发挥三坐标测量机功能开出高质量的实验

三坐标测量机是一种集光、机、电、算为一体的精密光学测量仪器,可用于各种几何元素——点、线、面、圆、圆锥、圆柱、阶梯圆和球,形位公差——直线度、平面度、平行度、垂直度、位置度、倾斜度、跳动度、配合公差等方面的三维测量,也可以进行计算机数控(CNC)测量,所以在国外称为测量中心。目前三坐标测量机广泛应用于机械行业、配合加工中心、组合机床的机械零、部件的精密测量,但在国内高校中拥有三坐标测量机并且能开出实验的不多,我校自1988年从德国购进ZEISS公司生产的MC850三坐标测量机以来,每年已为精仪专业、检测专业的本科和研究生开出了实验,取得了一定成效。下面淡谈我们的体会。

三坐标测量机采用精密气浮导轨,高精度三维传感器探头,光栅测量系统,计算机控制等。这些学生在课堂上都已学过,而在实际应用上还是第一次看到,针对这种情况,我们在实验过程中对这些部件均作了详细介绍。三坐标测量机的主机,采用了龙门式高刚性结构的几乎无摩擦、无磨损的精密空气气浮导轨和精密光电透视光栅线位移传感器系统,底座工作台和横梁则采用了线膨胀系数小、永不生锈的花岗岩。一般机床和仪器的导轨形式有:三角型、矩型、T型和燕尾型,而气浮导轨和花岗岩工作台学生还没有见过,有的学生在物理实验课上仅仅做过气垫实验。针对这个情况,为了让学生看清楚气垫的具体应用,我们卸掉了仪器的防护罩,让学生亲眼目睹气垫的构造及气浮导轨的运动方式,并让学生比较气浮导轨与一般导轨,以及金属工作台与花岗岩工作台的优缺点,在此基础上再告诉学生三坐标测量机为什么采用了气浮导轨而不采用一般导轨,这样学生就对导轨的构造形式和三坐标测量机精度的影响有了一定的认识。对于高精度三维传感探头,我们首先介绍了传感器的发展过程和种类,然后介绍在机械测量中通常使用的压力传感器,如电感测微计(学生基本上都使用过),最后再介绍三坐标测量机所应用的高精度三维传感器,并由此引出了这种传感器的优点:高灵敏性,动态响应快,线性度好,重复性好等。在测量过程中高精度三维传感器发出的信号传送给计算机,计算机再发出指令,记下此时传感器探头在机器坐标系中的位置,该位置可由精密光栅测量系统控制。由于Y轴的光栅尺固定在花岗岩工作台上,我们拿掉了仪器的防护罩,给学生讲述了光栅尺和光栅头的构造及工作机理。这样学生对三坐标测量机的构造便有了初步的认识。

由于三坐标测量机在测量过程中需要建立工件坐标系,而工件摆放位置的要求不是太严格,一般来说只要不妨碍测量就行,即测量前不需要调试工件的测量基准和三坐标测量机的原始坐标系基准相吻合,而这一步骤在常规测量中是必要的。为了建立工件坐标系,我们先让学生回顾一下空间三维坐标系以及极坐标系的关系;让学生根据工件的图纸要求来讨论如何在工件上建立坐标系,使之测量起来方便快捷而且误差最小。通过讨论我们最终确定一种最佳方案,用来建立三维空间坐标系。