三坐标的简介及应用.doc

1、近代三坐标测量技术的发展。 从目前国内外三坐标测量机发展情况和科技、生产对三坐标测量机提出的要求看，在今后一段时期内，它的主要发展趋势可以概括为以下几方面。 （1）普及高速测量 质量与效率一直是衡量各种机器性能、生产过程优劣的两项主要指标。传统的概念是为了保证测量精度，测量速度不宜过高。随着生产节奏不断加快，用户在要求测量机保证测量精度的同时，会对CMM的测量速度提出越来越高的要求。而提高测量机测量速度这一目的，会为CMM带来以下几个方面的革新。测量机的结构设计改进及材料的变化，结构优化以提高刚性，减轻运动部件的质量；使用轻质材料来降低运动惯性，即由普通使用的花岗石等传统材料转变为密度与杨氏模数之比低的材料、薄壁空心结构等。铝、陶瓷、人工合成材料在测量机中获得了越来越多的应用；高速的动态性能要求提高动态补偿能力，动态误差与测量机的结构参数和运动规程有关。在研究这些特性的基础上，既可以改进测量机的结构设计，提高控制系统性能，又可以进行动态误差补偿，在实现高速测量的同时保证高精度；采用非接触式测头测量方式，在触测情况下，由于工件与测头的接触速度不能太大，这就给测量速度带来了很大的限制。扫描测量方式虽比点位测量方式效率高得多，但仍受触测的限制。采用非接触测头，可避免频繁加速、减速、碰撞等，大大提高测量速度。特别从对可靠性与安全保护提出更高要求看，非接触测头也有很大的优越性；脱机编程技术成为一种趋势，所谓脱机编程技术，就是在编程技术的辅助下，在不上测量机的情况下，在三维图形的环境下完成对测量程序的编制工作。这样不但能有效地提高测量机的实际使用效率，也提高了测量程序的编制效率。脱机编程技术的应用使我们能完全与生产准备及生产过程同步进行测量的准备工作，从而更可以节约宝贵的测量机时。 （2）新材料和新技术的应用 为确保可靠高速的测量功能，国外十分重视研究机体原材料的选用，最近在传统的铸铁、铸钢基础上，增加了合金、石材、陶瓷等新材料。Zeiss、Sheffield、Leitz、Ferranti（英国）、DEA等世界上的主要三坐标测量机制造厂商，大都采用了重量轻、刚性好、导热性强的合金材料，来制造测量机上的运动机构部件。铝合金、陶瓷材料以及各种合成材料在三坐标测量机中得到了越来越广泛的应用。由于新型材料良好的导热性，所以在发生温度分布不均匀时，也能在极短的时间内迅速达到热平稳，将由温度变化所产生的热变形减至最低。为此，近几年引起了厂商的改型高潮，新品种层出不穷。技术指标的进步表现在两个方面：a.最高运动速度达到15m/s以上；b.环境温度要求可降低到20+_4摄示度。 其它一些新技术，例如磁悬浮技术也会在测量机及其他测头中获得应用。 （）控制系统的改进 在现代制造系统中，测量的目的越来越不能仅仅局限于成品验收检验，而是向整个制造系统提供有关制造过程的信息，为控制提供依据。从这一要求出发，必须要求测量机具有开放式控制系统，具有更大的柔性。为此，要尽可能利用发展迅速的新的电子工业技术，尤其是计算机，设计新的高性近年来，计算机价格一直在降低，而性能愈来愈好。如果能利用批量生产的价廉而性能高的计算机模板（例如80386、80486）来设计专用测量机数字控制系统，那么就可推出新的价廉而性能高的测量机控制系统。另外，也可以用复杂的控制系统进行紧凑设计，以求降低成本。 （4）测量机测头的发展 三坐标测量机除了机械本体外，测头是测量机达到高精度的关键，也是坐标测量机的核心。与其他各项技术指标相比，提高测头的性能指标难度最大。理想测头最主要的性能指标是测头接近零件能力的参数：在同等精度指标下，测头端部的测头体直径D与测杆长度L 的长径比为D/L。其值愈大，其性能愈好。 此外，测量机测头的另一个重要趋势是，非接触测头将得到广泛的应用。在微电子工业中有许多二维图案，如大规模集成电路掩模等，它们是用接触测头无法测量的。近年来国外光学三坐标测量机发展十分迅速。光学三坐标测量机的核心就是非接触测量。与发展非接触测头的同时，具有高精度、较大量程、能用于扫描测量的模拟测头，以及能伸入小孔、用于测量微型零件的专门测头也将获得发展。