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三坐标测量机培训教程
三坐标测量机基础
培训教程
无锡职业技术学院
2008年6月
前言
机械设计、制造及检测是机械工程领域的三大技术支柱及研究内容。
随着计算机辅助技术的发展,计算机辅助设计、制造及检测的应用日益普及,尤其是计算机辅助设计和制造技术,在目前的机械类课程教学中起到越来越重要的作用。
随着我国机械工业的迅速发展和市场竞争的日益激烈,计算机辅助检测技术作为提高产品质量的重要手段以及逆向工程技术的发展,也日渐形成为一门独立的学科获得了迅速的发展。
在工业应用上,各种计算机辅助检测工艺及系统推陈出新。
除传统的三坐标测量机外,近几年发展起来许多新的检测工艺如激光扫描测量、影像测量、照相测量等等。
检测设备除传统的台式机外,还涌现了关节臂式、手持式等测量设备。
而目前高校机械工程教学中对检测领域的教学还仅限于传统的工具阶段,虽有“互换性及技术测量基础”,“几何量精度设计与检测”,“形状与位置公差”等与检测相关的课程,但这些课程的教学还局限于传统的游标卡尺、千分尺、水平仪等简单检测工具的教学。
对基于计算机辅助检测技术的新一代高精度、高柔性、数字化的检测原理及工业应用领域几乎没有涉及。
显然这是今后机械和仪器仪表类课程教学和改革中必须加强的内容,以提高学生的实际动手能力和适应社会需要的能力。
本校本教程过小容负责编辑整理,在编写过程中得到了三坐标测量机生产厂家其他有关高等院校和职业技术学院的大力支持与帮助,同时还参阅了几十种相关的书籍及其他文章资料,谨在此予以致谢。
由于编者的水平所限,书中难免存在着缺点或疏漏,恳请批评指正。
第一章计算机辅助检测技术概论
1.1计算机辅助检测的基本概念
1.2计算机辅助检测技术与系统
1.3三坐标测量机
1.4计算机辅助检测技术的应用
1.5计算机辅助检测技术的发展趋势
1.6标准球定义与检验
1.7几何元素构造
第二章三坐标测量软件MWorks-DMIS简介
2.1MWorks-DMIS软件的主要功能特性
2.2MWorks-DMIS软件的安装与启动
2.3MWorks-DMIS软件的用户界面
2.4软件的环境、视图与窗口
第三章三坐标测量机测头系统配置
3.1分步式配置测头系统
3.2向导式创建测头系统
第四章三坐标测量机坐标系的建立与变换
4.1坐标系的建立
4.2坐标系的旋转、平移、清零与转换
4.3坐标系的存储、调用与删除
第五章零件几何特征的测量
5.1点线面测量
5.2圆圆柱圆锥的测量
5.3球椭圆的测量
5.4曲线曲面的测量
5.6点云与数模对比测量
第六章几何特征的构造
6.1求交
6.2平分
6.3拟合
6.4投影
6.5相切到
6.6相切过
6.7垂直过
6.8平行过
6.9移位
第七章零件的公差分析
7.1尺寸公差
7.2形状公差
7.3定位公差
7.4定向公差
7.5跳动公差
7.6截面绑定
7.7数模对比设置
第八章三坐标测量机的测量文件
8.1测量文件的存储与调用
8.2测量文件的编辑与修改
8.3测量文件的重复执行
8.4CAD模型的输入输出
第一章计算机辅助检测技术概论
1.1计算机辅助检测的基本概念
在传统的机械检测领域,游标卡尺、千分尺、螺旋测微仪等工具是手工检测机械零件或装配件的主要工具。
这种检测方式的优点是成本低、检测方便、易学易用,但缺点是检测精度不高、检测效率低、对于复杂零件的检测无能为力。
自上世纪七十年代以来,计算机辅助工程技术获得了迅猛的发展。
