坐标测量机

2024-09-05

坐标测量机（精选十篇）

坐标测量机篇1

议题如下:

●“坐标测量不止是测量坐标尺寸”, 您怎样理解这句话?

●国外汽车及零部件制造企业中, 坐标测量机的应用现状、特点或趋势是什么?

●对用户选用坐标测量机时的建议是什么, 即如何平衡检测要求、最佳性价比和产生较高经济效益三者关系?

●请问贵公司产品在降低制造成本、提高生产效率方面的突出特点是什么?

●为提高测量机性能, 贵公司在软件开发和自动化程度方面做了哪些改进?

●贵公司为汽车及制造行业提供的解决方案介绍, 特别是传统方案与新方案的对比说明。

●贵公司在服务方面的特色是什么?

●温泽测量仪器 (上海) 有限公司:侯凯乐

●北京航锐斯维科技有限公司:祖江嵩

温泽测量仪器 (上海) 有限公司侯凯乐

随着零件微型化及精度要求的提高, 智能化、高精度化成为测量设备行业的发展趋势, 坐标测量机开始被运用到了更为广泛的领域。

“坐标测量不止是测量坐标尺寸”, 您怎样理解这句话?

10年前, 精密模具的精度一般为5μm, 现在已达2~3μm。随着零件微型化及精度要求的提高, 于是智能化、高精密化成为测量设备行业的发展趋势。没有高精度的测量工具, 要保证产品的质量是不可能的。坐标测量也就不再只是测量坐标尺寸的传统意义。坐标测量机开始被运用到更多、更广泛的领域, 如汽车制造、模具加工、航天航空等。

汽车及零部件制造企业中, 坐标测量机的应用现状、特点或趋势是什么?

随着汽车市场竞争日益加剧, 整车及零部件企业正在努力实现“降本增效”, 因而对设备供应商的服务要求有所提高, 包括解决方案的提供、提升效率的建议等。面对这样的情况, 最重要的是不断提升产品的性能、软件的便捷性, 对产品要求多样化、多功能化。比如WENZEL Shapetracer, 能让坐标测量机变成完美的记录和运用点云的工具。与之配套的功能完善的软件包Point Master V4具有人机友好的操作界面, 以及诸如逆向工程、测量和评价、迭代工具补偿等强大的功能模块, 为客户提供完全的工业设计与测量解决方案。编辑好铣削程序后配合CNC的二维连续旋转铣头可以实现无人值守的不间断工作。而Phoenix光学传感器是可以用来解决白车身几何特征的一种非接触式、具有更高精度和生产率的光学测头。其应用领域广泛, 尤其适合于测量汽车车身上的几何元件, 允许大公差测量需求, 如测量油路和冷却道, 同时还可以进行平整度、间隙、底盘的测量。

我国的汽车及零部件制造企业正在逐渐与国际接轨, 坐标测量机在应用中存在的问题同样需要通过产品种类要求多样化和产品要求更加经济、更加多功能化来完善。W E N Z E L高品质测量软件在与全球领先的汽车制造工业、机械工程和航空工业合作过程中, 研发了不断更新的全系列应用软件包。标准软件的功能有图形交互离线编程系统和多国语言系统, 分别输出图形及文本报告以及集成了真正数据库的、灵活全面的数据管理系统。更贴近客户的实际需求。WENZEL PonitMaster V4功能完全的软件服务包用于逆向工程和测量, 它涵盖逆向工程、测量、评价和迭代工具补偿 (ITC) 等所有功能模块, 是目前全球销量领先的逆向工程软件服务包。

W E N Z E L三坐标测量机可按测量范围选择不同尺寸, 可根据实际情况选配不同测头系统:RTP20是一种基于M H20i测座的独创的配有集成传感器经济型测座, 具有机动测座系统的功能及优点;S P25是超高精度的扫描式测头, 可灵活地运用于扫描测量及单点测量;R E V O五轴扫描测头, 能在坐标测量机上进行高精度、超高速五轴扫描测量, 特别适用于汽车业的发动机缸体、阀门座、航空业的涡轮叶片以及发电业的测量需求。

从使用角度, 您对用户在选用时的选用原则有何建议?

合适的机型尺寸, 基于CAD数模检测, 还有合理的检验计划。

请问贵公司产品在降低制造成本、提高生产效率方面的突出特点是什么?

我公司在降低制造成本、提高生产效率方面的突出特点是:产品种类要求多样化和产品要求更加经济、更加多功能化来完善。

为提高测量机性能, 贵公司在其软件开发和自动化程度方面都做了哪些配置或改进, 以满足越来越高的用户需求?

