对三坐标测量机自动测量技术的研究

[摘要]随着生产和科学技术的不断发展，对三坐标测量机的精度要求越来越高。三坐标测量机是一种高效率、高精度的测量仪器，在工业生产中得到了广泛的应用。作者根据多年的理论和工作实践对三坐标测量机自动测量技术做出了深入的研究。

[关键词]三坐标；测量机；自动测量技术

三坐标测量机的操作及测量软件的使用。实践证明，利用三坐标测量机开设测量实验课程有利于学生巩固测量技术的理论知识，掌握最先进的测量技术，有效地提高了学生的工程实践能力。并对人工测量和自动测量的结果进行了比较。

1.自动测量时的测头走向

像图1所示，如果测头停留在初始位置A处，为了探测工作的表面点C，一般先快速驱使测头到点C表面法线上方很近的一点B，再沿法线方问慢速探测点C，之后快速到达点D，慢速探测点E……如此反复，逐点测量。测量完成后，测头停留在空旷的H处。这样快速运动的目的是为了提高测量的效率，而慢速探测是为了保证测量精度。把点B、D、F称之为避障点，把点C、E和G称之为探测点，把BC、DE和FG称之为“探测方向矢量”。实际上，测头在C、E、G等点以低速沿法向前进与工件表面接触后，先后退一小段距离，以保护测头免受损害。这一距离通常很小，只有零点几毫米到2mm（图1未表示），再走向避障点D、F、H。如果测量已知的几何要素，这些“避障点”、“探测点”和“方向矢量”都可通过程序自动生成。如果测量未知要素，就需要通过人工测量并用自学习程序记录它们。

2.自动测量

自动测量要比人工测量同比节约很大的工时，测量精确度更高，测量后的结果更稳定。当测量一批喷油嘴压紧块零件的尺寸时，首先对某一个零件进行人工来测量，计算机把人工操作整个过程及相关信息记下来，同时保存下来，重复测量时，按照人工测量的方式装夹工件，建立坐标系。然后，利用人工测量的一些相关信息并加入必要的避障点编写自动测量的程序。最后，将手动方式改为自动方式进行自动测量。

2.1装夹工件

CMM对被测产品在测量空间的安装基准无特别要求，但要方便工件坐标系的建立。由于CMM的实际测量过程是在获取测量点的数据后，以数学计算的方法还原出被测几何元素及它们之间的位置关系，因此测量时应尽量采用一次装夹来完成所需数据的采集，以确保工件的测量精度，减少因多次装夹而造成的测量换算误差。一般选择工件的端面或覆盖面大的表面作为测量基准，若已知被测件的加工基准面，则应以其作为测量基准。

2.2建立坐标系

在测量零件之前，必须建立精确的工件坐标系，便于零件测量及后续的数据处理。测量较为简单的几何尺寸（包括相对位置）使用机器坐标系就可以了。而在测量一些较为复杂的工件需要在某个基准面上投影或要多次进行基准变换时，工件坐标系的建立在测量过程中就显得尤为重要了。工件坐标系的建立方式取决于零件类型及零件所拥有的基本几何元素情况。其中最常用的通过面、线、点特征来建立工件坐标系包含3个步骤，并且有其严格的顺序。具体是：（1）确定空间平面，即选择基准面。通过测量零件上的一个平面来找正被测零件，保证z轴垂直于该基准面：（2）确定平面轴线，即选择X或Y轴。确定其中一轴线方向后，根据右手定则即可确定另一轴线的方向：（3）设置坐标原点。设定测量的基准面为z=0，X轴为Y=0，Y轴为X=0的点为坐标原点。在PC-DIMS软件的坐标系功能模块中输入所测量或构造的面、线、点元素自动建立工件坐标系。基于CAD数模的检测要根据CAD数模上的坐标系选择需测量的基本元素。如图2所示，先测量工件的上表面——一平面1，将其定义为基准面，建立z轴的正方向。测量直线1将其定义为X轴，根据右手定则可确定Y轴的正方向。用基准面约束原点z值，用X轴约束原点的Y值，再测量直线2约束原点的X值，得到坐标系的原点，建立工作坐标系。这种常用的工件坐标系的建立方法，也称为3-2-1法。若同时需要几个测量坐标系，可以将其命名并存储，再以同样的方法建立第二个、第三个测量坐标系，测量时灵活调用即可。

2.3件特征元素的测量

三坐标测量机具有两种测量方式：手动测量、自动测量。手动测量是利用手控盒手动控制测头的运动进行测量，常用来测量一些基本元素，即直接通过对其表面特征点的测量就可以得到结果的测量项目，如：点、线、面、圆、圆柱、圆锥、球、环带等。如手动测量圆，只需测量一个圆上的3个点，软件会自动计算这个圆的圆心位置及直径。自动测量是在CNC测量模式下，执行预先编写好的测量程序控制测量机自动检测。

总之，在测量批量零件时，自动测量省略了操作的麻烦，大大节约了时间，提高了测量的效率和稳定性。如果测量非批量零件时，自动测量将不再适用。目前，也只是有少数CAD系统具有坐标测量编程功能，但都是依赖于高度的人机交互对话，不具有“检测规划”和“测量路径自动生成”的功能。如果三坐标测量机拥有这些功能，自动测量的适用性会更加广泛，优势也更能得到体现。