在机械工程领域,计算机辅助工程在设计、加工、分析、检测以及制造过程管理方面都获得了广泛的应用,形成了一系列的新兴学科,如计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助分析(CAE)、计算机辅助检测(CAI)、产品数据管理(PDM)等等。
计算机辅助检测是综合利用机电技术、计算机技术、控制及软件技术而发展起来的一项新技术,其特点是测量精度高、测量柔性好、测量效率较高,尤其是对复杂零件的检测,更是传统测量方法所无法比拟的。
经过近几十年的发展,计算机辅助检测系统已经发生了很大的变化。
从测量原理上来看,计算机辅助检测技术已经由当初的接触式测量扩展到非接触以及复合式测量。
测量的设备也由当初唯一的三坐标测量机扩展到目前的激光测量仪、影像(视频)测量仪、照相(摄影)测量仪等检测工艺比较丰富的产品系列。
顾名思义,接触式测量仪就是指测量器具通过与被测工件的表面接触获取物体表面的坐标信息。
接触式测量的典型产品是三坐标测量机。
非接触式测量是指利用工业CCD镜头或激光对物体表面进行测量从而获得物体三维坐标信息的测量工具。
目前此类系统主要有激光测量仪、影像(视频)测量仪、照相(摄影)测量仪等。
复合式测量则是指在同一个测量工具上集成了两种以上的测量方式,如接触式的探针测头和影像测量或激光测量。
1.2计算机辅助检测技术与系统
1.2.1接触式测量系统
接触式测量是指在测量过程中测量工具与被测工件表面直接接触而获得测点位置信息的测量方法。
目前常用的接触测量方法包括:
三坐标测量机、关节臂式柔性三坐标测量机等。
不同的接触式测量方法具有不同的测量原理。
对于三坐标测量机而言,测量机是由三个带有光栅尺的坐标轴组成,当测头在测量过程中移动时,附着在光栅尺上的读书头可以读出移动的光栅格数,由软件将走过的光栅格数根据光栅的分辨率记录并转化为长度值,然后由数据处理软件进行相应的数学运算,求出被测点的位置以及被测几何元素的参数,如圆的半径、直径和圆心位置等。
图1-1给出了工业用三坐标测量机的结构示意图。
对于柔性关节臂三坐标测量机而言,机器的定位采用的是圆光栅,机器的任一关节旋转时,可以根据球坐标系算出测针当前的空间位置。
机器通过数据采集卡将空间位置信息传出,然后由数据处理软件进行处理。
图1-1三坐标测量机
1.2.2非接触式测量系统
非接触式测量是指在测量过程中测量工具与被测工件表面不发生直接接触而获得测点信息的测量方法。
目前常用的非接触测量方法包括:
激光扫描、影像测量、照相测量和工业CT扫描等。
下面简单介绍一下常用的几种工艺方法。
1.2.2.1激光扫描测量
激光扫描测量系统是近二十年来发展起来的一项新的测量工艺,它利用三角测量法的原理,可以迅速获取物体表面的三维几何信息。
三角测量法有被动三角测量和主动三角测量两种,被动三角测量法假设物体自发光;相反,主动三角测量法则是用激光照亮目标。
三角测量的基本原理是由半导体激光器发出的激光通过聚光透镜在被测曲面上结成光点并反射,光敏元件(如PSD)接收其散射光,根据其在PSD上的位置,即可测出被测点的空间坐标。
图1-2给出了被动三角法的测量原理。
图1-2三角法测量原理
激光扫描可以根据激光光源的不同可以分为点扫描和线扫描两种。
一般点扫描获取点的速度在每秒几十点以上。
而线扫描可根据线宽,得到从一万到几万的扫描采点速度。
根据激光扫描系统的机械结构,激光扫描可分为台式、关节臂式以及手持式三种。
台式激光扫描系统与三坐标测量的机械结构类似,有工作台、XYZ坐标轴、光栅尺、运动导轨等,有些测量系统还增加了旋转台,从而使系统的扫描功能获得进一步的增强。
