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摘要:
结合相关课程，对“互换性与测量技术”开设基于三坐标测量机的综合性实验进行研究。实验有丰富创新的实验内容、完整规范的操作步骤、简单明确的参数设置及必要的数据记录，并对实验课程的实施和考核细节展开分析，形成行之有效的教学模式。实践证明教学效果良好，有利于巩固学生测量理论知识，同时为相关课程的实验教学改革提供借鉴。
关键词:
互换性与测量技术;三坐标测量机;综合实验
综合性实验教学改革与创新是实验教学研究的热点［1－3］。作为机械类、近机类各专业必修的一门技术基础课程，“互换性与测量技术”传统实验教学大都基于一些常规的实验仪器，设备精度较差、操作过程繁琐且实验内容偏重对理论知识的验证，缺少综合性、创新性实验。随着制造业的快速发展，越来越多的零件日趋精密复杂，精度也越来越高，一些新型快捷的高精密测量设备(如三坐标测量机、影像测量仪等)被广泛应用到企业生产中［4］。探讨如何在实验中引入高新设备以改进教学方式的做法已成为当今实验教学改革的一种重要途径［5］。本文基于我校国家级车辆实验中心所属精密测量实验室，改革实验教学，开设综合性实验，将三坐标测量机真正应用于现代测量技术的实验教学环节。
1实验设计
综合性实验是指实验内容涉及一门课程多方面知识或多门课程知识的实验，能够培养实验者的综合思维方法和创新能力［6］。针对“互换性与测量技术”实验课程，本文在实验内容设置上参考其他院校开设CMM实验的经验［7－10］，结合同一学期的“二级齿轮减速器课程设计”、“机械设计”及“机械制造技术”等课程内容，由浅入深地设计了基于三坐标测量机的综合性实验—减速器零部件实物测量分析，如“减速器箱体测量分析实验”、“判断减速器轴类零件是否合格实验”等。实验旨在让学生综合运用有关尺寸设计、加工及测量等方面知识，根据课程设计图纸要求完成减速器零部件的尺寸、公差等全面测量，领会各种公差的定义及作用，判断图纸所选取技术参数或公差等级的合理性，掌握形位公差的标注必须建立在了解零件工作原理的基础上，是对实验技能和相关知识的全面训练和综合应用。下面以二级圆柱齿轮减速器低速轴的三坐标测量分析实验为例。实验设备采用德国蔡司公司生产的ConturaG3RDS9168三坐标测量机，其测量范围为900*1600*800mm，测量精度为1．8μm。
2实验步骤
测量前首先选择合适的探针并校准，然后完成工件的有效装夹，通过IGES接口将工件的CAD数模导入测量软件Calypso，利用软件脱机编程完成基本坐标系的建立、安全平面的确定、测量元素的定义及评定、模拟测量等，最后联机对实际工件进行手动找正，自动完成测量，输出测量报告并进行分析。
2．1探针校准
由于测量时系统记录的是探针球心坐标，而不是工件接触点的实际坐标，因此必须对测量使用的探针进行校准，从而获得探针的有效半径补偿值，其原理是从各个不同方向分别测量固定在工作台上已校准的标准球，系统按测量坐标值计算出各个探针方向的实际球径和相互位置关系，存储这些数据作为实际测量时的误差补偿值［11］。实验中利用蔡司RDS旋转测头座的CAA功能，即旋转步距角为2．5°且只需简单标定便可实现20736个空间位置的自如使用，校准步骤如下:(1)将主探针和参考球正确地安装在三坐标测量机的主轴和台面上，适当移动探针确保所有位置都能校准到，检查清洁探针和参考球表面;(2)选择正确的参考球转角和斜角，在A0B0角度位置进行主探针RDS－CAA校准，完成后确保主探针的形状偏差S值小于3μm，否则需查找原因并重新校准;(3)卸下主探针，根据工件形状特点安装合适的工作探针，选择RDS模式，由软件校准程序在标准球上自动完成，得到相对主探针XYZ位置值、探针半径R值、形状偏差S等，同样注意S值，否则需重新校准，由此完成工作探针的选择与校准。
2．2工件装夹
精确的测量来源于精密的测量仪器、正确的测量方法，更离不开可靠的装夹方式［12］。实验利用配套的蔡司CARFITCMB－E通用柔性夹具，通过三明治底板、弹性压板、支撑柱、定位销、万向接头等部件的简单组合快速地实现减速器零件的装夹。首先根据减速器轴外部形状，使用具体型号的夹具把工件支撑在三明治底板上，然后再根据工件的侧面特征，选择紧固型夹具，使其在底板上固定且不动摇。由于安装板的每个孔及夹具组件都有独一编号，因此实验中的装夹方案可通过记录这些代号，不同批次的学生只需按记录把相应夹具组件安装在三明治底板上，夹上工件，实现快速装夹及拆卸。
