世界技能大赛零件圆尺寸的三坐标测量技巧.pdf

模具制造 2018年第8期 世界技能大赛零件圆尺寸的三坐标测量技巧 温树彬 1， 于 倩 2 1.广东省机械高级技工学校 （广东广州510450） 2.天津职业技术师范大学附属高级技术学校 （天津300222） 【摘要】以在世界技能大赛中圆尺寸的测量为例， 分析了三坐标测量机测量圆尺寸的几种 方式， 根据ISO标准， 世界技能大赛执行 “独立原则” ， 结合世界技能竞赛的评分特点， 每个 尺寸都是有自己单独的配分， 不会由于某一个尺寸超差而造成整个零件报废。制定出解 决方案， 避免由于其它制造误差而影响圆尺寸的测量精度。 关键词： 世界技能竞赛； ISO标准； 独立原则； 圆尺寸 中图分类号： TG659文献标识码： B Three Coordinate Measuring Skills for Parts Circle Size of World Skills Competition 【Abstract】Take the measurement of the circle size in the world skills competition as an example， this paper analyzed several ways of measuring the size of the circle by the three coordinate measuring machine，the world skills competition carries out the independence principle according to the ISO standard, each size has its own separate distribution， the whole part will not be scrapped due to the oversize of a certain dimension. And here made a solution, avoid measuring the accuracy of the circle size due to other manufacturing errors. Keywords: worldskillscompetition;ISOstandard; independenceprinciple; circlesize 1引言 世界技能大赛 （以下简称 “世赛” ） 是由世界技 能组织举办的国际技能界的顶尖赛事， 是世界各国 和地区技能展示交流的平台， 被称为 “技能界的奥 林匹克” 。 世赛数铣项目和国内的全国数控比赛相比， 在评 判方式上， 改变了以往主观性较强， 注重结果的方 式。比赛不再过度追求加工的难度， 而是更加注重加 工精度的要求。世赛数铣项目主要通过三坐标测量 机和粗糙度仪等高精度检测仪器对工件进行客观检 测， 提高检测结果的公信度， 保证了比赛的公正性。 笔者从2011年起， 担任全国数控比赛、 第42、 43、 44届 世赛数控铣、 制造团队挑战赛 （数铣） 项目的教练， 以 及担任世赛模具、 自动化两个工种中国选拔赛的检测 裁判员。现就采用高精密仪器三坐标测量机测量世 赛数铣项目工件中圆的尺寸， 并对其结果进行分析及 制定最佳测量方案。 2问题的提出 技能竞赛的名次是依据选手比赛的分数由高到 低进行排序， 决定选手名次高低是工件完成的质量。 一个工件满分为100分， 如果通过测量， 检测出工件的 某一个尺寸超差， 则相应地扣其尺寸分数。然而， 根 据三坐标的测量原理， 可能会产生相关联的尺寸误 差， 现就以2015年在巴西圣保罗举行的世界技能竞赛 数控铣工题目为例， 如图1所示， 题目测量图纸位置 C4内孔25H7mm尺寸为例， 零件三维图如图2所示， C4内孔25H7mm尺寸如图3所示。 