基于任務(wù)導(dǎo)向法汽車覆蓋件檢具的智能測量實(shí)訓(xùn)*

李 剛，牛衛(wèi)晶

(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006)

0 引言

汽車覆蓋件檢具是保證汽車沖壓件質(zhì)量的關(guān)鍵量具。一般的汽車覆蓋件檢具型面結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求較高。為了保證檢具的精度,需要對汽車覆蓋件檢具型面實(shí)施測量,得到檢具型面的三維數(shù)據(jù)信息,從而判斷檢具產(chǎn)品是否合格。因此,準(zhǔn)確高效地對汽車覆蓋件檢具型面進(jìn)行三維測量,是保證檢具質(zhì)量的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。三維數(shù)據(jù)測量又稱產(chǎn)品表面數(shù)字化,是通過特定的測量設(shè)備和測量方法,將物體的表面形狀轉(zhuǎn)換成離散的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)點(diǎn)的過程[1]。三坐標(biāo)測量機(jī)(Coordinate Measuring Machine,CMM)以測量精度高、測量范圍廣、數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)、通用性好等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于汽車、工程機(jī)械、模具等行業(yè)。

智能測量實(shí)訓(xùn)是山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械制造及自動化專業(yè)為期一周的技能操作課,主要任務(wù)是利用三坐標(biāo)測量機(jī)完成某一復(fù)雜零件的檢測,并輸出報告。本次實(shí)訓(xùn)采用了以汽車油箱口蓋檢具三坐標(biāo)測量為任務(wù)的“任務(wù)導(dǎo)向法”來開展。

1 認(rèn)識三坐標(biāo)測量機(jī)

1.1 三坐標(biāo)測量機(jī)的功能及結(jié)構(gòu)

三坐標(biāo)測量機(jī)是一種以精密機(jī)械為基礎(chǔ),集光、機(jī)、電、計算機(jī)等多項(xiàng)技術(shù)于一體的現(xiàn)代精密測量設(shè)備[2],其功能主要有兩個:①對工件幾何尺寸的測量;②對工件形位公差的測量,并可用于逆向工程。三坐標(biāo)測量機(jī)測量的數(shù)據(jù)通過計算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算及數(shù)據(jù)處理,將所需結(jié)果(數(shù)據(jù))打印出來,并繪制出圖形。

一般來說,一臺三坐標(biāo)測量機(jī)系統(tǒng)主要由主機(jī)、測頭、電氣系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)四部分組成,見圖1。

圖1 三坐標(biāo)測量機(jī)的結(jié)構(gòu)

本次實(shí)訓(xùn)選用?？怂箍礕lobal Advantage 05.07.05移動橋式三坐標(biāo)測量機(jī),如圖2所示。該測量機(jī)X軸最大行程為500 mm,Y軸最大行程為700 mm,Z軸最大行程為500 mm,配置HP-T測頭。

1.2 三坐標(biāo)測量機(jī)的工作原理

三坐標(biāo)測量機(jī)的工作原理是:通過手柄來控制機(jī)器移動,利用探針去碰觸工件表面,取得該位置的X、Y、Z三個坐標(biāo)值,將這些點(diǎn)坐標(biāo)輸入測量軟件,擬合出測量元素點(diǎn)、線、面、圓等,然后計算出需要的尺寸、形狀、位置等幾何量數(shù)據(jù)。

測量時,首先由軟件系統(tǒng)給出測量命令,控制系統(tǒng)控制測量機(jī)主機(jī)接近被測特征,并利用Z軸末端所攜帶的測量系統(tǒng)進(jìn)行接觸或非接觸式的測量,并將測量結(jié)果回傳到軟件系統(tǒng),由軟件系統(tǒng)進(jìn)行計算分析,得出測量結(jié)果。究其根本,三坐標(biāo)測量機(jī)是基于坐標(biāo)測量的通用化數(shù)字測量設(shè)備,它首先將各被測幾何元素的測量轉(zhuǎn)化為對這些元素上一些點(diǎn)坐標(biāo)的測量,測得這些點(diǎn)坐標(biāo)后,再根據(jù)這些點(diǎn)空間坐標(biāo)值利用數(shù)學(xué)運(yùn)算求出其尺寸精度、形狀精度和位置精度。

