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[摘 要]本文从三坐标测量机的工作原理为基础，通过对具有复杂形状工件的测量实例，详细对三坐标测量过程中的关键环节进行研究分析，，对测量过程中容易出错和影响测量精度和效率的因素进行了认真细致的讲解。
[关键词]多角度探针，无滑动探测，三轴联动
中图分类号：TG806 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）18-0031-01
1、引言
近年来由于现代工业技术的迅猛发展，加工中心和数控机床大量使用在机械加工中。工件的形状越来越复杂，数字化测量设备也必须与之相匹配。三坐标测量机是这一领域中发展最快适用范围最广操控性能最高的测量设备。对于精密测量工作者而言，必须熟悉三坐标的基本工作原理，掌握和开发三坐标的功能，充分发挥三坐标测量机的优势，才能满足现代工业高精度高效率及多功能的测量要求。然而，实际的测量工作往往会受到被测工件形状、仪器附件的配备、测量环境等各种因素的影响，无法满足这两点要求。本文通过对具有多维复杂几何形状的零件测量过程的讲述，结合三坐标探测理论，使操作者了解测量中遇到的难点并找到相应的解决方法。
2、测量任务的提出
所谓的复杂形状工件，就是指由斜面，斜孔斜轴曲线曲面等等由与基准发生角度或多种形位公差的被测特征所构成的零件。要完成这类工件的测量，究其根本主要是解决两个问题，1，探测2，评定。本文主要解决的问题是如何实现探测。
2.1与测针探测有关的影响测量结果精度和效率的主要因素
2.1.1基准的选择：为了方便评定，如果没有特殊要求，就保持与零件加工基准一致。
2.1.2工件的装夹定位：
工件的合理安装定位是整个测量过程流畅的前提，装夹零件时应遵循以下原则：
夹紧力大小适当，保证固定但不损伤零件；
尽可能使零件的主基准与坐标机机床坐标系平行；
尽可能使零件的更多的面与主坐标系平行或垂直；
零件的装夹要便于对被测要素进行探测；
针对这个零件，选择基准A与Y轴平行，基准C与Z轴垂直的装夹位置。
2.1.3测针的选配与校准：
2.1.3.1测头配置原则
a在对复杂形状零件进行测量之前，我们仔细分析被测零件特征，并对其进行分区，分区的目的就是争取用最少的测针组合能完成对所有的被测要素的探测；
b在满足测量要求的前提下，探针要尽量短；
c探针各连接部位必须紧固，不会因为探测而发生弯曲位移；
d在需要长测针时，尽量选用刚度高的材质的测针；
e测针之间或测针与工件不能相互干涉。
为了方便测量，这个工件被分为如图2所示的6个分区，同时各区对应6个不同角度的探针。
2.1.3.2测量过程中容易出现的现象：
在对斜面斜轴斜孔或曲面进行测量时，会发生这样两种现象：测头不会立刻采点而是在被测表面滑动后采点，得出的结果严重失真；测针或测杆与被测要素发生干涉，并不能探测到被测对象。
2.1.3.3这些现象出现的原因：
这两种现象都是测头配置不当引起的。下文是对测头探测过程的描述：对于触发式三坐标来说，它的测头不仅有触发式采样功能，还相当于一台小型三坐标，当测头与工件被测面接触时，不论受到x，y，z哪个方向的力，测头发出触发信号，通过测头控制器向CPU发出一个中断信号，CPU则执行相应的终端服务程序，适时地读出计数器接口单元的数值，计算出相应的空间长度形成采样坐标值x，y，z，并将其送入采样数据缓冲区供后续数据处理。当所配置的测头不能保证在被测表面的法向矢量方向进行触测，测头在与被测表面接触时，会产生滑动，测头并不能明确感知作用给自身的特定方向的力，因此虽然也会发出中断信号，但这个信号并不能真实反映实际测点的坐标位置，这种现象大幅降低了三坐标测量机执行高精度测量任务的能力。这就是测头在被测表面滑动的原因。另外的现象是由于测针偏转的角度与被测表面不相符引起的。
2.1.3.4测针配置的方法：
为了保证测针直接探测到与主坐标系发生角度的被测要素而不与斜面斜孔的其他部位相干涉，那么测头必须偏转一定的角度，这个角度必须和被测要素与主坐标系的角度相关，通常以图纸标注的角度为准。
