模具检测技术教案-第4章

1、模具检测技术教案授课时间授课时数6授课班级材料0711-0712授课教师黎振学 科模具检测技术教 材讲义章节第四讲 三坐标测量教学目标简单了解三坐标测量仪的原理，掌握三坐标测量仪的使用方法。教学重点三坐标测量机检测方法教学难点三坐标的使用方法。教学方法讲授法、演示法教学媒体多媒体参考资料备 注教学行为教 学 内 容设计思想引入：三坐标测量机介绍介绍对图讲解。讲解对照原理图进行讲解。让学生总结特点。§5.1 三坐标的发展历史 便携式三坐标测量机移动桥式三坐标测量机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%-

2、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，三坐标检测技术被广泛应用在汽车、家电、电子、模具等制造领域。它可以进行零部件的尺寸、形状及相互位置的检测。例如箱体、导轨、涡轮、叶片、缸体、齿轮等空间型面测量。此外还可以用来划线、定中心孔等。三坐标的特点： 高效率（数十、数百倍于传统测量手段） 高精度（达到级） 可能性（可替多种长度计量仪器） 极大的万能性（只要测头能瞄准或接触到） 智能性（与计算机的连接，质量控制评价） 多功能（精密检测，产品设计） 广泛性（机械制造、汽车、航空航天、机床工具、国防

3、军工、电子和模具等领域）三坐标的检测流程如下：§5.2 三坐标测量机的原理一、 测量机的基本组成三坐标测量由三个相互垂直的测量轴和各自的长度测量系统组成的机械主体，结合侧头系统、控制系统、数据采集与计算机系统等构成坐标测量系统的主要系统元件，测量时把被测件置于测量机的测量空间中，通过机器运动系统带动传感器即测头实现对测量空间内任意位置的被测点瞄准，当瞄准实现时测头即发出读数信号，通过测量系统就可以得到被测点的几何坐标值，根据这些点的空间坐标值，经过数学运算求出待测的几何尺寸和相互位置关系。1、测量机由机械系统、电气系统、软件系统组成。2、现代测量机的特点：（1）高精度、高性能；（2）

4、高速度/高效率（3）高性能价格比；（4）适应于车间环境；二、 主机1、 主机（1） 按结构形式可以分桥式、悬臂式、龙门式等； 悬臂式特点：这种机构机器优点是开敞性好，但精度不太高，一般适用于小型测量机。移动桥式这种机型是目前中小型测量机的主要机构型式，承载能力大，开敞性较好，有自身工作台，受地基影响相对较小，精度比固定桥稍低。龙门式特点：一般为大中型机，要求较好地基，立柱影响开阔性，刚性比水平臂好，在大尺寸机型中有较好精度。（2） 按传动方式：气浮式传动、丝杆传动；2、 主机要有大理石台面、横梁、垂直轴，机械结构件，气路系统，传动系统，平衡机构、外罩等组成；3、 气路系统具有自保护功能，气路系

5、统必须包括气源处理模块，是测量机精度长期稳定的保证；4、 主机是测量机精度的基础：（1） 大理石热稳定性好；（2） 气浮结构、同步带传动、直流伺服传动保证无摩擦传动，传动平稳，精度高，且精度稳定性好；三、 电气系统1、 电气系统包括：光栅系统、驱动系统、控制器、测头系统；2、 光栅系统：（1） 是提高测量机精度的保证，分辨率一般为0.1um或0.5um，（2） 获得三轴的空间坐标；3、 驱动系统：一般采用直流伺服驱动，特点传动平稳，功率较小；4、 控制器：（1） 是整个电气系统的核心，负责设备各种电气信号的处理，和软件的通讯；（2） 把软件的控制指令转化为电气信号控制主机运动，把设备实时状态信

6、息传输给软件。（3） 目前控制器的发展方向：模块化、数字化、支持I+协议，通用化；5、 测头系统：（1） 是测量机的核心部件，精度的保证，精度0.1um；（2） 测头包括测座、测头、测针3部分；测座由手动、机动、全自动测座；测头分触发式和扫描式；测针有各种类型：针尖、球头、盘式等。（3） 测头的作用是提供信号，通知系统获取当前坐标数据；（4） 测头系统的发展：全自动，精度更高，更灵敏；四、 软件系统1、 软件系统从功能上分主要包括：通用测量模块、专用测量模块、统计分析模块、各类补偿模块。2、 通用测量模块作用：完成整个测量系统的管理，包括探针校正，坐标系建立与转换，几何元素测量，形位公差评价，

