基于三坐标测量机的实验教学探索实践

摘要：三坐标测量机是一种通用性强、自动化程度高、精度高的大型空间几何量检测设备，目前被广泛应用于先进制造技术及其科研中。在机械工程专业实验教学环节中引入三坐标测量机来改进教学内容，形成以综合实验、创新性实验为主体的实验教学方案，让广大学生学习到了三维检测、测量数据分析诊断、模具设计、反求工程等方面的专业知识和实践知识，既扩大了学生的知识面，又有效提高了学生的实践能力及就业竞争力，让学生更好地适应知识经济和现代工业技术发展对工程技术人才的需要。

关键词：三坐标测量机；工程能力培养；实验教学改革；逆向设计

作者简介：方韵梅（1974-），女，安徽合肥人，河海大学机电工程学院，实验师；廖华丽（1960-），女，四川成都人，河海大学机电工程学院，教授。（江苏 常州 213022）

基金项目：本文系河海大学机械工程及自动化专业卓越工程师教育培养计划项目的研究成果。

中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）13-0154-02

三坐标测量机测量精度高、速度快、功能强大，是测量行业不可或缺的高级仪器，在汽车制造、航空航天及数控加工中的应用已越来越广泛。为适应社会对高素质和强技能的大学教育的需求，河海大学机电工程学院的省级机械基础实验中心建立了技术水平属同类院校先进的三维测量实验室。

通过近三年的实践摸索，本实验室从实验内容、方法和安排等各方面协调统一形成了一套以综合实验、创新性实验（综合运用逆向、正向设计）为主体的实验教学方案，通过实验教学有效地培养了学生的综合素质、实践技能和创新精神与能力。实践证明，三坐标测量机的使用可让学生了解、熟悉高技术、高精度的设备和现代技术发展，并在使用过程中与实际结合，提高了解决工程问题的能力，实践效果良好。[1，9]

一、三坐标测量机综合实验项目——基于三坐标测量机的箱体形位误差测量

根据学生的认知规律，结合检测技术的理论与实践特点，由浅入深设计优化的综合性实验项目——基于三坐标测量机的箱体形位误差测量是针对“互换性与测量技术”、“机械制造技术”等课程中一些密切相关的教学内容安排的，是对实验技能的全面训练、相关专业知识的综合应用。[3]本实验旨在让学生运用有关几何量检测的知识，对箱体的尺寸、精度等方面进行全面检测，测量参数基本包含所有的形位误差。学生通过解决如何检测复杂箱体形位误差的实验内容，开阔了思路、增长了科学知识、训练了自身的科学思维能力。

1.方案设计

要求学生采用三坐标测量机对给定箱体进行实物装置测量及评价，使学生了解传统测量方法与三坐标测量机测量方案之间的不同。首先让学生根据给定箱体件的装配图了解其工作情况，再确定箱体件各尺寸公差及各项形位公差的项目、公差值，并标上各表面的表面粗糙度。这样做可使学生把在课堂中所学的理论知识真正应用于解决实际问题，懂得标注形位公差。其次掌握三坐标测量机测量机械零件基本元素、形状、位置公差，空间点、线、面及相对位置的方法和步骤。[2，3]最后学习零件的程序测量。

2.实施过程

以5～6人为一组进行实验，利用三坐标测量机对给定箱体进行实物装置测量。具体实施如下：

（1）确定标注方案，独立设计检测方案。分析图纸，具体分析箱体的结构和几何特征，明确它的设计基准、工艺基准及检测基准，认真推敲确定每一个公差项目和数值。

（2）根据检测项目，确定工件的合理摆放、检测元素及测量这些元素的先后顺序。根据工件的摆放方位及检测元素，选择合适的测头组件，并确定需要的测头角度、建立零件坐标系。

（3）基本元素的测量。包括点、线、面、圆、弧、椭圆、圆柱、圆锥、球、键槽、曲线、曲面等的基本元素测量，是所有测量和其他工作的基础。本实验主要是完成箱体几何元素如圆、圆柱、平面等的测量，形状公差如圆度误差、圆柱度误差等的测量，及位置公差如平面度、垂直度、同轴度、对称度等的测量。[8]

