1、三坐標培訓教程,質量檢查部 楊書營 2011-08-19,坐標測量基礎知識 了解為什么并且如何進行測頭校正 完全理解如何建立零件坐標系 學會如何編制零件的測量程式 從頭到尾編制合理的有條理的工件測量程式,課 程 目 標,六個良好測量實踐的原則,正確的測量：測量僅應當滿足已經協(xié)議的并且進行了很好定義的要求。 正確的工具：應當采用合適的設備和方法進行測量，這些都經過論證并適合于工作的目的。 正確的人員：測量人員應當是能勝任工作的、合格的和了解所要做工作重要程度的。 定期的回顧：應當既有內部的，亦有獨立的部門對所有測量設施和過程的技術性能作出評估。 論證的一致性：在一個地方測量應當與在其他地方進行測

2、量一致。 正確的過程：所有的測量的過程應當經深思熟慮并與國家或國際標準相一致。,三坐標測量機系統(tǒng)的初步認識,三坐標測量機是60年代后期發(fā)展起來的一種高效的新型精密測量設備，目前被廣泛應用于機械、電子、汽車、飛機等工業(yè)部門，它不僅用于測量各種機械零件、模具等的形狀尺寸、孔位、孔中心距以及各種形狀的輪廓，特別適用于測量帶有空間曲面的工件。由于三坐標測量機具有高準確度、高效率、測量范圍大的優(yōu)點，已成為幾何量測量儀器的一個主要發(fā)展方向。,三坐標測量機的測量過程,是由測頭通過三個坐標軸導軌在三個空間方向自由移動實現(xiàn)的，在測量范圍內可到達任意一個測點。三個軸的測量系統(tǒng)可以測出測點在X，Y，Z三個方向上的精

3、確坐標位置。根據被測幾何型面上若干個測點的坐標值即可計算出待測的幾何尺寸和形位誤差。另外，在測量工作臺上，還可以配置繞Z 軸旋轉的分度轉臺和繞X 軸旋轉的帶頂尖座的分度頭，以方便螺紋、齒輪、凸輪等的測量。,精密型萬能測量機（UMM）：是一種計量型三坐標測量機，其精度可以達到1.5 m+2L/1000，一般放在有恒溫條件的計量室內，用于精密測量，分辨率為0.5m，1或2m，也有達0.2m或0.1m的。 生產型測量機（CMM）：一般放在生產車間，用于生產過程的檢測，并可進行末道工序的精加工，分辨率為5m或10m，小型生產型測量機也有1m或2m的。,三坐標測量機按其精度分為兩大類：,三坐標測量機系統(tǒng)

4、的硬件主要有三部分組成： 終端控制計算機和打印機：在三坐標測量機系統(tǒng)的硬件結構中，計算機是整個測量系統(tǒng)的管理者。計算機實現(xiàn)與操作者對話、控制程序的執(zhí)行和結果處理、與外設的通訊等功能。 數控設備及其外設：數控設備是計算機和測量機的接口（I/O，工具信號，緊急情況等）。數控設備通過由計算機傳來的數據計算出參考路徑，不斷地控制測量機的運動及與手提式控制盒的通訊。 三坐標測量機：三坐標測量機的主體主要由以下各部分組成：底座、測量工作臺、立柱、X向支撐梁和導軌、Y向支撐梁和導軌、Z軸部件、測頭、驅動電機及測長系統(tǒng)。其結構形式（總體布局形式）主要取決于三組坐標的相對運動方式，它對測量機的精度和適用性影響很

5、大。圖1-1列出了常見的幾種結構形,三坐標測量機系統(tǒng)的硬件構成和功能,（a）, (b) 懸臂式;,(c) , (d) 橋式,(e)，(f) 龍門式;,(g) 坐標鏜床式;,(h) 臥式鏜床式,三坐標測量機的結構形式分類,通用元素幾何定義,多種幾何量的測量,掌握三坐標測量機的基本功能及相應的測量方法。,1坐標系變換 被測件的三個坐標不需要與測量機的X，Y，Z三個方向的坐標重合。如圖1-2所示，被測件在測量前可以任意放置在工作臺上，不需調整找正，即可測量。通過測量及數據處理可以找到參考基準，根據新基準轉換坐標，并計算出測量結果。這一切計算都通過計算機進行，速度很快，與測量前人工調整被測件位置的操作

