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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%-25%左右，发
2、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、国防军工、电子和模
3、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）高速度/高效率（3）高性能
4、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，气路系统必须包括气源处理模块，是
5、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，把设备实时状态信息传输给软件。（3） 目前
6、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，输出文本检测报告；3、 专
7、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，实时的锁存被测表面坐标点的三
8、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两个旋转角度，A角以15 分度
9、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。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，
10、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
11、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，
12、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：
13、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
14、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
