三坐标测量基础知识剖析

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1、三坐标测量基础知识,前言,三座标测量是焊装白车身几何尺寸监控的重要手段，随着公司发展，3D测量也纳入了冲压零件的质量监控范围。可以说伴随着每个工厂的开工建设， 3D测量间是同步开工的。也就是说，所有的焊装车身和冲压零件几何尺寸分析都离不开3D测量数据。因此，掌握一些三座标测量原理，了解如何分析阅读3D的测量报告，如何提出测量需求，对于每一个质量分析人员是十分有必要的。,学 习 要 点,1.明确三坐标测量的基础理论 2.三坐标测量报告的解读和应用 3.坐标系的建立方法初步的认识,1.0 坐标测量技术的原理,任何形状都是由空间点组成，所有的几何测量都可以归结为空间点的测量，因此精确进行点坐标的采集

2、，是评定任何几何形状的基础。,1.1 三坐标测量的分类,1.按测量方式分类 分接触式测量和非接触式测量（激光测量仪） 2.按测量机的结构分类 可以概括为悬臂式、台式、桥式、龙门式 、便携式（关节臂）,悬臂式测量机,龙门式测量机,1.2 测量工具的选择,选用测量工具注意事项： 精度（三座标机因为机械加工的客观因素和用途不一样，精度当然也是不一样的。） 悬臂测量不确定度 ：MPEE 18+20L/1000 m测量行程 龙门测量不确定度 ： MPEE 8+9L/1000 m测量行程 测量环境 测量速度和效率,1.3.测量机适用范围,1、大型悬臂式的手动3D测量机 整车及其他大型零件总成的非重复批量性

3、测量、检具的标定 2、大型悬臂式的自动3D测量机 整车及其他大型零件总成的重复批量性测量 3、中型龙门式自动3D测量机 中、小零件重复批量性测量 4、便携式激光测量仪 现场大型夹具、成型机的测量 5、便携式手动测量仪 现场中小型夹具、检具的测量,1.4测量软件介绍-目前武汉工厂全部使用Metrolog软件，整体界面如下。,定义、测量、构造三大功能,定义,测量,构造,1.5基本测量流程 ：,准备工作,测量,包括数模、测量基准、测量元素，料厚信息要明确，具备测量支架，明确零件装夹方式等,评价,包含建立基准、定义理论值和构造,出报告,距离、角度、形位公差等,PDF、TXT或其他,2 什么是三坐标?,

4、物体的长度测量是以点的坐标为基础的，它分为空间一维、二维、三维测量，三坐标就在X、Y、Z轴三个坐标位置的具体数值，根据这些点的数值经过计算机数据处理，从而得到被测零件的几何尺寸、形状偏差、位置偏差。,1.2 汽车车身坐标系的原点和方向,原点在车身 前桥轴线的中 点上，向后为 X+，向右为 Y+，向上为Z+,标准 PSA B180050 标准 ISO 4130,1.4 基准和基准系的定义,标准：ISO 5459 + A32 2125 + 出自“车身零件几何鉴定”文件的E-299 基准是一个使被测要素与之相关的几何组件。 基准系（参照系）是数个处于精确理论位置上的几何组件的集合，被测要素与它相关。

5、,1.4一维坐标轴（基础 ）,简称数轴,坐标值为根据坐标轴上某一点对应该轴的位置测得的代数值，数值可以为正值，也可以为负值 。,物理意义：用来描述物体在某一方向上的长度值。,同样的，二维坐标轴由同一平面两条垂直相交而来，是解析几何的基础，描述几何点在某一平面上的位置。,三坐标参照系是由空间三维坐标系标准正交而来（ 3 个矢量 XYZ两两垂直）是一个计算坐标的数学系统。（是一个计算坐标的数学系统。它的所有三条轴的单位完全相同且每条轴之间的两两夹角皆为90）,三坐标系用（O，X，Y，Z）表示。,1.7 点 :,用一个示标准正交三维坐标系(O, X, Y, Z)中的三轴坐标值（x,y,z）表示： 例

