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1、逆向工程技术,杨雪荣,内 容,三坐标测量机的发展历程 三坐标测量机的类型和组成 测量方法分析 三坐标测量机应用 三坐标测量机的发展趋势,一、三坐标测量机的发展历程,前言,三坐标测量机（CMM）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；另一方面是由于电子技术、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。,三坐标测量机是一种高效率的新型精密测量仪器。它广泛地用于机械制造、电 子、汽车和航空航天等工业中。它可以进行零件和 部件的尺寸、形状
2、及相互位置的检测。由于它的通 用性强、测量范围大、精度高、效率高、性能好、 能与柔性制造系统相连接，已成为一类大型精密仪 器，有“测量中心”之称。 优点： 通用性强测量精度可靠可方便地进行数据处理和程序控制。,三坐标测量机的发展 随着工业现代化进程的发展，伴随着众多制造业如汽车业等大规模生产的需要，在加工设备 提高功效、自动化更强的基础上，要求计量检测 手段应当高速、柔性化、通用化，而固定的、专 用的或手动的工量具大大限制了大批量制造和复 杂零件加工业的发展。三维测量是基于以下的客观要求而发展起来的。 越来越多的工件需要进行空间三维测量； 加工精度不断提高； 实现反向工程的需要。,二、三坐标测
3、量机的类型和组成,1、三坐标测量机工作原理 三坐标测量机工作原理是将被测物体置于三坐标测量机的测量空间，可获得被测物体上各测 点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经过 数学运算，求出被测的几何尺寸、形状和位置。,2、三坐标测量机的类型,1）按自动化程度分类 (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，目前已基本被淘汰。(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。(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
4、序自动测量。,2）按结构形式分类 按结构形式可分为移动桥式、固定桥式、龙门式、悬臂式、水平臂式、坐标镗式、卧镗式和仪器台式等。,桥框式三坐标测量机,移动桥式主要特点是结构简单、紧凑、刚 度好，具有较开阔的 空间。工作台固定， 承载能力强，工件质 量对测量机的的动态 性能没有影响。 固定桥式结构刚度很好，容易保证较高的精度。,龙门式三坐标测量机,龙门式三坐标测量机的移动部分只是横梁 在移动。Z向尺寸很大，有利于减小活动部分的质量。适用于大型三坐标测量机， 结构远比移动桥式复杂。,水平臂式三坐标测量机,水平臂式三坐标测量机，又称地轨式三坐标测量机，在汽车工业中有广泛应用。这种测量 机结构简单、空间
5、开阔，但水平臂变形大。 常用于画线，也称三坐标划线机。,立柱式三坐标测量机,立柱式三坐标测量机是在坐标镗基础上发 展起来的。结构牢靠、 精度高，可将加工与 检测合为一体。,关节臂式三坐标测量机,3）按测量精度分类 划分标准按测量机单轴和空间最大测量不确定度大体上可划分为： 低精度分别约为1x10-4L和（23）x10-4L，其中L为最大量程； 中等精度分别约为1x10-5L和（23）x10-5L； 精密型的则分别小于1x10-6L和（23）x10-6L。一般放在具有恒温条件的计量室内，用于精密测量。,3、三坐标测量机的组成,坐标测量机可分为主机、测头系统、 控制系统和测量软件四大部分。 （1）
6、主机 框架结构 标尺系统 导轨 驱动装置 平衡部件,（2）测头系统 测头是坐标测量机触测被测零件的发讯开关, 是坐标测量机的关键部件，测头精度的高低决定了坐标测量机的测量重复性。三坐标测量机的功能、工作效率、精度与测头密切相关。三坐标测头的两大基本功能是测微和触发瞄准。,测头的分类 按结构原理，测头可分为机械式、光学式和电气式。 按测量方法，测头可分为接触式和非接触式。 测头系统的组成 测头系统包括分度测座、测头及其附件，其附件包括测杆、加长杆和探针。,（3）控制系统 功能： 读取空间坐标值，对测头信号进行实时响应与处理，控制机械系统实现测量所必需的运动，实时监测坐标测量机的状态以保证整个系统
7、的安全性与可靠性，有的还包括对坐标测量机进行几何误差与温度误差补偿以提高测量机的测量精度。,随着计算机技术及数控技术的发展，CNC型控制系统变得日益普及，高精度、高速度、智能化成为坐标测量机发展的主要趋势。 控制系统主要包括： - 空间坐标测量控制； - 测头系统及其控制； - 测量进给控制； - 控制系统的通信； - 坐标测量机的安全保证系统和控制系统的软件。,（4）测量软件 测量机本体只是提取零件表面空间坐标 点的工具。测量机精度在很大程度上依赖 于软件。测量机软件成为决定测量机性能 的主要因素。 测量软件从功能上可以分成以下几类： 通用测量软件 专用测量评价软件 附加功能软件,测量软件功
8、能与应用的分类有以下几方面。 箱体类零件 自由曲面类零件 特定形 面类零件 反求测量 测量编程的模式： 联机编程 脱机编程 自动编程。,三、三坐标测量机软件应用PC-DMIS,三、三坐标测量机软件应用PC-DMIS,PC-DMIS测量软件介绍 PRO：基本测量 PC-DMIS: CAD：CAD数模导入功能 CAD+：加强对钣金件测量和扫描功能,三坐标测量机技术的测量过程 选定并校正测头建立零件坐标系测量基本元素计算所需结果输出测量结果,（1）选定并校验测头 定义测头文件名 添加角度 检验测头 特殊测针的校验,测座和触发测头,测座的A角以7.5 分度从0 旋转到105 ,A 角旋转,关节旋转测座