不同类型的测头同时使用或交替使用，也是一个重要发展方向。 （5）软件技术的革新 测量机的功能主要由软件决定。三坐标测量机的操作、使用的方便性，也首先取决于软件，测量机每一项新技术的发展，都必须有相应配套的软件技术跟上。为了将三坐标测量机纳入生产线，需要发展与网络通信、建模、CAD、实现反向工程的软件；按样条函数、NURBS 等进行拟合、建模以及各种仿真软件也在不断发展。此外，加快普及使用通用测量软件（DMIS）以方便与CAD/CAM 的数据交换；同时完善应用于不同类型工件之专用测量软件的开发和使用，最终形成基于同一种平台开发的测量软件族也成为软件革新的一种必然趋势。2、现代三坐标测量与传统测量的比较。 三坐标测量机的特点是高精度(达到m级)、高效率(数十、数百倍于传统测量手段)、万能性(可代替多种长度计量仪器).因而多用于产品测绘,复杂型面检测,工夹具测量,研制过程中间测量,CNC机床或柔性生产线在线测量等方面;只要测量机的测头能够瞄准(或感受)到的地方(接触式或非接触式均可),就可测出它们的几何尺寸和相互位置关系,并借助于测量软件和计算机完成数据处理.这种三维测量方法具有极大的万能性.同时可方便地进行数据处理过程和过程控制.因而不仅在精密检测和产品质量控制上扮演着重要角色,同时在设计、和生产过程控制、模具制造方面发挥着越来越重要的作用,并在汽车工业、航天航空、航海、机床工具、国防军工、电子、模具等领域得到广泛应用.传统测量技术 1、对工件需要进行人工的准确及时的调整 2、需要多种专用测量仪和多工位测量行难适应测量任务的改变 3、与实体标准或运动标准进行测量比较 4、尺寸,形状和位置测量需要在不同的仪器上面进行测量 5、产生大量不相干的测量数据 6、需要手工记录测量数据三坐标测量技术 1、不需要对工件进行特殊的调整 2、简单的调用所对应的测量软件就可完成测量任务 3、与数字或数字模型进行测量比较 4、尺寸,形状和位置的判定在一次安装中即可完成 5、只输出有用的数据,并完整的生成数字信息 6、自动生成图文并茂的报告,CAD设计,统计分析等报告3、三坐标测量技术的发展历史。1956年，英国Ferranti公司开发了第一台三坐标测量机。1992年，全球拥有三坐标测量机46100台，年销售增长率在7%-25%左右。发达国家拥有量高，在欧美、日韩每6-7台机床配备一台三坐标测量机。我国三坐标测量机生产始于20世纪70年代，年增长率在20%以上。目前三坐标测量机被广泛应用于汽车、家电、电子、模具等制造领域。第二章、三坐标测量机的分类及机械结构。1、三坐标的原理 三坐标测量机是基于坐标测量的通用化数字测量设备。他首先将各被测几何元素的测量转化为对这些元素上一些点集坐标位置的测量，在测得这些点的坐标后，再根据这些点的空间坐标值，经过数学运算求出其尺寸和行位误差。1、三坐标的分类 三坐标测量机有不同的操作需求、测量范围和测量精度，这些对选用三坐标测量机是很重要的。根据中国仪器超市资料，按三坐标测量机结构可分为如下几类：1.2. 移动桥架型 (Moving bridge type)移动桥架型，为最常用的三坐标测量机的结构， 轴为主轴在垂直方向移动，厢形架导引主轴沿水平梁在 方向移动，此水平梁垂直 轴且被两支柱支撑于两端，梁与支柱形成“桥架”，桥架沿着两个在水平面上垂直 和 轴的导槽在 轴方向移动。因为梁的两端被支柱支撑，所以可得到最小的挠度，且比悬臂型有较高的精度。3. 床式桥架型 (Bridge bed type)床式桥架型， 轴为主轴在垂直方向移动，厢形架导引主轴沿着垂直 轴的梁而移动，而梁沿着两水平导轨在 轴方向移动，导轨位于支柱的上表面，而支柱固定在机械本体上。此型与移动桥架型一样，梁的两端被支撑，因此梁的挠度为最少。此型比悬臂型的精度好，因为只有梁在 轴方向移动，所以惯性比全部桥架移动时为小，手动操作时比移动桥架型较容易。3. 柱式桥架型 (Gantry type)柱式桥架型，与床式桥架型式比较时，柱式桥架型其架是直接固定在地板上又称为门型，比床式桥架型有较大且更好的刚性，大部分用在较大型的三坐标测量机上。