6、如 : 点M1的坐标为 X1, Y1, Z1,1.8 “矢量“差 (VG),实际表面与相应的理论表面之差，表示为理论表面的一个法向矢量，该矢量的方向从理论表面指向实际表面。 该矢量差依据协定，在从公差表面指向材料外表面时为正值，从公差表面指向材料内表面时为负值。,1.9 距离 :,连接两个点间 的线段的长度。 它总是正值. 例如 : 点M1和点M2之间 的距离d等于 : d= (x2 - x1)2 + (y2 -y1)2 + (z2 - z1)2,2.1 测量报告的类型,Process工序尺寸 Produit产品尺寸 Mixtes混合尺寸,2.2 检具的检定报告,检具的测量和夹具的测量原理相同

7、，先测量检具或夹具的基准，根据图纸提供的条件建立检具或夹具的坐标系，然后对检具或夹具的定位销和定位面进行测量。 根据图纸或验收要求对比测量结果判断是否满足使用要求。,3.1 为什么创建参考系?,果不查参考系，那么只有机器的坐标系。 例如，测量一个下面的零件： 在机器坐标系中圆的坐标是Xc, Yc, Zc；这些点与图纸中的定义尺寸A和B 完全无关。,Metrolog II 可以让你用这些点创建一个新的三维系统，并使其对应于图纸的标称值。 在这个例子中，按零件建立的坐标系用坐标直接给出了A和B的尺寸。,3.2 夹具和检具基准,3.2.1 通过垫块,3.2.2 通过参考垫块 凸台或加工 基准缩进 5

8、mm，以避免基准损坏,3.2.3 通过小球: 作基准用的小球通过使用钻套放置在检验平台上,3.3 建立参考系几种方法,3-2-1建立参考系 几何法建立参考系 三个中心点建立参考系 六个曲面点建立参考系 基准元素建立参考系 最佳拟合建立参考系,3.3.1 3-2-1建立参考系,这种建立参考系方法的原则是，通过在基准表面上采集六个点，从而创建参考系。,上图的例子中，点1, 2, 3 设定 了X方向，这些点的坐标位置是 X=-100， 点4, 5 设定了Y 方向坐标是 Y=45， 点 6 设定了Z方向是 Z=50. 选择3-2-1构建坐标系时，显示右侧 的对话框： 照窗口中的顺序采集六个点，并确认。

9、 参考系显示出来。,按钮设定表面的法向矢量方向， 如果采集点表面的法向矢量方向与 参考系轴的方向一致，则符号为+ 。如果采集点表面的法向矢量方与 参考系轴的方向相反，则符号为-。,3.3.2 几何法建立参考系,Metrolog II 使用已经测量的元素计算出几何方法的参考系。 例如使用下面的元素： 测量平面Plan1， 直线line2 测量 并投影在Plan1上， 直线line3 测量 并投影在Plan1上， 点poin4 line2 与 line3相交的构造点。,选择此功能时，显示下面的对话框： 输入参考系的名称。 建立参考系的基准元素 坐标系的平移 坐标系的旋转,圆柱和圆锥可以被认为是轴，

10、用于指定方向。球和圆可以被认为是 点，用于定义位置。平面的方向由其法向矢量决定。 一般情况下，如果设计图上没有特别指定构建坐标系的方法，而且 几何公差和尺寸也没有参照物，那么就用最好的工作表面作为主要 的基准方向，该面应该尽可能的大，或者使用一个圆柱转轴，如果 它作为基准足够长。,3.3.3 三个中心点建立参考系,这种类型的参考系，也称谓三点参考系法，通过测量三个元素对应于三个点 (可以是球、圆或点)，在即将创建的参考系中它们的理论坐标值是已知的。 注意：这种类型的参考系完全是计算的结果，如果理论坐标值符号或小数点出现错误，参考系就完全无意义了。 1：三个元素不能成直线状态，否则建立的参考系精