为提高测量机性能, 公司采用了集成化的零件设计使之易于维护, 使用控制柜, 同时采用全自动检测程序, 可视化程序管理使之易于操作。

贵公司所能为汽车及零部件制造行业提供的解决方案介绍, 特别是传统方案与新方案的对比说明。

温泽公司依据模具行业, 尤其是汽车模具行业, 推出的另一款产品W E N Z E L设计工具包, 是围绕着装载在水平臂式坐标测量机上的铣削头来完成的。铣削程序可以快速而方便地通过测量数据或外部的C A D数据源产生, 加工过程可以直接在测量机上完成, 针对不同铣头位置的铣削程序可以连接在一起, 以充分发挥二维C N C铣削头的作用。通过使用附加的数字化测头, 温泽新的CNC铣头Excalibur可以作为转动测量装置, 与其相匹配的D e s C A D3D是模型设计者和制造者的另一个强大的工具。日常设计工作的全部作业都包含在其中。D e s C A D3D的要素乃是利用接触式、光学式和多点扫描式测头, 把工件和模型上的几何元素和表面数字化, 并将这些数据无缝地输入、输出到现代的计算机辅助系统, 如C A D、C A M或C A Q等。该系统使用户能够生成铣削程序, 哪怕是对于非W E N Z E L的控制器, 都可以在机器上铣削、创成表面。模块化的软件结构为所有的软件功能提供了一个简单明了的用户接口, 不需要任何其他附加的软件包。

贵公司在服务方面的特色是什么?

作为从零部件制造检测到汽车整车场造型的整体方案和系统提供者, 温泽的服务特色是快速响应、备件齐全、技术精湛、客户定制的培训灵活、测量方案设计。公司坐标测量应用主要运用在:质量控制、工程研发、模型测绘等部门。

北京航锐斯维科技有限公司祖江嵩

坐标测量机已经不仅仅局限于简单的空间测量, 它已成为企业数字化工程的重要组成部分。

如何理解“坐标测量不止是测量坐标尺寸”?

传统的观念一般认为, 坐标测量机就是一种空间尺寸检测仪器。然而事实上, 随着科学技术日新月异的发展, 坐标测量机已经不仅仅局限于简单的空间测量。由于坐标测量机自动化程度高, 精密、高效, 具有很大的柔性与通用性, 不仅能实现许多传统测量器具所不能完成的测量工作, 而且效率比传统测量器具高出十几倍乃至几十倍。不仅如此, 随着无图纸加工时代的来临, 坐标测量机已经成为企业数字化工程的重要组成部分, 坐标测量机纳入C A D、C A M系统, 可把测量结果实时反馈给设计及生产部门, 借以改进产品设计或生产流程, 从而提升企业的产品竞争力。

从使用角度, 您对用户在选用时的选用原则建议是什么, 即如何平衡检测要求、最佳性价比和产生较高经济效益三者关系?

测量机的选用一般应遵循下列原则:

(1) 应根据被测工件的精度选择合理的测量精度, 一般可根据被测工件要求的检测精度与测量机给定的测量不确定度相对比, 看测量机精度是否符合要求。从经验出发, 在一般测量中, 测量不确定度应为被测工件尺寸公差带的1/5~1/3。

(2) 应根据被测工件的最大尺寸选用合乎要求的测量范围。

(3) 确定适合的测量机类型。测量机按自动化程度分为手动和C N C自控两大类, 选用时应根据检测对象的批量大小、自动化程度、操作人员技术水平及资金投入大小去权衡。测量机结构形式选择, 一般而言, 对于中等尺寸的工件, 多采用移动桥式;对于小型工件, 多采用悬臂式、仪器台式与移动桥式等;对于大型工件, 则多采用龙门式;对于需回转测量的工件, 可选用带分度台的测量机等等。

此外, 选用测量机还应考虑其是否具有丰富的测量软件、符合要求的测量效率、功能齐全的测头等因素。

(4) 最重要的一条, 衡量测量机选用得是否合理当然要看其是否具有满意的经济效益。作为检测仪器, 测量机的经济效益是投资购买的一项重要指标。虽然它不像生产机床那样便于计算, 也不如机床那样可以较快地收回成本并创造效益, 但作为保证生产质量的手段和环节, 检测仪器有着特殊的重要性。测量机的使用费用, 即测量总费用:

式中K——测量机折旧量;

G——检测人员工资;

T——测量所用时间;

Q——辅助材料和设备等杂费。

测量机效益的关键在于使用时间T。因此在考虑测量机资金的投入时, 关键在于了解它的使用效率。如果使用效率高, 则经济效益亦高。如果使用效率不很高, 而又易于在当地解决测量问题, 则应委托或协作检测。只付检测费, 比购置一台测量机更经济。当然有的场所, 测量对象极为精密, 不适宜搬动;有的系军工保密件等, 此时配置一台坐标测量机具有特殊性, 也是必要的。

贵公司在服务方面的特色是什么?

