三坐标测量机基础知识培训.pdf

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1、 1测量机基础知识培训测量机基础知识培训 一、测量机的组成 1）测量机主机 这是测量机的基本硬件，有多种结构形式：?活动桥式；活动桥式测量机是使用最为广泛的一种机构形式。特点是开敞性比较好，视野开阔，上下零件方便。运动速度快，精度比较高。有小型、中型、大型几种形式。?固定桥式；固定桥式测量机由于桥架固定，刚性好，动台中心驱动、中心光栅阿贝误差小，以上特点使这种结构的测量机精度 非常高，是高精度和超高精度的测量机的首选结构。?高架桥式；高架桥式测量机适合于大型和超大型测量机，适合于航空、航天、造船行业的大型零件或大型模具的测量。一般都采用 双光栅、双驱动等技术，提高精度。?水平臂式；水平臂式测量

2、机开敞性好，测量范围大，可以由两台机器共同组 成双臂测量机，尤其适合汽车工业钣金件的测量。?关节臂式。关节臂式测量机具有非常好的灵活性，适合携带到现场进行测量，对环境条件要求比较低。活动桥式测量机为例，主要组成及功能：?工作台（一般采用花岗石），用于摆放零件支撑桥架；工作台放置零件时，一般要根据零件的形状和检测要求，选择适合的夹具或支撑。要求零件固定要可靠，不使零件受外力变形或其位置发生变化。大零件可在工作台上垫等高块，小零件可以放在固定在工作台上的方箱上固定后测量。?桥架，支撑 Z 滑架，形成互相垂直的三轴；桥架是测量机的重要组成部分，由主、附腿和横梁、滑架等组成。桥架的驱动部分和光栅基本都

3、在主腿一侧，附腿主要起辅助支撑的作用。由于这个原因，一般桥式测量机的横梁长度不超过2.5 米，超过这个长度就要使用双光栅等措施对附腿滞后的误差进行补偿，或采用其他机构形式。?滑架，使横梁与有平衡装置的 Z 轴连接；滑架连接横梁和 Z 轴，其上有两轴的全部气浮块和光栅的读数头、分气座。气浮块和读数头的调整比较复杂，直接影响测量机精度，不允许调整。?导轨，具有精度要求的运动导向轨道，是基准；导轨是气浮块运动的轨道，是测量机的基准之一。压缩空气中的油和水及空气中的灰尘会污染导 2轨，造成导轨道直线度误差变大，使测量机的系统误差增大，影响测量精度。要保持导轨道完好，避免对导轨磕碰，定期清洁导轨。?光栅

4、系统（光栅、读数头、零位片），是基准；光栅系统是测量机的测长基准。光栅是刻有细密等距离刻线的金属或玻璃，读数头使用光学的方法读取这些刻线计算长度。为了便于计算由于温度变化造成光栅长度变化带来的误差，采用光栅一端固定，另一端放开，使其自由伸缩。另外在光栅尺座预置有温度传感器，便于有温度补偿功能的系统进行自动温度补偿。零位片的作用是使测量机找到机器零点。机器零点是机器坐标系的原点，是测量机误差补偿和测量机行程终控制的基准。?驱动系统（伺服电机、传动带）；驱动系统由直流伺服电机、减速器、传动带、带轮等组成。驱动系统的状态会影响控制系统的参数，不能随便调整。?空气轴承气路系统（过滤器、开关、传感器、气

5、浮块、气管）；空气轴承（又称气浮块）是测量机的重要部件，主要功能是保持测量机的各运动轴相互无摩擦，由于气浮块的浮起高度有限而且气孔很小，要求压缩空气压力稳定且其中不能含有杂质、油，也不能有水。过滤器系统是气路中的最后一道关卡，由于其过滤精度高，非常容易被压缩空气中的油污染，所以一定要有前置过滤装置和管道进行前置过滤处理。气路中连接的空气开关和空气传感器都具有保护功能，不能随便调整。?支承（架）、随动带。小型测量机采用支架支撑测量机工作台，中、大型测量机一般采用千斤顶支撑工作台。都采用三点支撑，在一个支撑的一侧，有两个附助支撑，只起保险作用。每个支撑都有一个海绵垫，能够吸收振幅较小的震动，如果安

6、装测量机的附近有幅度较大的震动源，要另外采取减震措施。2）控制系统 这是测量机的控制中枢，主要功能：?控制、驱动测量机的运动，三轴同步、速度、加速度控制；操纵盒或计算机指令通过系统控制单元，按照设置好的速度、加速度，驱动三轴直流伺服电机转动，并通过光栅和电机的反馈电路对运行速度和电机的转速进行控制，使三轴同步平稳的按指定轨迹运动。运动轨迹有飞行测量、点定位两种方式，飞行方式测量效率高，运动时停顿少。点定位方式适合指定截面或指定位置的测量。可以通过语句进行设置。在进入计算机指令指定的触测的探测距离时，控制单元会控制测量机由位置运动速度转换到探测速度，使测头慢速接近被测零件。?在有触发信号时采集数