2 汽車油箱口蓋檢具三坐標(biāo)檢測實(shí)訓(xùn)流程

2.1 分析圖紙以明確任務(wù)要求

以檢測某汽車模具廠的油箱口蓋檢具作為本次的檢測任務(wù),圖3為汽車油箱口蓋檢具零件圖。

圖3 汽車油箱口蓋檢具零件圖

檢測任務(wù)具體如下:①完成圖紙中檢具的檢測,檢測項(xiàng)目由檢測表給出;②圖紙中未標(biāo)注公差按照±0.05 mm處理;③測量報告輸出項(xiàng)目有尺寸名稱、實(shí)測值、公差值、超差值,格式為PDF文件;④測量任務(wù)結(jié)束后,檢測人員打印報告并簽字確認(rèn)。

通過分析以上任務(wù),找出有精度要求的尺寸特征,這些尺寸即是需要三坐標(biāo)測量的尺寸。列出的檢測表清單如表1所示。

表1 檢測表清單

2.2 裝夾工件

工件裝夾的最基本原則是在滿足測量要求的前提下盡可能以最少的裝夾次數(shù)完成全部尺寸測量。依據(jù)零件圖紙上所標(biāo)注的尺寸,分析要測量的基準(zhǔn)和被測要素,基準(zhǔn)和被測要素決定了工件該如何擺放、測頭該如何配置以及測頭該旋轉(zhuǎn)哪些角度。工件裝夾方案見圖4。

圖4 工件裝夾

2.3 測頭校驗(yàn)

測頭校準(zhǔn)是三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行工件測量前必不可少的一個重要步驟[3,4]。校驗(yàn)方式有手動校驗(yàn)(MAN+DCC)和自動校驗(yàn)(DCC+DCC)兩種模式。校驗(yàn)測針的原因是因?yàn)闇y頭觸發(fā)有延遲,測針會有一定的形變。為獲取測量時的有效直徑,需進(jìn)行測頭補(bǔ)償。特別要注意,添加角度進(jìn)行標(biāo)定時,要與參考針角度(A0B0)一起標(biāo)定。

將校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)球固定在測量機(jī)工作平面上,用無水乙醇擦拭干凈,測量機(jī)的移動和手動打點(diǎn)過程由操縱手柄控制,在操作過程中需要長按加電按鈕才能控制測量機(jī)。這是為了防止無關(guān)人員誤觸手柄而造成設(shè)備損壞。當(dāng)測頭距離零件較遠(yuǎn)時,直接搖動搖桿實(shí)現(xiàn)快速接近;當(dāng)測頭與零件距離靠近時,慢速按可實(shí)現(xiàn)慢速接近,直到測針接觸零件完成打點(diǎn)操作。測頭校驗(yàn)如圖5所示。

圖5 測頭校驗(yàn)

2.4 建立坐標(biāo)系

2.4.1 粗建坐標(biāo)系

新建程序進(jìn)入PC-DMIS編輯界面并加載測頭文件,選擇工作平面為Z正,并將測針旋轉(zhuǎn)到A0B0方向。利用操縱手柄控制測量機(jī),在平面A上打三個點(diǎn),按確認(rèn)按鈕。軟件界面點(diǎn)擊插入—新建坐標(biāo)系,在彈出的坐標(biāo)系功能窗口中選中平面1,選擇Z+,點(diǎn)擊找正,再次選中平面1,在Z前打勾,點(diǎn)擊原點(diǎn),點(diǎn)擊確定。

同理,控制測量機(jī)在平面B沿著X+向打兩個點(diǎn),確定直線1,軟件界面點(diǎn)擊新建坐標(biāo)系,選擇直線1。圍繞Z+旋轉(zhuǎn)到X+,點(diǎn)擊旋轉(zhuǎn),再次選擇直線1,在Y前打勾,點(diǎn)擊原點(diǎn),點(diǎn)擊確定。

最后在平面C打一個點(diǎn),確定點(diǎn)1,點(diǎn)擊新建坐標(biāo)系,選中點(diǎn)1,在X前打勾,點(diǎn)擊原點(diǎn),最后點(diǎn)擊確定,工件坐標(biāo)系粗建完畢,如圖6所示。

圖6 粗建坐標(biāo)系

2.4.2 精建坐標(biāo)系

接下來利用面的方法精建坐標(biāo)系。在平面上均勻打點(diǎn),確定平面2、平面3和平面4,點(diǎn)擊新建坐標(biāo)系,選中平面2,選擇Z+,點(diǎn)擊找正,選中平面2,在Z前打勾,點(diǎn)擊原點(diǎn)。選中平面3圍繞Z+旋轉(zhuǎn)到Y(jié)-,點(diǎn)擊旋轉(zhuǎn)。選中平面3,在Y前打勾,點(diǎn)擊原點(diǎn)。選中平面4,在X前打勾,點(diǎn)擊原點(diǎn),最后點(diǎn)擊確定,此時坐標(biāo)系精建完畢。