6、相比，既方便又省時間。 根據被測工件的需要，將直角坐標轉換為極坐標。,確定形狀、位置、中心和尺寸,測量復雜形狀 三坐標測量機可以測量圓柱面凸輪、端面凸輪、凸輪軸、螺紋、絲杠、齒輪及非漸開線齒形等。 周長、面積和體積測量。 特殊參數測量 可以根據對被測件的測量計算出其重心、斷面二次力矩及斷面系數等參數。,三坐標測量機是一種柔性的通用測量儀器，適于測量幾乎是任何物體的幾何參數，它的準確度（和精度）是衡量一臺機器好壞的重要指標。影響測量機準確度（和精度）的因素主要有兩個方面，一是測量機本身系統(tǒng)，二是外部環(huán)境影響，由此產生的誤差有系統(tǒng)誤差和隨機誤差，針對誤差的補償方法也有系統(tǒng)和隨機兩種。分析和研究誤差

7、補償方法不但可保證三坐標測量機的現(xiàn)有精度而且可使之提高。,三坐標測量的基礎知識,坐標值為根據坐標軸上某一點對應該軸的位置測得的代數值，數值可以為正值，也可以為負值。 物理意義：用來描述物體在某一方向上的長度值。 同樣的，二維坐標軸由兩條一維坐標軸正交而來，是解析,一維坐標軸（基礎） 簡稱數軸,y=-2 y=-1 y=0 y=+1 y=+2,-2 -1 0 1 2,y,坐標測量的基礎知識,什么是三坐標？,三坐標參照系是由空間三維坐標系標準正交而來（ 3 個矢量 XYZ兩兩垂直并等長）,點M的三坐標值是向量OM在該坐標系每一個軸上的投影。點M的坐標為（X1、Y1、Z1）。M的偏差值=實測值-理論值

8、,常見的三坐標測量設備介紹介紹：,1、按測量方式分類（測頭） 分接觸式測量 非接觸式測量 2、按測量機的結構分類（機械坐標系統(tǒng)） 懸臂式、臺式、橋式、龍門式、關節(jié)臂式,懸臂式、臺式、橋式、龍門式均采用直線光柵進行測量，結構上均有3個明顯的軸向運動部件?？墒謩右部勺詣舆M行測量。 關節(jié)臂式（便攜式）采用圓形光柵進行測量。結構上類似人類的手臂，具有3個（或更多）“關節(jié)”。因其結構小巧，只能手動測量。,車身坐標系,ISO 4130-1978 道路車輛 三維基準系統(tǒng)和基準符號 定義,測量機在現(xiàn)代汽車工業(yè)中的應用,常見元素的測量及坐標系的建立,常見元素的測量,元素的構造：是通過間接的方法得到一些我們需要卻

9、無法直接測量的特征元素。構造在測量之后進行，是對測量的延伸。,元素的評價：評價元素包含：距離、角度、幾何公差、文本值、坐標信息。,坐標系的原理與使用,軟件給我們提供了7種建立坐標系的方法，運用得當，會讓我們測量起來事半功 1、3-2-1法 2、幾何法 3、三個中心點法,3-2-1法建立坐標系是三坐標測量機最常用的建立坐標系方法，如下圖所示建立坐標系：,1、在零件上平面測量3個點擬合一平面找正。 2、在零件前端面上測量2個點擬合一直線旋轉軸。 3、在零件左端面測量1個點設定原點。,3-2-1法建立坐標系,測量報告的分析,注意事宜,1、三坐標測量機的精度 省市級計量院精度檢測報告 有效期內的合格證

10、書 一般三坐標測量機精度為測量元素公差的三分之一至十分之一 簡易的驗證方法：測量標準球，偏差值在合適范圍（公差的三分之一至十分之一）,2、檢具的制造精度（加工精度） 檢具標定報告 可以要求出具最新精度報告,3、檢具的重復性精度（CMC） CMC是指用1個標準樣件按照相同的裝夾順序在檢具上重復測量5次，將測量數值填入專用的表格中，根據自動生成的標準偏差值與IT/16進行比較，如果所有點的偏差值IT/16，則認為重復性精度（CMC）合格，否則，則認為重復性精度（CMC）不合格。,矢量和余弦誤差,矢量,矢量可以被看做一個單位長的直線，并指向矢量方向。相對于三個軸的方向矢量。I方向在X軸，J方向在Y軸

