三坐标测量技术小结

三坐标 三 坐 标 测 量 机 ， 它 是 指 在 一 个 六 面 体 的 空 间 范 围 内 ， 能 够 表 现 几 何 形 状 、 长 度 及 圆 周 分 度 等 测 量 能 力 的 仪 器 ， 又 称 为 三 坐 标 测 量 仪 或 三 坐 标 量 床 。 三 坐 标 测 量 机 的 工 作 原 理 : 任 何 形 状 都 是 由 空 间 点 组 成 的 ,所 有 的 几 何 量 测 量 都 可 以 归 结 为 空 间 点 的 测 量 ,因 此 精 确 进 行 空 间 点 坐 标 的 采 集 ,是 评 定 任 何 几 何 形 状 的 基 础 。 坐 标 测 量 机 的 基 本 原 理 是 将 被 测 零 件 放 入 它 允 许 的 测 量 空 间 ， 精 确 的 测 出 被 测 零 件 表 面 的 点 在 空 间 三 个 坐 标 位 置 的 数 值 ， 将 这 些 点 的 坐 标 数 值 经 过 计 算 机 数 据 处 理 ， 拟 合 形 成 测 量 元 素 ， 如 圆 、 球 、 圆 柱 、 圆 锥 、 曲 面 等 ， 经 过 数 学 计 算 的 方 法 得 出 其 形 状 、 位 置 公 差 及 其 他 几 何 量 数 据 。 在 测 量 技 术 上 ， 光 栅 尺 及 以 后 的 容 栅 、 磁 栅 、 激 光 干 涉 仪 的 出 现 ， 革 命 性 的 把 尺 寸 信 息 数 字 化 ， 不 但 可 以 进 行 数 字 显 示 ， 而 且 为 几 何 量 测 量 的 计 算 机 处 理 ， 进 而 用 于 控 制 打 下 基 础 。 三 坐 标 测 量 仪 可 定 义 为 “一 种 具 有 可 作 三 个 方 向 移 动 的 探 测 器 ， 可 在 三 个 相 互 垂 直 的 导 轨 上 移 动 ， 此 探 测 器 以 接 触 或 非 接 触 等 方 式 传 送 讯 号 ， 三 个 轴 的 位 移 测 量 系 统 ( 如 光 学 尺 ) 经 数 据 处 理 器 或 计 算 机 等 计 算 出 工 件 的 各 点 坐 标 (X、 Y、 Z)及 各 项 功 能 测 量 的 仪 器 ”。 三 坐 标 测 量 仪 的 测 量 功 能 应 包 括 尺 寸 精 度 、 定 位 精 度 、 几 何 精 度 及 轮 廓 精 度 等 。 应 用 领 域 ： 测 量 高 精 度 的 几 何 零 件 和 曲 面 ； 测 量 复 杂 形 状 的 机 械 零 部 件 ； 检 测 自 由 曲 面 ； 可 选 用 接 触 式 或 非 接 触 式 测 头 进 行 连 续 扫 描 。 功 能 ： 几 何 元 素 的 测 量 ， 包 括 点 、 线 、 面 、 圆 、 球 、 圆 柱 、 圆 锥 等 等 ； 曲 线 、 曲 面 扫 描 ， 支 持 点 位 扫 描 功 能 ， IGES 文 件 的 数 据 输 出 ， CAD 名 义 数 据 定 义 、 ASCII 文 本 数 据 输 入 、 名 义 曲 线 扫 描 、 符 合 公 差 定 义 的 轮 廓 分 析 。 形 位 公 差 的 计 算 ， 包 括 直 线 度 、 平 面 度 、 圆 度 、 圆 柱 度 、 垂 直 度 、 倾 斜 度 、 平 行 度 、 位 置 度 、 对 称 度 、 同 心 度 等 等 ； 支 持 传 统 的 数 据 输 出 报 告 、 图 形 化 检 测 报 告 、 图 形 数 据 附 注 、 数 据 标 签 输 出 等 多 种 输 出 方 式 。 