北京航锐斯维科技有限公司, 是专业从事三坐标测量机的设计、生产与技术服务的专业性公司, 提供三坐标测量机的控制系统改造、测量软件升级、测量精度校准等相关增值和专项技术服务。公司集合了一批具有专业技术的高科技人才, 80%的人员行业经验超过10年, 具备包括测量机机械本体、控制系统、测量软件在内的多项专业核心技术的设计和生产能力。公司拥有从手动设备到全自动测量系统的多个系列近百种型号的测量机, 并能根据用户的不同需求, 量身定做非标设备。公司产品广泛应用于汽车工业、航空航天、国防军工、船舶制造、铁道机车、矿山机械、模具制造等领域的质量控制和检测。

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.

检具测量和三坐标测量的区别篇5

A、成本：检具测量的一次性投资成本低于三坐标测量的投资，但是如果从长远考虑，三坐标测量的成本会低于检具测量，检具测量需要对所有的测量对象制作检具，而且是针对车型的一次性投资。而三坐标测量结合柔性夹具，虽然初始投资较大，而且有一定的日常维护费用。但是长远考虑还是有价格优势的。

价格一项三坐标胜

B、柔性：检具是针对零件/总成的特殊测量设备，没有柔性。三坐标结合柔性夹具可以对几乎所有的零件总成进行测量。柔性非常好。

柔性一项三坐标胜

C、测量便利性：检具的测量便利性非常好，三坐标与柔性夹具配合教差。

测量便利性检具胜

D、测量精度：检具的制造精度一般比较好的也就是+/-0.15(孔,销) ~ +/-0.2(面)，配合游标卡尺级别的测量工具，测量的精度最多达到 +/-0.1的级别，

而三坐标(普通级别,测量精度可以达到 +/-0.05。

测量精度一项三坐标胜

但三座标成本一项，除了三座标设备本身的投资外，还需要考虑检测支架的投资，毕竟绝大部分的零件柔性还是比较大的（机加工零件除外），需要支架帮助定位及测量。

虽然检测支架的结构会比检具简单很多，投资也节省很多，但支架的存在模式与检具仍然很类似，这种投资不仅增加了三座标的成本，同时也一定程度影响其测量柔性。

一般要求的检具是在线测量的快速判断零件质量的检验量具。在离线测量时又是零件的三坐标测量支架，可以方便获得零件及与车身系统精确的坐标值。

坐标测量机篇6

关键词： RTK；坐标转换；七参数；四参数

1 引言

目前GPS测量已得到广泛应用，RTK（Real - time kinematic）实时动态差分法作为一种新的常用的GPS测量方法，因其能够在野外实时得到厘米级定位精度，为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。但它一个显著特点就是输出的坐标为WGS84 椭球下的经纬度坐标，而我们实际工作中需要的多是北京54、西安80、地方独立等平面直角坐标，因此正确进行坐标转换是灵活应用GPS RTK测量中的一个重要技术环节。

2 现有坐标转换方法

2.1 七参数法

即X平移，Y平移，Z平移，X旋转，Y旋转，Z旋转，尺度变化K。最为严密参数法，控制范围广（一般大于50平方公里），尤其适用于高程测量要求高的区域。

数学模型为：

七参数的计算至少需要3组以上包含高精度的WGS84坐标及平面直角坐标的公共控制点，适用于大范围区域的坐标转换。

2.2 三参数法

即X平移，Y平移，Z平移，而将X旋转，Y旋转，Z旋转，尺度变化K视为0，是七参数的一种特例。只需一组包含WGS84坐标及平面直角坐标的公共控制点即可求取，主要应用于最远点间的距离不大于30Km范围的区域。

2.3 四参数法

即X平移，Y平移，旋转，尺度变化K。需二组以上包含WGS84坐标及平面直角坐标的公共控制点，数学模型为：

四参数法参数求取方便，但只能转换平面x，y坐标，没有进行高程拟合，不能对高程产生作用。控制点等级的高低和分布直接决定了四参数的控制范围，理想的控制范围在20-30平方公里以内。

