三坐标测量设备

三坐标测量设备（精选十篇）

三坐标测量设备 篇1

在零部件的形位公差测量过程中,往往不能在同一坐标系中将零部件的形位公差一次测出,其主要原因是:产品尺寸超出测量机行程(如本研究所涉及的三坐标测量机的长度方向上的行程为750 mm,无法满足750 mm以上形位公差的测量要求,超出测量范围的工件称为超长零件,下同);测量探头不能触及产品的反面;当零部件移动后需要对产品进行重定位测量[1]。对于复杂或超出测量范围很多的零部件,测量过程中常需要多次定位测量,最终的测量数据就必须依据一定的计算方式进行多次重定位整合,把各次定位中测得的数据转换成一个公共定位基准下的测量数据,实现超长尺寸形位公差的测量。这种技术就是逆向工程,又称“反向工程”或者“反求工程”[2]。逆向工程的发展推动着测量技术的发展,也对测量技术提出了更高的要求。

国内已有一些高校在逆向工程方面进行了研究,如浙江大学李剑、单岩等[3]研发了逆向工程中三坐标测量数据处理系统,在CT复原三维模型方面开展了大量的研究工作,推出了Re-Soft软件系统;上海交通大学邢镇容[4]、尹忠慰等[5]研究了在一张自由曲面薄金属片上整体的逆向工程技术研究,提出了整体逆向工程技术的模型,提出了服从边界约束条件下的数字化点云的NURSS曲面的一种算法;华中科技大学李建军等[6]对逆向工程及其相关技术问题包括数据采集方法、坐标点的精简分割等进行了研究。此类研究以理论研究为主,主要用于小零件的形貌复现。由于所设计的装置价格高昂,测量范围限制等特点,上述研究很少应用到超长尺寸形位公差的检测中,尤其是基于三坐标测量机的超长零件检测的相关报道甚少。

本研究提出一种基于平台移动的、利用平台上的精密几何体作为基准点、采用刚性变换进行基准点测量和计算优化的检测方法,设计制造基于三坐标测量机辅助测试设备,以实现超出特定三坐标测量机量程的超长零部件的精密测量。

1 测量原理

1.1 重定位基本原理

因被测量物体的尺寸超出了测量范围而必须进行两次定位的示意图如图1所示。本研究在被测物体上选取不共线且在两次定位状态下均可测量的3个点(A、B、C)称为重定位基准点。设在第1次定位状态下测得A、B、C的坐标值分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)和(x3,y3,z3),在第2次定位状态下测得的坐标值分别为(X1,Y1,Z1)、(X2,Y2,Z2)和(X3、Y3,Z3),通过如下的矩阵变换可将第2次定位坐标下的测量数据转换至第1次定位坐标中:

(x,y,z,1)=G(X,Y,Z,1) (1)

式中:G—4×4阶齐次变换矩阵,可通过A、B、C前后两次的测量结果得到。

另外3个点(D、E、F)作为辅助点存在。

如果一次移动还无法满足测量的要求,可以根据上述原理进行再次重定位。把重定位的数据进行整合,就能得到所需要的大尺寸测量的相关形位公差。

1.2 超长零件测量实现原理

测量超长零件(工件)移动前后坐标值时,常采用的方法有:多次测量取平均值[7],同线多点同面多线测量[8]等。但这些方法由于以下原因而存在着测量误差:①每次定位时需要测量同一个点,显然该操作比较困难;②受环境和测量人员视力等方面的影响,每次测量都会有一定误差;③测量机探针倾斜导致的误差,使得同一点的每次测量值会有所不同而存在误差。

工件移动前后,无法找到同一测量点,这势必影响坐标变换的精度,并最终影响测量精度。为此有学者提出了使用几何中心作为坐标变换的基准点[9]。这减少了测量的难度,即不用完全找到工件移动前的点进行测量,而只要测得几何体表面点,并进行构造几何特征点即可。

在实际测量中,被测工件上很难找到多个适用的几何体,且无法获得几何体的几何精度和几何体表面质量。鉴于以上原因,本研究不采用被测工件上的几何体特征,而采用在承载移动平台上安装高精度的几何体特征(如球心)。

本研究提出如下测量实现思路:

(1) 采用移动平台作为超长零件的承载平台,利用承载平台的大量程移动来实现超长零件的长距离移动,通过移动来测量超长零件中不同部位的相关参数。

(2) 在移动平台上安装6个精密标准球(其中3个球是测量基准球,两个球是检验用球,另一个球是备用球)。利用精密球良好的球度,可方便、准确地找到基准几何体特征(球心)。

(3) 平台长距离移动前后,分别测量基准几何体特征,并对所测几何体特征坐标值进行修正优化变换,以实现基准点坐标值的精确测量。

(4) 按照重定位整合的基本原理,利用三坐标测量机自带软件和项目设计软件相结合的方法,进行数据处理(其中,形位公差的计算通过三坐标自带软件处理,坐标变换相关数据通过项目设计软件进行处理),实现坐标平台移动后数值的坐标变换,获得超长零件的形位公差。

2 辅助设备研制

根据测量实现原理,测试平台只需要提供承载、移动和安装重定位基准点的功能,对平台的移动无特殊要求。但考虑到计算结果的随时监控性,平台的移动方向以三坐标X方向为基准,确保平台移动过程中在Y和Z方向上实现最小量的变化。平台的移动距离为450 mm,测量范围在X方向上由原来的750 mm扩展到了1 200 mm,使长度测量范围拓宽了60%。超长零件辅助测量设备实物如图2所示,主要包括移动平台、精密基准球、导轨副和相应夹具。

3 数据优化和软件设计

3.1 基本数据处理和数据校准优化

两次定位坐标变换示意图如图3所示,两次基准点按△A1B1C1、△A2B2C2测量顺序形成一一对应关系。其中A1、B1、C1依次对应A2、B2、C2。基准点两组测量值构成的两个三角形之间,对应边边长有相对误差。本研究设经过一顶点的两条边的相对误差为D1、D2,定义顶点精度为D=(D1+D2)/2,D越大则顶点精度越低。据此可以对顶点按精度排序。

根据上述基本数据处理,可以放弃精度比较差的测量点,但在一些特殊情况下可能出现误判。

两次定位变换示意图如图4所示,假设△A1B1C1变形到△A3B3C3,其中|A1B1|=|A3B3|,A1点精度最高,A3点相对A1点位置不变,如果C3点也相对于C1点不变,这时A3点误差为0,B3点误差为|B3C3|/2,C3点误差为|B3C3|/2。按照规定可以放弃B3点和C3点中的任意一点,但事实是,C3点的实际误差为0,这就存在着把精度较高的点放弃的概率。

又假设△A1B1C1变形到△A2B2C2,其中|A1B1|=|A2B2|,A1点精度最高,A2点相对A1点位置不变,如果C2点也相对于C1点发生如图所示变化,这时A2点误差为|C1C2|/2,B2点误差为(|B1C1|-|B2C2|)/2,C2点误差为[(|B1C1|-|B2C2|)+|C1C2|]/2,即C2点误差>B2点误差>A2点误差。按照规定可以放弃C3点。但从图上可以看出:B2点误差>C2点误差>A2点误差,所以存在着把精度较高的点放弃的概率。

为了防止类似判断失误的出现,必须另加校准点,对上述情况进行查错。本研究采用近似等边三角形上的精密测量球作为基准测量球(A,B,C)。另安装两个球体(D,E),理论上D球到A球和C球(E球到B球和C球)距离相等。利用D、E球对第2和第3精度点进行校准。比较[(||D1B1|-|D2B2||)+(||E1B1|-|E2B2||)]和[(||D1C1|-|D2C2||)+(||E1C1|-|E2C2||)]大小,误差大者放弃。通过上述防错措施,可实现基准点的高精度测量。

3.2 程序设计

本研究所设计的程序主要解决以下几个问题:

(1) 输入各点坐标值和判别各精密球体测量精度;