设 备 特 点 ： 核 心 零 部 件 及 软 件 全 部 原 装 进 口 单 边 活 动 桥 式 结 构 ， 显 著 提 高 运 动 性 能 ， 确 保 测 量 精 度 及 稳 定 性 三 轴 导 轨 均 采 用 高 精 密 天 然 花 岗 岩 ， 具 有 相 同 的 温 度 特 性 及 刚 性 三 轴 导 轨 均 采 用 自 洁 式 预 载 荷 高 精 度 空 气 轴 承 ， 运 动 更 平 稳 ， 导 轨 永 不 受 磨 损 RENISHAW 自 粘 开 放 式 金 属 光 栅 尺 ， 更 接 近 花 岗 岩 基 体 的 热 膨 胀 系 数 ， 提 高 了 设 备 的 稳 定 性 RENISHAW UCC 高 速 高 精 度 自 动 控 制 系 统 ， 内 嵌 32 位 微 处 理 器 ， 真 正 实 现 实 时 控 制 ； 上 下 位 采 用 光 纤 通 讯 ， 增 强 了 电 气 抗 干 扰 能 力 SEREIN DMIS 软 件 特 点 软 件 运 行 在 WINDOWS 2000/XP 环 境 下 ， 全 中 文 界 面 ； 面 向 对 象 的 编 程 方 式 ， 支 持 图 形 镜 像 功 能 。 三 维 CAD 数 模 导 入 、 再 现 实 体 或 线 架 模 型 、 DMIS、 STEP 文 件 导 入 导 出 、 测 量 结 果 的 IGES 文 件 输 出 ， 支 持 逆 向 工 程 。 动 态 CMM 模 型 ， 支 持 测 量 机 和 测 头 的 模 拟 和 RENISHAW 测 头 图 形 库 。 测 头 管 理 功 能 ， 可 动 态 选 择 多 种 测 针 。 几 何 元 素 的 测 量 ， 包 括 点 、 线 、 面 、 圆 、 球 、 圆 柱 、 圆 锥 等 等 ； 曲 线 、 曲 面 扫 描 ， 支 持 点 位 扫 描 功 能 ， IGES 文 件 的 数 据 输 出 ， CAD 名 义 数 据 定 义 、 ASCII 文 本 数 据 输 入 、 名 义 曲 线 扫 描 、 符 合 公 差 定 义 的 轮 廓 分 析 。 形 位 公 差 的 计 算 ， 包 括 直 线 度 、 平 面 度 、 圆 度 、 圆 柱 度 、 垂 直 度 、 倾 斜 度 、 平 行 度 、 位 置 度 、 对 称 度 、 同 心 度 等 等 ； 支 持 传 统 的 数 据 输 出 报 告 、 图 形 化 检 测 报 告 、 图 形 数 据 附 注 、 数 据 标 签 输 出 等 多 种 输 出 方 式 ； 工 件 坐 标 系 管 理 ， 指 定 基 准 面 （ 轴 ） 即 可 生 成 工 件 坐 标 系 ， 并 可 实 现 坐 标 系 平 移 、 旋 转 及 迪 卡 尔 坐 标 和 极 坐 标 的 相 互 转 换 ， 支 持 3-2-1 找 正 。 误 差 补 偿 功 能 ， 进 一 步 提 高 机 器 测 量 精 度 。 基 础 技 术 参 数 ： 型 号 ： Leader Miracle NC8107 行 程 ： X 轴 800 mm Y 轴 1000 mm Z 轴 700 mm 结 构 型 式 ： 活 动 桥 式 传 动 方 式 ： 直 流 伺 服 系 统 + 预 载 荷 高 精 度 空 气 轴 承 长 度 测 量 系 统 ： RENISHAW 开 放 式 光 栅 尺 ， 分 辨 率 为 0.2m 机 台 ： 高 精 度 （ 00 级 ） 花 岗 岩 平 台 使 用 环 境 ： 温 度 (202) ， 湿 度 55%-65% ， 温 度 梯 度 1 /m， 温 度 变 化 1 /h 空 气 压 力 ： 0.4 MPa - 0.5 Mpa 空 气 流 量 ： 120 L/min 140 L/min 整 机 尺 寸 (LWH)： 1.2m X 1.4 m X 2.3 m 机 台 承 重 ： 1000 kg ， 整 机 重 量 ： 3000 Kg 空 间 测 量 精 度 ： （ 2.9+4L/1000） m 产 品 的 主 要 配 件 ： 校 正 球 、 校 正 块 、 光 栅 尺 尺 、 探 针 、 控 制 器 、 测 量 软 件 等 等 。 。 