关节臂式三坐标测量机在特殊尺寸测量中的应用

关节臂式三坐标测量机在特殊尺寸测量中的应用
张礼才
【摘要】针对机械产品中特殊尺寸的产品测量难以精确测量的技术问题,介绍了关节臂式三坐标测量机的结构原理,比较了三坐标测量与常规测量的区别.以超量程尺寸、异面直线的距离尺寸、跨过障碍物的尺寸等特殊尺寸为例,应用关节臂式坐标
测量机对其进行了精确测量,体现了关节臂式坐标测量机测量精度高、适用范围广、效率高的优点,可解决特殊尺寸测量的问题.
【期刊名称】《煤矿机电》
【年(卷),期】2018(000)004
【总页数】4页(P51-53,56)
【关键词】关节臂;三坐标测量;常规测量;特殊尺寸
【作者】张礼才
【作者单位】中国煤炭科工集团太原研究院有限公司,山西太原030006
【正文语种】中文
【中图分类】TH821
0 引言
机械产品的精度和使用性能在很大程度上取决于机械零件的精度及零件之间结合的正确性，其机械零件的精度是零件的主要指标之一，而检测技术是保证机械零、部件精度的重要手段。

然而，在生产实践中，存在某些特殊尺寸，比如超出卡尺量程的大尺寸、空间异面直线的距离、有障碍物阻隔的尺寸，采用常规的测量方法难以精确测量。

为此，本文应用关节臂式坐标测量机对这些特殊尺寸进行了精确测量，既提高了测量效率，又体现了关节臂式坐标测量机的优势。

1 关节臂式测量机结构组成
与常规测量相比，三坐标测量机能同时测量工件的几何尺寸和形状、位置公差，毋须用辅助装置模拟基准，数据处理迅速、简便，测量精度和测量效率高[1]。

关节臂式三坐标测量机又称便携式坐标测量机，与龙门式三坐标测量机相比，它便于携带、组装，避免了工件运输和装卡，故得到了广泛应用。

关节臂式坐标测量机结构主要由关节臂、控制电路、上位机软件及附件组成,其中关节臂由3根刚体臂、3个活动关节和1个测头组成，可实现量程范围内空间任意位置的测量功能[2]。

2 特殊尺寸测量
2.1 蛙跳技术原理
所谓特殊尺寸是指超出常规的测量范围，采用常规测量手段难以精确测量的尺寸。

比如某矿用设备部件的铰接孔到前端减速器连接板的距离尺寸为4 m左右，已超
出了卡尺量程，若采用卷尺测量，误差较大，难以得到精确测量结果，而采用龙门式三坐标测量机测量，则费用高、周期长。

为解决此测量难题，应用关节臂式三坐标测量机采用蛙跳技术，既准确地测量了该尺寸，又达到了测量精度要求。

所谓蛙跳技术，是指用于大型零件，机器行程不能1次测量完毕的情况，即利用
现有的三坐标设备测量超出其测量范围的1种测量方法，使用蛙跳球作为标准球，3个蛙跳球通过磁力吸附在机架上，蛙跳球彼此之间的距离尽量远些，且不能布置在1条直线上，蛙跳技术即通过拾取3个蛙跳球的球心，作为3个空间点移动坐
标系，通过坐标变换，使得移动设备前的坐标系与移动设备后的坐标系重合[3]。

2.2 蛙跳技术测量步骤
应用蛙跳技术，测量某矿用设备部件铰接孔到前端减速器连接板距离尺寸，其测量步骤为:
1)准备工作。

构建关节臂坐标测量系统，即将关节臂装配在底座上，装配测头，通过数据线，连接关节臂与笔记本电脑，启动上位机软件Polyworks，选择硬磁头检测模块，连接Polyworks与关节臂，当软件左下角显示闪电符号时，表示测量机主机与上位机软件Polyworks已经连接成功，此时，移动测头，Polyworks软件将实时显示测头的三坐标数值。

将蛙跳球布置在欲测量的大尺寸中间位置。

2)定义设备位置。

操作关节臂，拾取铰接孔特征，鼠标点击Polyworks软件的定义设备位置按钮，启动蛙跳功能，操作关节臂，依次拾取3个蛙跳球，创建3个球特征。

3)移动设备。

鼠标点击Polyworks软件的移动设备按钮，启动移动设备功能，平移关节臂底座至新的测量位置，操作关节臂，依次拾取3个蛙跳球，蛙跳球的拾取顺序与定义设备位置的拾取顺序一致，创建3个球特征。

此时，移动设备前的坐标系，与移动后的坐标系重合在一起，操作关节臂，拾取减速器连接板，创建平面特征，最后创建平面A与圆柱面B轴线的距离特征L(AB)。

创建的圆柱面特征、平面特征及距离特征如图1所示。

A-减速器连接板的平面特征;B-铰接孔圆柱面特征;L(AB)-平面A与圆柱面B轴线的距离图1 大尺寸的测量
矿用部件铰接孔与减速器连接板距离尺寸3次测量结果分别为4 151.763 mm、4 151.774 mm、4 151.766 mm。

2.3 举例测量分析
设3次测量结果分别为：x1、x2、x3，测量结果的平均值为xmin为:
xmin=(x1+x2+x3)/3
(1)
设测量结果的方差为δx，标准差为Δx。

(2)
(3)
将表1数据代入式(1)，经计算得到3次测量结果的均值为4 151.768 mm，代入
式(2)、式(3)计算得到3次测量结果的标准差为0.004 7 mm。