从以上各参数的求解条件可以看出，无论是哪种转换参数的求解，都必须求取WGS84坐标，因此 WGS84 坐标的获取在这里就显得至关重要。WGS84坐标的获取有两种方式：一种是GPS移动站在没有任何校正参数起作用的固定解状态下的记录；一种是事先布设好静态控制网，从静态处理结果中获取。

3 坐标转换具体实际应用

下面以三亚崖州湾中心渔港疏浚工程项目为例来分析使用南方工程之星3.0软件来进行坐标转换的具体应用。

三亚崖州中心渔港是海南省及三亚市重点建设项目，位于三亚市西面的崖州湾、宁远河出海口处，背靠崖城镇，渔港面向南海北部湾海域，距三亚市40km，我处承担该项目清淤工程施工测量任务。

首先分析工区具体情况，该施工区域业主交付3个控制点，平面坐标为海南平面坐标系，高程为当地理论最低潮面，施工区及各控制点之间距离均在方圆5公里范围之内。由于控制范围较小，且为当地独立坐标，综合考虑若采用七参数，因其要求较严格，交付的控制点间距太近，且为图根点控制精度，较难满足计算精度要求，极可能出现求取参数不能使用的情况。若直接采用四参数转换不仅求取方便实用，其平面控制精度也能有效满足施工测量需求。高程控制中因控制范围小，距离较近，直接在已知点上校正获得的高程也能满足施工测量需求。

3. 1 新建工程

依次按要求编辑或选取如下工程信息：坐标系统、椭球系名称、投影参数设置，四参数设置、七参数设置和高程拟合参数设置此时未启用均不填写，最后确定，工程新建完毕。

3.2 采集原始坐标：在施工区域附近选择任意地点架设基准站，采集该点的单点定位坐标后，输入坐标启动基准站，待移动站收到差分信号后，分别在两个已知控制点上采集固定解坐标，做为该控制点的WGS84原始坐标。

3.3 计算参数：进入输入—求转换参数菜单，分别输入两个控制点的原始坐标和已知坐标，即可计算出四参数。

3.4 校核结果

计算出四参数后，在两个以上已知点上进行比对，其平面坐标完全满足精度要求，每次测量前在已知点上进行校正后即可对整个施工区域实施三维控制。

4 注意事项

1）转换参数都有控制范围，不同区域的转换参数是不同的。因此在某个区域第一次测量前首先要计算出适用于该区域的转换参数。

2）转换参数的使用实际上是灵活多变的，测区范围大于50平方公里或最远点间的距离大于30Km时应采用七参数转换，小于上述范围可采用四参数转换或三参数转换。

3）七参数的转换最为严密，但七参数的控制范围和精度虽然增加了，但七个转换参数都有参考限值，X、Y、Z 轴旋转一般都必须是秒级的；X、Y、Z 轴平移一般小于 1000。若求出的七参数不在这个限值以内，一般是不能使用的。这一限制还是比较苛刻的，因此在具体使用七参数还是四参数要具体分析。

4）许多相关文献认为不同椭球宜采用七参数法，同一椭球宜采用四参数法，但笔者以为，控制范围的大小和公共控制点精度的高低才是选择转换方法考虑的核心。本例中坐标转换前的原始经纬度是WGS84椭球，转换后的平面直角坐标是北京54椭球，采用的四参数法是直接把 WGS84 的经纬度坐标当作北京 54 的经纬度坐标（肯定会存在偏差），经过投影后再通过四参数转换成平面坐标。这里的四参数是由 WGS84 坐标和平面坐标求得的，因此，在把 WGS84 的坐标当作北京 54 的坐标投影时存在的固定偏差也能被四参数改正。

5 结束语

坐标转换在GPS测量中处在一个首要的位置，RTK的出现为实时、快速、准确采集WGS84坐标并及时计算转换参数提供了方便，较以前需静态控制网平差求得控制点WGS84坐标有了更高的效率。但坐标转换方法是否正确、求得的转换参数是否科学将直接影响到测量结果，测量人员只有充分考虑现场情况，结合各方面因素合理选择坐标转换方法，才能保证获得理想的控制范围和测量精度。

参考文献：

[1]七参数法GPS-RTK技术的应用张秋民

三坐标测量机电控系统维修方法分析篇7

1 电控系统的结构和主要功能

Tutor P电控系统主要包括以下几个部分:a.主控系统 (Level1) -计算机, 它管理测量机的全部操作, 完成与外围设备通讯, 结果计算及处理任务。b.轴控部分 (Level2和Level3) -Level2.3逻辑板, 它用来进行轴的调整和控制。c.驱动部件-PWM板, 它以脉冲宽度调制方式来控制测量机X、Y、Z三个轴的运动。d.机床I/O接口、应急和测头信号的控制-EMCP板, 它可以监测开关电源正常与否。e.电源和信号的分配部件-PSP90板, 产生系统所需电压。f.人机通讯部件-TU01操作盒。g.用于信号连接的大底板。