（4）构造误差分析所需的几何元素。如箱体两侧面的垂直度误差，先测出水平基准面，然后测量侧平面，再选择垂直度，最终得到垂直度误差。通过实际测量的误差与理论值进行比较，来评定位置公差合格性。[2]

（5）建立测量数据报表，分析测量结果。这个实验的整体过程促使学生对以前学过的“机械设计”、“机械制造技术”及“互换性与测量技术”进行了复习，把公差标准与技术测量有机地联系起来，既加深了对教材内容的整体认识，又提高了综合分析和解决问题的能力。

二、三坐标测量机创新实验项目——自由曲面测量及逆向设计

三坐标测量机与专用测量软件CMM-Manager相结合，能实现完全意义上的通用计量检测。其最有潜力的应用是关于具有自由曲线、曲面的复杂几何形状工件的检测与逆向设计。为此，开设了基于三坐标测量机的创新实验项目——自由曲面测量及逆向设计。本实验赋予学生更多的自主权，可利用其自身知识进行更有针对性的设计创新，是对实验技能的进一步提升训练和相关专业知识的综合应用。

1.方案设计

本实验利用三坐标测量机、测量凸轮、叶片以及鼠标等复杂零件的曲面几何尺寸和形状位置误差，获取其三维坐标点云数据，然后用Pro/E、UG等三维造型软件分析测量数据，由点到面，加以重构、编辑、修改、生成三维实体数字模型。本实验以复杂零件为对象，利用三坐标测量机采集数据，运用逆向设计，在现有产品基础上直接反求出其自由曲面，然后进行个性化结构设计，可极大地缩短产品的设计周期及减少产品的开发费用。[7，8]

2.实验实施过程

本实验首先需要向学生介绍逆向设计，掌握数据处理的基本概念及技能，其次要学习凸轮、叶片以及鼠标等复杂零件的逆向设计和建模过程。

（1）首先分析凸轮、叶片及鼠标等复杂零件曲面的特征。由于三坐标测量机进行的是逐点扫描，它不像激光扫描机等非接触式测量设备那样，能相当密集地对原形表面采集较大规模的数据点，所以在对被测复杂零件的曲面几何尺寸使用三坐标测量机进行逐点测量之前，要对零件的扫描方式、扫描步距进行合理规划，以减少测量误差及方便对所采集的有限数据进行合理的后期处理。[6]

（2）建立自由曲面的定位与安装基准。采用合适的夹具，尽量保证在一次定位的基础上完成数据的采集，避免多次定位和多视图拼合所产生的误差。[8]在测量过程中，可根据测量工件特征改变测头测量方向，可以0°、±45°、±90°、±135°等多种不同的测量姿态进行测量。[4]

（3）对自由曲面的关键点进行测量。以鼠标为例，最难反求的是鼠标顶面与侧面之间呈弧形过渡的边缘，所以应对这样的曲面进行详细测量，以获得充足数据构造曲面。为了得到自由曲面详尽的测量数据，可以调整测量机测头以获得不同的姿态，同时降低测量步长，以获得尽可能密集的点云数据。数据采集的基本原则是：沿着特征方向走，顺着法向方向采集。

（4）自由曲面的点云数据处理。云状数据处理是逆向工程中的关键环节，它的结果将直接影响后期模型重构的质量。由测量设备直接得到的点云数据通常需要经过预处理，要对点云数据进行判断并去除那些噪音点，以保证结果的准确性和延展性，增强数据的合理性及完备性。[5]