分析图纸， 以工件公差最小的大平面作为空间旋 转的投影面， 以B基准的中分线作为旋转找正轴， 另 一轴的零点设置在A基准上。测量内孔尺寸， 常用的 有两种测量方式： 第一是使用三坐标测量中的 “圆柱” 测量， 上下取 3个截面， 测量数值为24.9993mm， 则判断尺寸不在公 差范围之内， 此内孔不得分。 模具制造技术 59 万方数据 模具制造 2018年第8期 第二是使用三坐标测量中的 “圆” 测量， 在内孔深 度中间位置， 测量数值为25.0021mm， 则判断尺寸在 公差范围之内， 此内孔应得分。 三坐标测量机检测结果自相矛盾， 这让参赛选手 对三坐标测量机的测量精度提出了质疑， 似乎三坐标 测量机已无法胜任于世赛此类高精度要求的工件测 量， 质疑测量机的稳定性。于是在所有客观条件都保 持一致的情况下进行重复测量， 结果如表1所示。 发现使用 “圆” 测量， 均为合格， 但是使用圆柱测 量数值却是小于25mm。对于技能竞赛， 虽然是一个 微米的误差， 却决定了金牌的得主， 众说纷纭， 各有各 自的说法。有人提出， 使用通止规来验证， 通止规是 标准的， 如果可以通过， 那就是合格的， 如果不能够通 过， 那就是不合格。也有人认为应该是使用圆柱来测 量， 会更准确一些。这样， 究竟是以哪一个尺寸为最 终的判定标准呢？以三坐标测量中的 “圆” 测量？还 是以三坐标测量中的 “圆柱” 测量呢？还是通过三坐 标测量之后， 还需要以通止规测量的方法来验证才可 以吗？ 针对以上出现的问题， 必须理解三坐标测量的原 理， 并且还要知道当今世界上主流的ISO标准以及美 国的ASME标准中所遵循的原则。评价尺寸时， 根据 所遵循的原则， 选择触测及评价方式。如何科学、 正 确地使用测量方式， 以及科学、 正确地使用评价方式， 成了关键。 表1使用三坐标测量中的 “圆柱” 和 “圆” 测量结果 3 三坐标测量圆尺寸的计算方法及遵循的原则 首先， 需要了解三坐标软件使用 “圆柱” 与 “圆” 测 使用 “圆柱” 测量结果 24.9993 24.9995 24.9983 24.9979 24.9985 24.9997 24.9993 24.9991 24.9999 24.9978 使用 “圆” 测量结果 25.0021 25.0012 25.0016 25.0008 25.0005 25.0007 25.0016 25.0033 25.0026 25.0027 图3内孔25H7mm尺寸图 图1零件工程图图2零件三维图 10+0.030 20+0.020 145 10+0.15 +0.12 5+0.020 6+0.050 4+0.030 145 145 0.015AB 25H7 Ra0.8 M6 14/10(3) 模具制造技术 60 万方数据 模具制造 2018年第8期 量时的计算方法是什么， 然后需要知道不同的计算方 法， 执行的是什么标准， 再根据不同的标准选择适用 于技能竞赛零件的检测方法。 3.1三坐标使用 “圆柱” 测量的计算方法 当使用 “圆柱” 测量时， 在圆柱的表面上测量两 个或多个截面， 然后拟合成一个标准的圆柱。当出 现上下截面的尺寸不一样时， 或者椭圆时， 三坐标软 件都默认采用 “最小二乘法” 进行拟合， 也就是通常 大家讲的使用了平均值的结果输出。无论是此圆柱 发生了锥度还是弯曲， 都是使用了平均值的方式输 出结果。 3.2三坐标使用 “圆” 测量的计算过程 当使用 “圆” 测量时，“圆” 是二维元素， 所以， 在三 坐标软件计算时， 是先进行了投影， 没有特殊指定的 情况下， 是投影到工件坐标系上。然后将触测的点要 素进行拟合成一个标准的 “圆” 进行输出。当零件是 一个椭圆的情况， 也是使用 “最小二乘法” 进行拟合成 一个标准的圆， 也就是通常大家讲的使用了平均值的 结果输出。 3.3 ISO国际标准及中国国标， 默认遵循独立原则 独立原则， 是指图样上对某要素注出或未注的尺 寸公差与形位公差各自独立， 彼此无关， 分别满足各 自要求的公差原则。