7、输出文本检测报告；3、 专用测量模块：一般包括齿轮测量模块，凸轮测量模块、叶片模块；4、 统计分析模块：一般在工厂里，对一批工件的测量结果的平均值、标准偏差、变化趋势、分散范围、概率分布等进行统计分析，可以对加工设备的能力和性能进行分析。五、测头简介探测系统是由测头及其附件组成的系统，测头是测量机探测时发送信号的装置，它可以输出开头信号，亦可以输出与探针偏转角度成正比的比例信号，它是坐标测量机的关键部件，测头精度的高低很大程度决定了测量机的测量重复性及精度；不同零件需要选择不同功能的测头进行测量。触发测头（Trigger probe） 又称为开关测头，测头的主要任务是探测零件并发出锁存信号，实

8、时的锁存被测表面坐标点的三维坐标值。扫描测头（Scanning Probe） 又称为比例测头或模拟测头，此类测头有的不仅能作触发测头使用，更重要的是能输出与探针的偏转成比例的信号（模拟电压或数字信号），由计算机同时读入探针偏转及测量机的三维坐标信号（作触发测头时则锁存探测点的三维坐标值），以保证实时的得到被探测点的三维坐标。 由于取点时没有机械的往复运动，因此采点率大大提高，扫描测头用于离散点测量时，由于探针的三维运动可以确定该点所在表面的法矢方向，因此更适于曲面的测量。RTP20测座 RTP20测座隶属Renishaw系列测头座之一，是机动双旋转测座，可对接TP20测力模块。测座分A、B两个

9、旋转角度，A角以15 °分度从0 °旋转到90 °， B角以15 °分度从180 °旋转到180 °。TP20工作原理 包括3个电子接触器，当测杆接触物体使测杆偏斜时，至少有一个接触器断开，此时机器的X、Y、Z光栅被读出，这组数值表示此时的测杆球心位置。探针接触被测物体并与物体接触的力通过测头内部的弹簧力平衡，探针产生弯曲；探针绕测头内部支点转动，造成一个或两个接点断开，在断开前测头发出触发信号；然后机器回退，测头复位。触发测头通过触点形成电气回路；当测头与零件接触时测力增加，接触面积减小，电阻增加，当电阻到达阈值时，测头发出触发信号

10、。六、测头校正测头校验的意义测头校正对所定义测头的有效直径及位置参数进行测量的过程。为了完成这一任务，需要用被校正的测头对一个校验标准进行测量。如右图：该球体是已知直径并且可以溯源到国家基准的标准器，红色小球是未知直径和位置的测头测针。测头校验的意义在实物基准的每个测量点的球心坐标同它的已知道直径比较。有效的测头直径是通过计算每个测量点所组成的直径与已知直径的差值。如右图所示为有效测头半径。§5.3 测量基本知识5.3.1 矢量与余弦误差矢量 矢量可以被看做一个单位长的直线，并指向矢量方向。相对于三个轴的方向矢量。I方向在X轴，J方向在Y轴，K方向在Z轴。矢量I、J、K值介于1和-1

11、之间，分别表示与X、Y、Z夹角的余弦。矢量方向 矢量用一条末端带箭头的直线表示，箭头表示了它的方向。X、Y、Z表示三坐标测量机的坐标位置，矢量I、J、K表示了三坐标测量机三轴正确的测量方向。在三坐标测量中矢量精确指明测头垂直触测被测特征的方向，即测头触测后的回退方向。 如下图，绿色箭头表示在XY平面内45度方向矢量I = 0.707，J = 0.707，K = 0。余弦误差 矢量的另一个很重要的作用是软件利用矢量方向进行测头补尝，如果触测方向不正确，将引起“余弦误差”。如图，分析余弦误差产生的原因。5.3.2 坐标系 在DCC三坐标测量机上测量工件区别于传统的测量另一个主要特点是测量效率高。效