9、,关节旋转测座,B角从-180 到180 以7.5 的分度(按顺时针、逆时针)旋转,B 角旋转,正如TP20这样的机械测头，包括3个电子接触器，当测杆接触物体使测杆偏斜时，至少有一個接触器断开，此时机器的X、Y、Z光柵被读出。这组数值表示此时的测杆球心位置。,接触器断开,关节旋转测座,测头校正,广东工业大学,测头校正,已知直径并且可以溯源到国家基准的标准器。,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。,未知直径和位置的测头,广东工业大学,测头校正,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
10、计算每个测量点所组成的直径与已知直径的差值,有效测头半径,运行 PC-DMIS,运行 PcDmis,PcDmis 文件管理器界面,运行 PcDmis,选择这一图标可以产生一个新文件夹,运行 PcDmis,这个新文件夹可以改名为用户名或操作员姓名,运行 PcDmis,运行 PcDmis,产生测头文件,广东工业大学,产生测头文件,输入测头文件名，然后按回车键，这时测头没被定义显示为高亮度。,第一步,广东工业大学,产生测头文件,从清单中选择测座类型,第二步,从这里用鼠标单击下拉菜单,广东工业大学,产生测头文件,从清单中选择测头附件,第三步,广东工业大学,产生测头文件,从清单中选择相应的传感器如： T
11、p20, Tp200等,第四步,广东工业大学,产生测头文件,从测头清单中选择所用的测杆，如：4 *20 （直径、长度）,第五步,广东工业大学,产生测头文件,定义结束时测头系统的配置完全图示化显示出来。,第六步,从加入测头角度按钮输入测头角度。,广东工业大学,产生测头文件,需要追加其它角度，可通过输入每一个A、B角，然后对其进行校验测量。,第七步,如果需要多组复合角度，可以通过A、B角的起始角，它们的增量和终止角的输入来实现。,广东工业大学,产生测头文件,第八步,当所需的测头位置全部输入后，选择“测量”。,广东工业大学,产生测头文件,选择手动或自动校验测头。,第九步,输入测量标准球的点数。,单击
12、“测量”按钮进行测头校验。,（2）建立零件坐标系 坐标系的建立是后续测量的基础，建立了错误的坐标系将导致测量错误的尺寸，因此建立一个正确的参考方向即坐标系 是非常关键和重要的。,直角坐标系,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。,直角坐标系,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組X、Y、Z值来定义。,直角坐标系,实例 1 测量点的坐标分别是:,X = 10 Y = 5 Z = 5,直角坐标系,X = 0 Y = 0 Z = 5,实例 2 测量点的坐标分别是:,直角坐标系,X = 10 Y = 10
13、 Z = 0,X,Z,0,Y,| | | | | | | |,10 5,10,5,5 10,实例 3 测量点的坐标分别是:,直角坐标系,（2）建立零件坐标系方法 3-2-1法 适用：PCS的原点在工件本身、机器的行程范围内能找到的工件。 方法：平面/直线/点、平面/直线/直线/、平面/ 圆/圆/、平面/直线/圆 步骤：平面找正、直线旋转、点原点,迭代法 适用：曲线、曲面类零件；零件坐标系的原点不在工件本身。 方法：六点法、三点两圆、三圆、五点一圆 最佳拟合法 条件：有CAD数模，有三个以上确定点,零件坐标系的意义 找正零件（零件的放置与机器坐标系不平行） 建立零件基准； 指出零件放置的位置，运
14、行程序； 使零件与CAD模型坐标系一致； 零件坐标系可以根据需要建立若干个。,建立零件坐标系的原则 遵循原则：右手螺旋法则 右手螺旋法则：拇指指向绕着的轴的正方向，顺着四指旋转的方向角度为正，反之为负。 采集特征元素时，要注意保证最大范围包容所测元素并均匀分布；,零件找正,零件找正,零件找正,零件找正,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。,建立零件坐标系时需要做三件事： 找正 (用任何元素的方向矢量）。找正元素控制了工作平面的方向。 旋转坐标轴 (用所测量元素的方向矢量). 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。 原点
15、(任意测量元素或将其设为零点的定义了X、Y、Z值的元素)。,机器坐标轴方向。,所需的零件坐标系,零件找正,X,Z,Y,找正元素 = 平面 旋转轴线 = 直线 原点元素 = 圆,零件找正,步骤 1 :找正Z轴并将Z的原点平移到此平面上。,步骤2 : 将X轴旋转到平行于线的方向。,步骤3 : 将X、Y的原点平移到圆上。,Z,X,Y,X,Z,Y,建立零件坐标系,建立零件坐标系,测量3点确立一个平面。,测量2点确定一条直线。,在侧平面测量一点。,从工具栏选择“工具”菜单。,然后选择零件找正。,建立零件坐标系,从特征元素清单中选择,Plane1 Line1 Point1,建立零件坐标系,单击“找正”按钮
16、,建立零件坐标系,PcDmis将找正PLN1。 将坐标轴旋转到平行于直线LNE1的方向。 将 X 原点设置到PNT1。 将 Y 设置到 LN1 。 将 Z设置到PLN1,选择要找正的坐标轴,选择要旋转的轴,选择元素建立原点.,（3）测量基本元素 PC-DMIS的几个概念 标称值是指实际工件的理论值， 测定值是指工件的实际测量值； 正、负公差是指根据具体的要求而设定的公差范围 偏差是指测定值与标称值的差值； 超差是指偏差与公差的差值。,矢量：当长度为“1”的空间矢量投影到空间坐标系的三个坐标轴上时，相对应有三个投影矢量。这三个投影矢量的数值与对应轴分别为 i，j，k。,矢量,特征元素的方向和测头的逼近方向体现了测量点的方向矢量。矢