2 驱动电路板 (PWM电路板) 的结构及原理分析

该电路板采用PWM脉冲宽度调制方式来控制三坐标测量机X、Y、Z三个轴的运动。作为驱动部件它可以在65V电压下, 提供4A电流。PWM控制技术是靠改变脉冲宽度来控制输出电压, 电机的控制电压被转换成脉冲电压方式, 因此即使给电机连续供电, 它不可能产生功耗, 这是因为其平均电流为0, 改变调制脉冲的正半周或负半周的占空时间, 电机将按照两个之中的一个方向运转。作用于电机的驱动功率输出级是有四只MOSFET场效应晶体管按H桥形状连接。这个桥形电路上是与板上其它电路部分如控制电流、检测电路等绝缘的。

TUTOR-P系统的伺服驱动部分具有下列技术指标:电机电压:65VDC±15%;额定电流:4A;峰值电流:12A;开关转换频率:50k Hz±15%;非重复极限电流:17A;6V辅助电源:2A。由于MOSFET型场效应管具有低内阻, 因此, 使用小尺寸的散热片即可满足要求, 又加上采用50 k Hz的开关频率, 还可省去与电机串联的滤波电感。

该驱动电路板上还有一系列的控制逻辑电路, 当发生异常情况时, 可保护驱动电路的输出级, 异常情况是指:电机电压低于30V (欠压状态) ;电机电压高于90V (过压状态;功率晶体管用的散热片的温度高于80℃时 (超温状态) 。

2.1 PWM-U3637转换器

采用UC3637芯片以及PWM-UC3637转换器等元件构成混合电路, 因为UC3637能够形成多类PWM电机所需要的驱动要求, 在转换器内部形成脉冲信号对测量装置进行很好的调制功能, 由三角波振荡器、两个PWM比较器和输出级以及误差放大器构成的调制度功能, 能够有效的使转换器很好的工作, UC3637转换器还具有很好的安全保护功能, 当设备发生异常时, 驱动级就会发出保护指令, 限制设备继续运行, 起到安全的作用。当出现最小电压、峰值电压以及各类问题时, 就会输出外部控制系统, 关闭输出通道而停车。

2.2 保护电路

驱动电路板上装三轴共用的保护电路, 在机器运行当中, 倘若发生异常情况, 将起安全保护作用。这些保护分为可逆的和不可逆的两种类型, 其中可逆的是指暂时禁止驱动功率级, 而整个系统不断电。而“不可逆”的是指断开系统的应急链, 整个系统停止工作。其中欠压保护电路保护作用是可逆的, 它发生在伺服电源电压小于30V时, 正常的VP电压经电阻R142-R146分压后加到U17的第3脚与基准电压VDC进行比较 (VDC电压加到U17的第2脚, 是经R130和R131分压得到的) , 当VP电压小于30V时, U17-1输出低电平, 使U19的光电耦合器截止, 于是VPLW信号置1。由逻辑控制板Level2.34确认, 欠压状态发生, 引起供电指示灯灭, PWM转换器输出禁止, 欠压保护一直保持到VP恢复到50V以上自行解除。

2.3 功率驱动级 (输出级)

把PWM-UC3637转化器产生的PWM信号传送到脉冲变压器T1-T2的次级, 这一级电路由两只IR-FD210MOS场效应晶体管Q1和Q2组成, 并在T1、T2的初级线圈上产生脉冲, 这个脉冲电压与通道PHA-PHB的调制脉宽信号是相关的, 每只变压器均有两个次级绕组, 以便同时激励H桥对对角线上的最后输出“H”型电路, 在“H”桥的两个支路上均装有保护二极管, 用于防止反向电流对功率管造成破坏, 在支路上串接的电感用于输出电压的滤波, 及避免电机换向时瞬间两路同时导通。电机的旋转方向取决于被激励的支路, IRF640接受来自H-PDF混成电路的信号, 它包含四路独立的电路, 它们与脉冲变压器T1-T2次级的控制信号波形相符。