12、率高源于两个方面：一是具有数据自动处理程序；二是对待测工件易于安装定位，通过测量软件系统对任意放置的工件建立零件坐标系，进行坐标转换，实现自动找正。 精确的测量工作中，正确地建坐标系，与具有精确的测量机，校验好的测头一样重要。由于我们的工件图纸都是有设计基准的，所有尺寸都是与设计基准相关的，要得到一个正确的检测报告，就必须建立零件坐标系，同时，在批量工件的检测过程中，只需建立好零件坐标系即可运行程序，从而更快捷有效。坐标系类型 综合各类测量机，常使用三种类型坐标系：直角坐标系、柱坐标系和球坐标系。这三种坐标系用于不同的测量目的和对象。对于圆柱类型零件、球类零件和凸轮零件，采用极坐标系和球坐标系

13、进行测量。由于直角坐标系可用线性转换矩阵实现坐标变换，故在三坐标测量机中大都以直角坐标系作为坐标系转换基础。直角坐标系：指由三条数轴相交于原点且相互垂直建立的坐标系，又称笛卡尔直角坐标系。柱坐标系：柱坐标系又称半极坐标系，它是由平面极坐标系与空间直角坐标系中的部分建立起来的。 球坐标系：是一种三维坐标。 设P（x，y，z）为空间内一点，则点P也可用这样三个有次序的数r，来确定，其中r为原点O与点P间的距离，为有向线段与z轴正向所夹的角，为从正z轴来看自x轴按逆时针方向转到有向线段的角，这里M为点P在xOy面上的投影。这样的三个数r，叫做点P的球面坐标 。测量机坐标轴测量机的空间范围可用一个立方

14、体表示。立方体的每条边是测量机的一个轴向。三条边的交点为机器的原点（通常指测头所在的位置）。坐标值每个轴被分成许多相同的分割来表示测量单位。测量空间的任意一点可被期间的唯一一组X、Y、Z值来定义。校正坐标系 校正坐标系是建立零件坐标系的过程。通过数学计算将机器坐标系和零件坐标系联系起来。零件的坐标系校正，一般分三个步骤且分步进行： 1、零件找正：找正元素控制了工作平面的方向。平面应当选择垂直于零件轴线平面而不是选择垂直于坐标轴的平面，通常技术图纸会指明零件的基准面，如果没有指明，应测量表面比较好的平面且测量点尽可能均匀分布。测量一个平面至少需要三个测量点。2、旋转轴：旋转元素需垂直于已找正的元

15、素，这控制着轴线相对于工作平面的旋转定位。旋转轴可以是经过精加工的面或是两个孔组成一条直线。3、原点：定义坐标系X、Y、Z零点的元素。原点可以是经过精加工的面上点或一个孔的中心点。3-2-1法建立坐标系3-2-1法建立坐标系是三坐标测量机最常用的建立坐标系方法，如下图所示1、在零件上平面测量3个点拟合一平面找正。 2、在零件前端面上测量2个点拟合一直线旋转轴。 3、在零件左端面测量1个点设定原点。5.3.3 工作平面什么是工作平面 工作平面用来定义2D元素数学计算的平面，在测量时，元素计算和探头补偿中使用工作平面。 举例测量圆时的工作平面。RationalDMIS工作平面 RationalDM

16、IS在“工作平面”选项里可以选择所需的面，作为当前的工作平面。“最近的CRD平面”这个窗口接受从元素数据区拖放平面元素。以下几种情况下平面元素用来做计算和探头补偿。 计算需要工作平面的元素有：直线元素, 圆元素, 弧元素,椭圆元素, 键槽元素和曲线元素； 探头补偿需要工作平面的元素有：点元素和边界点元素； 对于其他所有元素, 工作平面选择窗口会自动隐藏起来。5.3.4 基本几何元素点最小点数： 1位置： XYZ 位置矢量： 无形状误差：无2维/3维： 3维直线最小点数： 2位置： 重心矢量： 第一点到最后一点形状误差： 直线度2维/3维： 2维/3维圆最小点数：3位置： 中心矢量*： 相应的截

17、平面矢量形状误差：圆度2维/3维：2维 * 圆的矢量只是为了测量。不单独描述元素的几何特征。平面 最小点数： 3位置： 重心矢量： 垂直于平面形状误差： 平面度2维/3维： 3维圆柱最小点数： 5位置： 重心矢量： 从第一层到最后一层形状误差： 圆柱度2维/3维： 3维球 最小点数： 4位置： 中心矢量*： 如右图向上形状误差： 球度2维/3维： 3维*球的矢量只是为了测量。并不描述元素的几何特征。圆锥最小点数： 6位置： 顶点矢量： 从小圆到大圆形状误差： 锥度2维/3维： 3维5.3.5 元素构造元素构造的意义 是通过已测的元素构造出无法直接测量得到的元素。构造元素可以是计算辅助元素，也可