(2) 计算各需要坐标变换点的坐标值。

本研究中的软件设计思路是基于VB(Visual Basic)编程,实现三坐标测量机辅助设备坐标点的计算和精确度判别,程序界面如图5所示。

4 试验验证及误差分析

4.1 试验及结果

无论是长工件还是短工件,均有:①只要放在所设计制造的平台上,平台移动了450 mm后,被测工件上各点的位置都发生了变化;②变换所用基准点的位置移动量是一致的。

鉴于上述两方面的考虑,为了能简单方便地对所设计平台的性能进行考核,验证试验采用如下方法:

几何量选择:位置公差验证选择两个位置关系:角度和平面度。其中角度利用直角尺,测量直角值;平面度采用1 000 mm平尺。长度(形状公差)考核采用两个球心距。辅助设备试验实物图如图6所示。

基准确定:当工作台移动到一边时(称为A状态),以直角尺的端面作为工件原点建立工件坐标。利用编程自动测量的方法对6个标准球进行测量,可得到各标准球的球心坐标。笔者通过软件计算并确定最佳基准球,通过基准球坐标点变换来验证基准球的准确性。

测试方法:当工作台在A状态时,执行以下步骤:①测量直角尺形成直角的两个面(a面和b面),并构造角度(直角1);②测量能够测量到的平尺平面,构造平面度(平面度1);③构造球E和A、B、C的距离。

当工作台移动(移动距离450 mm)到另一边(称为B状态)时,继续测量6个球的球心坐标,与此同时:①重复测量直角尺的两面,构造角度(直角2);②测量平尺在该状态下能够测量的平面,构造平面度(平面度2);③构造球E和A、B、C的距离。

坐标变换:将B状态下获得的球A、B、C、E的球心坐标通过坐标变换至A状态所在坐标,获得球A、B、C、E的球心坐标(此状态称为C状态),构造球E和A、B、C的距离。

将B状态下获得的直角尺b面数据进行坐标变换,获得C状态下的b面数据,构造A状态下的a面和C状态下的b面的角度(角度3)。

将B状态下获得的平尺平面各点坐标变换到A状态下各点坐标,获得C状态下的各点坐标,构造A状态下的各点坐标和C状态下的各点坐标共同形成平面,计算平面度(平面度3)。

数值验证:比较各状态下的角度、平面度、球心距离,具体数据如表1所示。

从所验证的方法和数据可以得出:

(1)直角参数在各种状态下所测值都小于0.005 mm/1 000 mm,最大误差为0.004 mm/1 000 mm。

(2)平面度参数的最大误差是0.003 mm/1 000 mm。

(3)球心距离最大误差是0.011 mm,三坐标本身两次测量的平均误差是0.07 mm,所以辅助机构的误差小于0.011 mm,按误差简单线性累加的原理计算可以得到辅助机构的误差为0.004 mm。

(4)测量位置公差(角度、平面度)所获得的数据比测量形状公差(距离)所获得的数据精度高。这是因为测量形状公差(尤其是长度、距离)时,所有误差都是累加的。而测量位置公差(如角度)时,其误差能进行部分抵消,甚至在构造几何形状中能把部分劣质数据剔除。故该系统更适合于大尺寸的位置公差的测量。

4.2 误差分析

在精密测量中,一般提高测量精度方法有:①提高设备结构精度;②减小环境因素带来的影响;③采用适

当的采样策略[10]。本研究也从这几个方面去分析测量误差,通过试验分析可知,主要影响超长零件测量精度的因素有:①测量机和辅助设备的精密性;②基准球的表面质量和球度;③基准球测量精度和精度级别判断准确性;④测量环境和测量点的选择。为了减少测量误差,需要对上述4个方面进行重点关注,提高设备精度、使用高精密基准球、优化数据判别能力。

5 结束语

本研究基于理论分析和实际三坐标测量机机构,制造了一套基于三坐标测量机的超长零件形位公差测量装置,同时在超长零件测量上,利用移动平台中精密几何体的特征,设计了相应的测量软件。笔者分析了测量过程中精度的影响因素,优化了设计方案和测量方法,实现了超长零件形位公差的精密测量, 达到了在测量长度上由原来的750 mm扩展到了1 200 mm的要求。数据计算、判断和相关修正通过VB编程实现,提高了测量效率和准确性。研究结果表明,超长零件的测量数据精度符合测量要求,实现了超长零件形位公差的精密测量。

参考文献

[1]单岩,魏志刚,梁建国.反向工程中三坐标测量重定位整合[J].模具工业,2001(8):8-11.

[2]刘之江.反求工程[M].北京:机械工业出版社,1996.

[3]李剑,王恒奎.三维曲面非接触式测量系统机械设计及误差补偿研究[J].机电工程,2001,18(1):48-51.

[4]XING Yuan,XING Zhen-rong,WANG Hai-bin.Researchon integrated reverse engineering technology for formingsheet metal with a freeform surfaee[J].Journal of Materi-als Proeessing Teehnology,2001,112(2-3):153-156.

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[6]李建军,温建勇,肖祥芷.逆向工程及其相关技术[J].机械与电子,1999(3):16-18.

[7]许志龙.逆向工程中多视角点云数据拼合技术[J].组合机床与自动化加工技术,2006,13(1):26-28.

[8]丁燕,蔡一湘,张立华.粉末冶金制品三坐标测量的基准定位方法[J].广东有色金属学报,2003,13(1):68-72.

[9]吴立军,何培峰,王瑞金,等.基于几何体中心的三坐标测量数据重定位整合技术[J].新技术新工艺,2007(5):65-67.

三坐标测量机的虚拟测量方法 篇2

三坐标测量机作为一种高精度的通用测量设备已经有了几十年的发展历史，其在工业生产领域中的使用越来越为广泛，也越来越受到生产型企业的重视。而三坐标测量软件中对CAD功能的引入，更是将三坐标测量机的应用领域和易用性推到一个新的高度。

数控英才网以下就以三坐标测量机测量方案为例，对CAD在三坐标测量中的应用做简要介绍。

1、虚拟测量

虚拟测量就是在没有实际工件的情况下对CAD模型在软件中进行测量。Rational dmis测量软件拥有强大的CAD功能，要进行虚拟测量时，打开软件，选择脱机工作模式，然后导入所要测量的CAD模型，并将CAD模型对应到选定的坐标系中即进行测量。根据所要测量的几何元素，使用鼠标在CAD模型上点击所要采点的位置，此时CAD模型上会显示所采点的位置及其矢量方向。根据所测量的几何要素的需要，可进行多次采点。当采够所需要的点数后再在采点窗口中点确定，系统将会驱动虚拟测头进行采点，并拟和出要测的几何元素及其图形。虚拟测量可以通过对没有尺寸数据的CAD模型进行测量，确定其各种尺寸参数。但这不是虚拟测量的主要目的，虚拟测量的主要功能是为在脱机状态下进行自动测量编程做服务。

2、脱机编程

数控三坐标测量机使批量测量的效率有所提高，通过对给定工件的测量进行编程，可以实现全自动的快速测量。三坐标测量软件没有引入CAD功能之前，对测量程序的编制要求专业人员对应图纸进行编程，这种编程方法使用较为复杂，且对操作人员要求较高。有一种方法就是使用三坐标测量软件的自学习编程功能，在对工件进行实际测量的同时自动生成测量程序。当再次测量同样的工件时即可调用此程序进行自动测量。由于这种方法简单易用，适应面广，因此在业内被广泛使用。但由于这种编程离不开实际工件，所以也就带来了很多难以克服的缺点。一是由于编程离不开硬件环境，必须要将给测量机配套的气源等打开，使测量机能正常运行方能进行编程，这样编成较为繁琐。二是编程离不开工件，所以就必须等工件加工完成后才能进行编程，这样便会降低了工作效率从而影响生产。坐标机测量软件中引入CAD功能之后，由于可在脱机状态下通过对CAD模型进行虚拟测量，从而可完成自学习编程的过程，因此解决了以上问题。无论生产是否进行，只要将设计部门设计的CAD图纸文件输入到测量软件中，就可以进行编程。等工件加工完成就可以进行程序测量，这样就大大提高的生产效率。其具体的方法是先在三坐标测量软件中打开要测量工件的CAD模型，然后打开测量程序自学习功能，建立好坐标系后就可以开始模拟对工件的测量。系统将自动生成测量程序。在程序编制完成之后，还可以在CAD环境中调用程序进行模拟测量，对程序进行验证，找出运行过程中出现的错误测量路径和采点，并对程序进行修正，将实际测量中可能出现的问题降到最低，也最大程度的保证了测量过程中的安全性。