（5）修改点云数据结构。由于PRO/ENGINEER接受IGS格式的点云数据，所以保存及导出的数据须为IGS格式，这也是三坐标测量机CMM软件所支持的格式。

（6）启动Pro/Engineer，进入“插入”菜单中的“曲线”选项。由点到线、面，加以重构，编辑、修改、生成鼠标的CAD三维实体模型并分析。

在实验课题研究中发现，在复杂几何形状的制造领域，三坐标测量机与各种测量软件相结合，采用逆向设计流程，对提高产品的设计开发水平、缩短开发周期等方面有着重要意义。但由于逆向设计无法完全做到类似于CAD软件的特征建模和参数化，尤其是在设计过程中为实现实体的某特征，经常需要采用切割等布尔运算，从而极易破坏模型的参数化，同时实现模型的任意修改也比较困难，很难得到满意的结果。因此，常常采取逆向设计和正向设计相结合的方案。[7]比如生成鼠标的正面可以采用逆向设计进行三维建模，而鼠标下部由于三坐标测量机的测量极限问题，无法测量，所以下方尺寸是用游标卡尺直接测量获得，并结合综合出来的逼近数值，然后利用平移、拉深等参数化命令进行正向设计，缝合内外表面成一实体。[5]

三、实践效果

通过三坐标测量机的综合运用，并结合学校教学实际和专业特点，三维测量实验室从整体上优化了实验教学环节，增加了能力、素质培养环节，形成了以综合性、创新性实验为主体的实践教学方案，众多学生在这里学习到了检测、分析诊断、模具设计、反求工程等方面的专业知识和实践知识，既扩大了学生的知识面，提高了同学们综合分析问题的能力，又培养了工科大学生工程实践能力。在三坐标测量机上进行了两届毕业设计：利用三坐标测量机对给定工件进行三维测量，得到其三维轮廓数据，最终生成IGES数据，再导入Pro/E等三维造型软件进行曲面重构，据此再进行产品的个性化结构设计。

1.开发了学生创新思维

通过对不同测量方案的比较、分析和总结，有利于开发学生思维，形成独立探索解决工程实际问题的能力。通过将三坐标测量机运用于各种不同的教学环节中，实现对学生全方位、多层面的工程能力锻炼，达到了融会贯通所学知识并实现思维创新的目的。在真实工程背景下，通过亲身实践能使学生站在比较高的角度对各知识点进行总结，从而有机会综合性、创造性地运用所学工程知识解决实际问题。

2.拓展了学生知识结构

通过综合实验和创新性实验，使学生不仅学会了产品三维建模方法，还锻炼了综合利用各种应用软件解决实际工程问题的能力。在掌握了基本测量方法的基础上学会了反求测量的方法，了解了测量误差的分析及评定。培养了学生通过实验获取数据、观察判断问题、查询资料、分析问题、制定实验工艺、解决实际工程问题的能力。

3.提高了学生就业竞争力

三坐标测量机作为一种通用性强、自动化程度高的高精度测量系统，在先进制造技术和科学研究中有极其广泛的用途。基于三坐标测量机的工程培养无疑是一个密切贴近市场需求的项目。通过近几年的实践证明，学生工程能力获得了提高，就业竞争力增强，效果良好。

参考文献：

[1]罗毅，吕含玲，钟穗东，等.加强工程实践基地建设全面提高学生创新素质[J].实验技术与管理，2005，22（12）：ll3-1l6.

[2]张海，付伟.三坐标测量机在实验教学中的应用[J].华东交通大学学报，2OO5，22（12）：231-233.

[3]王颖淑，苗忠，李慧，等.公差实验课改革的新探索[J].长春大学学报，2005，15（2）：108-110.

[4]杨建风.三坐标测量机测头的正确使用[J].机床与液压，2006，

（10）：245-246.

[5]曹晓群.结合科研工作开展学生设计性实验培养创新型人才[J].实验室科学，2006，（3）：135-136.

[6]胡增荣.柔性检测设备一三坐标测量机[J].精密制造与自动化，

2006，（2）：57-60.

[7]陈明.基于三坐标测量机的曲面零件逆向设计研究[J].计算机信息，2006，22（2）：202-204.

[8]高大军，余晓芬.三坐标测量机交互式虚拟实验室的设计[J].实验室研究与探索，2008，27（9）：58-60.

[9]赵天婵，冯俊，胡堵.充分利用三坐标测量机培养学生工程实践能力[J].实验技术与管理，2008，25（6）：152-155.

（责任编辑：孙晴）

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