（机械工程专业论文）三坐标测量机在烟机零件反求工程中的开发与运用.pdf

重庆人学硕十学位论文 摘要 摘要 零件原形的数字化丰要依赖于数字化设备，数字化设备主要可分为接触式和非接 触式两大类。非接触式是随着近年来光学和电子元件的广泛应用而发展起来的。非接 触测量一般具有较高的测量速度，不会划伤被测零件。由于其测量过程是利用光学方 法进行的，从而对被测物体的表面提出了一定的要求，表面反光或全黑的物体都1 i 适 合于光学方法进行测量，或者说当遇到这样的被测物体时需要更复杂的光学技术柬保 证测量的顺利进行。坐标测量机( c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ，c m m ) 是接触式数 字化设备的典型代表。和非接触测量方法相比，c m m 虽然在数字化速度上比较低， 但是它具有较高的测量精度。在要求的数字化精度范围内，选用吖i 同精度的数字化设 备将影响到重构c a d 模型时拟合曲面所采用的方法。 本文介绍了作者正在研制的自由曲面接触式测量系统，即二坐标测量机在烟机零 件反求 一程中的应用。分析了其软硬件的组成，并对在c a d 模型未知的情况下，测 量系统软件中的一些关键技术，如测点的白适应分布、测量路径的规划和测量数据的 处理方法等作了研究。并以凸轮轮廓曲线为例，编制了相应的曲线面轮廓扫描软件， 并使三坐标测量机的测量数据转换为c a d c a m 能接受的图形信息格式。本文还对 c i v i m 法的误差冈素进行了分析，并进行了实际测量和加工应用。为实现烟机零件的 国产化提供了有意义的方法和技术。 在测点的自适应分布设计中，作者参考等弦高的测景方法，提出了三点自适应分 布的方法，有效的解决了c a d 模型未知的测点的自适应分布。通过采用极半径跟踪法 和测头回转的方法，有效的解决了测量路经的优化设计。 在程序设汁部分，根据烟机零件的形状和特点，分别设计了相应的通用测量程序， 有效的解决了大量疑难零件的测量，为烟机零件的国产化丌发提供了可靠的数据支持， 并通过实际加工和精度分析，证明了本文提出的方法是可行的，有效的。 关键词：反求工程、i 坐标测量机、白适应分向、自由曲面 - e 庆人学硕小学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ef i g u r eo ft h ep a r t 、so r i g i n a ls h a p ed e p e n d0 i ld i g i t a le q u i n p e n tm o s t l y d i g i t a l e q t t i m e n ti sd i v i d e di n t ot w ob i gg , p e s ，c o n t a c 唧ea n du n c o n t a c tt y o p e t h ec o n t a c tt y p e d e c e l o pw i t ht h eo p t i c a la n de l e c t o n i ce l e m e n ta p p l i e dw i d e l y u n c o n t a c tm e a s u r e m e n ti s r a p i d 1 h em e a s u r e dp a r ti s n o ts c a r e d ，b u ti tr e q u i r e t h a tt h em e a s u r e dp a r t 、ss u r f a c ec a n g l i s t e n c m m i s t y p i c a ld e l e g a t e o fc o n t a c tm e a s u r e m e n tc o m p a r i n gt ou n c o n t a c t m e a s u r e m e n t ，c m mi ss l o w ，b u ti th a su p p e rm e a s u r e m e n tp r e c i s i o n i nr a n g eo fr e q u i r e d f i g u r ep r e c i s i o n ，i tw i l la f t a c tt h es e l e c t i v ew a y o f m o d d f i l ec u v e k t h ec o n t a c tf r e e f o n ns u r f a c em e a u r e m e n ts y s t e mt h ea u t h o r sa r ed e v e l o p i n g i s i n t r o d u c e d i n t h i sp a p e r , i t i s t h ea p p l i c a t i o n o f c m m i n t h e r e v e r s ee n g i n e e r i n go f p a r t t h e c o m p o n e n t so fi t s s o f ts a r ea n dh