3、使位置公差评定更加方便在以往的三坐标测量软件中，要对几何元素的位置公差进行评定，必须手工输入几何元素的理论位置，然后再和实际测量得到的值进行比对，这样对位置公差的评定很不方便。当坐标测量机软件引入CAD功能之后，就可以在软件中对CAD模型进行测量，由于模型是设计出来的，所以对其进行测量所测得值既为几何元素的理论值。在有了理论值之后，在对应的坐标系下再对实际工件进行测量，即得到了所需几何元素的实际值。这样就可以对所测几何元素的位置公差进行评定。这在使用中，既省去了手工逐个输入几何元素理论值的麻烦，而且也可以避免为了与图纸上的标注尺寸相对应而频繁变动坐标系。这大大降低了操作人员的劳动强度，也减少了出错的几率，同时也提高了测量的精度及效率。

4、CAD输出用于逆向工程在当前的生产制造中往往会碰到这么一种情况，客户能提供给制造者的只有实物而没有任何图纸或CAD数据，特别是样件中有曲线、曲面等很难通过测量获得其准确的数据的复杂模型。在这种情况下，传统的加工方法是使用雕刻法或其他方法制作出一个一比一的模具，再用模具进行生产。这种方法无法获得工件准确的尺寸图纸，也很难对其外型进行修改。逆向工程就是为了解决以上难题而提出的一套理论。逆向工程是指由工件产生图纸或各种相关尺寸数据的过程，是相对与传统的由图纸数据而产生工件的过程而言的。三坐标测量软件中引入CAD功能用于逆向工程，使传统的三坐标测量机用于成品检测的功能，有了更大的扩展。在逆向工程中，首先使用三坐标测量机对样件的外型进行精确测量，然后用CAD功能对所测得的数据进行处理，最终生成一种或几种CAD格式的数据文件。如西安力德公司的三坐标测量软件生成IGS格式的数据，而且还可以使用此软件附带的功能，使数据在多种CAD格式之间进行转换。这些数据文件可以被一般的CAD/CAM软件系统所接受，利用这些软件系统可以对数据进行修改，或直接进行数控机床加工法编程，最终指导数控机床进行加工。也可以对这些数据进行切片处理，指导激光成型机进行快速成型。逆向工程不仅能使工件快速的进入批量生产，而且可以得到工件的CAD数据，有了这些数据，就可以再使用三坐标测量机对生产出来的工件进行检测，保证产品的质量。

三坐标测量不确定度评定 篇3

摘 要：本文对三坐标测量以?40mm3等标准环规进行了实例评定，对三坐标尺寸检测方法的改进有一定意义。

关键词：三坐标；不确定度

中图分类号： U467 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）18-190-2

1 试验部分

1.1 试验任务

测量?40mm3等标准环规刻度线处的直径D。

1.2 试验原理、方法和条件

1.2.1 试验原理

接触式，直接法，绝对测量。

1.2.2 试验方法

在三坐标测量机PRISMO上测量，测量前将标准环规固定于三坐标测量工作平台上，将仪器调整满足测量需要的状态。测量时，首先在环规刻度线处取对称两点x1、x2，构成环规的一条弦x1x2，并确定弦的中心O（以O点为坐标原点），在环规刻度线处取一点A0，连接OA0交环规另一边A（以AA0为坐标X轴），则A、A0在坐标X轴上读数差即是环规刻度线处的直径值D。

1.2.3 试验条件

试验环境温度为（20±1）C，温度变化每小时不应超过0.5℃/h，环境相对湿度为≤65%；

三坐标测量机常年固定安装在实验室内，受测标准环规置于实验室内的平衡时间24小时以上。

2 数学模型

由试验原理和方法，得到数学模型：

4 测量不确定度来源及说明

测量不确定度来源及说明见表1：

5 标准不确定度评定

5.1 由三坐标测量机的示值误差引入的标准不确定度分量u1

根據设备出厂证书三坐标测量机最大允许误差MPE为±（1.4+L/333mm）m，符合均匀分布，k=，

受测标准环规的直径按40mm计算，

则：u1=（1.4+40/333）/=0.8777μm

5.2 由测量重复性引入的标准不确定度分量u2

在各种条件均不改变的情况下，在短时间内重复性测量20次（即n=20）。实验数据见表2。

5.3 由测量环境温度变化引入的标准不确定度分量u3

由于测量设备及环规置于实验室恒温恒湿的环境中足够时间，且测量过程中启用测量设备温度补偿功能，避免温度变化引起设备与环规的热膨胀，因此此项因素引起的测量不确定度分量可忽略不计，则u3=0。

5.4 由测量原理引入的标准不确定度分量u4

测量时，在环规上取两点x1、x2，构成环规的一条弦x1x2，弦x1x2的位置及长度可引入标准不确定度分量，由三坐标测量机最大允许误差MPE为±（1.4+L/333mm）m，符合均匀分布，k=，受测标准环规的弦x1x2按30mm计算，则：

u4=（1.4+30/333）/=0.86m

5.5 由测量对象（标准环规）引入的标准不确定度分量u5

根据JJG894-1995《标准环规检定规程》3等标准环规=10～50mm的最大直径变动量和锥度分别是0.5m和0.8m，并假定其在该范围内等概率分布，则由标准环规引入的标准不确定度分量u5/=0.545m。

6 合成标准不确定度

6.1 主要标准不确定度分量汇总表

基于三坐标测量机的同轴度测量 篇4

对于规则轴类零件,一般可采用V型支架、钢球加杠杆百分表或偏摆仪等专用检具及组合辅具来检测同轴度;对于箱体孔类零件,一般可采用芯轴加杠杆百分表或利用圆度仪来检测同轴度。但对于一些大型零部件(如机床主轴等)或不规则轴类零件以及箱体零件的不规则内孔,采用常规方法测量同轴度则很难实现或非常麻烦。

同轴度用常规工具比较难测,在日常工作中常用测量跳动的方法代替。测量跳动的方法一般是用偏摆仪顶住两个中心孔或者用车床夹持,这样旋转零件,看百分表(或千分表)的数值。如图1所示,d168.4g6为基准A,要求测量d155n6对基准A的同轴度d0.05。将最左端夹在车床卡盘上,在顶尖部用百分表先打基准找正,再将表移至d155n6端,观察此时表的读数差值,即为同轴度值。

同轴度检测是我们在测量工作中经常遇到的问题,此时,用三坐标测量机(CMM)来测量同轴度是一种不错的选择。CMM测量同轴度的最大特点是无须转动工件,无须专用芯轴或专用支架,无须机械找正,只需用测头探针对工件取点采样,即可快速输出测量结果。用三坐标进行同轴度的检测不仅直观且又方便,其测量结果精度高,并且重复性好。经过思考总结了一些关于同轴度测量的内容。

1 关于基准

通常,基准是一个具有确定方向的直线,但基准是由实际要素来确定的,是一个理想要素。三坐标计算法为最小二乘法,这是因为计算机可以自动根据公式进行计算,比较方便, 但不符合国标的规定,即不符合最小条件的评定原则。三坐标建立基准轴线,是通过采集一定数量的点,然后按照一定的计算公式和评价方法,对采集的点进行处理,最终生成一个基准元素。

a) 如果采集的点数太少,将不能很全面地反映被测圆柱的实际特征,即直径、方向矢量、圆柱度误差等,从而,以此建立的基准将与实际要素的理想轴线有偏离,从而导致被测元素的同轴度误差增大,这个是通过图形文本反应出来的。

b) 另外一个方面,当基准元素的形状误差,即柱度误差较大时,将产生很大的影响。一方面由于采集的点数有限,如果圆柱度误差大,则意味着每增加一个点,计算机计算生成的圆柱轴线方向矢量将与前者产生大的偏离,由此,再来测量被测元素的同轴度,也将产生很大的偏差。如图2,为一个截面的采点情况,假设原来均匀采四个点,沿坐标方向,形成如图2所示的圆心O,当增加左下方45°方向的两个点时,圆点将可能向左下方移动到O′,从而轴线产生偏离。

c) 再者,截面数太少也会影响方向矢量。一个圆柱如果只采集两端的两个截面,则不能反映中间截面的情况,从而使得轴线产生较大的偏离。事实上,如果截面越多,将越逼近理想位置。当然,在实际测量中,不可能测量很多截面,而且中间位置很难测到。