11、，K方向在Z軸。矢量I、J、K值介于1和-1之間，分別表示與X、Y、Z夾角的余弦。,I,K,J,+I,+J,+K,矢量方向,矢量用一條末端帶箭頭的直線表示，箭頭表示了它的方向。X、Y、Z表示三坐標測量機的坐標位置，矢量I、J、K表示了三坐標測量機三軸正確的測量方向。 在三坐標測量中矢量精確指明測頭垂直觸測被測特征的方向，即測頭觸測后的回退方向。,Z,(+K ),X,Y,(+J ),(+I ),I = 0.707 J = 0.707 K = 0 45度方向矢量,余弦誤差,不正確的矢量測量產生余弦誤差,期望接觸點,導致的誤差,法向矢量,理論接觸點,逼近方向,角度,直角坐標系,坐標系類型, 直角坐標

12、系, 柱坐標系, 球坐標系,z,Z,Y,直角坐標系,原點,測量機的空間范圍可用一個立方體表示。立方體的每條邊是測量機的一個軸向。三條邊的交點為機器的原點。,X,直角坐標系,每個軸被分成許多相同的分割來表示測量單位。測量空間的任意一點可被期間的唯一一組X、Y、Z值來定義。,X,Z,10,0,5,Y,| | | | | | | |,5 10,直角坐標系,實例 1 測量點的坐標分別是:,X = 10 Y = 5 Z = 5,X,Z,Y,10 5,10,5,0 5 10,| | | | | | | |,直角坐標系,X = 0 Y = 0 Z = 5,10 5,X,Z,Y,| | | | | | | |

13、,10,5,0 5 10,實例 2 測量點的坐標分別是:,直角坐標系,X = 10 Y = 10 Z = 0,X,Z,0,Y,| | | | | | | |,10 5,10,5,5 10,實例 3 測量點的坐標分別是:,校正坐標系,校正坐標系是建立零件坐標系的過程。通過數學計算將機器坐標系和零件坐標系聯(lián)系起來。,1、零件找正 找正元素控制了工作平面的方向。,2、旋轉軸 旋轉元素需垂直于已找正的元素，這控制著軸線相對 于工作平面的旋轉定位。,3、原點 定義坐標系X、Y、Z零點的元素。,測座和觸發(fā)測頭,關節(jié)旋轉測座,測座的A角以7.5 分度從0 旋轉到105 ,A 角旋轉,關節(jié)旋轉測座,B角從-1

14、80 到180 以7.5 的分度(按順時針、逆時針)旋轉,B 角旋轉,關節(jié)旋轉測座,正如TP20這樣的機械測頭，包括3個電子接觸器，當測桿接觸物體使測桿偏斜時，至少有一個接觸器斷開，此時機器的X、Y、Z光柵被讀出。這組數值表示此時的測桿球心位置。,接觸器斷開,測頭校正,測頭校正,已知直徑并且可以溯源到國家基準的標準器。,測頭校正對所定義測頭的有效直徑及位置參數進行測量的過程。為了完成這一任務，需要用被校正的測頭對一個校驗標準進行測量。,未知直徑和位置的測頭,測頭校正,在實物基準的每個測量點的球心坐標同它的已知道直徑比較。有效的測頭直徑是通過計算每個測量點所組成的直徑與已知直徑的差值,有效測頭半

15、徑,運行 PcDmis,運行 PcDmis,PcDmis 文件管理器界面,選擇這一圖標可以產生一個新文件夾,運行 PcDmis,這個新文件夾可以改名為用戶名或操作員姓名,運行 PcDmis,運行 PcDmis,產生測頭文件,產生測頭文件,輸入測頭文件名，然后按回車鍵，這時測頭沒被定義顯示為高亮度。,第一步,從清單中選擇測座類型,第二步,從這里用鼠標單擊下拉菜單,產生測頭文件,從清單中選擇測頭附件,第三步,從清單中選擇相應的傳感器如： Tp20, Tp200等,第四步,產生測頭文件,從測頭清單中選擇所用的測桿，如：4 *20 （直徑、長度）,第五步,產生測頭文件,定義結束時測頭系統(tǒng)的配置完全圖示

