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摘要:

結合相關課程，對“互換性與測量技術”開設基于三坐標測量機的綜合性實驗進行研究。實驗有豐富創新的實驗內容、完整規范的操作步驟、簡單明確的參數設置及必要的數據記錄，并對實驗課程的實施和考核細節展開分析，形成行之有效的教學模式。實踐證明教學效果良好，有利于鞏固學生測量理論知識，同時為相關課程的實驗教學改革提供借鑒。

關鍵詞:

互換性與測量技術;三坐標測量機;綜合實驗

綜合性實驗教學改革與創新是實驗教學研究的熱點［1－3］。作為機械類、近機類各專業必修的一門技術基礎課程，“互換性與測量技術”傳統實驗教學大都基于一些常規的實驗儀器，設備精度較差、操作過程繁瑣且實驗內容偏重對理論知識的驗證，缺少綜合性、創新性實驗。隨著制造業的快速發展，越來越多的零件日趨精密復雜，精度也越來越高，一些新型快捷的高精密測量設備(如三坐標測量機、影像測量儀等)被廣泛應用到企業生產中［4］。探討如何在實驗中引入高新設備以改進教學方式的做法已成為當今實驗教學改革的一種重要途徑［5］。本文基于我校國家級車輛實驗中心所屬精密測量實驗室，改革實驗教學，開設綜合性實驗，將三坐標測量機真正應用于現代測量技術的實驗教學環節。

1實驗設計

綜合性實驗是指實驗內容涉及一門課程多方面知識或多門課程知識的實驗，能夠培養實驗者的綜合思維方法和創新能力［6］。針對“互換性與測量技術”實驗課程，本文在實驗內容設置上參考其他院校開設CMM實驗的經驗［7－10］，結合同一學期的“二級齒輪減速器課程設計”、“機械設計”及“機械制造技術”等課程內容，由淺入深地設計了基于三坐標測量機的綜合性實驗—減速器零部件實物測量分析，如“減速器箱體測量分析實驗”、“判斷減速器軸類零件是否合格實驗”等。實驗旨在讓學生綜合運用有關尺寸設計、加工及測量等方面知識，根據課程設計圖紙要求完成減速器零部件的尺寸、公差等全面測量，領會各種公差的定義及作用，判斷圖紙所選取技術參數或公差等級的合理性，掌握形位公差的標注必須建立在了解零件工作原理的基礎上，是對實驗技能和相關知識的全面訓練和綜合應用。下面以二級圓柱齒輪減速器低速軸的三坐標測量分析實驗為例。實驗設備采用德國蔡司公司生產的ConturaG3RDS9168三坐標測量機，其測量范圍為900*1600*800mm，測量精度為1．8μm。

2實驗步驟

測量前首先選擇合適的探針并校準，然后完成工件的有效裝夾，通過IGES接口將工件的CAD數模導入測量軟件Calypso，利用軟件脫機編程完成基本坐標系的建立、安全平面的確定、測量元素的定義及評定、模擬測量等，最后聯機對實際工件進行手動找正，自動完成測量，輸出測量報告并進行分析。

2．1探針校準

由于測量時系統記錄的是探針球心坐標，而不是工件接觸點的實際坐標，因此必須對測量使用的探針進行校準，從而獲得探針的有效半徑補償值，其原理是從各個不同方向分別測量固定在工作臺上已校準的標準球，系統按測量坐標值計算出各個探針方向的實際球徑和相互位置關系，存儲這些數據作為實際測量時的誤差補償值［11］。實驗中利用蔡司RDS旋轉測頭座的CAA功能，即旋轉步距角為2．5°且只需簡單標定便可實現20736個空間位置的自如使用，校準步驟如下:(1)將主探針和參考球正確地安裝在三坐標測量機的主軸和臺面上，適當移動探針確保所有位置都能校準到，檢查清潔探針和參考球表面;(2)選擇正確的參考球轉角和斜角，在A0B0角度位置進行主探針RDS－CAA校準，完成后確保主探針的形狀偏差S值小于3μm，否則需查找原因并重新校準;(3)卸下主探針，根據工件形狀特點安裝合適的工作探針，選擇RDS模式，由軟件校準程序在標準球上自動完成，得到相對主探針XYZ位置值、探針半徑R值、形狀偏差S等，同樣注意S值，否則需重新校準，由此完成工作探針的選擇與校準。

2．2工件裝夾

精確的測量來源于精密的測量儀器、正確的測量方法，更離不開可靠的裝夾方式［12］。實驗利用配套的蔡司CARFITCMB－E通用柔性夾具，通過三明治底板、彈性壓板、支撐柱、定位銷、萬向接頭等部件的簡單組合快速地實現減速器零件的裝夾。首先根據減速器軸外部形狀，使用具體型號的夾具把工件支撐在三明治底板上，然后再根據工件的側面特征，選擇緊固型夾具，使其在底板上固定且不動搖。由于安裝板的每個孔及夾具組件都有獨一編號，因此實驗中的裝夾方案可通過記錄這些代號，不同批次的學生只需按記錄把相應夾具組件安裝在三明治底板上，夾上工件，實現快速裝夾及拆卸。