a r d w a r ea y ea n y e d u n d e rt h ec i r c u m s t a n c e so fc a d m o d e l i st m k n o w n , s o m e e i r t i c a l p r o b l e m sa r es t u d i e ds u c ha st h em e a s u r e m e n tp o i n t s a d a p t i v e l o c a l i z a t i o n m em e a s u r e m e n tp a t h ，l a y o u ta n dm e a s u r e m e n td a t ad i s o p o s a l e t c b a s e do i lm e a s u r i n gt h ec m 7 e ds u r f a c eo f t h ee a r n ，t h es c a n i n gs o f i w a r ch a v eb ed e s i g n e d i nm e a s u r i n gt h ec u r v e ds u r f a c ei nc m m t h ec m m sd a t ac a r lt r a n s f e rt oc a d c a m s y s t e m a td e s i g n i n go ft h em e a s u r e m e n tp o i n t sa d a p t i v el o c a l i z a t i o n , a u t h o ra d v a n c e dt h r e e p o i n t sa d a p t i v el o c a l i z a t i o n t ts o l v e dt h ep r o b l e mo ft h em e a s u r e m e n tp o i n t sa d a p t i v e l o c a l i z a t i o nu n d e rt h ec i r c u m s t a n c e so fc a dm o d e l i su n k n o w l ta l s os o l c e dt h ep r o b l e mo f t h em e a s u r e m e n tp a t hw i t hr a d i u sr a c ka n dt i pr o t a t i v i n gr a c k i nt h ep a r to fp r o g r a md e s i g n ，a u t h o rd e s i g n e dc o r r e s p o n d i n gm e a s u r e m e n tp r o g r a m s b a s e do nt h ep a r t 、ss h a p ea n dp e c t f l i a r i t ya n ds o l v e dl h ep r o b l e mo f m e a s u r i n gc o m p l i c a t e d p a r t s i ti sp r o v e dt h a tt h ew a y si nt h i sa t t i c si sv i a l ea n d e f f e c t i v e k e yw o r d s ：r e v e r s ee n g i n e e r i n g ；c m m ；a d a p t i c el o c a l i z a t i o n ；f r e e f o r ms , l t f a c e 重庆人。学硕十学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 绪言 反求工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) ，也叫逆向工程，是消化吸收并改进国i 4 9 b 先进 技术的一系列工作方法和技术总和。即通过购买国外的机器设备，然后它进行测绘。 根据测绘结果进行仿制，并加以改进、制造出更好的产品来。 反求1 程是一个将反求思维应用于 程实践的创新过程，是针对消化、吸收先进技术 的一系列分析方法和应用技术的组合。 在2 0 世纪中后期。世界各国基于引进技术的反求工程的应用已非常广泛，在经济 技术发展中，总结了许多应用反求工程进行技术创新的经验，其中以开本的技术引进 t j 创新最为突出。在二战结束后，日本在经济上落后欧荚国家二三十年。为恢复和振 兴经济，h 本在6 0 年代初提出科技立国方针：“代引进，二代困产化，三代改进出 口，四代占领囝际市场”。于是门本在消化、吸收弓i 进技术的基础上，采用移植、组合、 改造等方法丌发出许多创新产品，并出口创汇，其中在汽车、电子、光学设备和家电 等行业上最突出。美国人发明的品体管技术原来仪用于军事领域。但日本s o n y 公司 买 q 晶体管专利技术后，进行反求研究，移植于民用领域，开发出品体管半导体收音 机，占领国际市场。