3 维修方法分析

3.1 故障现象:电路元件IRF640故障

分析与处理:用万用表测量发现稳压管损坏, 造成短路, 导致HX-PDF电路输出电压过高, 芯片损坏, 安装新元件后装置工作正常。

3.2 故障现象:装置显示灯DS3亮, 装置不能正常工作

分析与处理:根据装置电路图, 查找发现, X轴PHA没有脉冲信号, 导致装置不能正常工作, 安装新的PWM-UC3637转换器后, 装置正常工作。

3.3 故障现象:装置显示灯DS2亮

分析与处理:使用万用表对电路进行测量后, 由于IRF640型号的场效应管栅极因为电压过高击穿, 致使装置电路短路, 所以DS2指示灯亮, 安装新的IRF640型号的场效应管故障消除。

3.4 装置电路板电子元件发热

分析与处理:通过对电路的详细检查, 发现变压器工作异常, 对变压器回路进行试验分析, 变压器线圈损坏, 处理后, 装置工作正常。

结束语

因为TUTOR-P三坐标测量机电控系统电路复杂, 功能强大, 所以系统出现的故障现象多, 故障类型也是多样的, 所以在实际工作中, 要根据情况具体的分析处理, 确保TUTOR-P三坐标测量机正常工作。

参考文献

[1]何频, 郭连湘.计量仪器与检测[M].北京:化学工业出版社, 2006.

基于三坐标测量机同轴度的测量方法篇8

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.

坐标测量机篇9

关键词：三坐标测量,矢量测量,汽车零件

1 引言

综合光、电、机械、计算机、自动控制等多种高科技为一体的三坐标测量机 (Coordinate Measuring Machine简称CMM) , 作为高精密的测量设备, 通过X、Y、Z轴的移动, 将工件中各种几何元素的测量变换为对点坐标位置的测量, 通过配套软件对其进行准确地计算, 最后评价工件中被测的几何元素的尺寸以及元素间的空间位置和相互关系。随着三坐标测量机的软、硬件的飞速发展, 促使其应用更加广泛, 现已成为航空、航天、船舶、国防、机械、汽车制造等各项领域的设计、制造、检验环节中不可缺少的重要设备。

2 三坐标测量机的矢量检测功能及其应用

机械制造行业不断发展, 工件中以自由曲面为主要特征的零部件数量呈现增加趋势, 相应地企业、行业对加工制造出的成品的质量要求也在大幅提升。工厂在进行制造加工时零件的数字模型是已有的, 在质量检验时利用这个数模, 作为加工和事后检查的重要依据。这个特点在汽车制造行业里尤为明显, 汽车的整车存在一个确定的坐标系, 车身上的任何零部件, 小至单一的冲压件、拼接后的焊接总成件, 大至整个车身, 它们的数字模型都要以整车所在的坐标系为基础。

2.1 三坐标机矢量测量方法

测量前先选择安装合适的测头并进行校验, 再将工件的CAD模型进行处理并使用PC-DMIS软件进行打开, 通过拟合命令使工件的实际与数模中的型面重合, 方便快捷的建立好工件的坐标系。另外还要尽量使设计、工序、测量基准和定位基准统一起来, 以满足机械行业统一性原则, 有利于测量时进行尺寸检验和位置关系的比较, 更有利于在测量发现偏差后在工艺上进行相应调整。当然, 作为工程技术的人员必须使与产品零件在装配时的位置与坐标系基准的位置统一, 要对所检验的产品 (产品的构造、使用特性、关键尺寸) 有足够的认知, 往往在检测时, 很多尺寸与位置关系不是简单的靠理论值分析得来的, 必须要考虑被测工件的使用位置和装配情况。只有在综合考虑各个方面因素后进行测量, 才能选取准确的测量基准, 保证检验质量。

2.2 曲面测量中的误差表述

现代坐标测量机均具备矢量检测的功能, 它可以对组成复杂零件的自由曲面进行准确的测量和评价。对于一个具有自由曲面的工件, “矢量检测”是非常重要的一个概念。是一个有着明确的定义和严谨的数学表达的矢量, 而非一个简单的数值去表达曲面上被测点的误差。

从工件的数模中可以得到曲面上点K0 (X0、Y0、Z0) 以及过该点的法线矢量cosα10、cosα20、cosα30, 其中α10、α20、α30分别是该点的法线矢量与X、Y、Z三个坐标轴的正向的夹角。为减小测量误差, 当对工件的曲面进行测量时, 坐标机的测头部分是沿着该点的法线方向去接触工件表面的。但是制造误差是不可避免的, 被测工件的实际型面是不会与数模中的理论型面相完全重合, 因而测头与工件的接触点, 也就是测头的实际测量点的法向量也不一定会与理论测量点的法向量重合。曲面测量中的误差表述由此而来, 往往人们将工件曲面某一点的误差简单轻易的说成是“法向偏差”, 这自然是不够严谨科学的。法向偏差的真正意义是从理论点到实测点的向量在理论点法线方向上的投影, 并通过矢量测量得出误差的“正”、“负”指向, 误差值的规定见图1。在下图中a工件曲面呈凸形, b工件曲面呈凹形。

