三坐标测量技术课程

三坐标测量技术课程内容摘要：

课程总结 2 合计 40 40 教学环节 教学时数 课程内容 实训 9 二 、 三坐标测量基础知识 测量机的基 本组成 测量机由机械系统、电气系统、软件系统组成。 现代测量机的特点： （ 1）高精度、高性能； （ 2）高速度 /高效率 （ 3）高性能价格比； （ 4）适应于车间环境； 主机 结构 主机 （ 1） 按结构形式可以分桥式、悬臂式、龙门式等； （ 2） 按传动方式：气浮式传动、丝杆传动； 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，外罩等组成； 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，是测量机精度长期稳定的保证； 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； 电气系统 电气系统包括：光栅系统、驱动系统、控制器、测头系统； 光栅系统： （ 1） 是提高测量机精度的保证，分辨率一般为 或 ， （ 2） 获得三轴的空间坐标； 驱动系统：一般采用直流伺服驱动，特点传动平稳，功率较小； 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） 目前控制器的发展方向：模块化、数字化、支持 I++协议，通用化； 测头 系统： （ 1） 是测量机的核心部件，精度的保证，精度 ； （ 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； 软件系统 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。 10 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； 专用测量模块：一般包 括齿轮测量模块，凸轮测量模块、叶片模块； 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 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 15 176。 分度从 0 176。 旋转到 90 176。 ， B 角以 15 176。 分度从－ 180 176。 旋转到 180 176。 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。 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，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。 11 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。 矢量和余弦误差 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 = ， J = ， 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。 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，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： 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，φ，θ来确定，其中 r 为原点 O 与点 P 间的距离，θ为有向线段与 z 轴正向 12 所夹的角，φ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，φ，θ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。