日本东洋1 一业公司1 9 6 1 年从西德引进了一种旋转活塞发动机，经 过运转实验后，发现活塞表面产生振纹失效，于是由此研究发胡出理想的润滑耐磨材 料、密封材料及非破坏枪验法( n d i ) ，克服了振纹。此后，同本的旋转活塞发动机质 量超过西德，并畅销全球。日本战后的“吸收性战略”获得了巨大的成功。1 9 4 5 1 9 7 0 年闩本用6 0 亿美元引进先进技术，并投资1 5 0 亿荚7 i 进行消化吸收，取得约2 6 0 0 0 项技术成果。成功的技术引进使f l 本节省了约9 1 0 的研究费用和于约2 3 的研究时间。 反求工程的大量采用为同本的经济振兴、进而创造和开发各种新产品奠定了良好基础。 【i i 2 0 世纪9 0 年代以后，数字化浪潮推动社会飞速发展，世界范围内的竞争将 1 趋 激烈，尤其是工业领域的竞争更加白热化，企业必须充分i 及收和利用现代高新技术成 果以增强它们的竞争能力。同时，现代市场对产品没计的要求也发 t - ：t 根本的变化， 多晶利，小批量替代了少品种大批量的传统生产模式，这就导致了要求降低产品、缩 短设计和生产周期、提高产品质量。这些需求导致了产品反求设计( r e v e r s ed e s i g n ) 方法的广泛应用，使得反求设计方法出现了一些新的特征。 在现代产品更新极快的时代，许多新产品都从已有的产品脱胎而来，这些新产品 与老产品之间差别不是太大，对其的设计往往只需将已有的产品设计方案作局部的改 动。因此，在进行产品设计时，应用这种设计方法与完全从草图开始设计的方法相比， 重庆人学硕十学位论文 1 绪论 设计周期会大大缩短，风险也会人大降低，设计费用也会大大减少。基于此，反求设 计方法在新阶段的基本设计思想是：分析已有的产品或设计方案，明确产品的各个组 成部分并作适当的分解，明确产品不同部件之间的内在的联系，包括功能联系，组装 联系等；然后在更高的，更加抽象的设计层次上获取产品模型的表示方法；最后从功 能、原理、布局等不同的需求角度对产品模型进行修改和再没计。 总而言之，反求设计是种以先进的产品或技术作为对象，进行深入的分析研究， 探索掌握其关键技术，在消化、吸收的基础上，开发同类创新产品的设计。反求设计 方法在与传统设计方法相结合的同时，还与计算机辅助测量技术、c a d 技术等紧密地 联系在一起。 在机械领域中，反求工程是在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有c a d 模型的情况下，按照现有零件的模型( 称为零件原形) ，利用各种数字化技术及c a d 技 术重新构造原形c a d 模型的过程。主要包含零件原形的数字化和c a d 模型的建立两 方面关键技术。 零件原形的数字化主要依赖于数字化设备，数字化设备主要可分为接触式和非接 触式两火类。非接触式是随着近年来光学和电子元件的广泛应用而发展起来的。非接 触测量一般具有较高的测量速度，不会划伤被测零件。由于其测量过程是利用光学方 法进行的，从而对被测物体的表面提出了一定的要求，表面反光或全黑的物体都不适 合于光学方法进行测量，或者说当遇到这样的被测物体时需要更复杂的光学技术来保 证测量的顺利进行。坐标测量机( c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ，c m m ) 是接触式数 字化设备的典型代表。和非接触测量方法相比，c m m 虽然在数字化速度上比较低， 但是它具有较高的测量精度。在要求的数字化精度范围内，选用不同精度的数字化设 备将影响到重构c a d 模型时拟合曲面所采用的方法。口j 1 2 坐标测量机应用技术发展概况 坐标测量机( c o o r d i n a t em e a s m i n gm a c h i n e ，c m m ) 是一种大型精密的坐标标测 量仪器，可以对具有复杂形状的工件的空间尺寸进行测量。c m m 一般采用触发式接 触测量头，一次采样只能获取一个点的三维坐标值。 世界上国外发达的工业国家从6 0 年代设计、制造和使用了第一台三坐标测量机以 来，至今已有4 0 余年的历史。在9 0 年代以前，三坐标测量机主要用于航空航天和汽 车等高技术产业，进入9 0 年代后，国外发达工业国家将三坐标测量机大量用j ：机械制 造业，从传统的用于计量室转移到生产第一线。三坐标测量机为国外发达国家的工业 一直处于世界领先地位，发挥了巨大的作用。在我国，三坐标测量机不管从设计、制 造和使用方面与国外发达国家相比存在着很大的差距。在9 0 年代以后，随着我国汽车 t 业大量引进国外汽车制造技术，三坐标测量机在我国汽车工业中也得到了迅速地引 进和使用，三坐标测量机为我幽合资汽车的高速发展起着巨大的作用。而我幽除合资 重庆人学硕+ 学位论文 绪论 汽车工业外的机械制造企业( 本文指的机械制造企业不包括合资汽车工业，以下兼州) ， 包括生产工作母机的机床行业，对三坐标测量机的应用很少，即使偶尔有台小型三 坐标测量机，也常常是用于计量室内，使用率很低，甚至作为摆设，这是我国机械制 造企业落后的一个重要标志。我国机械制造业要发展，要与世界机械制造工业接轨， 刘二坐标测量机的认识应该提到一个重要的议事r 程上了，即应该清醒的认识到三坐 标测量机给机械制造企业会不会带来经济效益，会带来怎样一个经济效益。