2.3 矢量检测的实际应用与评价

2.3.1 后地板加强梁的检测

当要使用三坐标测量机对结构复杂、不规则、精度要求高的梁类零件进行检测时, 首要的工作是正确选择工件的定位方式。

(1) 对工件 (如图2) 的CAD模型进行分析, 因零件的结构复杂外部形状不规则, 各孔所要求的精度高, 只用利用三坐标测量机才能准确、高效地检测出各部分尺寸。

(2) 首先确定零件在三坐标测量机上的装夹方式为自由支撑, 再确定零件在三坐标测量机上的空间定向和确定零件在三坐标测量机上的平面定向, 本零件用的是“3-2-1”零件找正法建立坐标系, 在顶面采3个点确定一个面, 2个槽的中心连线确定一条直线, 再采一个点即可确定一个坐标系。

2.3.2 结果评价

具有矢量检测功能的三坐标测量机能清楚地体现矢量检测功能和综合信息的提供。被测的15个点 (P4—P18) 、5个圆 (C2-C6) 、7个槽 (L2-L8) 都在曲面上, 二通过三坐标测量机检测的结果在图形中各个测量元素引出的框中显现出来 (如图3) , 同时又被归纳在不同类别元素的表中 (如图4点的测量报告) , 方便调取, 使得工程师在校验过程中能够非常直观的检查参数, 如本例的测量报告中, 绿色标识为测量值在公差允许范围内, 即为合格;红色为超出正公差;蓝色为超出负公差。这个标识由工厂制定而统一, 需要工程技术人员具体情况具体分析。

3 三坐标矢量检测的实际意义与展望

随着汽车、飞机、机床等装备制造业向高、精、尖领域发展, 叶轮叶片、蜗轮蜗杆、反射面、腔体等具有复杂几何形状的机构使用越来越广泛。复杂曲面的精密测量离不开三坐标测量机和性能优良的计量软件, 而利用三坐标矢量化测量也为复杂零件的制造与检测提供了可靠的技术支持, 也为复杂曲面精密测量、逆向工程、建模技术的深入研究提供了有效借鉴和启发意义。

参考文献

[1]陈明, 刘新宇.基于CAD模型的三坐标机矢量检测方法与误差分析[J].微计算机信息, 2006:25.

[2]朱正德.三坐标测量机的矢量检测功能及其应用[J], 机械工人 (冷加工) , 2003 (01) .

[3]郑东.三坐标测量复杂曲面法向矢量参数求解方法途径研究及应用[Z].2012年海克斯康先进测量技术论文集, 2012.

[4]胡学军, 王俊亮, 王刚.全最小二乘法在三坐标测量中的应用[J].武汉工程大学学报, 2008 (04) .

[5]覃爱梅, 陈燕云.复杂曲面实物三坐标机数字化扫描测量的研究[J].现代制造工程, 2005 (12) .

坐标测量机篇10

关键词：逆向工程,三坐标测量机,测量规划

逆向工程CAD建模的首要任务是准确、快速、合理地获得产品复杂的表面数据。测量数据可用性决定了重建模型的效果和速度。因此, 如何根据曲面的几何造型特点, 合理地规划产品测量过程就成为复杂曲面重建的首要问题[1,2]。

1 逆向工程技术基本流程

逆向工程是以已有的产品或技术资料为研究对象, 利用现代设计理论、生产工程学等相关知识, 应用三坐标测量机测量或ICT机扫描等方式获取实物的表面数据, 利用计算机软件对数据进行处理和对表面三维重建, 改进设计后经数控机床加工出仿型产品, 最终实现对研究对象的认识、再现和创造性的开发。它可以大大缩短产品研制和改进设计的周期。逆向工程的基本流程如图1所示:

2 数据测量方式及原理

2.1 测量方式。

在接触和非接触测量中, 三坐标测量机 (CMM) 是广泛采用的一种测量设备。基于海克斯康测量技术有限公司生产的GLOBAL型三坐标测量机, 对“奥利康制”外摆线螺旋锥齿轮逆向工程建模过程中复杂曲面测量技术进行研究, 为最终构造出精度高、品质好的CAD模型奠定基础。

