互换性与技术测量开放型实验管理系统南昌航空大学.docx

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互换性与技术测量开放型实验管理系统南昌航空大学

《三维测量技术创新型趣味认知》

开放型实验指导书

罗海泉

南昌航空大学航空制造工程学院

二〇一八年二月

实验规程

1.实验前按要求认真预习实验指导书。

2.准时到达实验室，必须更换拖鞋，除与实验有关的书籍和文具外，其它物品不得带入实验室。

3.保持室内清洁和安静，不准随地吐痰和乱扔纸屑。

4.自觉动手实验，操作时认真仔细，遇到疑难问题应立即、主动与指导教师联系。

5.不得接触与本实验无关的仪器。

6.认真独立完成实验报告，要求准确、规范、整洁，严禁抄袭。

7.实验完毕，擦好仪器，摆放好桌椅，并将拖鞋放回原处。

8.凡不遵守本规则，经指出不从者，指导教师有权停止其实验，若损坏仪器必须赔偿。

一、实验目地

本实验为综合性实验，综合的知识点为：

1.三维测量技术的基本知识、三坐标测量机的结构原理及基本操作；

2.接触式测量软件、非接触式（激光）测量软件的基本应用；

3.零件尺寸及形位误差的综合测量；

4.“逆向工程”的基本概念及应用。

二、三坐标测量机的组成及工作原理

实验用三坐标测量机（CoordinateMeasuringMachining，简称CMM）系2006年从意大利进口的一种高精、高效、智能化测量仪器。

在计算机控制下不仅能完成各种复杂测量（根据产品图纸或数学模型要求判断零件的合格性，即所谓的产品检验），而且可以根据对零件的测量，实现逆向工程（由实物得到零件图纸，即所谓的产品设计）。

目前，三坐标测量技术已广泛用于航空航天工业、国防工业、机械制造业、汽车工业、电子工业等行业的研发和生产部门，成为现代工业产品开发、产品检测和质量控制不可缺少的万能测量设备，成为现代化制造企业的标志之一。

Z

图1-1三坐标测量机的组成

1—工作台2—移动桥架3—中央滑架4—Z轴5—测头6—电子系统

1.CMM的组成

三坐标测量机是典型的机电一体化设备，它由机械系统和电子系统两大部分组成。

（1）机械系统：

一般由三个正交的直线运动轴构成。

如图1-1所示结构中，X向导轨系统装在工作台上，移动桥架横梁是Y向导轨系统，Z向导轨系统装在中央滑架内。

三个方向轴上均装有光栅尺用以度量各轴位移值。

人工驱动的手轮及机动、数控驱动的电机一般都在各轴附近。

用来触测被检测零件表面的测头装在Z轴端部。

（2）电子系统：

一般由光栅计数系统、测头信号接口和计算机等组成，用于获得被测坐标点数据，并对数据进行处理。

2.CMM的工作原理

三坐标测量机是基于坐标测量的通用化数字测量设备。

它首先将各被测几何元素的测量转化为对这些几何元素上一些点集坐标位置的测量，在测得这些点的坐标位置后，再根据这些点的空间坐标值，经过数学运算求出其尺寸和形位误差。

如图2-2所示，要测量零件上一圆柱孔的直径，可以在垂直于孔轴线的截面I内，触测内孔壁上三个点（点1、2、3），则根据这三点的坐标值就可计算出孔的直径及圆心坐标OI；如果在该截面内触测更多的点（点1，2，…，n，n为测点数），则可根据最小二乘法或最小条件法计算出该截面圆的圆度误差；如果对多个垂直于孔轴线的截面圆（I，II，…，m，m为测量的截面圆数）进行测量，则根据测得点的坐标值可计算出孔的圆柱度误差以及各截面圆的圆心坐标，再根据各圆心坐标值又可计算出孔轴线位置；如果再在孔端面A上触测三点，则可计算出孔轴线对端面的位置度误差。