我们通过 对国内部分机械制造企业的抽样调研后，对三坐标测量机是否给机械制造企业带来经 济效益进三坐 ! , j i n 量机自1 9 5 9 年问世以来，经过近三十年的发展，已广泛地虑片j 于三 维复杂零件的尺、j 、形状和相互位置的高准确度测量，以及实物模型数字化和在线质 量控制等领域。目前，世界上生产坐标测量机的厂商已超过5 0 家，品种规格己达3 0 0 种以上，全世界捌有2 万台以上，我国也拥有4 0 0 台以上。坐标测量机的万能性强， 自动化程度高，成为现代化工业生产、科学研究必不可少的精密测量仪器。 进入8 0 年代，随着柔性制造系统( f m s ) 年l i , j + 算机集成制造系统( c i m s ) 的发展，坐 标测量机被集成入f m s 和c i m s 系统中，成为现代先进制造叶1 质量保证和测量信息反 馈的重要组成部分，从而扩大了坐标测量机的应用范围。随后，国内外一些大专院校 和科研单位围绕c a d 、c a m 和c m m 集成问题进行了大量工作，并取得了一系列成 果。【7 】 在国外，c a t 与c a d c a m 的集成应用己很广泛。在国内也有了很大的进步。但 仍然有很多问题有待解决。作为c a t 的主要设备一三坐标测量机的应用在幽内普遍还 是单机使用，即还停留在作为检验产品合格与否，不能充分发挥其功能，很多测量程 序也只能完成对已知数学模型理论轮廓工件的测量，如凸轮测量。针对一些变化不规 则的非标准零件就很难得出准确的测量结果，象t f s c a n 等扫描软件，即便能完成对 未知数学模型的零件扫描，但测出来的结果往往信息表达不完整，且常常难以满足表 面光顺的要求。尤其针对烟机零件复杂、形状隆异、种类繁多的特性，测量非常困难。 到目自u 我们还没有可以很好完成关键烟机零件的测量程序、测量方法，因此必须自己 丌发。 1 3 本文的学术和实用意义 反求工程是近年来发展起来的消化，吸收和提高先进技术的一系列分析方法和应 用技术的组合，其主要目的是为了改善技术水平，提高生产率，增强经济竞争力。世 界各国在经济技术发展巾，应用逆向t 程消化吸收先进技术经验，给人们有益的启示。 挠：统计，各国百分之七十以上的技术源于国外，逆向工程作为掌握技术的一种手段， 可使产品研制周期缩短百分之四十以 ：，极大提高了生产率。因此研究逆向工程技术， 对我国国民经济的发展和科学技术水平的提高，具有重大的意义。 基于坐标测量机的产品数控测量不仅用于自由曲面产品、尤其是复杂曲面产品的 重庆人学硕十学位论文 1 绪论 质量检查、数学建模、数控加工反馈控制，而且也成为现代工业部门进行产品设计与 枪验的重要手段。同时，作为反求工程的一个关键技术，即零件原形的数字化，随着 计算机集成制造技术的快速发展也对数控测量提出了集成化和智能化的要求。进行这 方面的研究有着重要的现实意义和。泛的运用前景。 反求工程，作为掌握技术的一种于段，可使产品研制周期缩短百分之四十以上， 极大提高了生产率。因此研究反求工程技术，对我国国民经济的发展和科学技术水平 的提高，具有重大的意义。目前，这一技术已被广泛应用于家电、汽车、玩具、轻工、 建筑、医疗、航空、航天和兵器工业的发展，具有巨大的社会效益和经济效益。 我们集团由于设备几乎都是进r 生产线，每年花在烟机配件进r 的资金就数以亿 计。如果能够实现烟机零件的国产化，将给我们集团节约大量的外汇，创造巨大的经 济效益。利用反求技术，将是我们实现零件国产化最有效的途径。由于我们拥有德国 先进的加工中心，当今比较先进的建模软件i d e a s 、以及素质较高的工程技术人员和 意大利d e a 公司生产的测量机。因此，我们已经尝试了这方面的工作并取得了一定的 成果。但由于测量的问题，一些比较关键的烟机零件还无法生产。因此，本课题的研 究足有极大的实用意义的。 1 4 本文研究的主要内容。 1 ) 测点的自适应分布设计。 2 ) 测量路径的优化设计。 3 ) 测头回转跟踪式设计。 4 ) 根据烟机零件的类型，利用成组技术原理编制相应的通用的测量程序。 5 ) 进行数据处理，误差分析，解决好测量机与卜d e a s 工作站、加1 中心的数据 交换及接口技术 重庆人学硕十学 ：1 ) = 论文 2 二坐标测姑机的傻什及软r f ：系统 2 三坐标测量机的硬件及软件系统 2 1 三坐标测量机的概述 2 1 j 三坐标测量机的产生及发展 三坐标测量机、又称c m m ，是在二十世纪三、四十年代出现的集光、电、机械、 计算机、自动控制等多种高科技技术为一体的高精度、高效率的计量设备，能够利用 三轴的相互移动，准确地测量出零件的点、线、面几何元素的相互关系和空间位置尺 寸。用作零件和部件的几何尺寸相互位置的测量，如箱体、模具、精密部件、涡轮和 泵的叶片、凸轮、汽车、飞机等空间曲面的测量。由于它具有高精度、高效率、测量 范围人的优点，已成为航空、航天、机械、汽车制造等各项领域不可缺少的计量设备。 随着反求技术、快速原形法等新技术的出现及应用，三坐标测量机已发展成为设计、 制造、检验一体化的重要单元。 