图1-3给出了一种台式和关节臂式激光扫描仪的示意图。
a.台式激光扫描系统b.关节臂式激光扫描系统
图1-3激光扫描系统示意图
关节臂式激光扫描系统是在关节臂式测量系统的基础上增加激光扫描测头而形成的。
关节臂式测量机,又称柔性测量臂,由于机器操作比较灵活,目前在工程上已经广泛应用,如对汽车和飞机内部的测量,生产现场的测量等等。
关节臂式激光扫描系统目前以5、6、7个自由度的设备最多。
1.2.2.2图像测量
图像测量又称CCD测量、影像测量或视频测量。
它通过工业CCD镜头对物体表面扫描和光电转换功能将空间的光强分布转换为时序的图像信号,并根据确定的时空参数间的相互关系获得物体空间分布的状态数据。
图1-4给出了一个完整的CCD图像测量系统。
图1-4影象测量系统示意图
1.2.2.3照相(摄影)测量
照相(摄影)测量是指利用相机对物体多个角度测量得到图像信息,再根据空间物体投影的原理,利用物体表面的标志点信息对物体进行三维空间位置的反算,进而求出物体表面标志点的三维信息。
图1-5给出照相测量的原理图。
首先利用相机对物体表面进行拍摄,从不同角度拍出若干照片。
由软件计算出每张照片中的摄像机的位置。
软件再由每个照片位置计算出三维空间中的光线交叉。
通过使用多个照片,可以获得整
个物体的全部情况。
图1-5照相测量原理示意图
照相测量在大地、建筑、空间测量中比较普及,在机械测量行业中的应用尚不普遍。
近几年来,基于照相测量的技术发展很快,除国际上一些知名的产品外,国内也已经发展起来。
1.2.3复合式测量系统
复合式测量系统是指在同一个测量系统上集成两个以上的测量工艺或方法,常见的复合式测量机有三坐标测量机与激光扫描的集成、三坐标测量机与图像测量的集成,以及上述三种测量工艺的集成等。
复合式测量系统的优点是利用同一台测量机,可以测量一个零件的不同特征,从而使测量的结果更准确,效率更高,并节约机器的购置成本。
比如,对于既有复杂曲面又有典型几何元素形状的机械零件来说,利用三坐标的接触式测量方法和激光测量方法就可以取得较好的测量效果。
而对于一些大量以平面特征为主的零部件来说,图像测量与三坐标的配合则效果会更好。
1.3三坐标测量机
1.3.1三坐标测量机的发展及工作原理
一、三坐标测量机的产生
三坐标测量机(CoordinateMeasurementMachine,简称CMM),又称三坐标测量仪,是
20世纪60年代发展起来的一种新型高效的精密测量仪器。
它的出现,一方面是由于自动机床、数控机床高效率加工以及越来越多复杂形状零件加工需要有快速可靠的测量设备与之配套;另一方面是由于计算机技术、数字控制技术以及精密加工技术的发展为三坐标测量机的产生提供了技术基础。
1960年,英国FERRANTI公司研制成功世界上第一台三坐标测量机,到20世纪60年代末,已有近十个国家的三十多家公司在生产三坐标测量机,不过这一时期的三坐标测量机尚处于技术的发展阶段。
进入20世纪80年代后,以海克斯康、德国蔡氏、英国LK、日本三丰等为代表的众多公司不断采用新的检测技术,推出新的产品,使得三坐标测量机的发展速度加快。
现代三坐标测量机不仅能在计算机控制下完成各种复杂测量,而且可以通过与数控机床交换信息,实现对加工的控制,并且还可以根据测量数据,实现逆向工程。
目前,三坐标测量机已广泛应用于机械制造业、汽车工业、电子工业、航空航天工业和国防工业等各部门,成为现代工业检测和质量控制不可缺少的精密测量设备。
二、三坐标测量机的组成及工作原理
