三坐标测量方法与实际应用探讨

朱敏涛 路世锋 宋兵

摘 要：本文從三坐标测量机的相关原理构成着手，进一步的探究了三坐标测量机当中所使用到的坐标系，并对三坐标测量方法及其实际运用进行了详细的分析，文末简要的描述了测量方法能够加以运用的领域与前景。

关键词：三坐标测量；实际应用；发展趋势

三坐标测量仪器自问世以来，作为世界先进的测量系统，在对结构复杂的工件进行精密测量的过程中起着越来越重要的作用，其不仅能够对各种形状的机械零件进行精确测量，而且还能够应用于空间性的结构测量工作中，是从二维到三维的跨越式升级，使测量更加精准、高效，在测量仪器的专业化发展方面发挥着十分重要的指导意义。

1 三坐标测量机的构成要素

坐标测量机的主要是由四大部件系统组成，分别为仪器的主体构架（X、Y、Z三轴）、数据分析系统、数据采集测头/测座、控制系统，在这当中主体结构的作用是进行一些基础性的功能。运行方式一般是通过相关的程序指令来进行零件中的位置信息的收集，在通过数据分析系统整合数据进行分析，最后输出用户需要的测量结果。

2 三坐标测量机的坐标系

三坐标测量机通过建立坐标系，采集所在区域空间内所测要素的坐标位置，再通过复杂的数据处理计算所测要素数值。

2.1 机器坐标系（回机器零位后的坐标系）：

测量机运用于日常工作当中的时候，需要接收指令后，测量机通过使用三轴光栅从零点来进行计数。若是添加了补偿模式，三坐标测量机将会保持一种正常的工作状态，在这个时候就要重点关注所有的坐标点相对于机械的坐标原点，这也被称作为“机器坐标系”。使用机器坐标系的好处是做临时测量或者零件无明显的直线特征时，构造被测要素非常方便。

2.2 零件坐标系（以零件作为基准建立的坐标系）：

当我们使用三坐标测量机对某机械进行正常测量时，测量人员一般都会以某一个机械的零件的三个典型特征方向建立新的坐标系，并为基准来展开测量工作。在这种情况下得到的坐标系是“零件坐标系”。使用零件坐标系的好处是在有图纸的情况下，对此零件各种要素进行测量，可以非常方便地构造要素，而且进行评价是与图纸对比非常直观[ 1 ]。

3 三坐标测量方法分析

3.1 坐标系转换

在运用三坐标测量机进行实践测量时，通常用到的转换方法一般有两种，既是平移式坐标系与旋转式坐标系。如果在实际工作的时候，有斜孔测量情况的时候，斜孔会同坐标轴产生一个角度，因而就要通过坐标系来进行旋转以及转换。所以，通过旋转操作之后，在达到某一个角度的时候，其斜孔的方向就会同其中一个坐标轴出现同向性的情况，这就给后期的数据的处理带来了一定的帮助，如图1所示。坐标系可由X0、Y0转换到X1、Y1。在通过坐标系的旋转所得到的所有数据，其实都可以利用原来的坐标系来进行计算，这就极大的提升了实际测量的方便性、精确性。

3.2 构造被测要素法

通常来讲，进行产品的生产当中，台阶孔的大小是有着极为重要的作用。但是由于台阶面本身构型以及大小就不一，所以，进行测头监测就会遇到较大的难度。在三坐标检测机运用操作当中，就要使用到垫块的方法去不停的延伸被检测物的增加。在最终数据产生后，就要把延展部分的数据减掉，剩下的便是有价值的数据。因为大部分的待检测样都是不规则的物体，这就给尺寸大小的检测带来了不小的麻烦，因而就要引入三坐标测量机来辅助数据的分析，从而能够极大的提高数据分析的精准性以及快速性。