由此可见，CMM的这一工作原理使得其具有很大的通用性与柔性。

从原理上说，它可以测量任何零件的任何几何元素的任何参数。

图2-2坐标测量原理

三、仪器设备

主要仪器设备：

三坐标测量机（如图3-3所示），数量一台；

技术配置清单

名称

型号规格

制造商所属国家

主机

（Global主机、控制系统、检验球）

GlobalClassicC9.12.8桥式三坐标测量机

意大利

HexagonMetrologyS.p.A

Global控制系统

标准检验球

计算机系统

DELL电脑

美国

软件系统

基本软件PC-DMISCAD++

美国

激光扫描软件Hark

以色列

技术配置清单（续）

测头系统

RenishawPH10M自动分度测座；

RenishawTP20型测头

美国

WIZProbe非接触光学扫描测头

以色列

外形尺寸

L×W×H（mm）

2495×1510×3066

测量行程

X×Y×Z（mm）

900×1200×800

精测指标

长度测量最大允许误差（µｍ）

MPE

E=2.9+3.3L/1000

最大探测误差（µｍ）

MPE

P=2.8

最大矢量速度（mm/s）

517

最大矢量加速度（㎜/s

）

1700

光栅尺分辨率（µｍ）

0.39

被测零件最大重量（㎏）

1300

GLOBALCLASSIC是标准配置的工作型测量机，完成通常的车间测量和检测应用，如首件和最终件检测、夹具验证和过程控制等。

可配备各种触发测头，能满足通常的测量检测应用。

PC-DMIS的主要技术特征包括:

*模块化配置，满足客户的特定需要

*可定制的、直观的图形用户界面（GUI）

*全中文界面、在线帮助和用户手册；多达8种语言支持

*完善的测头管理、零件坐标系管理和零件找正功能

*符合国际和国家标准规定的形位公差评定功能

*PTB认证的软件计算方法

*具有强大CAD功能的通用测量软件

*预留基于用户需要的二次开发接口

*具有各种智能化扫描模式，完成复杂型面的扫描

*强大的薄壁件特征测量程序库

*便捷的逆向设计测量功能

*互动式超级图形报告功能，增加了报告格式和数据处理的灵活性

*各种统计分析功能，满足生产控制的需要

四、实验步骤

1．测头及标准球的标定

⑴目的：

图3-3GlobalClassicC9.12.8三坐标测量机

当使用测量机进行零件检测时，跟零件直接接触的是测头的红宝石球的球面，测量机在数据处理时是以红宝石球的球心来计算的，必须对测球的半径和位置进行补偿。

因此，在测量零件之前，首先要进行测头校正，从而得到测头的准确数值，校正完毕，坐标机会自动补偿校正后的数据。

这样，可以消除由于测头而带给零件测量的误差。

⑵功能：

可分别用”手动模式”或”自动模式”校验、定义测头。

⑶方法：

①定义测头直径：

用鼠标单击”测头”图标，再单击”定义测头”图标，在相应图标中输入定义值及测头直径的理论值，用鼠标单击上图”确认键”，即完成定义测头功能。

计算机自动提示下一个新测头的标号。

②校验测头：

用鼠标单击”测头”图标，再单击”校验测头”图标，在”测头标号”处选择要校验的测头标号，再键盘输入”标准球的直径”，然后选择”手动模式”校验所需的测头。

当第一次校验完毕，可看到标准球的球心坐标已自动显示出来。

此时用户可根据测头类型去分别用”手动模式”或”自动模式”校验每一被定义的测头。

得到测头的准确值，在以后的测量中即可自动进行测头补偿。

测量时，应使所有定义的测头都使用统一的基准，这样在测量过程中使用多个测头完成整个测量过程，就不必考虑测头数据的不一致性问题。

2．基本元素的测量

⑴目的：

基本元素测量是所有测量和其它工作的基础。

所有零件的检测都要通过对基本几何元素的测量来实现。

通过测量得到指定被测基本元素的有关参数值。

⑵功能：

通过此功能可测量指定点、线、面、圆、弧、椭圆、圆柱、圆锥、球、键槽、曲线、曲面等基本元素。

⑶方法：

用鼠标单击”测量”图标，然后单击”被测元素”图标。

工作区将显示该测量元素的标号及测量点数，可根据工作区的提示对测量元素进行删除点、增加点等修改，然后进行测量，即可得到被测基本元素的实际值。

3．”3－2－1”坐标系的建立

⑴目的：

将坐标系的三个轴的方向和坐标原点建立在零件上，用于一些同类零件的程序控制自动测量。

⑵功能：

此功能可建立一个完整的零件坐标系。

3-2-1的含义是：

3（测量第一平面上的三点，软件自动将此平面的法矢作为零件坐标系的第一轴的方向）；2（测量第二平面上的两点直线，再将其投影到第一平面作为第二轴的方向）；1（再测量或通过构造产生一点作为零件坐标系的原点）。

⑶方法：

用鼠标单击零件坐标系的主菜单图标，再单击3-2-1坐标系图标，工作区会显示零件坐标系的每一项信息，可根据需要输入相应的元素作为新的坐标轴和原点。

以上面为例，选择坐标轴的名称，定义二坐标轴的方向及原点的坐标，方法如下：

在工作区的中部有五个小方框，首先用鼠标单击”第一轴”处，此处应变为蓝色，然后用户可根据需要，到工作区最右边显示”坐标轴改变区”处，选择要建立的坐标轴的名称和方向并单击鼠标左键，，蓝色小窗口即显示所选择的坐标轴。