2 1 2 测量原理 将被测物体放入三坐标测量机的测量空间，由坐标测量机的三个运动轴x 、y 、 z 在此测量空问建立起一个直角坐标系，测量头的一切运动都在这个坐标系中进行。 测量头由测球中心点来表示，它是一个几何点。测量机的长度测量系统可以随时给出 测球中心点在坐标系中的精确位嚣。当测球与被测工件接触并沿着被测工件的几何型 面移动时，就可获得被测几何型面上各测点的几何坐标值，根据这些点的空间坐标值， 由计算机计算出待测点的几何尺寸和相互位置尺寸。 x y 幽2 - 1 两孔中一t ：, i e 离测量示意幽m e a s u r e m e n t f i g2 - 1 s k e t c hm a po f t w oh o l e sc e n t e rd i s t a n c e 如图2 1 所示，测量一工件上两孔中心的距离，坐标测量机分别在两孔中测三 重庆人学硕十学位论文 2 三坐标测姑机的埂r f = 及软1 ；j j = 系统 点，得p 1 、p 2 、p 3 和p 4 、p 5 、p 6 的坐标值，以三点求心法计算出中心点0 1 的坐标 x 、y 。 兰：! 兰! 二兰! ! 兰i ! 兰! 二兰! ! 二兰i ! 兰! 二兰! ! 羔i ! 兰i 二兰! ! 兰i ! 三! 二兰! ! 二兰i ! 兰二兰! 1 2 r x ：一y ，) ( z 。一x 2 ) + ( y ：一y 1 ) ( x 一x 3 ) 】 f 2 1 1 x l 、y l 、x 2 、y 2 、x 3 、b 分别为p l 、p 2 、p 3 各点的坐标。同理将) ( 4 、y 4 、x 5 、 y 5 、x 6 、y 6 4 e k 式( 2 1 ) ，可得0 2 的坐标值。根据o i 、0 2 l 点的坐标值可计算出两孔 的中心距l ，如果给出中心距的理论长度k ，可计算出中心距偏差a l = l l o 。若近 一步给出中心距的允许偏差6l ，还可由计算机比较l 和6l ，判断测量值l 是甭超 差。若已知测球的半径为r ，就可计算出各孔的半径值。 r l = 瓜i 了i 歹鬲) 2 + ， = 瓜石而) 2 + r = 厄万i 了赢) 2 + ，( 2 - 2 ) 同理，可求出半径值r 2 。 总之，不管任何复杂的几何表面和几何形状，只要测量机的测头能够瞄准到的地 方，就可通过牮标测量机的测量系统得到各点的坐标值，经计算机算出它们的几何尺 寸和相互位置关系，并完成相应的数据处理。 2 1 3 三坐标测量机的结构形式 坐标测量机的总体布局依各轴的放置方式刁；同，可分为悬臂式、桥框式、龙门式、 坐标镗式等结构形式。 悬臂式的特点足小巧紧凑，工作面丌阔，装卸工件方便，对测量有利。缺点是悬 臂结构易产生变形，且悬臂的变形随z 轴或y 轴的位置面变化，因此设计中考虑悬臂 变形及补偿变形的结构是很重要的。悬臂式又可分为z 轴移动式和y 轴移动式，z 轴 移动式的特点是y 轴悬臂固定，而z 轴框架在y 轴上移动。n 本东京精密 e d c m 8 0 0 3 b 型测量机，即属此型。y 轴移动式的特点是z 轴固定在y 轴悬臂，y 轴带动z 轴作整体移动，这种型式便于工件装卸与测量，是操作性能最好的一种。缺 点是y 轴由于运动带来的挠度变形极为繁杂，难于实现高精度测量。1 9 】 桥框式测量机的特点是y 轴滑鞍由原来的一主梁改为一框状，因此，y 轴刚性增 立训立弧 业 抄一 k ，l 重庆人学硕十。? 1 市沦文 2 二坐标测量机的慢什及软4 1 。系统 强，变形的影i j 向可大大减小，x 、y 、z 的行程都可增人，故适用于大型测量机。 龙门式义- z j 分为龙门架固定式和龙门架移动式，龙fj 架固定式的特点是龙门架刚 度大，结构稳定性好，缺点是不宜测量重型：【件，否则工作台移动时喷性太大。此外 由于门框固定，限制了工作面，工件装卸和测量受到限制。德国莱兹公司生产的p m m 与w p m 系列机，都采用这种结构形式。龙门架移动式结构的特点是龙门架可以移丌， 大工件也能方便地用起重机从卜面放在工作台上，操作性能好。我们所采用的意大利 d e a 公r d 生产的s c i r r c o 测量机就属于这种结构，如图2 2 所示。 坐标镗式，其结构形式与坐标镗床基本相同。由于结构刚性较大，故测量精度高， 可达儿个微米。缺点是山于z 轴与x 、y 轴的运动分”设计，测头只能在z 轴方向移 动，操作性能不如j 口几种。 目前各国通用的三坐标测量机，不论是哪种结构形式，由于阿贝原则不可能在三 个坐标轴l 同时得到满足，当导轨存在形状误差时，将直接影响测量精度，因此导轨 精度要求较高，如直线度误差般为2 ”_ 4 ”。 幽2 - 2s c i r r c o 测艟机 f i 9 2 2 s c i r r c oc m m 2 1 4 三坐标测量机的组成 二i 坐标测量机匙种以精密机械为基础，综合应川电子技术、。计算机技术、光栅 或激光等先进技术的测量改备。就测量机的4 - 体来晓，它的组成部分有：底座、测量 二j ：作台、x 向及y 向支承导轨，z 轴部分，x 、y 和z 向测量系统，测量头及操作系 统。 1 ) 导轨及支承 重庆人学硕l 学位论文2 三坐标测量机的硬件及软忭系统 一般三坐标测量机都用直流伺服马达通过丝杆螺母、齿轮齿条或磨擦轮传动。