16、化顯示出來。,第六步,從加入測頭角度按鈕輸入測頭 度。,產生測頭文件,需要追加其它角度，可通過輸入每一個A、B角，然后對其進行校驗測量。,第七步,如果需要多組復合角度，可以通過A、B角的起始角，它們的增量和終止角的輸入來實現(xiàn)。,產生測頭文件,第八步,當所需的測頭位置全部輸入后，選擇“測量”。,產生測頭文件,選擇手動或自動校驗測頭。,第九步,輸入測量標準球的點數。,單擊“測量”按鈕進行測頭校驗。,PcDmis的工作平面,PC-DMIS 的工作平面,在 PC-DMIS中, 當計算2D距離時，和其它軟件一樣，工作平面的選擇非常重要。有效的工作平面是:,Z+,Z-,X+,X-,Y+,Y-,什么是工作平

17、面 工作平面是我們當前所看的方向。例如：當你想去測量工件的上平面時， 工作平面是Z+, 如果測量元素在前平面時,工作平面為Y-。這一選擇對于極坐標系非常重要，PC-DMKIS將決定當前工作平面的0度。 例：平面元素做工作平面測量圓,PC-DMIS 的工作平面,* 在Z+平面，0度在X+，90度在Y+向。,* 在X+平面，0度在Y+向，90度在Z+向。,*在Y+平面，0度在X-，90度在Z+方向。,PC-DMIS 的工作平面,+ X,90 deg,測量圓的方向,0 deg,45 deg,135 deg,180 deg,225 deg,270 deg,315 deg,零件找正,零件找正,零件找正,

18、零件找正,校正坐標系是建立零件坐標系的過程。通過數學計算將機器坐標系和零件坐標系聯(lián)系起來。,建立零件坐標系時需要做三件事： 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。 旋轉坐標軸 (用所測量元素的方向矢量). 旋轉元素需垂直于已找正的元素。這控制著軸線相對于工作平面的旋轉定位。 原點 (任意測量元素或將其設為零點的定義了X、Y、Z值的元素)。,機器坐標軸方向。,所需的零件坐標系,零件找正,X,Z,Y,找正元素 = 平面 旋轉軸線 = 直線 原點元素 = 圓,零件找正,步驟 1 :找正Z軸并將Z的原點平移到此平面上。,步驟2 : 將X軸旋轉到平行于線的方向。,步驟3 : 將X

19、、Y的原點平移到圓上。,Z,X,Y,X,Z,Y,建立零件坐標系,建立零件坐標系,測量3點確立一個平面。,測量2點確定一條直線。,在側平面測量一點。,從工具欄選擇“工具”菜單。,然后選擇零件找正。,建立零件坐標系,從特征元素清單中選擇,Plane1 Line1 Point1,建立零件坐標系,單擊“找正”按鈕,建立零件坐標系,PcDmis將找正PLN1。 將坐標軸旋轉到平行于直線LNE1的方向。 將 X 原點設置到PNT1。 將 Y 設置到 LN1 。 將 Z設置到PLN1,選擇要找正的坐標軸,選擇要旋轉的軸,選擇元素建立原點.,幾何元素,基本幾何元素,元素: POINT 最小點數: 1 位置:

20、XYZ 位置 矢量: 無 形狀誤差: 無 2維/3維: 3維,實例,Y,5,5,5,Z,X,輸出 X = 5 Y = 5 Z = 5,元素: 直線 最小點數: 2 位置: 重心 矢量: 第一點到最后一點。 形狀誤差: 直線度 2維/3維: 2維/3維,實例,輸出 X = 2.5 I = -1 Y = 0 J = 0 Z = 5 K = 0,Y,5,5,5,Z,X,1,2,基本幾何元素,基本幾何元素,元素: 圓 最小點數: 3 位置: 中心 矢量*: 相應的截平面矢量 形狀誤差: 圓度 2維/3維: 2維,實例,輸出 X = 2 Y = 2 Z = 0 I = 0 J = 0 K = 1 D =