2.1.4编写测量程序：坐标系的建立，采样点的分布，探测路径的规划这些都是测量过程中非常重要的步骤，而这些步骤是完全遵循测量程序来实现的。适当的测针配置只能解决测针的干涉现象，而测头的滑动现象只能由适当的测量程序来解决。
2.1.4.1测量过程坐标系的建立：
对于复杂几何形状的工件来说，工件坐标系的建立是與零件的主坐标系相重合的。之后根据对零件的特征分区，把被测零件划分不同的测量单元，在每一个测量单元上分别建立子坐标系，在相应的测头的配合下条理清楚的完成测量。
2.1.4.2采样点的分布，探测路径的规划：
根据之前对测头在工件表面滑动的现象分析，当对斜面测量时，测头必须在被测要素的法方向进行探测。手动探测无法保证在被测表面的法矢方向运动，要实现高精度的测量，就必须由计算机来控制三坐标测量机，从而消除手动操作对测量结果的影响，程序控制可以实现无误差的高速检测。
方法一：通过图纸的理论尺寸编写测量程序，根据各要素理论位置自动生成各探测点；方法二：先手动测量被测单元基准，尽量保持在被测要素的法矢方向探测，这样测出的被测要素的形状误差肯定比较大（手动探测保证不了精准的探测方向），用测得的要素建立子坐标系，根据图纸要求的位置自动生成测点位置。
当程序开始运行时，计算机就会控制伺服电机开始工作，以此来控制测头和测量工作台在三维空间按预定轨迹与工件发生相对运动，这一切都是由三轴按一定算法联动来实现测头的空间运动，CPU不断地向三轴伺服控制系统提供坐标轴的位置命令，单轴伺服器控制系统不断地跟踪，测头就会按照程序指令三轴联动，准确地从起始点到达实际测点，其测点的准确度和平稳性是手动测量无法相比的，从而得到被测点的准确位置，做到了无滑动探测，有效减少了测头滑动所引入的测量误差，真实有效的反映了被测要素特征。
3、结束语
本文从测量实例出发，对测量复杂形状零件时最容易出现粗大测量误差的两个现象（测头滑动，测针干涉）进行分解并逐一排查分析，对与测针探测有关的影响测量结果精度和效率的主要因素：测量基准的选择与工件的装夹定位，测针的选配，测量程序的编写中容易出错的部分提出了适当的解决方法，希望对实际操作者的相关工作能够有所帮助。
参考文献
[1] 梁荣茗.三坐标测量机的设计使用维护及检修.北京.中国计量出版社，2010.
[2] 胡国强.机械零件质量检测经验实例.北京.国防工业出版社，2010.
[关键词]多角度探针，无滑动探测，三轴联动
中图分类号：TG806 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）18-0031-01
1、引言
近年来由于现代工业技术的迅猛发展，加工中心和数控机床大量使用在机械加工中。工件的形状越来越复杂，数字化测量设备也必须与之相匹配。三坐标测量机是这一领域中发展最快适用范围最广操控性能最高的测量设备。对于精密测量工作者而言，必须熟悉三坐标的基本工作原理，掌握和开发三坐标的功能，充分发挥三坐标测量机的优势，才能满足现代工业高精度高效率及多功能的测量要求。然而，实际的测量工作往往会受到被测工件形状、仪器附件的配备、测量环境等各种因素的影响，无法满足这两点要求。本文通过对具有多维复杂几何形状的零件测量过程的讲述，结合三坐标探测理论，使操作者了解测量中遇到的难点并找到相应的解决方法。
2、测量任务的提出
所谓的复杂形状工件，就是指由斜面，斜孔斜轴曲线曲面等等由与基准发生角度或多种形位公差的被测特征所构成的零件。要完成这类工件的测量，究其根本主要是解决两个问题，1，探测2，评定。本文主要解决的问题是如何实现探测。
2.1与测针探测有关的影响测量结果精度和效率的主要因素
2.1.1基准的选择：为了方便评定，如果没有特殊要求，就保持与零件加工基准一致。
2.1.2工件的装夹定位：
工件的合理安装定位是整个测量过程流畅的前提，装夹零件时应遵循以下原则：
夹紧力大小适当，保证固定但不损伤零件；
尽可能使零件的主基准与坐标机机床坐标系平行；
尽可能使零件的更多的面与主坐标系平行或垂直；
零件的装夹要便于对被测要素进行探测；
针对这个零件，选择基准A与Y轴平行，基准C与Z轴垂直的装夹位置。
2.1.3测针的选配与校准：
2.1.3.1测头配置原则
a在对复杂形状零件进行测量之前，我们仔细分析被测零件特征，并对其进行分区，分区的目的就是争取用最少的测针组合能完成对所有的被测要素的探测；