采 用的导轨除传统的滚动导轨外，近年来，“泛采用了气浮导轨的结构。在大重型测量机 中，气浮导轨是常见的一种导轨形式。我们所采用的测量机就是采用气浮导轨的结构 形式，图2 3 为其结构示意图，共有6 个气挚1 ( 水平4 个起支承作用，侧面两个起 导向作用) 。使整个龙门架浮起，导轨面是经磨削加工的，滚轮4 靠弹簧3 的作用与导 向块接触，弹簧力保证气挚在工作状态下与床身导轨面之白j 的间隙在l o a m 左右，形 成高压空气层，借此浮起移动件，并能得到轻快、平稳的运动。多孔气挚安装在移动 件的不同部位，起支承或导向作用，以保证移动件的精确运动。气垫导轨的进气压力 为3 0 4 6 0 8 k p a ，应用过滤和稳压装置。 匿 h2 3 三删机结构不慈图 f i g2 - 3t h ec m m s t r u c t u r es k e t c hm a p 1 ) 导轨及支承 一般三坐标测量机都用直流倒服马达通过丝杆螺母、齿轮齿条或磨擦轮传动。采 用的导轨除传统的滚动导轨外，近年来广泛采用了气浮导轨的结构。在大重型测量机 中，气浮导轨是常见的一种导轨形式。我们所采用的测量机就是采用气浮导轨的结构 形式，图2 3 为其结构示意图，共有6 个气挚l ( t g 平4 个起支承作用，侧面两个起 导向作用) 。使整个龙门架浮起，导轨面是经磨削加工的，滚轮4 靠弹簧3 的作用与导 向块接触，弹簧力保证气挚在工作状态卜与床身导! 轨面之问的问隙在l o a m 左右，形 成高压空气层，借此浮起移动件，并能得到轻快、平稳的运动。多孔气批安装在移动 件的不同部位，起支承或导向作用，以保证移动件的精确运动。气挚导轨的进气压力 为3 0 4 6 0 8 k p a ，应用过滤和稳压装置。 2 ) 测量系统 重庆人学硕+ 学位论文 2 三坐标洲量机的硬竹及软件系统 为了在x 、y 、z 坐标轴方向上能够随时给出坐标位置，各类型的坐标测量机 ： 都有一个长度精密测量系统。如我航空精密机械研究所的s z c 一1 型测量机，其测量系 统是采用感应同步器，美国莫尔公司的n o 3 和n o 5 型测量机，测量系统采用精密丝 杆或激光干涉仪，德国莱兹的u p m 3 d 型，奥普顿的u m m 、意大利d e a 公司的 s c i r r c o 型，h 本三井精机的m 6 b 型测量机都利用精密光栅尺作测量系统。瑞：f ：西 普的4 2 2 m 型测量机是采用金属刻线尺和圆光栅。同本制作的a 2 1 、a 3 1 型测量机， 其测量系统是采用光学编码器等。 3 ) 测量头 i 坐标测量机的工作效率、精度与测量头密切相关，没有先进的测量头，就无法 发挥测量机的功能。因此坐标测量机的发展促进了新型测头的研制，新型测头的出现 又使测量机应用范围更加广泛。 测量机测量头的种类很多，按测量方法分，测头可分为接触式和非接触两类。在 接触式测头中又分机械式测头和r n 子式测头。 a 、机械接触式测头 机械接触式测头又称硬测头，大多作为接触元件使用，这种测头没有传感系统、 无量程、不发讯，只是一个纯机械式接触头，主要用于手动测量。由于人手直接操作， 测量力不易控制，且测量力过大会引起测头和被测件变形，测量力过小又不能保证测 头与被测件t , j 靠地接触，测量力的变化也会降低瞄准精度，因此，只适用于作一般精 度的测量，且目前已很少使用。 b 、电气接触式测头又称软测头。测头测端与被测件接触后可作偏移，传感器输 出模拟位移量的信号。这种测头不但用于瞄准( 即过零发讯) ，还可用于测微( 即测出 给定坐标值的偏差值) 。因此，按其功能分，电气测头可分为：作瞄准用的丌关测头和 具有测微的功能的三f 订测头。我们所使用的是丌关测头。 2 2软件系统 计算机是整个曼坐标测量系统的指挥中心。利用各种软件可以把测量的预定程序 输入计算机，汁算机根据所附的程序控制测量机对零件进行自动测量、数据处理，并 打印出测量结果。 本三坐标测量系统采用的是t u t o rf o r w q n d o w s 测量系统，它是意人利 d e a 公司一九九一年推出的坐标测量机软件系统。因此该系统由t u f o r 测量软件、 计算机、d e a 测量机组成。 t u t o r 软件包必须安装在w i n d o w s 环境下，它包括所有基本功能：零件程序 执行、直接测量和自学习模式。零件程序是自动模式卜产生个零件尺寸检测报告的 程序，包括测头校验程序，坐标系转换程序，普通测量程序，斜齿轮测量程序，螺蚊 测量程序等。t u t o r 软件还包括一些辅助程序，即编辑器程序、基本设置程序、输 重庆人学硕十学值论文 2 二坐标测量杌的硬件及软仆系统 m 设置程序、s r c 转换程序。 t u t o rf o rw i n d o w s 具有一个灵活的结构，所有给定的活动阶段总是可 行的，并且任何时俣用户可以直接切换到另一个进程。其所有功能包括在两个软件环 境中。 2 2 1s o l 环境 s o i 环境是个可执行操作或过程的按钮菜单屏幕，共有1 1 个按钮，可以完成四 类任务： 1 ) 不需测量机的辅助操作 2 ) 测量系统启动 3 ) 机动模式的尺寸测量程序执行 4 ) 与t u t o r 一起提供的应用软件的启动。