11、度会很差。 2：如果用点元素构建参考系，这些点元素最好是构造的，因为测量点的精度是不足以用于建立参考系的。,指定三个元素，在每个元素 名的上面的图标显示元素的 类型。 给出每个元素的理论坐标值。,3.3.4 六个曲面点建立参考系,这种类型的参考系必须在屏幕上有CAD模型是才能建立。通过联结CAD模型上的定义点和零件上相似位置的测量点，找正零件。 如果可能，这些参考点应该定义出一个坐标系。下面的例子， 点1-2-3, 4-5, 6.,最上面的区域输入参考系的名称 然后选取建立参考系的六个点。 使用鼠标点击CAD模型上预想的点。定义 正确的理论值。 六个点定义完成后，用测量机按照顺序测 量所有的点

12、。 最后点击创建，构建出坐标系。,3.3.5 基准元素建立参考系,此功能利用基准元素对应于一个或几个坐标轴的方法建立参考系。Metrolog 找正参考元素的实际测量坐标与理论坐标。（坐标系直观）,参考系的名称； 基准元素；必须是测量 的元素并可以被认为是 一个点（点、圆及球）； 基准元素设定的坐标轴； 如果遵守了坐标系建立 的法则，Create按钮变 为可使用。,3.3.6 最佳拟合建立参考系,执行此功能时，参照工作任务中现有的参考系的理论值，得到优化的参考系。 调整参考系只是提供了几何变化，即参考系按照坐标轴进行平移和旋转。另一方面，参考系的优化也就是调整零件表现出的偏差，对偏差进行优化。,

13、在Best fit 对话框中选择 Calculate Best fit ，结果 的数字值是参考系旋转和平 移的值，这些值使得优化的 参考系得到最小的偏差。 点击 Accept，通过对源参考 系的转换，优化参考系PCS1 后创建了参考系PCS2 。 注意：对于一个优化值，比 如一个平移值，并不是将源 参考系对应于优化参考系的 平移值。实际上，是将两个 参考系的相关坐标和方向都 参与了计算的结果。,3.4自动测量的实现及优点,自动测量具有测量速度快，劳动强度低，人为因素干扰小，重复性好等优点，适合大批量复杂零件的测量。 实现自动测量要具备以下几个条件： 1、测量设备可以自动测量。 2、编好了测量程

14、序。 3、零件装夹位置固定。 4、测头校准球位置固定。 其中1、2两点便于理解，3、4两点作用是让零件在机器坐标系（MCS）下位置固定。下面详细解释3、4两点。,3.4.1装夹位置的固定,为了让零件在机器坐标系下具有固定的位置，必须让零件的装夹位置固定。我们通过测量支架来实现这一功能。零件在支架上的装配位置固定，支架在三坐标设备平台上的装配位置固定。从而使零件相对与测量设备是固定的。,3.4.2 测头校准球位置固定,为了让测量设备在机器坐标系（MCS）下能够准确找到固定好的零件，我们需要将MCS也固定下来。这可以通过固定校准球的位置来实现。,2.5测头校准原理与实际意义,在自动测量中，测头可以

15、进行旋转，而具有多种姿态。不同姿态时测量同一个位置得到的光栅读数是不一样的。 因为不同的姿态的测头在XYZ三个光栅方向上运动时的轨迹是相同的，因此坐标轴的方向不需要校准。故而实际上不同姿态的机器坐标系之间的关系是平移的关系。因此我们可以通过让所有的姿态测量统一位置的小球，把所有姿态的机器坐标系原点都定义在小球上，就可以统一所有的机器坐标系。在此基础上，就可以在测量过程中随意旋转测头了。这一过程称为“测头校准”,2.6测量需求应避免的问题,测量需求应避免以下常见问题： 1、缺少基准元素列表，或者基准与实际想考察的状态不符。 2、形位公差表达错误。 3、数模不全、料厚方向不清楚。,2.7测量报告的分析,拿到一份测量报告，应按以下顺序解读： 1、检查基准元素是否符合要求。 2、边缘点等特殊元素测量是否正确 。 3、曲面点的投影面是否正确。,