b在满足测量要求的前提下，探针要尽量短；
c探针各连接部位必须紧固，不会因为探测而发生弯曲位移；
d在需要长测针时，尽量选用刚度高的材质的测针；
e测针之间或测针与工件不能相互干涉。
为了方便测量，这个工件被分为如图2所示的6个分区，同时各区对应6个不同角度的探针。
2.1.3.2测量过程中容易出现的现象：
在对斜面斜轴斜孔或曲面进行测量时，会发生这样两种现象：测头不会立刻采点而是在被测表面滑动后采点，得出的结果严重失真；测针或测杆与被测要素发生干涉，并不能探测到被测对象。
2.1.3.3这些现象出现的原因：
这两种现象都是测头配置不当引起的。下文是对测头探测过程的描述：对于触发式三坐标来说，它的测头不仅有触发式采样功能，还相当于一台小型三坐标，当测头与工件被测面接触时，不论受到x，y，z哪个方向的力，测头发出触发信号，通过测头控制器向CPU发出一个中断信号，CPU则执行相应的终端服务程序，适时地读出计数器接口单元的数值，计算出相应的空间长度形成采样坐标值x，y，z，并将其送入采样数据缓冲区供后续数据处理。当所配置的测头不能保证在被测表面的法向矢量方向进行触测，测头在与被测表面接触时，会产生滑动，测头并不能明确感知作用给自身的特定方向的力，因此虽然也会发出中断信号，但这个信号并不能真实反映实际测点的坐标位置，这种现象大幅降低了三坐标测量机执行高精度测量任务的能力。这就是测头在被测表面滑动的原因。另外的现象是由于测针偏转的角度与被测表面不相符引起的。
2.1.3.4测针配置的方法：
为了保证测针直接探测到与主坐标系发生角度的被测要素而不与斜面斜孔的其他部位相干涉，那么测头必须偏转一定的角度，这个角度必须和被测要素与主坐标系的角度相关，通常以图纸标注的角度为准。
2.1.4编写测量程序：坐标系的建立，采样点的分布，探测路径的规划这些都是测量过程中非常重要的步骤，而这些步骤是完全遵循测量程序来实现的。适当的测针配置只能解决测针的干涉现象，而测头的滑动现象只能由适当的测量程序来解决。
2.1.4.1测量过程坐标系的建立：
对于复杂几何形状的工件来说，工件坐标系的建立是與零件的主坐标系相重合的。之后根据对零件的特征分区，把被测零件划分不同的测量单元，在每一个测量单元上分别建立子坐标系，在相应的测头的配合下条理清楚的完成测量。
2.1.4.2采样点的分布，探测路径的规划：
根据之前对测头在工件表面滑动的现象分析，当对斜面测量时，测头必须在被测要素的法方向进行探测。手动探测无法保证在被测表面的法矢方向运动，要实现高精度的测量，就必须由计算机来控制三坐标测量机，从而消除手动操作对测量结果的影响，程序控制可以实现无误差的高速检测。
方法一：通过图纸的理论尺寸编写测量程序，根据各要素理论位置自动生成各探测点；方法二：先手动测量被测单元基准，尽量保持在被测要素的法矢方向探测，这样测出的被测要素的形状误差肯定比较大（手动探测保证不了精准的探测方向），用测得的要素建立子坐标系，根据图纸要求的位置自动生成测点位置。
当程序开始运行时，计算机就会控制伺服电机开始工作，以此来控制测头和测量工作台在三维空间按预定轨迹与工件发生相对运动，这一切都是由三轴按一定算法联动来实现测头的空间运动，CPU不断地向三轴伺服控制系统提供坐标轴的位置命令，单轴伺服器控制系统不断地跟踪，测头就会按照程序指令三轴联动，准确地从起始点到达实际测点，其测点的准确度和平稳性是手动测量无法相比的，从而得到被测点的准确位置，做到了无滑动探测，有效减少了测头滑动所引入的测量误差，真实有效的反映了被测要素特征。
3、结束语
本文从测量实例出发，对测量复杂形状零件时最容易出现粗大测量误差的两个现象（测头滑动，测针干涉）进行分解并逐一排查分析，对与测针探测有关的影响测量结果精度和效率的主要因素：测量基准的选择与工件的装夹定位，测针的选配，测量程序的编写中容易出错的部分提出了适当的解决方法，希望对实际操作者的相关工作能够有所帮助。
参考文献
[1] 梁荣茗.三坐标测量机的设计使用维护及检修.北京.中国计量出版社，2010.
[2] 胡国强.机械零件质量检测经验实例.北京.国防工业出版社，2010.