各轴都以马达驱动，测量范围很大，操作者可以在桥架内工作。4. 固定桥架型 (Fixed bridge type)固定桥架型，轴为主轴在垂直方向移动，厢形架导引主轴沿着垂直 轴的水平横梁上做 方向移动。桥架 ( 支柱 ) 被固定在机器本体上，测量台沿着水平平面的导轨作 轴方向的移动，且垂直于 和 轴。每轴皆由马达来驱动，可确保位置精度，此机型不适合手动操作。5. L 形桥架型 (L-Shpaed bridge type)L 形桥架型，这个设计乃是为了使桥架在 轴移动时有最小的惯性而作的改变。它与移动桥架型相比较，移动组件的惯性较少，因此操作较容易，但刚性较差。6. 轴移动悬臂型 (Fixed table cantilever arm type)轴移动悬臂型， 轴为主轴在垂直方向移动，厢形架导引主轴沿着垂直 轴的水平悬臂梁在 轴方向移动，悬臂梁沿着在水平面的导槽在 轴方向移动，且垂直于 轴和 轴。此型为三边开放，容易装拆工件，且工件可以伸出台面即可容纳较大工件，但因悬臂会造成精度不高。此型早期很盛行，现在已不普遍。7. 单支柱移动型 (Moving table cantilever arm type)单支柱移动型， 轴为主轴在垂直方向移动，支柱整体沿着水平面的导槽在 轴上移动，且垂直 轴，而 轴连接于支柱上。测量台沿着水平面的导槽在 轴上移动，且垂直 轴和 轴。此型测量台面、支柱等具很好的刚性，因此变形少，且各轴的线性刻度尺与测量轴较接近，以符合阿贝定理。8. 单支柱 测量台移动型 (Single column xy table type)单支柱 测量台移动型， 轴为主轴在垂直方向移动，支柱上附有 轴导槽，支柱被固定在测量仪本体上。测量时，测量台在水平面上沿着 轴和 轴方向作移动。9. 水平臂测量台移动型 (Moving table horizontal arm type)水平臂测量台移动型，厢形架支撑水平臂沿着垂直的支柱在垂直 ( 轴 ) 的方向移动。探头装在水平方向的悬臂上，支柱沿着水平面的导槽在 轴方向移动，且垂直 轴，测量台沿着水平面的导槽在 轴方向移动，且垂直于 轴和 轴。这是水平悬臂型的改良设计，为了消除水平臂在 轴方向，因伸出或缩回所产生的挠度。10. 水平臂测量台固定型 (Fixed table horizontal arm type)水平臂测量台固定型，其构造与测量台移动型相似。此型测量台固定， 、 轴均在导槽内移动，测量时支柱在 轴的导槽移动，而 轴滑动台面在垂直轴方向移动。11. 水平臂移动型 (Moving ram horizotal arm type)水平臂移动型， 轴悬臂在水平方向移动，支撑水平臂的厢形架沿着支柱在 轴方向移动，而支柱垂直 轴。支柱沿着水平面的导槽在 轴方向移动，且垂直 轴和 轴，故不适合高精度的测量。除非水平臂在伸出或回收时，对因重量而造成的误差有所补偿。目前应用在车辆检验工作。12. 闭环桥架型 (Ring bridge type)闭环桥架型，由于它的驱动方式在工作台中心，可减少因桥架移动所造成冲击，为所有三坐标测量机中最稳定的一种。2、对三坐标测量机的工作环境要求坐标测量机属于长度计量的设备、需要一定的环境要求。1、 环境温度环境温度：202温度的空间梯度：1/m温度的时间梯度：2/8h2、 环境湿度一般要求：40%60%为最好。 3、 压缩空气压缩空气输入压力：0.4MPa0.6MPa。压缩空气中不能含有水、油、杂质。如果所使用的测量机有要求以测量机要求为准。4、 震动由于震动的测试比较困难，所以按周围环境条件要求。a、 厂房周围不应有干线电路；b、 厂房内不应有与测量机同时工作的吊车；c、 厂房内和周围不应有冲床或大型压力机等震动比较大的设备；d、 测量机不应安装在楼上。 如果以上ac的条件不满足时，需要做专用地基或采用减震器等防震措施。5、 电源除使用机型特殊要求，一般测量机使用电源为220V10V 50HZ；要求有稳压装置或USP能源。