18、为测量结果元素。最终是为满足测量结果的需求。构造实例 交点：在两个元素相交处产生一个交点。 中分点：产生两个所选元素的中分点。 拟合圆：通过所选的几个元素通过最佳拟和产生一个圆。 相交圆：一个平面和一个圆锥、圆柱或球相交产生一个圆。5.3.6 元素的尺寸及公差尺寸公差与形位公差 尺寸公差：最大极限尺寸减最小极限尺寸之差，或上偏差减下偏差之差。它是允许尺寸的变动量。 尺寸公差是一个没有符号的绝对值。 形位公差：加工后的零件不仅有尺寸误差，构成零件几何特征的点、线、面的实际形状或相互位置与理想几何体规定的形状和相互位置还不可避免地存在差异，这种形状上的差异就是形状误差，而相互位置的差异就是位置误差

19、，统称为形位误差。 尺寸公差实例 圆的常规公差。 点到平面的三维距离。形位公差实例垂直度。倾斜度。位置度。位置公差解析如图显示了为什么两个点距离相同但不是每个都在公差之内。位置度产生一个圆形公差带，它能很好地判断特征元素的配合关系。公差标准项目符号图标显示为国家标准的各项公差标准的名称、符号和基准要求等。详细的公差标准参考GB/T1182-1996，或相关公差书籍。三坐标测量机RationalDMIS软件可以支持目前国内和国际所有公差的测量需求，详细的软件介绍和操作请见下一章节！5.4 三坐标测量操作指导5.4.1 三坐标测量流程 三坐标测量流程图综合分析工件（图纸），装夹工件测头装夹与效正软

20、件配置测头，并且进行测头校正。手动方式测量建坐标系所需的元素，建立坐标系。应用3 2 1法或叠代法建立坐标系（插入坐标系）建立零件坐标系形状位置公差评价 检测报告输出手动测量、基于CAD测量、或编程测量，以及元素构造。按图纸公差要求，评价元素的形位公差。输出打印文字或图形报告。设计基准：用于建坐标系的元素。坐标原点：一般通过构造得到。检测内容：需要测量哪些元素，以及用这些元素进行形状位置公差的评价。装夹工件：要便于被测元素的测量。其他：工件的摆放方位 需要的测头角度、 测针大小、 长短.手动或DCC测量项目元素的测量BQC系列测量机测量操作流程54.2 确定测量方案 根据工件图纸的设计基准确定

21、测量基准； 确定检测几何尺寸的项目和方式： - 直接检测尺寸； - 通过间接测量构造尺寸； - 通过几何元素之间的关系计算获得尺寸； 确定各几何元素所需要输出的参数项目。54.3 测量过程 开启气源：依次开启空压机、冷干检查机床使用气压是否在0.40.5Mpa范围之内。 如果不在此范围内则可通过气源调节阀调节。如下图所示： 开启控制系统电源（如下图），及计算机电源。 启动测量软件，双击桌面RationalDMIS图标出现软件初始界面；机器初始化，完成系统与软件的通讯，并且进行坐标初始化操作。 进行测头管理： 测头构建； 测头校验。 建立零件坐标系： 定义三个相互垂直的坐标轴； 定义工件坐标系原

22、点相对于机器坐标系原点的位置。 测量各元素。 元素公差计算并评价。 确定文件输出格式。5。4.4 测量实例目的：在无数模的情况下，完成工件的测量和公差评价，输出测量报告。测量工件测量步骤：1选择程序运行模式为“MODE/MAN”2软件功能操作区的测量面板选择“面”元素，在工件上表面手动测量一个平面。3软件功能操作区的测量面板择“线”元素，在工件侧面测量一条直线。4软件功能操作区的测量面板选择“点”元素，在工件左侧面测量一个点。5在坐标系面板中，选择“生成坐标系”，拖放实际面-线-点元素构建零件坐标系并“添加激活坐标系”。6打开软件自学习。7将测量的面拖放作为“安全平面”；并设置适合的“接近、回