2 用三坐标测量同轴度的方法

对于基准圆柱与被测圆柱(较短)距离较远时不能用测量软件直接求得,通常用公共轴线法、直线度法、求距法求得。

2.1 公共轴线法

在被测元素和基准元素上测量多个横截面的圆,再将这些圆的圆心构造一条3D直线,作为公共轴线,每个圆的直径可以不一致,然后分别计算基准圆柱和被测圆柱对公共轴线的同轴度,取其最大值作为该零件的同轴度。这条公共轴线近似于一个模拟心轴,因此这种方法接近零件的实际装配过程[1]。

2.2 直线度法

在被测元素和基准元素上测量多个横截面的圆,然后选择这几个圆构造一条3D直线,同轴度近似为直线度的两倍。被收集的圆在测量时最好测量其整圆,如果是在一个扇形上测量,则测量软件计算出来的偏差可能很大。

2.3 求距法

同轴度为被测元素和基准元素轴线间最大距离的两倍。即用关系计算出被测元素和基准元素的最大距离后,将其乘以2即可。求距法在计算最大距离时要将其投影到一个平面上来计算,因此这个平面与用作基准的轴的垂直度要好。这种情况比较适合测量同心度[2]。

3 实际应用

如图3,在被测工作截面较短的情况下,可用改测直线度以替代同轴度的变通方法。因为这种情况下轴的倾斜对工件装配影响较小,而轴心偏移对工件装配影响较大,测量轴心偏移实际上就是测量轴心连线的直线度。具体实现方法为:分别在两个小圆柱上测量n个截面圆,然后选取这n个圆的圆心拟合一条三维直线,该直线的直线度可近似替代同轴度(同轴度=2×直线度)。工作截面越短,该方法效果越好,并且可很方便地制作一个综合量规来验证该方法的准确性。如图4所示,要求两端部相对轴线的同轴度为d0.03,直接手动测量两侧圆柱或者通过构造两圆柱,构建轴线,算出与轴线的距离,乘以2就是同轴度值。

如图5所示,两D80的孔左侧为基准A,要求右侧孔相对基准同轴度D0.02,此时只能分别测头A90B9,A90B180两方向测量,建立公共轴线,求右侧孔对基准的同轴度,直接评价即得结果。

4 结语

利用三坐标测量机测量工件同轴度是一项实践性很强、讲究科学性、注重技巧性的工作,只有不断实践,接触各种类型的工件,才能发现问题并解决问题,总结出指导性很好的测量技巧。

参考文献

[1]王启江,沈雁华,杨万波.坐标测量机测量短基准零件同轴度时误差过大问题的分析与解决[J].工具技术,2001,35(11).

[2]刘利剑,王春华,贾立红.三坐标测量机使用中的典型问题及其解决方案[J].河北工业科技,2006,11.

三坐标测量设备 篇5

[关键词]三坐标测量机 数字化 逆向工程 FARO测量臂

1引言

“逆向工程”(Reverse Engineering,RE),也称反求工程,反向工程。它是将实物转化为CAD模型相关的数字化技术,几何模型重建技术和产品制造技术的总称,是将己有产品或实物模型转化为工程设计模型和概念模型,在此基础上对已有产品进行解剖,深化和再创造过程。逆向工程是消化、吸收先进技术的一系列工作方法的技术组合,是目前制造业关注的热点。工业产品的逆向工程主要技术之一就是实物数字化技术。准确、快速、完备地获取产品实物的几何数据,即实物表面数字化处理是逆向工程的一项关键技术。实物原型的数字化是逆向工程的首要任务,获取的点云数据的质量直接影响着反求的精度。数字化设备主要可分为接触式和非接触式两大类。三坐标测量机是接触式数字化设备的典型代表。

三坐标测量机是在20世纪出现的集光、电、机械、计算机、自动控制等多种高科技为一体的精密高效的检测设备,能准确测量出零件的点、线、面几何元素的相互关系和空间位置尺寸。其测量精度高、重复性好,智能化程度也较高,对被测样件的材质、色泽、光照条件等没有特殊要求,因此在逆向工程中有着广泛的应用。本文研究了用三坐标测量机对曲面进行数字化测量的方法,用UG逆向工程软件对测量结果进行处理,实现曲面的反求。

2三坐标测量机

三坐标测量机是典型的機电一体化设备,它由机械系统和电子系统两大部分组成。

FARO测量臂是使用球工作体的多轴的链接臂。每个结合点都有个可旋转的传感器。来自这些传感器的信号经过处理并将位置数据通过USB通讯电缆传输到计算机中。

本文采用美国FARO公司生产的FARO测量臂三坐标测量机进行点云数据的采集。

3三坐标测量机数字化技术

3.1探针的选择与校准

探针是FARO测量臂非常关键的部件,是测量机测量零件的发讯开关,所产生的信号经处理得出测量结果。测量前要根据被测工件的外型特征选取探针的类型和大小。探针的正确选取与使用将决定测量机测量的可重复性,同时也将影响测量结果的精度,选用时可遵循以下规律:

(1)为保持接触点的精度,应尽量选用短探针。因为长探针的弯曲或变形量较大,会使精度降低。

(2)选用的测球直径要尽量大。这样能增大测球外侧到测针杆的距离,从而减少由于碰撞测针杆所引起的误触发。同时测球直径越大,被测工件表面光洁度的影响越小。

(3)在测量同一曲面轮廓时,应使用同一种半径的测球头,为了使曲面上每点都能被测到,测头半径应小于或等于曲面上最小曲率半径。

探针类型选择完成后,由于每种型号的探针其测头尺寸不同,在实体测量时,为了得到被测实体准确的空问坐标值,必须首先对探针进行校准。

3.2建立坐标系

使用三坐标测量机进行测量时,由于零件装夹后所处的坐标系与设备本身的坐标系不重合,此时需要调整零件和测量系统的相对位置。可以采用建立零件坐标系的方法来保证多次测量数据坐标系的统一。所以,在测量零件前要先进行坐标找正。一般很难直接在零件上找到相互垂直的元素来建立坐标系,但坐标系三个轴互相不垂直又不符合直角坐标系的原则,针对此问题FARO测量臂可用3—2—1的方法建立零件坐标系。

为了在零件上建立三轴垂直的坐标系,可以首先测量一平面,利用面元素的法矢确定第一轴,面元素的法矢始终是垂直于该平面的。利用任意投影到该平面上的一条线来建立第二轴,能够保证第一轴和第二轴绝对垂直,再由软件自动生成垂直于前两轴的第三轴。这样测量机软件就建立了互相垂直的、符合直角坐标系原理的零件坐标系。建立好零件坐标系后,使测量系统在零件坐标系下工作,便于后续的建模。

3.3区域划分和路径优化

在进行点数据的收集时,根据测量方案编制程序。一般原则是在曲率变化比较大的地方打点要密集一些,平滑的地方则可以稀少一些。对于整个曲面的测量,一般应在开始定义一个边界,边界曲线穿过一条直线时不应有多于2个的交点,否则边界无效或者交叉处将被自动忽略。对于单个曲线的测量,除上述坐标系、投影面等,一般只需限制两点之间的距离,并给出起始点、结束点以及采点方向。