包括p r o f 软件、c a m s 软件、b l a d e 软仆，t f s c a n 软件、t f s c 3 d 软件。 2 2 2 测量环境 测量环境是个称为测量活动页的屏幕，山一个可供选择执行功能的按钮菜单( 即 测量、构造、关系等) 和一个许多图像的窗口组成，每一个图象代表一个操作或一个 过程，在此环境下，可完成以下工作： 1 ) 预处理活动：工具管理、零件参考管理。 2 ) 基本活动：几何元素的测量和构造、元素削的关系，几何误差检测。 3 ) 结果活动：输出和内存管理、程序编辑、机器参数修改。 2 3 编程语言 t u t o r 测量程序是由d e a p p l 语言写成的，是d e ap a r tp r o g r a m l a n g u a g e 的缩写，是意大利d e a 公司设计的钳对测量机的编程语言，该语言有它 自己的词法和浯法。 2 3 1 零件程序的组成 零件程序由指令、数据、变量所组成。 1 ) 指令： d e a p p l 共有1 1 组执行指令，每一条指令都必须严格按照语言格式书写，分别 是： a 测头管理：c a l b q u a l l 等： b 零件管理：s k e w ip r e s e 等； c 元素测量：m c i rm s h 等； d 元素构造：i c i ri p l 等： e 元素问的关系：i n 、e rd i s i 一3 d 等； f = 几何公差：p a r a ip e r p e n 等 重庆人学硕十学位论文2 三坐标测量机的硬仆及软件系统 g ，输出控制：d yc o m p a r e 等； h 存贮器管理：d e f i n e e l e m e n t 等： i 赋值指令：g e t d i ri n t o p u n c 等； j 运动控制：n c m o v e a p p e o a c h 等； k 轮廓和表面扫描控制：t f s c a n 。 2 ) 数据 一个程序处理的元素称为数据，它可以分为以下几种： 一数值( n u m e r i c ) ，整数和小数。 字符值( a l p h a n u m e r i c ) ，字符和字( 如“a l p h a ”) 一逻辑值( l o g i c ) ，有二个值它可以是“真”或“假”， 数据可分为二类； 常数：它的值在程序执行过程中不发生变化。 变量：它的值在程序执行过程中可以变化。 3 ) 变量 一个变量就是一个名字( 标识符) ，它与一个存贮单元相关。在这个存贮单元早 包含着这个变量的值。 变量的名字是一个字符串，最长六个字符，超过的将被忽略，第一字符必须是字 母，彳i 允许有空格和特殊字符( 但下划线除外) 。 变量又可分为简单变量、复合变量、数组。 a 简单变量 简单变量只有一个数，包括算术型和逻辑型变量。算术型又分为整型和实型两种。 整型变量的值在一3 2 7 6 7 - - 3 2 7 6 7 之间，不允许有小数点。实型变量由整数部分、小数 点、小数部分组成，整数部分、小数部分最多只能有5 个数字。逻辑变量只有二个值： b 复合变量 复合变量指三个位置坐标变量c 0 0 r d 型、矢量的三个分量v e c t o r 型 和一个元素的1 5 个特征尺j r 变量e l e m e n t 型。 c 0 0 r d 型，一个c o o r d 型变量包括三个实型值，分别对应坐标( x 、y 、z ) ， 该坐标值是在一个给定坐标系下的。 莲庆人学硕十学侮论文 2 三坐标测量机的硬件及软件系统 v e c q o r 型，一个v e c t o r 型变量包括三个实型值，它是在当前参考坐标系内 对应于个矢量的i 个方向余弦f c x 、c y 、c z ) 。 v - 一匝 v ix 田v i y 一田v - lz 一田 e l e m e n t 型，一个e l e m e n t 型变量包括1 5 个实型值，它分别对应一个测量计算或 定义元素可能的特征尺寸( x 、y 、z 、p r 、p a 、c x 、c y 、c z 、d m 、d m 2 、d s 、a 、 f 、s d e v 、t p ) 根据不同的元素，仅有部分值是有意义的。 e l fd m + 2 2e lf p r ，2 1e l | p a 斗9 0e lit p + 0 c ，数组变量 数组变量是n 个同类变量的集合( 简单变量或复合变量) ，r l 为数组大小，即维数。 i i n t e g e a r r a y ：整型变量的集合 i r e a l a r r a y ：实型变量的集合 i b o o l e a n a r r a y ：逻辑变量的集合 i c o o r d a r r a y ：坐标变量的集合 i v e c t o r a r r a y ：矢量型变量的集合 i e l e m e n t a r r a y ：元素型变量的集合 每一个变量( 分量) 通过一个数型的下标来标识( 从1 到n ) ，一个下标对应一维 数组，_ 个下标对应二维数组，1 1 个下标对应n 维数组( 最火5 0 ) 2 3 2 零件程序的结构 顺序零件程序由打丌部分、说明部分、执行部分、关闭部分四部分组成。 1 ) 打丌部分 打丌部分通过p r o g a m 关键字丌始，后姒程序名。