3.3 转换测量基准法

在对比较复杂的模型的测量时，常常会出现基准同被测量的要素出现不一致的情况，因为这种工件具有较为特别的性质，因此对其精度的测量就极为难，所以，以往的检测手段以及检测方法就不能够满足其检测要求。在这种情况下，需要使用到转换基准法，其实是把被测性要素同中间的基准进行对比以及计算，然后经过大量的换算来确定需要检测的元素、实际基准相互间的关联。进行实际操作当中，就能够极大的降低操作的复杂度，把工件稳定在加工正面，也就会导致工艺基准、被测要素没有保持在同一平面的情况出现。比如，进行壳体形状的加工当中，一般来说都会使用地面两孔来对位置进行确定，然后再进行正面的加工。因为，该方式对加工孔和底面孔的位置度等的确定都有着极为严格的标准，因而就需要通过实际测量来进行基准孔的相互变换，除此以外，同样需要关注的是在角度上的定向性。所以，在针对壳体的测量当中，能够利用壳体当中的两个瞳孔对角度固定、转换基准确定等，实际的操作当中，就要使用到同一个平面当中的两点来进行定位孔从而获得实际的基准，进一步构建坐标系，随后测量出壳体两孔具体的坐标值。然后通过对工件的翻转还有两个通孔角对坐标信息进行反置，从而获得实际的坐标系。

4 其他尺寸测量应用

在实际的机械制造当中，机械产品需要收集很多尺寸数据，从而得到比如导向装置总的直度、圆度、拱度还有平行度上的大小数据，此外还需要针对角度、球、同心度和轮廓的尺寸进行测定，是因为这些零件会牵涉到几何问题，因而对于零件的实际空间信息的测定就会比较的困难。比如在机械行业中广泛应用的球体，有时当球体圆度不足时，会严重影响使用效果，导致球体提前磨损而失效。这个时候通过使用三坐标测量机进行数据的处理就十分的重要，它能够把形状公差缩小在极小的范围当中。

5 三坐标测量方法的发展趋势

三坐标测量作为新生代的测量方式发展迅速，是测量行业进步的主要驱动力，目前三坐标测量机主要从以下几个方向发展：三坐标的测量精度、三坐标测量机的运行速度、三坐标测量软件的智能化。

5.1 有利于提高测量的精密度

如今的三坐标测量机发展里程当中，现代化超精细的加工方法可以将其测量的精确度提升至纳米级别，所以，在测量的公差度就要确保其精确度不能够超过公差的十分之一，所以，开展这些工作的时候，通过使用三坐标测量机就能够极大的提升其精准度，提升测量设备的精度。

5.2 有利于提高实际的测量工作效率

实际操作三坐标测量机进行测量的时候，它可以在一定范围内有效的改进机械的总体结构，侧重于轻型还有热变形不大的新型材料的应用，比如空心薄壁结构、人工合成材料还有铝陶瓷等等，能够极大的提升零部件加工的科学性，从而能够提升机械结构的优化；三坐标测量机的使用可以有效的提升控制系统在作业当中的性能，借助测量机在高速运行，并且可以确保其平稳性的性质，因而测量机工作的精度影响因素就是，确保设备不会出现较大的振动；运用三坐标测量机进行实际的操作过程当中，就要使用到动态性收集，进一步的提升其采集效率，深入地研究测量机运用于实际操作时的动态性误差，同时对产生的误差进行相应的补偿，比如漂浮、测头还有刚度等一些情况，极大的提升软件在运用时的运行效率。

5.3 在航天領域的发展

在航天领域，对于航空发动机的生产当中，就要重点对其中的一些关键性零件部位进行不断的提升，所有研发过程都与三坐标测量机密切相关，这也就显示出了其重要的价值，在生产制造的行业的整体发展当中，对于原件质量的控制是尤为关键的一个步骤，并且还是航空制造行业非常关注的一个问题。针对航空发展动机的零部件研制过程中，相关企业对元件的检测方法以及检测设备的要求变得更加的精密化、科学化，所以，进行实际的生产时，便于确保航天行业发展的水平以及进展速度的先关要求，三坐标测量机逐渐成为了航空领域发展不可或缺的重要组成部分。比如，在进行航空领域逐渐前行过程当中，发动机的不断研发对于航空领域的提升有着至关重要的意义，但发动机当中很多的元件有不同的构型存在，这也就使得数据的直接性测量带来了不小的麻烦，通过使用三坐标测量机就能够较好的对其尺寸大小进行准确的测算，于是能够极大的提升航天零部件的精确度[ 4 ]。

参考文献：

[1] 唱宇，杨桂栋.三坐标测量机的发展趋势[J].民营科技，2015（03）.

[2] 李志芬，逯永，王尧，胡建英.三坐标测量方法的研究[J].科技创新导报，2015（26）.

[3] 黄沛丽.关于三坐标测量机坐标系的建立[J].科技信息，2010（18）.

[4] 吕玉梅，臧继嵩.三坐标测量方法探讨与应用[J].北华航天工业学院学报，2009（04）.