测量前,应作好测量区域的划分和测量路径的优化工作,以提高测量数据的有效性,能够在有限的测点信息上构造出高质量的曲面。根据实体的不同形状划分不同的测量区域,确定不同的测量路径对于准确还原被测实体形状、后续的模型重构、光顺性、易修改性等影响极大。要求所采集的数据要足够反映实物表面的特性,在能够正确表示产品特性的情况下,所采集的数据尽量少、所走过的路径尽量短、所花费的时间尽量少。数据采集的基本原则是:沿着特征方向走,顺着法向方向采集。

首先用手动方式选边界点确定测量区域,使得在每一测量区域内曲率的变化不大,否则在自动扫描时,容易造成不必要的死机等故障。实际测量中,每个样件依据其表面曲率变化的不同,其测量区域的划分是不同的。以如图4所示的测量实物为例,实物表面的大部分曲率变化不大,但在上部有两个明显的特征凹陷处曲率变化较大。为了提高反求的精度,用手动方式测量出凹陷部分的边界。在每一测量区域内测量点数应随曲面的曲率而定,曲率变化较大的测量区域,测量点数取得密一些;曲率变化较小的测量区域,测量点数取得疏一些。 然后在每一测量区域内进行测量路径的优化,可分为两种情形:一种是待测区域的测量顺序优化,以减少测头在不同测量区域间移动的路径长度。第二种是同一测量区域内测点的测量顺序优化,以减少测头在测点问移动的路径长度,生成最短的检测路径,使测量时间最短。在每一测量区域内采取沿生长线往复扫描路径。完成测量规划后,用FARO测量臂的编制程序,完成FARO测量臂的自动测量,在测量过程中采用微平面法进行测头半径补偿,使测头顺着法向方向测量,以提高点云数据的精度。

4UG软件的数据处理

数据处理是逆向工程中的关键环节,它的结果将直接影响后期模型重建的质量。数据处理的目的:一是除去模型中冗余的数据点,最好只留下恰好够重构出CAD模型的数据量;二是对噪声点进行过滤。具体处理内容包括补偿点产生、噪声点删除、数据点精化、数据点加密、坐标变换、数据的格式转换和数据输出。通常这个工作在UG软件中完成。

5结束语

利用三坐标测量机进行实物表面数字化时,合理地选择探针、建立零件坐标系、对测量区域进行划分、测量路径优化,不仅可以获得精度较高的点云数据而且能够提高测量效率,为后续的曲面重建工作打下了良好的基础。目前,我国大部分企业都处在应用逆向工程实现产品的模仿和复制阶段,这仅仅是逆向工程的初步阶段,在此基础上进行的基于原型的再设计、再分析、再提高,从而实现重大改型的创新设计,才是逆向工程的真正价值和意义所在。

参考文献:

[1]张海,付伟.基于PRO/E的三坐标测量机自动检测技术.工具技术,2008,42(5) : 60—70.

[2]邹金兰.逆向工程中CAD模型构建技术及应用[J].机电工程技术,2008(9) : 100—115.

三坐标测量方法与实际应用探讨 篇6

关键词：三坐标测量,实际应用,发展趋势

三坐标测量仪器自问世以来,作为世界先进的测量系统,在对结构复杂的工件进行精密测量的过程中起着越来越重要的作用,其不仅能够对各种形状的机械零件进行精确测量,而且还能够应用于空间性的结构测量工作中,是从二维到三维的跨越式升级,使测量更加精准、高效,在测量仪器的专业化发展方面发挥着十分重要的指导意义。

1 三坐标测量机的构成要素

坐标测量机的主要是由四大部件系统组成,分别为仪器的主体构架(X、Y、Z三轴)、数据分析系统、数据采集测头/测座、控制系统,在这当中主体结构的作用是进行一些基础性的功能。运行方式一般是通过相关的程序指令来进行零件中的位置信息的收集,在通过数据分析系统整合数据进行分析,最后输出用户需要的测量结果。

2 三坐标测量机的坐标系

三坐标测量机通过建立坐标系,采集所在区域空间内所测要素的坐标位置,再通过复杂的数据处理计算所测要素数值。

2.1 机器坐标系(回机器零位后的坐标系):

测量机运用于日常工作当中的时候,需要接收指令后,测量机通过使用三轴光栅从零点来进行计数。若是添加了补偿模式,三坐标测量机将会保持一种正常的工作状态,在这个时候就要重点关注所有的坐标点相对于机械的坐标原点,这也被称作为“机器坐标系”。使用机器坐标系的好处是做临时测量或者零件无明显的直线特征时,构造被测要素非常方便。

2.2 零件坐标系(以零件作为基准建立的坐标系):

当我们使用三坐标测量机对某机械进行正常测量时,测量人员一般都会以某一个机械的零件的三个典型特征方向建立新的坐标系,并为基准来展开测量工作。在这种情况下得到的坐标系是“零件坐标系”。使用零件坐标系的好处是在有图纸的情况下,对此零件各种要素进行测量,可以非常方便地构造要素,而且进行评价是与图纸对比非常直观[1]。

3 三坐标测量方法分析

3.1 坐标系转换

在运用三坐标测量机进行实践测量时,通常用到的转换方法一般有两种,既是平移式坐标系与旋转式坐标系。如果在实际工作的时候,有斜孔测量情况的时候,斜孔会同坐标轴产生一个角度,因而就要通过坐标系来进行旋转以及转换。所以,通过旋转操作之后,在达到某一个角度的时候,其斜孔的方向就会同其中一个坐标轴出现同向性的情况,这就给后期的数据的处理带来了一定的帮助,如图1所示。坐标系可由X0、Y0转换到X1、Y1。在通过坐标系的旋转所得到的所有数据,其实都可以利用原来的坐标系来进行计算,这就极大的提升了实际测量的方便性、精确性。

3.2 构造被测要素法

通常来讲,进行产品的生产当中,台阶孔的大小是有着极为重要的作用。但是由于台阶面本身构型以及大小就不一,所以,进行测头监测就会遇到较大的难度。在三坐标检测机运用操作当中,就要使用到垫块的方法去不停的延伸被检测物的增加。在最终数据产生后,就要把延展部分的数据减掉,剩下的便是有价值的数据。因为大部分的待检测样都是不规则的物体,这就给尺寸大小的检测带来了不小的麻烦,因而就要引入三坐标测量机来辅助数据的分析,从而能够极大的提高数据分析的精准性以及快速性。

3.3 转换测量基准法

在对比较复杂的模型的测量时,常常会出现基准同被测量的要素出现不一致的情况,因为这种工件具有较为特别的性质,因此对其精度的测量就极为难,所以,以往的检测手段以及检测方法就不能够满足其检测要求。在这种情况下,需要使用到转换基准法,其实是把被测性要素同中间的基准进行对比以及计算,然后经过大量的换算来确定需要检测的元素、实际基准相互间的关联。进行实际操作当中,就能够极大的降低操作的复杂度,把工件稳定在加工正面,也就会导致工艺基准、被测要素没有保持在同一平面的情况出现。比如,进行壳体形状的加工当中,一般来说都会使用地面两孔来对位置进行确定,然后再进行正面的加工。因为,该方式对加工孔和底面孔的位置度等的确定都有着极为严格的标准,因而就需要通过实际测量来进行基准孔的相互变换,除此以外,同样需要关注的是在角度上的定向性。所以,在针对壳体的测量当中,能够利用壳体当中的两个瞳孔对角度固定、转换基准确定等,实际的操作当中,就要使用到同一个平面当中的两点来进行定位孔从而获得实际的基准,进一步构建坐标系,随后测量出壳体两孔具体的坐标值。然后通过对工件的翻转还有两个通孔角对坐标信息进行反置,从而获得实际的坐标系。

4 其他尺寸测量应用

在实际的机械制造当中,机械产品需要收集很多尺寸数据,从而得到比如导向装置总的直度、圆度、拱度还有平行度上的大小数据,此外还需要针对角度、球、同心度和轮廓的尺寸进行测定,是因为这些零件会牵涉到几何问题,因而对于零件的实际空间信息的测定就会比较的困难。比如在机械行业中广泛应用的球体,有时当球体圆度不足时,会严重影响使用效果,导致球体提前磨损而失效。这个时候通过使用三坐标测量机进行数据的处理就十分的重要,它能够把形状公差缩小在极小的范围当中。