6、单独接地线要求有单独接地线、接地电阻5;要求周围没有强电磁干扰。3、控制系统的功能 这是测量机的控制中枢，主要功能： 控制、驱动测量机的运动，三轴同步、速度、加速度控制；操纵盒或计算机指令通过系统控制单元，按照设置好的速度、加速度，驱动三轴直流伺服电机转动，并通过光栅和电机的反馈电路对运行速度和电机的转速进行控制，使三轴同步平稳的按指定轨迹运动。运动轨迹有飞行测量、点定位两种方式，飞行方式测量效率高，运动时停顿少。点定位方式适合指定截面或指定位置的测量。可以通过语句进行设置。在进入计算机指令指定的触测的探测距离时，控制单元会控制测量机由位置运动速度转换到探测速度，使测头慢速接近被测零件。 在有触发信号时采集数据，对光栅读数进行处理；当通过操纵盒或计算机指令控制运动的测量机测头传感器与被测零件接触时，测头传感器（简称“测头”）就会发出被触发的信号。信号传送到控制单元后，立即令测量机停止运动（测头保护功能），同时锁存此刻的三轴光栅读数。这就是测量机测量的一个点的坐标。 根据补偿文件，对测量机进行21项误差补偿；测量机在制造组装完成后，都要使用激光干涉仪和其它检测工具对21项系统误差（各轴的两个直线度、两个角摆误差、自转误差、位置度误差，三轴之间的两个垂直度误差，共21项）进行检测，生成误差补偿文件，将这些误差用软件进行补偿，以保证测量机精度符合合同的要求。测头触发后锁存的每一个点坐标都要经过误差计算、补偿后再传送给计算机软件。 采集温度数据，进行温度补偿；有温度补偿功能的测量机，可以根据设定的方式自动采取各轴光栅和被测零件的温度，对于测量机和零件温度由于偏离20带来的长度误差进行补偿，以保持高精度。 对测量机工作状态进行监测（行程控制、气压、速度、读数、测头等），采取保护措施；控制系统内部设有故障诊断功能，对测量机正常工作及安全有影响的部位进行检测，当发现这些有异常现象时，系统就会采取保护措施（停机，断驱动电源），同时发出信息通知操作人员。 （对扫描测头的数据进行处理，并控制扫描）；配备有扫描功能的测量机，由于扫描测头采集的数据量非常大，必须有专用的扫描数据处理单元进行处理，并控制测量机按照零件表面形状，保持扫描接触的方式运动。 与计算机进行各种信息交流。虽然控制系统本身就是一台计算机，但是没有与外界交互动介面，其内部的数据都要通过与上位计算机的通讯进行输入和设置。控制信息和测点的数据都通过信息传输、交流。交流方式主要是RS232接口或网卡。3、测座、测头系统 1、 测座根据命令旋转到指定角度；测座控制器可以用命令或程序控制并驱动自动测座的旋转到指定位置。手动测座只能由人工手动方式旋转测座。 测头（针）更换架可以在程序运行中，自动更换测头（针），避免程序中的人工 干预，提高测量效率。2、 测头控制器（P1200、P17）控制测头工作方式转换 （TP200、TP7）；TP200、TP7测头是高精度测头，他们的特点是灵敏度高，可以接比较长的测针。但是灵敏度高会造成测量机高速运动时出现误触发。测头控制器控制测头在测量机高速运动时处于高阻（不灵敏）状态，出发时进入灵敏状态的转换。在手动方式时一般都是以操纵盒的“速度控制键”进行控制状态转换，即低速运动时是测头的灵敏状态。3、 测头传感器在探针接触被测点时发出触发信号； 测头部分时测量机的重要部件，测头根据其功能有： 测头部分是测量机的重要部件，测头根据其功能有：触发式、扫描式、非接触式（激光、光 学）等。触发式测头是使用最多的一种测头，其工作原理是一个开关式传感器。当测针与零件产 生接触而产生角度变化时，发出一个开关信号。这个信号传送到控制系统后，控制系统对此刻的 光栅计数器中的数据锁存，经处理后传送给测量软件，表示测量了一个点。 扫描式测头有两种工作模式：一种是触发式模式，一种是扫描式模式。扫描测头本身具有三 个相互垂直的距离传感器，可以感觉到与零件接触的程度和矢量方向，这些数据作为测量机的控 制分量，控制测量机的运动轨迹。扫描测头在与零件表面接触、运动过程中定时发出信号，采集 光栅数据，并可以根据设置的原则过滤粗大误差，称为“扫描”。