(一)三坐标测量机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、测头系统、电气系统、以及计算机和软件四大部分组成。
(1)机械系统:
一般由三个正交的直线运动轴构成。
如图1-6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。
(2)电气系统:
除机械系统外,三坐标测量系统中的光栅尺、光栅读数头、数据采集卡、自动系统的运动控制卡、接口箱、电缆线、电机等构成了三坐标测量机的电气系统。
(3)测头系统:
测头系统是三坐标测量机的数据采集器,其作用是获取当前坐标位置的
信息。
测头系统按其组成有两类:
机械式测头和电气式测头两种。
(4)计算机和软件系统:
一般由计算机、数据处理软件系统组成,用于获得被测点的坐标数据,并对数据进行计算处理。
6
Y3
2
4
X
5
1
图1-6三坐标测量机的组成原理
1—工作平台2—移动桥架3—中央滑架4—Z轴5—测头6—电气和软件系统
(二)三坐标测量机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1-7所示,要测量工件上一圆柱孔
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,三坐标测量机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,它可以测量任何工件的任何几何元素的任何参数。
Z
A
1I3
OI
2
O
Y
X
图1-7坐标测量原理
三、三坐标测量机的分类
(一)按三坐标测量机的技术水平分类
1.数字显示及打印型这类三坐标测量机主要用于几何尺寸测量,可显示并打印出测得点的坐标数据,但要获得所需的几何尺寸形位误差,还需进行人工运算,其技术水平较低,目前已基本被陶汰。
2.带有计算机进行数据处理型这类三坐标测量机技术水平略高,目前应用较多。
其测量仍为手动或机动,但用计算机处理测量数据,可完成诸如工件安装倾斜的自动校正计算、坐标变换、孔心距计算、偏差值计算等数据处理工作。
3.计算机数字控制型这类三坐标测量机技术水平较高,可像数控机床一样,按照编制好的程序自动测量。
(二)按三坐标测量机的测量范围分类
1.小型坐标测量机
这类三坐标测量机在其最长一个坐标轴方向(一般为X轴方向)上的测量范围小于500mm,主要用于小型精密模具、工具和刀具等的测量。
2.中型坐标测量机
这类三坐标测量机在其最长一个坐标轴方向上的测量范围为500~2000mm,是应用最多的机型,主要用于箱体、模具类零件的测量。
3.大型坐标测量机
这类三坐标测量机在其最长一个坐标轴方向上的测量范围大于2000mm,主要用于汽车与发动机外壳、航空发动机叶片等大型零件的测量。
(三)按三坐标测量机的精度分类
1.精密型三坐标测量机
其单轴最大测量不确定度小于1×10-6L(L为最大量程,单位为mm),空间最大测量不确定度小于(2~3)×10-6L,一般放在具有恒温条件的计量室内,用于精密测量。
2.中、低精度三坐标测量机
低精度三坐标测量机的单轴最大测量不确定度大体在1×10-4L左右,空间最大测量不确定度为(2~3)×10-4L,中等精度三坐标测量机的单轴最大测量不确定度约为1×10-5L,空间最大测量不确定度为(2~3)×10-5L。
这类三坐标测量机一般放在生产车间内,用于生产过程检测。
(四)按三坐标测量机的结构形式分类按照结构形式,三坐标测量机可分为移动桥式、固定桥式、龙门式、悬臂式、立柱式等,见下节。
1.3.2三坐标测量机的机械结构