5 三坐标测量方法的发展趋势

三坐标测量作为新生代的测量方式发展迅速,是测量行业进步的主要驱动力,目前三坐标测量机主要从以下几个方向发展:三坐标的测量精度、三坐标测量机的运行速度、三坐标测量软件的智能化。

5.1 有利于提高测量的精密度

如今的三坐标测量机发展里程当中,现代化超精细的加工方法可以将其测量的精确度提升至纳米级别,所以,在测量的公差度就要确保其精确度不能够超过公差的十分之一,所以,开展这些工作的时候,通过使用三坐标测量机就能够极大的提升其精准度,提升测量设备的精度。

5.2 有利于提高实际的测量工作效率

实际操作三坐标测量机进行测量的时候,它可以在一定范围内有效的改进机械的总体结构,侧重于轻型还有热变形不大的新型材料的应用,比如空心薄壁结构、人工合成材料还有铝陶瓷等等,能够极大的提升零部件加工的科学性,从而能够提升机械结构的优化;三坐标测量机的使用可以有效的提升控制系统在作业当中的性能,借助测量机在高速运行,并且可以确保其平稳性的性质,因而测量机工作的精度影响因素就是,确保设备不会出现较大的振动;运用三坐标测量机进行实际的操作过程当中,就要使用到动态性收集,进一步的提升其采集效率,深入地研究测量机运用于实际操作时的动态性误差,同时对产生的误差进行相应的补偿,比如漂浮、测头还有刚度等一些情况,极大的提升软件在运用时的运行效率。

5.3 在航天领域的发展

在航天领域,对于航空发动机的生产当中,就要重点对其中的一些关键性零件部位进行不断的提升,所有研发过程都与三坐标测量机密切相关,这也就显示出了其重要的价值,在生产制造的行业的整体发展当中,对于原件质量的控制是尤为关键的一个步骤,并且还是航空制造行业非常关注的一个问题。针对航空发展动机的零部件研制过程中,相关企业对元件的检测方法以及检测设备的要求变得更加的精密化、科学化,所以,进行实际的生产时,便于确保航天行业发展的水平以及进展速度的先关要求,三坐标测量机逐渐成为了航空领域发展不可或缺的重要组成部分。比如,在进行航空领域逐渐前行过程当中,发动机的不断研发对于航空领域的提升有着至关重要的意义,但发动机当中很多的元件有不同的构型存在,这也就使得数据的直接性测量带来了不小的麻烦,通过使用三坐标测量机就能够较好的对其尺寸大小进行准确的测算,于是能够极大的提升航天零部件的精确度[4]。

参考文献

[1]唱宇,杨桂栋.三坐标测量机的发展趋势[J].民营科技,2015(03).

[2]李志芬,逯永,王尧,胡建英.三坐标测量方法的研究[J].科技创新导报,2015(26).

[3]黄沛丽.关于三坐标测量机坐标系的建立[J].科技信息,2010(18).

基于三坐标测量机同轴度的测量方法 篇7

测量一批轴的同轴度,因为轴内壁带有油槽,所以不能用圆度仪测量。使用三坐标测量机测量同轴度,如果测量方法使用不当,测量误差会很大,把合格的零件检测为超差,不合格的零件检测为合格,反映不了真实情况,人为造成经济损失。针对此问题,经过理论分析,得出影响同轴度测量误差的主要因素,提出解决方法,改善测量结果。

2 三坐标测量机的测量原理及测量误差

图1是谢菲尔德(Sheffield)公司DiscoveryⅡD-8型三坐标测量机,测量软件是Measure Max 6.0TM。三坐标测量机通过测量软件对零件进行测量计算出所需测量数据。三坐标测量机的测针接触零件表面,测针把接触点的三维坐标值传给测量软件,构成点、线、面等基本元素,根据被测元素的三维坐标使用最小二乘法计算出该元素的特征数据和形状误差,还可以计算得到位置误差[1]。

三坐标测量机的测量精度是用测量误差衡量。除机器本身因素以外,零件表面的形状误差和测量方法的选择是影响测量精度的主要因素。

测量平面时,测量4个分布范围比较大的点,如果所测的4个点中的1个点有2μm的形状误差,对这个平面的法向几乎没有任何影响。同样测量这个平面局部的4个点表示这个平面,如果局部的4个点中的1个点有2μm的形状误差的话,这个点就会影响平面的方向矢量,平面的法向误差就非常大。可以得出,平面的法向误差在测量范围大的时候受精度影响比较小,而测量范围小的时候受精度影响比较大。因此,测量平面时应使测量点尽量布满整个被测平面[1]。

测量圆柱时,测量点应尽量均匀分布在圆柱的圆周上,如果测量范围小于圆周的六分之一,圆的直径和圆心坐标的精度就很差,圆柱同轴度的误差也会增大。测量圆周上的点时必须具有一定的方向性,即测量的方向与截面圆径向一致,保证点测量的准确性。影响同轴度的主要因素是被测元素与基准元素的圆心位置和轴线方向。如图2所示,在轴外圆上测量1和2截面圆,圆心连线作为基准轴线A。在轴内圆上测量3和4截面圆,其圆心连线构成被测轴线B,比较A和B得到内圆相对于外圆的同轴度。假设轴的基准轴线上两个截面圆的距离为10mm,基准轴线的第一截面圆与被测轴线第一个截面圆之间的距离为50mm,如果基准轴线的第二截面圆的圆心与基准轴线有5μm的测量误差,则被测轴线的第一个截面圆到基准轴线已偏离25μm,即使实际被测轴线与基准轴线完全同轴,计算结果也有50μm的误差[2]。这种测量误差是人为造成的基准轴偏离误差。

选择合理的测量方法能最大程度地反映零件的真实情况。为了使测量结果更准确,测量时根据被测零件的大小、表面粗糙度选择测量位置和测量点数,在允许的情况下测量点越多越好,尽可能在被测面上均匀分布,获得与实际相近的特征数据,否则可能产生很大的测量误差[3]。

3 同轴度测量的四种方法

三坐标测量机测量同轴度时尽可能使轴线与被测截面圆垂直,测量点尽可能多,并且均匀分布。根据轴的形状和精度,总结出了以下四种测量方法。

3.1 增加截面间距离的方法

当被测轴较长时,测量轴的基准轴线时应尽量加大最低截面和最高截面的距离,误差比例将成正比减小。因此,测量时要拉开轴的基准轴线两个截面间的距离,减小基准轴线偏离引起的测量误差,若轴的基准轴线足够长,同时与被测轴测量的截面较近,人为误差就会很小。

3.2 直线度代替同轴度的方法

当被测轴较短时,改测量同轴度为测直线度。这种情况下轴的轴心偏移对装配影响较小,轴心偏移的测量实际就是测量轴心连线的直线度。分别在轴内外圆上分别测几个截面圆,然后选择这几个圆,通过这几个截面圆的圆心建立一条直线,测量软件上构建这条直线,得出此直线的直线度,该直线度就是零件的同轴度。这种测量方法轴越短测量精度越高。

3.3 建立公共轴线的方法

当基准轴与被测轴的相距较远时,可以通过建立轴基准轴与被测轴的公共轴线计算同轴度。在轴的基准轴和被测轴上各测量一个中截面,把两个中截面连线作为公共轴线,分别计算基准轴上的圆截面和被测轴的圆截面对公共轴线的同心度,取其最大值作为轴的同轴度误差。

3.4 阶梯形轴代替同直径轴的方法

当被测轴表面形状误差较大或精度要求较高时,测量圆柱形轴可以改为阶梯形轴同轴度。因为测量软件采用最小二乘法拟合圆柱,截面圆直径相差较大,直接测量圆柱产生的误差较大。因此,测量轴基准轴和被测轴都可改为测量阶梯形轴的同轴度,取其最大值作为轴的同轴度误差,就能够达到测量要求,提高测量精度。

根据轴的形状和精度等具体情况,合理选用以上四种方法或混合使用可以快速准确求出同轴度。

4 测量实例

如图3为被测阶梯轴零件简图,既有阶梯,且零件较长200mm。

采用传统的测量方法,在外圆A建立基准轴,然后在三坐标测量机上求出外圆B对基准轴线A的同轴度为0.15mm属于超差零件。

确定基准轴采用建立公共轴线的方法,先测量外圆A的某一截面圆,然后测量外圆B某一截面圆,外圆A与外圆B截面圆的圆心连成一条直线,构成公共轴线。然后比较外圆A、B分别对公共轴线的同轴度,最大值就是此轴的同轴度,测量结果是0.02mm,同轴度达到要求,零件合格。

5结论

三坐标测量机测量同轴度时,根据零件的具体特征,选择合适的测量方法,以上四种测量方法在实际工作中灵活应用,会提高测量结果的准确性和可靠性。使用以上测量方法,检测了一批轴,符合零件真实精度,解决了生产实际问题,得到了用户的认可。

参考文献

[1]叶宗茂,浅谈三坐标机对孔、轴、平面尺寸的正确测量[J].工具技术,2005(2):91-94.