扫描测头也可以触发方式工作， 这种方式是高精度的方式，与触发式测头的工作原理不同的是它采用回退触发的方法。第三章 测量元素的分析 1、面 面的特征元素：法向矢量、特征点。 面上所采集的点A1(X1,Y1,Z1)、A2(X2,Y2,Z2)、A3(X3,Y3,Z3)。 特征点A， 测量平面时采用的是整体补偿的方法，即形状误差与测头补偿的方向和大小没有关系，仅与采点数量有关。 结论：在测量平面都时应与采点数挂钩，采点数越多，形状误差越大。 2、线 三维线测量不到，只能通过构造。 二维线依据在一个平面上需要正确的投影平面，不能选择测点所在的平面作为工作平面，应选择与测量方向均垂直的平面作为投影面和工作平面。3、圆此方法也可作为验证测头校正结果的手段 圆的特征元素： 圆心 直径 工作平面（投影平面） 采点后用最小二乘法算出后再进行整体测头补偿红宝石半径。 若校正测头存在误差，则出现测量内圆值偏小，测量外圆偏大的现象。 与卡尺、内径规等测量算法不同，后者采点少，加入了圆度误差，若圆不圆，则两种测量方法测量结果将截然不同。 注：星形测针测量圆时需要配置半径一致的测针，以使整体半径补偿时计算准确。4、 圆柱、圆锥测量圆柱时最重要的是第一个截面、其已基本确立了圆柱的特征。测量圆锥时先通过两个截面直径的差别确定锥角。注：如果求圆锥指定高度远的直径或指定直径圆的高度，应先测量出圆锥在进行构造得出。5、 曲面测量曲面的过程即采取单个点的过程，测量点时测头的补偿方式有三种：1） 从数模上取点的法向矢量；2） 按理论值3） 按坐标轴的方向（即零件坐标系） 第三种方法最不科学，误差最大。若遇到没有数模和理论值的逆向工程时，应取消测头补偿（在软件中点击F10选择触测），得出曲线或曲面后导入Pro/E或UG软件内整体对曲线或曲面平移一个测头半径的距离，得出真实值。坐标系建立的各种方法 1、3-2-1法 用平面（其法线矢量）找正第一个轴和相应的坐标平面 把第二轴投影到第一轴的平面上并确定方向 确定原点 注：此方法最简单、灵活，因此在日常工作中以此方法最为常见。 若一个测量过程中需要建立多个坐标系：A1、A2、A3、A4，在每次新建坐标系前，均要调回A1坐标系，在A1坐标系下建立。不能依次新建： A1A2A3A4。2、自动建立坐标系 此方法是PC-DMIS软件自动进行3-2-1法创建坐标系，由面、线（两个圆）、点（圆）三种元素创建。注：此方法适用于简单的坐标系建立，没有角度偏转、位置平移等特殊操作。（此方法不常使用）3、拟合坐标系 拟合坐标系建立坐标系，“拟合”是零件坐标系和数模中的坐标系和数模中的坐标系建立关系的过程。 “拟合坐标系”指导入数模后，要零件坐标系和数模坐标系进行重合；若拟合不好，将造成测量结果出现整体偏差。 拟合坐标系有4种方法：分析数模，独立建立零件坐标系后使用“CAD=工件”。 注：“CAD=工件”选项仅用于此一种情况，应在精建坐标系后再进行此操作，粗建坐标系存在误差较大。使用“程序模式”直接在数模上建立坐标系，然后手动测量工件的坐标系特征，自动拟合。 注：数模上以前自带的坐标系已没有，只有一个新建的坐标系，所以不需要“CAD=工件”。 不适用于原点不在工件上且需要在该坐标系下评价的情况。找到三个六方向封闭的点进行“最佳拟合”。 注：所采集的三个点应该在数模上用测三个圆柱和三个相对应的平面进行刺穿得出，以消除Z值的误差。迭代法进行拟合 适用于没有点、线、面等基准元素的工件。 注：迭代法建坐标系若采集圆特征，必须采集样例点，以使程序知道圆的投影平面。迭代法建坐标系示例： 以三个矢量点和两个圆为例，阐述迭代法建立坐标系的步骤： 导入CAD模型，观察零件和坐标系的特点。 手动模式下，打开自动测量元素对话框，取消测量，在CAD模型上点击基准元素，三个矢量点（矢量方向尽量一致），两个圆（激活样例点）。 执行程序。 按照程序要求在与CAD模型对应的位置上，手动采集响应元素。 打开“迭代建立坐标系”对话框，三个矢量点找正，两个圆旋转，一个圆确定原点（所确定的轴向必须按照图纸指定）。 激活“迭代建立坐标系”对话框中的“全部测量至少一