一、结构形式三坐标测量机是由三个正交的直线运动轴构成的,这三个坐标轴的相互配置位置(即总体
结构形式)对测量机的精度以及对被测工件的适用性影响较大。
图1-8是目前常见的几种三坐标测量机结构形式,下面对其结构特点和应用范围作简要介绍。
图1-8a为移动桥式结构,它是目前应用最广泛的一种结构形式,其结构简单,敞开性好,工件安装在固定工作台上,承载能力强。
但这种结构的X向驱动位于桥框一侧,桥框移动时易产生绕Z轴偏摆,而该结构的X向标尺也位于桥框一侧,在Y向存在较大的阿贝臂,这种偏摆会引起较大的阿贝误差,因而该结构主要用于中等精度的中小机型。
图1-8b为固定桥式结构,其桥框固定不动,X向标尺和驱动机构可安装在工作台下方中部,阿贝臂及工作台绕Z轴偏摆小,其主要部件的运动稳定性好,运动误差小,适用于高精度测量,但工作台负载能力小,结构敞开性不好,主要用于高精度的中小机型。
图1-8c为中心门移动式结构,结构比较复杂,敞开性一般,兼具移动桥式结构承载能力强和固定桥式结构精度高的优点,适用于高精度、中型尺寸以下机型。
图1-8d为龙门式结构,它与移动桥式结构的主要区别是它的移动部分只是横梁,移动部分质量小,整个结构刚性好,三个坐标测量范围较大时也可保证测量精度,适用于大机型,缺
点是立柱限制了工件装卸,单侧驱动时仍会带来较大的阿贝误差,而双侧驱动方式在技术上较为复杂,只有Y向跨距很大、对精度要求较高的大型测量机才采用。
图1-8e为悬臂式结构,结构简单,具有很好的敞开性,但当滑架在悬臂上作Y向运动时,会使悬臂的变形发生变化,故测量精度不高,一般用于测量精度要求不太高的小型测量机。
ZZZ
X
YY
XYX
(a)
(b)
(c)
ZZ
XYXYZ
Y
X
(d)(e)
(f)
Z
Z
Z
Y
XXXYY
(g)
(h)
(i)
(a)移动桥式(b)固定桥式(c)中心门移动式(d)龙门式(e)悬臂式(f)单柱移动式(g)单柱固定式(h)横臂立柱式(i)横臂工作台移动式
图1-8三坐标测量机的结构形式
图1-8f为单柱移动式结构,也称为仪器台式结构,它是在工具显微镜的结构基础上发展起来的。
其优点是操作方便、测量精度高,但结构复杂,测量范围小,适用于高精度的小型数控机型。
图1-8g为单柱固定式结构,它是在坐标镗的基础上发展起来的。
其结构牢靠、敞开性较好,但工件的重量对工作台运动有影响,同时两维平动工作台行程不可能太大,因此仅用于测量精度中等的中小型测量机。
图1-8h为横臂立柱式结构,也称为水平臂式结构,在汽车工业中有广泛应用。
其结构简单、敞开性好,尺寸也可以较大,但因横臂前后伸出时会产生较大变形,故测量精度不高,用于中、大型机型。
图1-8i为横臂工作台移动式结构,其敞开性较好,横臂部件质量较小,但工作台承载有限,在两个方向上运动范围较小,适用于中等精度的中小机型。
二、工作台早期的三坐标测量机的工作台一般是由铸铁或铸钢制成的,但近年来,各生产厂家已广泛采用花岗岩来制造工作台,这是因为花岗岩变形小、稳定性好、耐磨损、不生锈,且价格低廉、易于加工。
有些测量机装有可升降的工作台,以扩大Z轴的测量范围,还有些测量机备有旋转工作台,以扩大测量功能。
三、导轨导轨是测量机的导向装置,直接影响测量机的精度,因而要求其具有较高的直线性精度。
在三坐标测量机上使用的导轨有滑动导轨、滚动导轨和气浮导轨,但常用的为滑动导轨和气浮导轨,滚动导轨应用较少,因为滚动导轨的耐磨性较差,刚度也较滑动导轨低。
在早期的三坐标测量机中,许多机型采用的是滑动导轨。
滑动导轨精度高,承载能力强,但摩擦阻力大,易磨损,低速运行时易产生爬行,也不易在高速下运行,有逐步被气浮导轨取代的趋势。