[2]吴燕等,三坐标测量机测量圆度同轴度误差初探[J].工程设计,2000(2):81-83.

三坐标扫描测量圆度误差分析 篇8

本实验中用到的圆度仪测量圆度的最大允许误差为±5%, 三坐标的扫描探测误差为1.5μm。

改进前的测量方法分析

直接扫描一个圆然后报告这个圆的Form值, 过滤设置在生成测量圆的指令内完成, 即测量与过滤同步完成。经多次对比验证, 使用此种测量评价方法测得的结果与圆度仪的测量结果的差异均在2.0μm以上, 远远大于三坐标的扫描探测误差, 具体见表1数据。

改进后的测量方法

(1) 输入 (GENSCACIR) 生成扫描圆指令, 主窗口界面会出现生成扫描圆参数设置的画面, 在相应的位置输入相应的参数设置, 如下图1所示 (注:以下各步骤需运行方可有效) 。

D N S=点密度 (然后根据圆的周长来计算扫描点密度, 即d=3 600/周长)

SPD=扫描速度 (默认值为10/s, 即每秒测量长度为10mm)

FLT=过滤类型类型=高斯扫描圆直径在25mm以内的, 选择0〜15upr低通滤波, 直径在25〜80mm之间的, 选择0〜50upr滤波。

(2) 输入 (MECIR) 测量圆指令, 主窗口界面会出现测量圆设置画面, 输入相应的参数设置后运行, 如图2所示。

此时软件主窗口界面中会出现相应的移动点和测量点, 确认无误后即可从开始处运行扫描该圆元素。

(3) 输入 (GAUSSP) 过滤指令, 软件主窗口界面会出现过滤设置的画面, 设置相应的参数后运行, 如图3所示。

(4) 然后使用 (RNDNES) 评价圆度指令, 在主窗口界面会出现圆度评价设置界面, 设置相应参数后运行即可评价出圆度值, 如图4所示。

对此种测量方法进行对比分析

下表数据表为对4种不同型号规格的环规分别进行5次扫描测量得到的数据, 由测量数据可知此种测量方法测得的结果与圆度仪对比误差明显减小, 差异均在2.0μm以下, 如表2所示。

对圆度仪测量这四种规格型号环规的测量不确定度进行分析计算得出:U=0.2μm, k=2。

注:按照一个A类 (测量重复性) 和一个B类 (设备的最大允许误差引入) 分量来分析得出。

对三坐标扫描测量这四种规格型号环规的测量不确定度进行分析计算得出:U=1.9μm, k=2。

注:按照一个A类 (测量重复性) 和一个B类 (设备的最大允许误差引入) 分量来分析得出。

由上表测量数据可知, 此种测量方法测得的结果比较稳定, 最大偏差值为1.7μm;此种测量方法测得的结果与圆度仪测量数据相对比平均偏差值在1.5μm左右;按照实验室间En值的方法来计算En<1, 满足其实验室间能力审核的要求。

结语

通过扫描圆度测量方法的改进, 实现了在三坐标测量机上准确扫描测量评价圆度。

另外为了达到扫描评价圆度的最佳效果, 建议在扫描圆时做如下设置:高精度扫描圆, 一般在圆周上均布3 600个点, 然后根据圆的周长来计算扫描点密度, 即d=3 600/周长。滤波选择, 扫描圆直径在25m m以内的, 选择0~15u p r低通滤波, 直径在25~80mm之间的, 选择0~50upr滤波。

三坐标测量发动机缸盖阀座锥面 篇9

三坐标对于测量常规面与孔非常简单, 且精度很高, 但没有测量阀座锥面校准线深度的程序模块, 且由于阀座校准线需要测量理论直径下的深度, 三坐标测量由于校准线深度测量的复杂性和特殊性, 使得三坐标在测量缸盖阀座校准线深度的使用上一直是个难题。

校准线直径与深度是缸盖阀座比较重要的两个参数, 直接影响着阀座的密封性能及燃烧室容积。在缸盖加工工艺中, 也是较难加工的部位。在调试和生产过程中, 阀座锥面精加工刀具Z轴进给量是否正确, 需要测量反馈, 才能准确指导调试和生产。无法找到理论直径, 也就无从测量该直径处的深度。

分析及解决方案

缸盖阀座参数见图1, 以进气阀座为例。 (3.02±0.05) m m这个尺寸一般都是采用专用量具, 即带表深度规来检测的。

查阅了三坐标的有关资料以后, 最终确定将阀座锥面作为一个圆柱孔来测量的方案。通过初步的理论研究, 可以测量锥面上任意一个截面, 通过计算得到直径为33.5mm截面的深度。

操作原理及过程如下:首先手动操作确定一个测量深度, 保证测头能落到锥面上, 最好是锥面中间的位置, 确定深度可以采用多次给定判断的方法, 记下该深度H, 然后在此深度下测量锥面直径。由于锥面角度是由刀具保证的, 可以假定角度是没有误差的, 则在深度、角度和直径已知时, 可以通过作图得到测量锥面上直径为33.5mm截面的深度, 将此深度与3.02mm比较后就可得出加工调整值, 见图2。

但该方法只能通过作图才能得到加工调整值T, 在实际运用上存在效率问题, 最理想的方法是直接计算得到加工调整值T, 更进一步考虑希望通过三坐标编程, 直接得到所要的结果。

由几何知识可得到所需要的几何模型 (见图3) , 在D (实测半径) 和H已知, 求校准线半径 (16.75m m) 对应的深度H1并不困难, 那么再用这种方法求得的H1与校准线深度 (3.02±0.05) m m比较, 即:H1-3.02±0.05=T, 分析后可知:若T为正值则说明加工的进给偏大, 应减少进给量;若T为负值则说明进给量偏小, 应增加进给量, 两者进给量调整值根据T值来确定。

但经过进一步分析后发现, 按照测得的深度H与直径D得到的锥面即计算锥面, 并不是测头实际测量的锥面即实测锥面, 如图4所示。

要根据实际测得的深度H和半径L, 求得实测锥面的深度H1和半径L1, 首先要理解三坐标的测量原理。在三坐标测量中有一个矢量概念, 矢量主要是用来确定按什么方向驱动才能垂直于表面或被测元素, 也就是说测量时测头的矢量方向要垂直于被测元素。矢量的重要用途之一是用于测头补偿, 软件沿此方向来补偿测点, 在D C C控制下, 表面采点应按所接触表面法向矢量的相反方向进行补偿, 否则, 将很难确定是测头的哪一点与被测表面接触, 造成所谓的“余弦”误差。若将阀座锥面作为孔来测量, 我们知道测孔直径的时候, 测头的矢量方向是垂直于孔壁的, 也就是说测头的矢量方向并不与锥面垂直, 即存在“余弦”误差。为消除“余弦”误差, 必须设置测头的矢量, 然后再根据前面的模型计算加工调整值T。