2.2 三坐标测量机的组成及测量原理。

三坐标测量机 (CMM) 主要由主机、测头、计算机控制系统和供气系统组成。

三坐标测量机的测量原理是:将被测物体置于三坐标机的测量空间, 可获得被测物体上每个测点的坐标位置, 根据这些点的空间坐标值, 经计算可求出被测的几何尺寸、形状和位置。具体扫描过程如下:建立零件坐标系, 移动测头至测量起始点, 固定某一坐标 (如y值, 使测头沿着曲面在相应的坐标平面 (x Oz平面) 内以扫描方式采点测量至曲面边界;接着在坐标y轴方向移动测头一个增量, 继续以上述方式在x Oy平面内扫描测量, 依次遍及整个待测平面。

3 数据测量路径规划研究

进行测量路径规划的目的, 一是在一定采样点数目下尽可能真实地反映曲面原始形状, 二是在给定一定采样点精度下选取最少的采样点。测量路径规划的任务包括:测头和测头方向的选择、测量点数的确定及其分布、检测路径的规划等。基于对“奥利康制”螺旋锥齿轮外形的测量, 总结了下面几条规则。

3.1 测量路径优化数学模型。

在测量路径规划中, 如何减少测头运转的空行程和测头的旋转测量, 提高三坐标测量机的测量效率, 是主要考虑的问题。

在具体的工艺规划中, 测量路径优化可分为可分为两种情形:一种是测面的测量顺序优化, 以减少测头在测面间移动的路径长度。第二种是同一测面上测点的测量顺序优化, 以减少测头在测点间移动的路径长度。

测量路径优化问题的数学模型为:

式中:L为测量路径长度;n为测量点数目;Li为测头从当前位置到接近点的距离;mi为接近点到工件表面的距离。

在具体的工件测量规划过程中, 为了防止在测量过程中发生碰撞, 有时需要根据旋转一定的角度进行测量, 测头要完成从一个方向到另一个方向的旋转。在完成旋转一系列动作中, 解锁和锁定占有相当一部分时间, 且这段时间在整个检测时间中所占比重也相当可观, 所以在生成测头路径时要尽可能的减少测头旋转的次数。这样一来, 仅仅生成最短的检测路径并不能达到测量时间最少的要求, 因此在测量路径规划中, 我们要综合考虑这些因素[3]。

在式中, Ps为总体测量规划所需的最少时间, Ls为沿着最短检测路径所需要的时间, S即为旋转所需的时间。

3.2 统一坐标系。

使用CMM进行测量时, 由于零件本身的复杂性、CMM测量范围和测量角度的限制, 一次装夹往往不能获得所需的全部数据, 此时需要调整零件和测量系统的相对位置。如果逆向测量系统采用不同的内部坐标系来描述不同装夹位置测量得到的数据点, 在逆向造型时就首先需要进行坐标归一化数据预处理, 这不仅大大增加了逆向工程中造型数据预处理的工作量, 而且多块测量数据的拼合误差也难以控制。在工程应用中, 鉴于多次测量过程中被测物体表面点之间的相对位置并未发生改变, 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。

3.3 分块测量。

一般来讲, 实物样件外形可以被划分为规则部分和不规则部分。根据其外形特点, 可以制定如下测量规划:对自由曲面部分, 利用扫描测量获得密集的扫描数据, 如螺旋锥齿轮的齿面;对平面部分, 可以只测量几条扫描线即可, 如螺旋锥齿轮的形位尺寸, 对孔、槽等部分单独测量[4]。

离散点数据应和自由曲面的特征分布相一致。即在曲率变化大的区域测量点的分布较密, 在曲面曲率变化小的地方测量点的分布应较为稀疏[5~7]。

设自由曲面的参数方程表示为:

若曲面用M个采样点离散, 则在物理域上采样点的集合为:

参数域上采样点的集合为:

若Ni为第I个邻域集合, 则所有邻域集合的集合N为:

式中:, , 则, Ni可以定义为网格的四邻域或八邻域, 也允许采用非均匀的网格形式。

令p (c) 为反映曲面局部曲率的形状函数, p (c) >0, 则:

式 (6) 确定了与形状函数相适应的采样集合C, 显然, 在形状函数较大的地方, 曲面越弯曲, 所需的采样点就越多。

4 测量结果

根据以上所述方法, 实际测量得到的点云经proe软件逆向造型后的模型如图2所示。与螺旋锥齿轮的原始模型对比, 点云数据测量准确, 数据误差小。