2.5 特征測量及評價

將CAD數(shù)模通過IGES格式導(dǎo)入PC-DMIS軟件中,根據(jù)任務(wù)要求,分別要對Φ20的圓孔直徑、平面2到平面5的二維距離5 mm、平面2到平面6的二維距離10 mm、平面2到平面7的二維距離20 mm、平面4到平面8的二維距離80 mm、平面3到平面9的二維距離60 mm六個尺寸進(jìn)行測量,通過操縱系統(tǒng)測針對上述特征進(jìn)行逐一手動打點(diǎn)測量,然后進(jìn)行特征評價。PC-DMIS軟件界面如圖7所示。

圖7 PC-DMIS軟件界面

控制測量機(jī)在被測特征上打點(diǎn),分別得到平面5、平面6、平面7、平面8、平面9和柱體1。在打點(diǎn)的過程中要注意避免測針撞擊工件,選擇的測量點(diǎn)也應(yīng)該能最大限度地反映被測量特點(diǎn)。當(dāng)所有需要評價的特征測量完畢后,進(jìn)行尺寸評價。

點(diǎn)擊位置評價,在彈出的特征位置窗口中選中柱體1,在直徑前打勾,并輸入理論尺寸20以及上、下公差±0.05,點(diǎn)擊創(chuàng)建,點(diǎn)擊關(guān)閉。選擇工作平面為Y-,點(diǎn)擊距離評價,選中平面2和平面5,輸入標(biāo)稱值5和上、下公差±0.05。距離類型選擇二維,關(guān)系選擇按Z軸方向選擇平行于,點(diǎn)擊創(chuàng)建。

同理,測量出平面2到平面6的距離、平面2到平面7的距離,選擇工作平面為Z軸,點(diǎn)擊距離評價。選中平面4和平面8,輸入標(biāo)稱值和上、下公差,距離類型選擇二維關(guān)系,關(guān)系選擇Y軸方向選擇平行于,點(diǎn)擊創(chuàng)建。同理可測量出平面3到平面9的距離。

2.6 輸出報告和分析結(jié)論

執(zhí)行完上一步操作,點(diǎn)擊視圖報告窗口,在報告窗口中可以查看完整的報告,如圖8所示。查看結(jié)果無誤后,點(diǎn)擊保存打印報告按鈕,將報告保存為指定PDF格式。

圖8 檢測報告

由以上測量報告分析可知,6個檢測項(xiàng)目誤差全部達(dá)到加工工藝要求,得出結(jié)論:該汽車油箱口蓋檢具檢測合格。

3 結(jié)束語

通過這次“任務(wù)導(dǎo)向”智能測量實(shí)訓(xùn),學(xué)生在三坐標(biāo)測量機(jī)操作和PC-DMIS軟件操作上的技能提升較為明顯。“任務(wù)導(dǎo)向法”的核心是任務(wù),任務(wù)是學(xué)生學(xué)習(xí)的目標(biāo)和動力,任務(wù)必須來自于企業(yè)的真實(shí)場景,而不是在學(xué)校能夠虛構(gòu)出來的。為了讓學(xué)生了解測量技術(shù)的發(fā)展和企業(yè)的實(shí)際需求,將校企協(xié)同育人的培養(yǎng)模式應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué),從而讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不斷提高自身能力[5]。

基于任務(wù)導(dǎo)向法的三坐標(biāo)測量實(shí)訓(xùn),由經(jīng)驗(yàn)豐富的教師根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)從企業(yè)真實(shí)場景中選取合適的測量任務(wù)。任務(wù)完成過程中,切實(shí)以學(xué)生為中心,以任務(wù)為導(dǎo)向。學(xué)生根據(jù)任務(wù)需求積極主動地探究學(xué)習(xí)相關(guān)知識技能,實(shí)現(xiàn)了以教材為主向以工作場景為主的轉(zhuǎn)變,以理論課堂為主向以實(shí)踐操作為主的轉(zhuǎn)變,以及以老師為主向以學(xué)生為主的轉(zhuǎn)變;讓學(xué)生真正實(shí)現(xiàn)了從上課“聽懂”到實(shí)操“做對”的教學(xué)目標(biāo)。通過這次實(shí)訓(xùn),進(jìn)一步驗(yàn)證了“任務(wù)導(dǎo)向法”在實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革中起到的關(guān)鍵作用。