全 球 主 要 三 坐 标 厂 商 ： LK、 蔡 司 、 温 泽 、 海 克 斯 康 、 西 安 交 大 精 密 、 爱 德 华 、 法 如 、 波 龙 、 奥 智 品 、 Feanor、 SNK、 埃 帝 科 、 马 波 斯 、 法 信 、 西 安 力 德 、 雷 尼 威 尔 等 等 （ 顺 序 随 便 ， 无 任 何 排 名 ） 百度百科中的词条内容仅供参考，如果您需要解决具体问题 （尤其在法律、医学等领域），建议您咨询相关领域专业人士。 一、形位公差 形位公差是被测实际要素允许形状和位置变动的范围。 二、形位公差的特征项目及符号 直线度（）平面度（ ）圆度（） 形状公差 圆柱度（ ）线轮廓度（ ）轮廓度（ ） 形位公差 平行度（）定向公差 垂直度（） 倾斜度（）位置公差 同轴度（） 定位公差 对称度（ ）位置度（ ） 跳动公差 圆跳动（ ）全跳动（ ） 形状和位置公差与检测 零件几何要素和形位公差的特征项目 一、零件几何要素及其分类 形位公差的研究对象几何要素（简称要素） （一）要素：构成零件几何特征的点、线、面。见书图 3-1 （二）要素的分类 1、按存在的状态分 理想要素：具有几何学意义的要素，即几何的点、线、面，它们不存在任何误差。图样上 表示的要素均为理想要素。 实际要素：零件上实际存在的要素。标准规定：测量时用测得要素代替实际要素 2、按结构特征分 轮廓要素：构成零件外廓、直接为人们所感觉到的点、线、面各要素。如图 3-1 中 1、2、3、4、5、6 都是轮廓要素。 中心要素：具有对称关系的轮廓要素的对称中心点、线、面。如图 3-1 中 7、8 均为中心 要素。 3、按检测时的地位分 被测要素：图样上给出了形位公差要求的要素。是被检测的对象。 右图中，d2 的圆柱面和 d2 的台肩面都给出了形位公差，因此都属于被测要素。 基准要素：零件上用来确定被测要素的方向或 位置的要素，基准要素在图样上都标有基 准符号或基准代号，如右图中 d2 的中心线即为基准要素 A。 4、按功能关系分 单一要素：仅对被测要素本身给出形状公差的要素。如上图中 d2 的圆柱面是被测要素， 且给出了圆柱度公差要求，故为单一要素。 关联要素：与零件基准要素有功能要求的要素。（即相对于基准要素有功能要求而给出位 置公差的要素）。如上图中，d2 的台肩面相对于 d2 圆柱基准轴线有垂直的功能要求， 且都给出了位置公差，所以 d2 的圆柱台肩面就是被测关联要素。 三坐标怎样用来进行曲面检测？ CMM 曲面检测 1 传统测量方法 在没有采用 CAD 数模的情况下用三坐标测量机对曲面件检测，通常是，先在 CAD 软件里用相关命令在曲面数模上生成截面线和点的坐标， 以此作为理论值，控制测量机到对应的位置，进行检测，并比较坐标值的偏离。这种方法需要设计人员额外提供理论数据，同时测头测尖球 径的补偿不容易准确实现，对于单点测量来说，由于无法确定矢量方向，测头的补偿根本无法实现。因此，这种办法具有一定的局限性。 2 基于 3D 数模的测量 利用曲面数模对曲面进行检测是 CMM 测量技术发展的需要。 由于曲面建构技术比较复杂，在 CAD 应用范畴里也属于高端技术，一般由专业 的 CAD/CAM 系统完成。在测量软件内，则是通过导入设计数模而利用的问题。为了实现这一目的，就必须解决好四个方面的技术问题：数 模导入接口、对齐、测尖补偿、理论值捕获。 一、数模导入接口 利用数模进行检测，首先要做的工作，当然是保证数模正确导入到测量软件。事实上，由于技术、利益等众所周知的原因，全世界各大 CAD 制造商各自开发着不同的软件和格式，例如国内影响比较大的 UG、PROE、CATIA 等，均不能直接互读文件。 为了解决这一矛盾，国际上建立了一系列的数据交换标准，如国际标准数据交换 STEP(Standard for the Exchange of Product Model Data)， 美国的初始图形交换标准 IGES (Initial Graphics Exchange Specification)等。