目前,多数三坐标测量机已采用空气静压导轨(又称为气浮导轨、气垫导轨),它具有许多优点,如制造简单、精度高、摩擦力极小、工作平稳等。
6A-A
5
4
3
AA
2
1
图1-9三坐标测量机气浮导轨的结构
1—工作台2—气垫3—滚轮4—压缩弹簧5—导向块6—桥架
图1-9给出的是一移动桥式结构三坐标测量机气浮导轨的结构示意图,其结构中有六个气垫2(水平面四个,侧面两个),使得整个桥架浮起。
滚轮3受压缩弹簧4的压力作用而与导向块5紧贴,由弹簧力保证气垫在工作状态下与导轨导向面之间的间隙。
当桥架6移动时,若产生扭动,则使气垫与导轨面之间的间隙量发生变化,其压力也随之变化,从而造成瞬时的不平衡状态,但在弹簧力的作用下会重新达到平衡,使之稳定地保持10μm的间隙量,以保证桥架的运动精度。
气浮导轨的进气压力一般为3~6个大气压,要求有稳压装置。
气浮技术的发展使三坐标测量机在加工周期和精度方面均有很大的突破。
目前不少生产厂在寻找高强度轻型材料作为导轨材料,有些生产厂已选用陶瓷或高膜量型的碳素纤维作为移动桥架和横梁上运动部件的材料。
另外,为了加速热传导,减少热变形,ZEISS公司采用带涂层的抗时效合金来制造导轨,使其时效变形极小且使其各部分的温度更加趋于均匀一致,从而使整机的测量精度得到了提高,而对环境温度的要求却又可以放宽些。
1.3.3三坐标测量机的测量系统
三坐标测量机的测量系统由标尺系统和测头系统构成,它们是三坐标测量机的关键组成部分,决定着三坐标测量机测量精度的高低。
一、标尺系统标尺系统是用来度量各轴的坐标数值的,目前三坐标测量机上使用的标尺系统种类很多,它们与在各种机床和仪器上使用的标尺系统大致相同,按其性质可以分为机械式标尺系统(如精密丝杠加微分鼓轮,精密齿条及齿轮,滚动直尺)、光学式标尺系统(如光学读数刻线尺,光学编码器,光栅,激光干涉仪)和电气式标尺系统(如感应同步器,磁栅)。
根据对国内外生产三坐标测量机所使用的标尺系统的统计分析可知,使用最多的是光栅,其次是感应同步器和光学编码器。
有些高精度三坐标测量机的标尺系统采用了激光干涉仪。
二、测头系统
(一)测头三坐标测量机是用测头来拾取信号的,因而测头的性能直接影响测量精度和测量效率,没有先进的测头就无法充分发挥测量机的功能。
在三坐标测量机上使用的测头,按结构原理可分为机械式、光学式和电气式等;而按测量方法又可分为接触式和非接触式两类。
1.机械接触式测头机械接触式测头为刚性测头,根据其触测部位的形状,可以分为圆锥形测头、圆柱形测头、球形测头、半圆形测头、点测头、V型块测头等(如图1-10所示)。
这类测头的形状简单,制造容易,但是测量力的大小取决于操作者的经验和技能,因此测量精度差、效率低。
目前除少数手动测量机还采用此种测头外,绝大多数测量机已不再使用这类测头。
(a)(b)(c)(d)(e)(f)
(a)圆锥形测头(b)圆柱形测头(c)球形测头(d)半圆形测头(e)点测头(f)V型块测头
图1-10机械接触式测头
2.电气接触式测头电气接触式测头目前已为绝大部分坐标测量机所采用,按其工作原理可分为动态测头和静态测头。
(1)动态测头
常用动态测头的结构如图1-11所示。
测杆安装在芯体上,而芯体则通过三个沿圆周1200分布的钢球安放在三对触点上,当测杆没有受到测量力时,芯体上的钢球与三对触点均保持接触,当测杆的球状端部与工件接触时,不论受到X、Y、Z哪个方向的接触力,至少会引起一个钢球与触点脱离接
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