，等.基于CAD的三坐标测量机检测规划系统的开发[J].仪器仪表学报，2009（9）：1846-1853.

[3]马淑梅，李爱平，陈彬.逆向工程与计算机辅助产品创新[J].机械设计与制造，2005（5）：160-162.