2．3脫機編程

實驗測量程序的編寫利用Calypso軟件的脫機編程功能，這種方式的優點在于只需導入工件的CAD數模即可編程，不必等到裝夾成功后，因此實驗裝夾與編程可以分小組并行進行從而大大提高測量效率，另一方面在于脫機程序編寫完成后，可以直接調用軟件的“模擬”測量模塊進行驗證，找出程序運行中可能出現的錯誤測量路徑和測量點，將實際測量中可能出現的撞針等問題降到最低，最大程度地保證測量的安全。實驗脫機編程的第一步是在Calypso軟件中將三坐標測量機設置為脫機模式，然后通過IGES接口將減速器低速軸的CAD數模導入測量軟件中。第二步是建立工件的基本坐標系。本著測量基準與設計基準保持重合的原則，實驗中基本坐標系的建立運用典型的“3－2－1法”即校正平面、確定軸線、設置原點，利用軟件的坐標系功能模塊，首先選擇軸的端面圓測量三點或三點以上作為校準基準面，確定Z軸正向，然后測量鍵槽長度方向兩點建立基準軸，確定Y軸，最后指定端面圓心作為計算坐標原點。為防止實際測量中探針與待測工件發生意外碰撞，下一步應設置安全平面。實驗根據已導入的工件CAD數模，點擊“從CAD模型獲得安全平面”，輸入合適邊界距離，便可在待測工件外圍自動構建一個長方體以保證探針旋轉安全性。根據實驗任務，需要對軸完成圓柱、鍵槽等元素的尺寸，輪廓度、圓柱度等形狀公差以及對稱度、同軸度等位置公差的脫機測量程序編寫。如鍵槽的對稱度測量，根據定義應從3個方面設定:(1)基準平面的采集與設定;(2)被測平面的采集與設定;(3)基準平面與被測平面之間的位置關系評價。由于平面的測量至少需3個點，因此分別點擊鍵槽表面所要采點位置，此時模型會顯示采點的位置及其矢量方向，并自動構建為平面元素，然后對平面的測量策略及評定如探針速度、采點方式以及濾波粗差等進行更詳細的設置。通過在CAD數模上依次設置待測特征，生成完整測量路徑后，在脫機狀態下模擬測量過程從而查看是否會發生碰撞，如有碰撞則需調整測量設置或路徑直至沒有碰撞發生。

2．4報告輸出

脫機編程完成后，即可通過聯機測量自動生成完整的測量報告，從報告中可直觀地得到測量實際值、公差與理論值的偏差、超差等詳細信息，據此與圖紙中的技術要求進行對比分析，以驗證零件是否符合設計、加工工藝要求或者公差選取是否合理等。

3實驗的組織及考核方式

由于三坐標測量機屬于大型貴重儀器，實驗教學的開展面臨學生人數多、儀器臺套數少、課時緊張等諸多問題，因此實驗利用學生的課余時間，采取網上預約的全開放教學模式，通過學校實驗教學管理系統，采用學生自主學習為主、指導教師啟發為輔的教學方法和手段。實驗以5～6人為一個項目組，實驗前首先在網站上選擇不同難度等級的任務書(如測量參數的個數、難易程度等)，進行資料查閱、方案構思等，然后安排兩組同時進入實驗室，第一組做實驗的同時，第二組觀摩學習，第一組完成實驗后，第二組就可以無縫進入。為了避免學生初次操作用力不當而損壞探針，在機房安裝脫機測量軟件，只需簡單配置操作手柄完成編程和模擬測量，待練習成熟后再分組操作，事先讓學生在木板、塑料或鋁等軟性材料上練習，操作熟練后再進行實體測量，大大提高了設備的利用率和實驗效果。實驗實施以“學習成果”為導向的分組考核模式，重點考核實驗項目組的團隊“學習成果”和協作精神。首先根據該組的“學習成果”(如實驗測量分析報告等)確定該組的基本成績等級，然后乘以該次實驗的難度系數得到該組的考核結果，最后根據該組的上機操作情況，確定組員個體的學習成績。例如，某組實驗任務由5人組成，該組成績等級確認為A，實驗難度系數1．2，則該組考核結果為1．2*A，計為A+，則大部分組員個體成績應被確定為A+或A，最差成績應不低于B。

4結語

實踐證明，在“互換性與測量技術”課程中開展基于減速器零部件的三坐標測量綜合實驗，不但使學生對高精度、高效率的現代測量技術和手段在實際工程中的應用有了從理論到實踐的全新認識，加深了課程設計中相關基準、尺寸和公差等選取原則的理解，而且為后續“機械制造工藝”等課程打下基礎，對提高學生的工程實踐能力及創新意識起到積極作用。

作者：林祖勝 蘭靛靛 柯曉龍 廖文海 龍海飛  單位：廈門理工學院國家級車輛工程實驗教學示范中心

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