2．3脱机编程
实验测量程序的编写利用Calypso软件的脱机编程功能，这种方式的优点在于只需导入工件的CAD数模即可编程，不必等到装夹成功后，因此实验装夹与编程可以分小组并行进行从而大大提高测量效率，另一方面在于脱机程序编写完成后，可以直接调用软件的“模拟”测量模块进行验证，找出程序运行中可能出现的错误测量路径和测量点，将实际测量中可能出现的撞针等问题降到最低，最大程度地保证测量的安全。实验脱机编程的第一步是在Calypso软件中将三坐标测量机设置为脱机模式，然后通过IGES接口将减速器低速轴的CAD数模导入测量软件中。第二步是建立工件的基本坐标系。本着测量基准与设计基准保持重合的原则，实验中基本坐标系的建立运用典型的“3－2－1法”即校正平面、确定轴线、设置原点，利用软件的坐标系功能模块，首先选择轴的端面圆测量三点或三点以上作为校准基准面，确定Z轴正向，然后测量键槽长度方向两点建立基准轴，确定Y轴，最后指定端面圆心作为计算坐标原点。为防止实际测量中探针与待测工件发生意外碰撞，下一步应设置安全平面。实验根据已导入的工件CAD数模，点击“从CAD模型获得安全平面”，输入合适边界距离，便可在待测工件外围自动构建一个长方体以保证探针旋转安全性。根据实验任务，需要对轴完成圆柱、键槽等元素的尺寸，轮廓度、圆柱度等形状公差以及对称度、同轴度等位置公差的脱机测量程序编写。如键槽的对称度测量，根据定义应从3个方面设定:(1)基准平面的采集与设定;(2)被测平面的采集与设定;(3)基准平面与被测平面之间的位置关系评价。由于平面的测量至少需3个点，因此分别点击键槽表面所要采点位置，此时模型会显示采点的位置及其矢量方向，并自动构建为平面元素，然后对平面的测量策略及评定如探针速度、采点方式以及滤波粗差等进行更详细的设置。通过在CAD数模上依次设置待测特征，生成完整测量路径后，在脱机状态下模拟测量过程从而查看是否会发生碰撞，如有碰撞则需调整测量设置或路径直至没有碰撞发生。
2．4报告输出
脱机编程完成后，即可通过联机测量自动生成完整的测量报告，从报告中可直观地得到测量实际值、公差与理论值的偏差、超差等详细信息，据此与图纸中的技术要求进行对比分析，以验证零件是否符合设计、加工工艺要求或者公差选取是否合理等。
3实验的组织及考核方式
由于三坐标测量机属于大型贵重仪器，实验教学的开展面临学生人数多、仪器台套数少、课时紧张等诸多问题，因此实验利用学生的课余时间，采取网上预约的全开放教学模式，通过学校实验教学管理系统，采用学生自主学习为主、指导教师启发为辅的教学方法和手段。实验以5～6人为一个项目组，实验前首先在网站上选择不同难度等级的任务书(如测量参数的个数、难易程度等)，进行资料查阅、方案构思等，然后安排两组同时进入实验室，第一组做实验的同时，第二组观摩学习，第一组完成实验后，第二组就可以无缝进入。为了避免学生初次操作用力不当而损坏探针，在机房安装脱机测量软件，只需简单配置操作手柄完成编程和模拟测量，待练习成熟后再分组操作，事先让学生在木板、塑料或铝等软性材料上练习，操作熟练后再进行实体测量，大大提高了设备的利用率和实验效果。实验实施以“学习成果”为导向的分组考核模式，重点考核实验项目组的团队“学习成果”和协作精神。首先根据该组的“学习成果”(如实验测量分析报告等)确定该组的基本成绩等级，然后乘以该次实验的难度系数得到该组的考核结果，最后根据该组的上机操作情况，确定组员个体的学习成绩。例如，某组实验任务由5人组成，该组成绩等级确认为A，实验难度系数1．2，则该组考核结果为1．2*A，计为A+，则大部分组员个体成绩应被确定为A+或A，最差成绩应不低于B。
4结语
实践证明，在“互换性与测量技术”课程中开展基于减速器零部件的三坐标测量综合实验，不但使学生对高精度、高效率的现代测量技术和手段在实际工程中的应用有了从理论到实践的全新认识，加深了课程设计中相关基准、尺寸和公差等选取原则的理解，而且为后续“机械制造工艺”等课程打下基础，对提高学生的工程实践能力及创新意识起到积极作用。
作者：林祖胜 兰靛靛 柯晓龙 廖文海 龙海飞 单位：厦门理工学院国家级车辆工程实验教学示范中心
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