21、 4 R = 2,Y,5,5,5,Z,X,* 圓的矢量只是為了測量。不單獨描述元素的幾何特征。,基本幾何元素,元素: 平面 最小點數: 3 位置: 重心 矢量: 垂直于平面 形狀誤差: 平面度 2維/3維: 3維,實例,輸出 X = 1.67 I = 0.707 Y = 2.50 J = 0.000 Z = 3.33 K = 0.707,Y,5,5,5,Z,X,基本幾何元素,元素: 圓柱 最小點數: 5 位置: 重心 矢量: 從起始層指向終止層or高度指向深度 形狀誤差: 圓柱度 2維/3維: 3維,實例,輸出: X = 2.0 I = 0 D = 4 Y = 2.0 J = 0 R = 2

22、Z = 2.5 K = 1,Y,5,5,5,Z,X,基本幾何元素,元素: 圓錐 最小點數: 6 位置: 頂點 矢量: 從小端指向大端 形狀誤差: 錐度 2維/3維: 3維,實例,5,5,X = 2.0 I = 0 A = 43deg Y = 2.0 J = 0 Z = 5.0 K = 1,Y,5,Z,X,基本幾何元素,元素： 球 最小點數: 4 位置: 中心 矢量*: 如右圖向上 形狀誤差: 球度 2維/3維: 3維,實例,5,X = 2.5 I = 0 D = 5.0 Y = 2.5 J = 0 R = 2.5 Z = 2.5 K = 1,Y,5,5,Z,X,*球的矢量只是為了測量。并不描述

23、元素的幾何特征。,元素構造 點,元素構造,點: 原點,X,Z,Y,在當前坐標系的原點構造一個點。坐標值為0，0，0。,基本幾何元素,點 : 產生,在所選元素的中心產生一個點。它的坐標與所選的元素相等（X、Y、Z）。,輸入 : 圓1,圓1,基本幾何元素,點: 拐角點,這個點是三個平面的交點。,輸入: 平面1 平面2 平面3,平面1,平面2,平面3,基本幾何元素,點: 刺穿,通過第一元素刺穿第二元素創(chuàng)立一個點。元素的選擇順序非常重要。,輸入: 圓柱1 平面1,平面1,圓柱1,基本幾何元素,點: 偏置,從選擇元素設置指定的偏置值創(chuàng)建一個點。,輸入: 點1 X 偏置 = 0 Y 偏置 = 4 Z偏置

24、= 1,基本幾何元素,點: 相交,在兩個元素相交處產生一個交點。,輸入: 線1 線2,線1,線2,基本幾何元素,點: 垂落,將第一點的重心投影到第二個元素上（直線、圓錐、圓柱或槽）,輸入: 圓1 線1,線1,圓,基本幾何元素,點: 中分,產生兩個所選元素的中分點。,輸入: 圓1 圓2,圓1,圓2,基本幾何元素,點: 投影,輸入: 點1 平面1,將一個元素投影所選平面上。,點1,平面1,元素構造 圓,基本幾何元素,圓: 最佳擬和,輸入: 圓1 圓2 圓3 圓4,通過所選的幾個元素通過最佳擬和產生一個圓。,圓1,圓4,圓3,圓2,基本幾何元素,圓: 圓錐,輸入: 圓錐1 直徑 = 50.8,在一個

25、圓錐指定的直徑位置產生一個圓。,101.6,圓錐1,50.8,圓,基本幾何元素,圓: 相交,輸入: 圓錐1 平面1,一個平面和一個圓錐、圓柱或球相交產生一個圓。,圓錐1,平面1,元素構造 直線,基本幾何元素,直線: 坐標軸,X,Z,Y,沿著當前坐標系的一個坐標軸建立一條軸線，它垂直于當前工作平面。,當前工作平面 = Z+,Z+ 平面,基本幾何元素,直線: 最佳擬和,通過所選元素建立一條最佳擬和直線。,輸入: 圓1 圓2,圓2,圓1,基本幾何元素,直線: 相交,輸入: 平面1 平面2,兩個平面相交產生一條交線。,平面2,平面1,基本幾何元素,直線: 垂直,通過第二元素做第一元素的垂直直線。,輸入