在对三坐标测量中半径补偿原理充分理解后, 我们认为完全可以省去设置矢量这一过程, 这样可以大大简化编程, 又不影响最终结果。方案如下:仍采用测孔直径的模式测量锥面, 矢量按照测孔默认矢量设置, 给定一个合适的测量深度, 保证测头测点能够落到锥面上, 由于锥面角度直接由刀具保证, 可以假设角度没有误差, 这样就可以建立数学模型 (见图5) 。

式中R1——红宝石测头半径;

α——锥面角度。

式中R——校准线半径。

式中D为实测直径。

式中h——测量截面深度;

L——校准线深度。

L即为直径为33.5mm截面的深度, 与理论深度 (3.02±0.05) mm比较就可判断加工是否合格。以缸盖进气阀座T V31为例, 将上面的公式转化成三坐标程序, 如下所示。

通过设置深度公差, 就可直接得到所测锥面校准线是否合格。

结论

三坐标测量阀座锥面校准线深度的成功, 减少了对专用量具的依赖性。对类似参数的测量都有很好的参考价值, 有助于减少专用量具的投入, 降低制造成本。

三坐标测量机的升级改造与应用 篇10

随着公司规模的扩张和高效加工设备的广泛应用, 普通的检测手段已不能满足企业现代化生产的需求。为了提高精密检测能力和产品质量控制能力, 我公司在1998年购入一台DEA公司生产的Ghibli201210测量机, 并在2000年购入一台Brown&Sharp公司生产的Chameleon-7.10.7测量机。两台测量机自投入应用以来, 在我公司产品质量控制体系中扮演了重要角色, 严格把好了零部件的形位公差大关, 从而保证了产品的质量, 为公司创造了良好的经济效益, 赢得了用户的一致好评。

2 升级改造的可行性分析

Ghibli201210测量机是DEA公司在90年代中期的成熟机型, 随着时间的推移, 电气元件开始逐渐老化, 近年来故障频繁;并且该机器的B3CS控制系统在2001年已经停止生产, 备件也在逐渐减少, 维修成本也相对较高。原有的TUTOR测量软件在98年已经停止研发, 在WIN95系统下使用, 界面落后、功能简单, 不便于编程, 效率较低, 逐渐不能满足现今的检测需求。

Chameleon-7.10.7测量机是Brown&Shar p公司的产品, 同样也存在电气元件老化, 故障率频繁等问题;并且该机器使用的是SHARP32控制系统, 维修备件不断减少。该机器的PCDMIS 3.0版本软件是早期的测量软件, 仅能在WINNT系统下使用。两台机器的操作系统和控制系统均不相同, 既造成了测量机操作者检测不方便、不灵活, 同时也增加了日常维护保养的难度。

我们公司每年都对两台测量机做精度校验, 机器的机械性能和精度保持性良好, 况且两台机器的所有机械部分结构和技术在现在来说并不落后。因此, 比较经济实惠的升级方式就是通过升级改造控制系统和软件系统来再造两台先进的全自动桥式测量机。

3 改造的基本内容

用最新的Pcdmis CAD++DCC测量软件替换已经淘汰的TUTOR软件和PCDMIS3.0旧版本软件。该测量软件能够解决复杂的计量检测任务, 提供了用户简易操作界面, 帮助用户完成零件检测程序编程、测量程序初始化设定以及执行检测程序, 运用先进的图形化报告功能, 实现用户特殊的检测数据分析需求。该软件的优势之一为其直观化的自学习功能, 在CAD模型的上, 实现用户零件检测编程, 并且具有独特的零件特征识别功能, 针对不同测量点的探测, 自动识别测量元素的类型 (线、圆、圆柱, 等等) 。在完成工件特征检测之后, PC-DMIS CAD++软件能够自动定义被测元素类型, 提供所需信息和屏幕分析图形, 这种动态图形通过被测几何元素之间拟合, 实现被测工件的元素构造;强化了对于复杂几何表面的导入和评价, 包括在曲线和曲面任意位置上随机拾取点云、曲线和线框, 立即产生完整的公差报告, 和曲线曲面以及曲面轮廓的坐标系校正。该软件适用于工件建模, 模具制造调整, 生产过程中故障诊断和处理以及事故分析。PC-DMIS CAD++软件与扫描性能相结合, 操作者能够快速, 高效, 准确的测量复杂几何形状, 例如蜗轮叶片, 模具, 模型, 钣金件组件和其他曲线, 曲面形状。各种类型的扫描特性能够生成工件表面的不同扫描模式, 该特征也是检测工件配合表面尺寸的重要工具。

用最新的DEA控制系统B3C_LC替换已经淘汰的B3CS控制系统和SHARP 32控制系统。B3C-LC控制器是高速伺服测量控制系统, 可支持模拟扫描测量系统, 同时可支持其它测头系统, 具有良好的可靠性和安全性;用通用的JOGBOX操纵盒替换已经淘汰的现有操纵盒;统一使用Windows Xp操作系统的计算机;更换所有的控制系统电缆, 机械部分全面大修调整保养, 清理检查机器的导轨系统;清理检查机器所有的气路部分和过滤系统, 增加一套过滤器系统, 更换所有的老化气管气路系统;优化调整测量机的运动控制参数, 调整测量机的横梁与台面的水平及三轴的垂直度;全面的精度调试和校准按照ISO10360-2标准恢复该机器原有精度;

4 改造后测量机在我公司的应用

通过升级改造, 再造了两台先进的全自动桥式测量机, 彻底更换控制系统、操纵盒、计算机和软件为统一配置, 以及更换所有的控制系统电缆等配件, 增强了通用性、稳定性和可维护性, 提高了工作效率。改造后的测量机技术水平仍可达到现今同类全自动测量机的档次, 自重新投入使用以来, 测量精度和效率明显提高, 解决了以前测量中需要进行大量数据处理的麻烦, 使测量结果更全面更直观, 同时也增强了我公司在逆向制造方面的设计能力。

ZL41型复合滤棒成型机组是参照德国HAUNI公司的MULTIFI-E而设计的, 由YL31型两元滤棒组合机和YL44型复合滤棒成型机两部分组成, 其最高设计生产速度为400米/分, 是目前国内的高速二元复合滤棒成型机组。YL31型两元滤棒组合机的加速鼓轮 (2) 是一种典型的凸轮式械手抓放机装置, 其作用不仅是传送组合滤棒, 更重要的是补偿靠拢鼓轮 (3) 及交接轮 (1) 槽的不同节距, 实现组合滤棒的正确传输。其工作原理是加速鼓轮的传递槽的杠杆臂沿着一个凸轮轨道上运动, 由凸轮轮廓控制加速鼓轮的传递槽相对于靠拢鼓轮、交接轮的不同的传递点。

1交接轮2加速鼓轮3靠拢轮鼓轮

加速鼓轮中的关键零件——凸轮只有外形尺寸, 没有凸轮廓线的设计参数, 设计时将其定义为进口件。由于该零件的进口价值大 (折合人民币为83949元) , 为了节省外汇, 降低成本, 进一步提升设计创新能力, 使用公司改造后的三坐标测量机 (型号) 对该零件的凸轮廓线进行反求设计。根据反求设计的原理, 选择凸轮零件的孔为基准, 应用三坐标测量机进行测量, 将测量数据输出保存, 应用PC-DIMS软件对所测量的数据进行处理, 生成图形文件, 并将其保存为IGS格式。启动Pro/E软件, 首先创建凸轮的基本特征, 再将前述的IGS文件导入创建凸轮槽特征。进过一番处理, 得到凸轮模型图如下:

我公司每年生产该零件十余套, 仅此一项就为公司每年节约开支数万元。我公司使用的类似进口零件比较多, 通过逆向制造使设计工作就变得方便容易多了, 有效地降低了研发费用和生产成本。

5 总结

三坐标测量机在我公司的使用, 已经并正在我们的机械加工、质量检测和逆向制造等方面发挥着不可替代的作用。我们有理由相信, 在今后的工作和实践中, 通过我们的不断努力, 三坐标测量机必将得到更好的应用和发展, 为我公司产品质量的提高和产品设计做出更大的贡献。

参考文献

[1]《PC-DIMS参考手册》