由以上分析得知，该矿用部件铰接孔与减速器连接板距离尺寸的3次测量结果精
度较高，稳定性较好。

3 空间异面尺寸测量
某矿用设备铰接孔轴线与导杆轴线呈异面布置，并且铰接孔与导杆周围均存在其它结构特征，如图2所示。

1-铰接孔;2-导杆;3-障碍物区域图2 铰接孔与导杆示意图
欲测量铰接孔轴线与导杆轴线的距离尺寸，由于空间狭窄，采用常规的测量方法，无法测量该尺寸。

为此应用关节臂式三坐标测量机测量该尺寸，关节臂式坐标测量机是由几根固定长度的臂通过绕互相垂直轴线转动的关节互相连接，在最后的转轴上装有测头的坐标测量装置。

关节臂采用高强度碳纤维臂身，碳纤维的热稳定性好，线性变形系数小，质量轻。

因此，关节臂可以绕开障碍物，伸进空间狭窄的区域内测量[4]。

某矿用设备铰接孔轴线与导杆轴线的测量过程如下。

首先构建关节臂坐标测量系统，操作关节臂，伸进测量区域内，在导杆的表面上打点，创建圆柱面特征;然后伸进
铰接孔内部，在铰接孔内壁上打点，创建圆柱面特征。

Polyworks软件生成的两
圆柱面特征如图3所示。

C-导杆圆柱面特征;D-铰接孔圆柱面特征;L(CD)-圆柱面C轴线与圆柱面D轴线的
距离图3 异面特征的测量示意图
3次导杆轴线、铰接孔轴线的距离的测量结果分别为150.843 mm、150.852 mm、150.846 mm。

将数据代入式(1)，经计算得到3次测量结果的均值为：150.847 mm，代入式(2)、式(3)计算得到3次测量结果的标准差为0.003 7 mm。

由以上分析得知，该导杆、铰接孔轴线距离的测量结果精度较高，稳定性较好。

4 障碍物阻隔的尺寸测量
某些尺寸虽然未超出游标卡尺的量程，但待测量的两特征之间存在障碍物阻隔，无法采用卡尺测量该尺寸。

例如，某矿用设备两导杆之间装配有其他部件，欲测量两导杆的轴线距离尺寸，应用关节臂测量该尺寸。

具体测量过程为:
1)准备工作。

构建关节臂式坐标测量系统，将关节臂装配在底座上，将底座通过磁力吸附在两导杆之间的部件上，通过数据线连接关节臂与上位机软件。

2)创建圆柱面特征。

由于关节臂式坐标测量机是由几根固定长度的臂通过绕互相垂直轴线转动的关节互相连接构成，可以在其量程范围内，绕过障碍物，接近被测对象，在其表面打点，通过拟合运算，创建特征。

操作关节臂，在左侧导杆的表面上打点，创建圆柱面特征。

然后，在右侧的导杆表面上打点，创建第二个圆柱面特征。

3)创建距离特征。

操作上位机软件，选择创建距离特征功能，创建2个圆柱面的
距离特征，此距离特征即为两导杆的距离。

创建的2个圆柱面特征及距离特征如图4所示。

3次导杆距离测量结果分别为1 360.482 mm、1 360.495 mm、1 360.482 mm。

E-左导杆圆柱面特征;F-右导杆圆柱面特征;L(EF)-圆柱面E轴线与圆柱面F轴线的
距离图4 存在障碍物的特征测量示意图
将表3数据代入式(1)，经计算得到3次测量结果的均值为：1 360.486 mm，代
入式(2)、公式(3)计算得到3次测量结果的标准差为0.006 1 mm。

由上可知,该导杆轴线距离的测量准确性较高、稳定性较好。

5 关节臂式测量特点
1)超量程的大尺寸、空间异面直线的距离、有障碍物阻隔的尺寸采用常规测量方式难以直接测量,采用关节臂式坐标测量机可以绕开障碍物，伸进空间狭窄的区域内拾取对象，创建特征，因而克服了障碍物阻隔、空间尺寸受限的困难，解决了特殊尺寸测量的问题[5]。

2)关节臂式坐标测量机采用模块化设计，整个系统由关节臂、测头、基座、上位机软件4部分组成，结构简单，组装方便，因而测量效率高。

3)卡尺的精度一般只能达到0.02 mm，而关节臂式坐标测量机的测量结果可以精确到微米，因而其测量精度较高[6]。

6 结论
本文以矿用设备的特殊尺寸测量为研究对象，论述了常规测量的局限性。

针对超出量程的大尺寸、空间异面尺寸、有障碍物阻隔的尺寸3种典型的特别尺寸，应用关节臂式三坐标测量机进行了尺寸测量，解决了常规测量方式难以实施的问题。

关节臂测量结果表明，与常规测量方式相比，关节臂式测量的准确性较高、稳定性较好、使用范围广并且操作简单方便、效率高。

参考文献：
【相关文献】
[1] 张剑华,朱伟.龙门式三坐标测量机在矿山机械维修中的应用[J]. 煤矿机电,2010(6):96-98.
[2] 杨练根,夏明安.三坐标测量机测量与常规测量方法的比较[J]. 湖北工业大学学报,1996(3):46-49.
[3] 房建国.精密坐标测量技术的发展及应用[J].航空制造技术,2015,476(7):38-41.
[4] 夏薇,蒋利浩，王灿，等.汽车底盘硬点测量技术的研究[J]. 汽车工程，2015,37(8): 975-977.
[5] 姚旭东.关节臂测量机的机械结构和空间误差补偿分析[J].计算机仿真，2011,28(8):196-201.
[6] 李红强,高贯斌.新型关节臂坐标测量机的设计[J].机电工程技术,2012,41(8):117-120.。