23、退距离”，点击“应用”生效。8切换程序运行模式为“MODE/PROG，MAN”。9软件功能操作区的测量面板选择“圆”元素，使用手操器手动测量圆1：执行程序，自动测量圆1：按同样方法测量各个需要评价的元素。10计算元素的公差。11拖放创建输出报告。12拖放创建图形报告。5.5 测量技巧与案例分析5.5.1 基于CAD的编程测量要求：不需要手动测量元素，只需要将机器移动到工件的某一点位置（如下图），当运行DMIS程序时，便可以自动完成整个测量过程。 （参考图例）目的：在有数模的情况下，使用程序实现自动测量、自动数模对齐。测量步骤： 打开软件自学习 制作如题目要求所示的（参考图例）图片，并使用变量数

24、据区在程序中插入该提示图片选择命令模式为“，” 将机器移动到工件（参考图例）的位置处在“点元素”测量面板，直接按“接受”取得当前测头的位置将测头当前位置取得的“点元素”拖放到坐标数据区“”节点模型对齐此时，数模对齐位置如（图），测头在实际工件摆放位置如（图）注意：*需要计算出（图）坐标需要的偏移值，将坐标偏移坐标系之后再次进行数模对齐。9使用“线性图形定义”工具抓取出交点的两条直线。10使用构造相交工具查看直线交点相对于当前坐标系的偏移值。注*：下步中平移坐标系需要使用此数据11平移坐标系，并“添加激活坐标系”（需要平移的数据大小由上步计算数据来确定）12使用“模型对齐”功能数模对齐坐标，对齐

25、后状态如下面右图。 注*：此时属于粗略对齐状态，下面步骤属于机器自动测量找正13修正软件的接近、回退距离 切换到“测点管理”窗口，使用“编辑测量点”功能在数模上点取面上需要测量的3个点。 一切就绪之后就可以点击“测量”图标驱动机器测量工件上表面。14将测量得到的实际面拖放作为安全平面15在“测点管理”窗口依次测量直线、点元素。16使用机器实际测量得到的面、线、点构建坐标系，并将实际面偏移一个模型高度的距离17模型对齐18将自学习程序转移到DMIS编辑器，使用鼠标右键菜单选择“数模对齐坐标”的语句19将模板中的提示修改为CAD的名称，修改完成后将“编辑器面板”转移到“程序数据区”20修改接近、回

26、退距离符合实际测量的要求21使用“线性图形定义”工具CAD数模上的理论元素，将理论元素A拖放到“拖放定义”上产生元素定义语句；B拖放到“拖放测量块”上产生测量语句；C拖放到“拖放输出”图标上产生输出语句。22由实际测量得到的元素计算公差、定制图形报告。5.5.2 CAD迭代对齐1.使用“CAD 模型点定义工具”如下图定义1-16 个点。2.如有类似“参考圆”等元素，可使用“CAD线性图形定义”定义如下图位置的“圆1”和“圆2” 。3.依次手动测量“点116”得出点的实际值。4.使用“向量创建方法”测量“圆1” 和“圆2” 。5.选择“点116”、“圆1”和“圆2”拖放到迭代对齐窗口。6. 拖放

27、“CAD 模型”到迭代对齐的“CAD 模型”窗口、设置最大迭代次数、设置精度然后选择“迭代”，迭代完成后选择“添加并激活坐标系”。7. 将坐标系拖放到CAD 模型节点完成数模对齐工件。注意：* 在迭代之前的实际测量元素过程中，应使“实际测点”位置尽量接近于“理论点”的位置。5.5.3 三坐标测量键槽对称度三坐标在测量键槽对称时，图中标注是位置度，其实就是键槽的对称度，图纸如下：1、测量平面PLANE1、线 LINE1( 键槽的底边)、圆CIRCLE1，建立坐标系。2、测量键槽上下左右中点各一点作为被测元素P1、P1、P2、P2。 3、用计算位置度的方法，先计算各点相对于基准圆的位置度，最大值作为截面上的对称度；修改数据区中的理论值，得出的结果就是四个位置度值，取最大值就是截面上的对称度。4、构造P1与P1的线LINE2，构造P2与P2的线LINE3，分别计算LINE2与LINE3的位置度，两者中最大值作为长度方向上的对称度。5、