26、: 線1 圓1,線1,圓1,基本幾何元素,直線: 平行,通過第二元素做第一元素的平行線。,輸入: 線1 圓1,線1,圓1,基本幾何元素,直線: 反向,輸入: 線1,將一條直線的方向進行反向產生一條直線。,線1,基本幾何元素,直線: 偏置,通過第一元素從第二元素偏置一個指定值產生一條直線。,輸入: 圓1 圓2 偏置值 = 25.4mm,圓2,圓1,元素的尺寸及公差 位置,元素的尺寸及公差,位置,位置公差選項,產生所選元素的指定特征的參數報告。特征參數具體如下：,元素的尺寸及公差,位置,X,Z,Y,CIR1,1,2,3,2,3,1,實例: 輸出圓： CIR1,X = 2cm,Y = 2cm,D =

27、 2cm,R = 1cm,2,1,0,元素的尺寸及公差,位置,X,Z,Y,CONE1,1,2,3,3,1,實例: 輸出圓錐： CONE1,A = 60,V = 0, 0, 1 (I, J, K),2,1,0,2,元素的尺寸及公差,位置,X,Y,點1,25.4,50.8,76.2,50.8,76.2,實例: 輸出點： 點1,Prad = 71.831mm,Pang = 45,0,25.4,元素的尺寸及公差 位置度,元素的尺寸及公差,位置度,下面的實例是輸出圓的常規(guī)公差：,50.8 0 .12,25.4 0.12,25.4 0 .12,0.24,0.24,元素的尺寸及公差,位置度,下圖是理論圓中心

28、的示意圖,表示 “好”,表示超差,測量圓的中心位置,50.92,25.18,50.68,25.52,元素的尺寸及公差,位置度,下圖顯示了為什么兩個點距離相同但不是每個都在公差之內。,合格,超差表示,位置度公差帶,位置度產生一個圓形公差帶，它能很好地判斷特征元素的配合關系。,20+/- 0.2,尺寸是公制單位,位置度 基準被測元素均為最大實體條件,40,30,20+/- 0.2,位置度 最小實體條件,最小實體條件 - 最小實體條件,20+/- 0.2,40,30,A,位置度 基準、被測均采用最小實體條件,元素的尺寸公差 二維距離,元素的尺寸公差,二維距離,二維距離的計算是兩元素相對于當前工作平面

29、的距離。典型例子就是點到線、圓到圓、圓到線的距離。,元素的尺寸公差,二維距離,當計算二維距離時，你可以選擇各個方向的距離。例如：你可以通過CIR1和CIR2產生以下幾種方向的距離。,X,元素的尺寸公差,兩維距離,X,Y,有效選項:,中心到中心 元素到元素 元素到 X 軸 元素到 Y 軸 元素到 Z軸,平行于指定軸 垂直于指定軸,計算距離1可以： 平行于X軸 垂直于Y軸,距離2的計算可以是： 平行于Y軸 垂直于X軸,計算距離3 是用中心到中心，不需要選擇坐標軸。,而且,元素的尺寸公差,二維距離,元素到元素的距離在計算時，此距離既不平行于當前坐標系的任何坐標軸，也不垂直于坐標軸。 元素的選擇順序非

30、常重要。計算的距離要么垂直要么平行于你選擇的第二元素。,元素的尺寸公差,二維距離,如何計算全長上的距離？ 在一邊測量一條直線，在另一邊測量一個點。,計算點到直線1的二維距離，需用“到元素”選項,并垂直于直線1.,元素的尺寸公差,二維距離,如果你選擇點1和直線1,而且選擇了“不要任何選項,那末這一距離為點到直線的重心的距離. 這并不是你所需要的.,告誡,元素的尺寸公差,二維持距離,當計算二維距離時,選擇正當的工作平面是非常重要的. 現(xiàn)在的實例就是在Z+工作平面下計算的.,X,Y,Z +工作平面,元素的尺寸公差,二維距離,“加半徑”和 “減半徑” 的選項可以控制計算距離時是否需要加或減去圓的半徑.,Y,X,常規(guī)距離,元素尺寸公差測量 三維距離,元素的尺寸公差,三維距離,三維距離計算的是兩個元素之間的最小距離,與工作平面無關. 典型用途: 點到平面的距離,元素的尺寸公差,三維距離,點到平面的三維距離,定位 2,定位