从工作区最左边选择要建立”第一轴”的元素类型，并用鼠标单击，此类元素的所有元素标号便全部显示在工作区，从中选中所需元素的标号，用鼠标双击，此元素的标号便显示在”第一轴”的方框中，此时，”第一轴”的方向便建立了。

建立”第二轴”（工作区中，中间第二个小窗口），用户可用鼠标单击此窗口，使之变为蓝色后，可用同样的方法（建立第一轴）处理。

建立”原点X值”。

如果要改变原点的X坐标，只要在第三个小窗口上单击鼠标左键，该小窗口即变为蓝色。

在工作区最左边，查找所需元素类型，且按下该按钮，该类型所有元素标号都显示在工作区，选择所需要的元素标号，且双击鼠标左键，选择的元素标号，即出现在蓝色小窗口的右边。

此时，零件坐标系的原点的X坐标即确立了。

“原点Y值”、“原点Z值”的方法都参照建立”原点X值”方法。

选择“确认键”按钮，确认已建立的坐标系。

此时，”Coord”窗口显示坐标系的标号，便是此零件坐标系的名称。

4．激光扫描测量

逆向工程又叫反求工程（ReverseEngineering，RE）,是20世纪80年代末期发展起来的一项先进制造技术，是以产品及设备的实物、软件（图样、程序及技术文件等）或影像（图片、照片等）为研究对象，反求出初始的设计意图。

简单地说，逆向就是对存在的实物模型或零件进行测量并根据测量数据重构出事物的CAD模型，进而进行分析、修改、检验、制造的过程。

   逆向工程主要应用于已有的零件的复制、或者是损坏、磨损件的高精度复原。

数字化模型检测等。

   逆向工程技术并不是简单意义的的仿制，而是综合运用现代工业设计的理论方法、工程学、材料学和相关的专业知识，进行系统分析，进而快速开发制造出高附加值、高技术水平的新产品。

逆向工程是基于已有产品设计新产品的技术手段。

与一般“由设计思路→产品”的设计过程不同，逆向工程是“由产品→设计思路”的过程。

在制造领域中，逆向工程是在没有设计图纸或CAD模型的情况下，利用各种数字化技术、CG/CAD技术，根据实物测量数据重构计算机模型，运用现代设计理论、方法对模型进行再设计，并与现代快速制造技术有机结合，最终制造出产品的过程。

在有图纸和CAD模型的情况下，逆向工程还可以应用于模具、样机的检测。

逆向工程作为一种现代产品开发手段，与快速成形、快速模具以及各种数控加工技术相结合，能够大幅度缩短现代产品的开发周期，使企业适应小批量、多品种的生产要求。

逆向工程应用于产品设计时，其首要的步骤是物体表面形状的测量，常用的测量方法有三坐标测量、工业CT,、层析、光学测量等，其中三坐标测量机是最早商品化的测量设备，光学测量是近几年逐渐成熟的测量方法，具有非接触性、速度快、精度高、易于自动控制、造价相对低廉的特点。

经过激光线扫描得到物体表面的离散点集，由离散点集重构物体表面的一般分为去噪、生成点集边界、网格化、曲面生成、数据输出等步骤。

选择正确的测量机硬件的关键因素在于其效率。

根据不同的应用，测量机可配备触发或扫描测头。

尽管触发测头通用性强，但扫描技术能够在同样的时间内采集到更多的点，从而适合于需要采集大量点以确定其形状的复杂零件的逆向设计中。

一般的系统配置包括采用SP600模拟扫描测头，能够对未知三维自由型面进行连续扫描，连续、非接触激光测头（如WIZPROBE），能够快速精确地完成复杂型面尤其是软材料工件的扫描，触发式测头（如TP20和TP200），能够实现对于空间几何量的精确接触测量。

具有强大CAD功能的PC-DMIS通用测量软件，能够根据具体应用需要，采用接触式点触发测头或采用连续扫描测头，进行工件表面点的数据采集，并可采用多种方式实现采集点数据的输出，这包括利用通用的IGES格式和/或VDA格式进行测量数据的导出，以及与CAD/CAM系统的直接连接进行快速输出。

五、思考题

1.测量机系统组成？

“PC-DMIS3.5MR2CAD++”这个字符串中每部分是什么含义？

2.为何要进行测头补偿？

如何补偿？

画出示意图。

3.测头校验的目的是什么？

怎样实现的？

4.简述Hark软件的使用步骤？

5.三维测量技术与快速成型技术、虚拟现实技术，以及三维打印技术的相互联系？

6.结合专业特点和实验实际，谈谈学习三维测量技术的体会？