程序名最多包含8 字母与数 字混台的字符，第一个字符必需是字母，不能包含特殊字符( 如标点、f 负号、符号 等) 不能与关键字、h 录名或硬盘卷标重名。 紧随程序名之后，是两个元素类型的变量名，这两个变量名必须是以逗号分隔后 放入方括号内。最新的两个测量结果将存放在这些变量中。如( w m l ，w m 2 ，在自学 重庆人学硕 ：学位论文 2 三坐标测姑机的硬件及软纠：系统 爿中，系统赋w m i 和w m 2 作为工作寄存器，由语言编辑生成的程序，用户可以输 入不同的名称，例： p r o g r a md e m o ( w m i ，w m 2 ) e l e m e n t - a r r a ym e m o r y 1 0 0 ) m e t r i c m o d e 2 ) 说明部分 说明部分用来说明所有在程序里将要使用的变量。d e a p p l 语言不使用能被用户 访问的系统变量，因此，需要说明在程序中被使用到的所有变量的类型，以便系统分 配相应的存贮单元。 随明部分包括类型关键字，后跟要说明的变量，变量多于一个时( 最多为1 0 个) ， 必须以逗号分隔。 i n t e g e ri v a r l ，i v a r 2 ，i v a r 3 r e a l “a r i ，r v a r 2 ，r v a r 3 b o o l w a n b v a r l ，b v a r 2 ，b v a r 3 c o o r d ( ：v a r l ，c v a l l 2 ，o v a l - 3 v e c t o r w a r i ，w a r 2 ，w a r 3 在自学扎系统自动说明e l e m e n ta r r a ym e m o r y 1 0 0 ) 变量用于存贮测量量 和计算结果。通过键盘输入的程序，用户必须说明e l e m e n t a r r a y 变量作为第一条指 令，变量的名称可以不同，大小也可以不同，最大可以大到3 0 0 。 p r o g r a mp a r t t( w m l ，w m 2 ) e l e m e n t _ a r r a y m e m o ( 3 0 0 ) 简r 社变量和复合变量在说明时由系统自动初始化，变量初始化赋值为0 ，( b o o i e a n 型变量赋值f a l s e ) 。 3 ) 执行部分 执行部分，是整个测量程序的核也都分。紧跟在说明部分之后，中间没有任何字 或符号分隔，它是系列程序指令的组合，每一条指令都必须严格按照语言格式书写。 4 ) 关刚部分 以关键字e n d s t a t 和e n d p r o g r a m 结束。在e n d s t a t 和e n d p r o g r a m 两个关键字之问，可以插入子程序。 e n d s t a t 子程序 n d 卞r o g r a m 5 ) 程序举例 厦庆人学硕+ 学位论文 2 二坐标溯鼙机的顺什及软仆系统 如图2 3 示，假设测量四个沉j l ( 直径为8 1 i z r n ) 的典型值。这四个j l 均分在半径 为2 h n m 的圆周上。为方便起见，假设该例圆心即为参考的坐标原点，则编程如下： p r o g r m np a t - t e ( w m i ，w m 2 ) e l e m e m a r r a ym e m o r r ( 1 0 0 ) 打开部分 r e a lr p a t = 21 说明部分 t e a c ht 心r v e c t o rv p a l t n c m o v e f o r i = l t 0 4 b y l v p a t 2 r p a t + r p a t + c o s ( 9 0 4 ( 【一1 ) ) ，r p a t + s i n ( 9 0 + ( i 一1 ) ) ，o m c i r ( 4 ) m o r e ( t p a t , v p a t ) e n df o r e n d s t a t 关闭部分 e n d - p r o g r a m 一 y 。 ，多。 j 。手 rx y 幽2 - 3 孔系分布幽 f 9 2 - 3d i s t r i b u t i n gm a po f h o l e 2 4 小结 本章主要介绍了三坐标测量机的硬件组成及测量原理，以及软件系统和编程的 基础知识。并通过实例介绍了测量程序的结构及组成部分，以及如何编制一个完整 的测量程序。 重庆人学硕十! 学位论文 3 测量中的关键问题研究 3 测量中的关键问题研究 烟机零件复杂多变，形状怪异，种类繁多，测量非常困难。虽然我们已经开发了 一些测量程序，但由于采点的方式不完善，一些测量路径、方法不合理，从而造成效 率低，测量不准，甚至无法完成测量工作。针对上述问题，本章着重解决测点的自适 应分布设计、测量路径的优化设计，测头回转跟踪式设计。 3 1 测点的自适应分布设计 对自由曲线、曲面进行测量时，采用等间距测量是简单易行的测量方法，但为了 保证测量准确度就必须缩4 , n 量问距，这使得测量效率显著降低，并增加了后续的数 据处理及误差评定等工作的难度。一种理想的方法