尽管 IGES 标准存在数据文件大、转换时间长、信息不够全等缺 点，但不可否认，它是目前应用最广泛的接口标准，绝大部分 CAD 软件均支持该标准，我国也将 IGES 作为推荐标准。 目前具备数模检测功能的测量机软件，均支持 IGES 格式。差异基本上主要体现在复杂数模输入后个别曲面的丢失、破损，还有就是导入速度 的快慢。对于一个 10M 的数模，有的可能用几十秒钟，有的可能要几分钟。目前市面上比较有名的 CMM 测量软件，均基本较好的解决了这 一问题。图 1 为中测量仪自主研发的 ZCRMDT 测量软件，导入数模到检测软件的情况，数模大小 46M 多。 针对目前主流 CAD 软件，一些测量机软件商也开发了各种直读接口，如 UG 文件直读、PROE 文件直读等，不需中间文件格式转换，避免了 转换带来的影响。不过，这种接口一般都需要另外购买。 二、对齐 对齐（Align）是三坐标测量机软件的一项重要内容，无论有无数模，都必须通过对齐，将机器坐标系与工件坐标系保持一致，测量值才具有 可比性。 对于箱体类零件，基本都采用 3-2-1 方式建坐标，利用面、线、点特征来确定坐标轴和原点，通过建立工件坐标系来将工件找正，这也是最基 本、最准确的对齐方法。应尽量选用加工好、范围大的特征来作为建坐标基准，以减小对齐产生的误差。通常，对于建立的坐标系，还需要 可以进行平移、旋转等操作，以产生新的对齐。 对于不规则形体，计算就要复杂得多。如果工件上有明确的特征点，如 3 个孔心，则通常测量出实际值，与理论值对应，进行 3 点找正。 我们经常会遇到工件上没有明确特征的情况，即我们无法准确的将测量值和理论值直接对应。对于该情况，测量软件常用的是迭代找正的方 法。对于单点触发采数的测量机，通常是软件在数模曲面上选取多点作为目标点，所选取的点应能在全部 6 个自由度上固定零件，以防零件 出现旋转和移动，然后将测量机移动到工件上尽量对应的位置采集实测点，软件将测量点在数模上目标点的附近区域进行迭代找正，直到找 正误差在指定的精度内。有的测量软件在迭代超差时，将指导你重新测量到更接近的点进行更准确的计算。 还有种情况是直接测量多个点，软件将该点群与理论数模进行最佳匹配计算，将点群与数模一步步对齐，直到点群与数模的偏差均方根最小。 该方法点数越多越准，但同时计算越复杂，对计算机要求较高，通常在扫描点云的对齐中，用得比较多。 尽管每种软件关于对齐都有不同的分类和特点，但基本主要采用以上方法。 三、测尖补偿 目前，三坐标测量机用得最多的是机械触发式测头，配以红宝石测针，必然会带来测尖补偿的问题。 对于平面、圆等标准特征，可以通过整体偏置的方式自动补偿测头，对于连续扫描的曲线，也可以用同样的方式自动处理。但对于曲面测量 时经常遇到的单点测量，如何解决测尖补偿问题呢？ 要单独对一点进行补偿，则必须知道补偿的方向矢量，也即是接触点处的法向矢量方向。为了找到该法线方向，比较准确的做法是，在测点 的周边测量个微平面，以该微平面的法向视为测点处曲面的法向，从而完成测尖补偿。 对于工件测点附本身曲率变化不大的地方，或者工件与数模本身偏差较小的情况下，如果要求不高，为了减少采点数，也可以不测量微平面， 软件直接以测点刺穿数模的方向矢量进行测尖补偿，即以数模上该处的法向矢量代替工件上实测处的法向矢量做为测尖补偿的方向。但是如 果工件与数模本身该处曲率偏差大，则测尖补偿将不准，导致测量数据不可靠。 对于非接触式测头，不存在测尖补偿问题。 四、理论值捕获 在解决了数模的导入和对齐后，理论值的捕获就比较简单。对于圆等标准特征，软件只需要能从 CAD 数模上选取识别该特征，即可直接从其 特性中提取理论值。对于自动测量来说，就可以直接根据数模特征进行编程，指导机器运行到特征的理论值位置附近进行测量。 对于曲面工件上的点，通常分为曲面点和边缘点，