此时， 图样上要素的尺寸公差与 形位公差没有特定的关系符号或文字说明它们有联 系， 就表示它们遵守独立原则。独立原则的核心是： 局部实际尺寸合格即为合格。局部实际尺寸 （简称实 际尺寸）是指： 在实际要素的任意正截面上， 两对应 点之间测得的距离。在ISO标准中， 对独立原则、 局部 实际尺寸进行了定义及明确。如图4所示， 无论圆柱 发生了弯曲， 或者产生椭圆现象， 只要在任一正截面 之内， 尺寸都在公差范围之内， 就是正确。 图4局部实际尺寸正确图 3.4ASME美国机械工程师协会标准， 默认遵循 包容原则 包容原则适用于单一要素， 是指设计时应用最大 实体边界来控制单一要素的实际尺寸和形状误差的 综合结果， 要求该要素的实际轮廓不得超出最大实体 边界， 并且实际尺寸不得超出极限尺寸。如图5所示， 是使用一个标准模拟体的最大实体边界去控制， 不单 单控制实际的尺寸， 还与形状误差有关， 是两者的综 合结果。 图5包容原则解释图 4 三坐标测量世赛零件圆尺寸问题的解决方案 首先， 世界技能竞赛应该要执行ISO标准， 也就是 执行 “独立原则” ， 即： 在实际要素的任意正截面上， 两 对应点之间测得的距离。 当使用圆柱测量时， 是取了多个截面， 然后使用 软件的 “最小二乘法” 进行计算， 这样的话， 就跟ISO标 准中的 “独立原则” 相违背， 故不可以取这种方式作为 技能竞赛零件的结果判定。 而使用通止规检测的话， 实际上是用了最大实体 边界去检测， 这样的话， 也是与ISO标准的独立原则相 违背， 故不能够使用在世界技能竞赛的零件上。 当使用圆测量时， 是符合了ISO标准中的在任意 一个正截面上， 使用 “两点直径” 的计算方式， 输出最 大值和最小值， 这样也符合在实际要素的任意正截面 上， 两对应点之间测得的距离的要求。但是， 在三坐 标软件在计算时， 因为圆是二维元素， 需要先投影到 一个基准的平面上， 此时， 通过投影到基准面的话， 又 与我们的独立原则相违背， 也就是当基准面发生弯 曲、 倾斜等情况时， 输出的结果就不单单只与这个孔 有关， 还与基准面的情况有关。 所以， 需要先确定这个投影面是只与这个孔有 关， 可以先找正孔的轴心线作为投影方向， 确定与该 孔轴心线垂直的平面作为投影面。然后再使用圆尺 30h7 0.005 0.01 30h7 30h7 30h7 30h7 20.1 （MMC） 20.2 20.1 20.1 （MMC） MMC 理想边界 20.2 （LMC） 20.2 （LMC） 模具制造技术 61 万方数据 模具制造 2018年第8期 寸测量， 输出圆的 “两点直径” ， 也就是最大最小值， 当 这两个值都在公差范围之内， 即为合格。 具体操作如下： （1）首 先 触 测 圆 柱。设置 3 个截面， 其 方法及相关参数如图6 和图7所示。 （2） 然后在圆柱的 上表面取一个点。以确 定Z值的坐标， 如图8和 图9所示。 （3）建 立 坐 标 系 。 选择 X、 Y 原点为圆柱， 空间旋转为圆柱， 如图 10所示。 （4）设 置 安 全 平 面。和图11所示。 （5） 在圆柱上定义 圆， 并设置参数如图12 和图13所示。 （6） 圆的直径输出， 如图14所示， 输出的结 果如图15所示。 （7） 根据测量出的 结 果 ， 判 定 此 尺 寸 不 合格。 5解决方案总结 世界技能竞赛， 遵 循的检测原则， 是 ISO 标准， 那么， 我们应该充 分理解ISO标准里面的 独立原则， 也就是该孔 的尺寸只与这个孔有 关， 不会受到其他基准 投影平面的影响， 并且， ISO标准里面规定， 即使 该孔是弯曲变形了， 该 孔内的任一正截面之下 的尺寸是在公差范围之 内， 那么该孔尺寸也按 照合格接收， 而不能够按照通止规去验证， 因为通止 规是使用了最大实体边界去验证。 图7触测圆柱相关参数设置图6触测圆柱方法 （定义） 图8圆柱定义图9