7、据，对光栅读数进行处理；当通过操纵盒或计算机指令控制运动的测量机测头传感器与被测零件接触时，测头传感器（简称“测头”）就会发出被触发的信号。信号传送到控制单元后，立即令测量机停止运动（测头保护功能），同时锁存此刻的三轴光栅读数。这就是测量机测量的一个点的坐标。?根据补偿文件，对测量机进行 21 项误差补偿；测量机在制造组装完成后，都要使用激光干涉仪和其它检测工具对 21 项系统误差（各轴的两个直线度、两个角摆误差、自转误差、位置度误差，三轴之间的两个垂直度误差，共 21 项）进行检测，生成误差补偿文件，将这些误差用软件进行补偿，以保证测量机精度符合合同的要求。测头触发后锁存的每一个点坐标都要经

8、过误差计算、补偿后再传送给计算机软件。?采集温度数据，进行温度补偿；有温度补偿功能的测量机，可以根据设定的方式自动采取各轴光栅和被测零件的温度，对于测量机和零件温度由于偏离 20带来的长度误差进行补偿，以保持高精度。3?对测量机工作状态进行监测（行程控制、气压、速度、读数、测头等），采取保护措施；控制系统内部设有故障诊断功能，对测量机正常工作及安全有影响的部位进行检测，当发现这些有异常现象时，系统就会采取保护措施（停机，断驱动电源），同时发出信息通知操作人员。?（对扫描测头的数据进行处理，并控制扫描）；配备有扫描功能的测量机，由于扫描测头采集的数据量非常大，必须有专用的扫描数据处理单元进行处理

9、，并控制测量机按照零件表面形状，保持扫描接触的方式运动。?与计算机进行各种信息交流。虽然控制系统本身就是一台计算机，但是没有与外界交互动介面，其内部的数据都要通过与上位计算机的通讯进行输入和设置。控制信息和测点的数据都通过信息传输、交流。交流方式主要是 RS232 接口或网卡。3）计算机（测量软件）计算机（又称上位机）是数据处理中心，主要功能：?对控制系统进行参数设置；上位计算机通过“超级终端”方式，与控制系统进行通讯并实现参数设置等操作。可以使用专用软件对系统进行调试和检测。?进行测头定义和测头校正，及测针半径补偿；不同的测头配置和不同的测头角度，测量的坐标数值是不一样的。为使不同配置和不同

10、测头位置测量的结果都能够统一进行计算，测量软件要求进行测量前必须进行测头校正，以获得测头配置和测头角度的相关信息。以便在测量时对每个测点进行测针半径补偿，并把不同测头角度测点的坐标都转换到“基准”测头位置上。?建立坐标系（零件找正）为测量的需要，测量软件以零件的基准建立坐标系统，称零件坐标系。零件坐标系可以根据需要，进行平移和旋转。为方便测量，可以建立多个零件坐标系。?对测量数据进行计算和统计、处理；测量软件可以根据需要进行各种投影、构造、拟和计算，也可以对零件图纸要求的各项形位公差进行计算、评价，对各测量结果使用统计软件进行统计。借助各种专用测量软件可以进行齿轮、曲线、曲面和复杂零件的扫描等

11、测量。?编程并将运动位置和触测控制通知控制系统；测量软件可以根据用户需要，采用记录测量过程和脱机编程等方法编程，可以对批量零件进行自动和高精度的测量或扫描。?输出测量报告；在测量软件中，操作员可以按照自己需要的格式设置模板，并生成检测报告输出。?传输测量数据到指定网路或计算机。通过网络连接，计算机可以进行数据、程序的输入和输出。4）测座、测头系统 测座、测头系统是数据采集的传感器系统，主要功能：?测头传感器在探针接触被测点时发出触发信号；测头部分是测量机的重要部件，测头根据其功能有：触发式、扫描式、非接触式（激光、光学）等。触发式测头是使用最多的一种测头，其工作原理是一个开关式传感器。当测针与

12、零件产生接触而产生角度变化时，发出一个开关信号。这个信号传送到控制系统后，控制系统对此刻的光栅计数器中的数据锁存，经处理后传送给测量软件，表示测量了一个点。扫描式测头有两种工作模式：一种是触发式模式，一种是扫描式模式。扫描测头本身具有三个相互垂直的距离传感器，可以感觉到与零件接触的程度和矢量方向，这些数据作为测量机的控制分量，控制测量机的运动轨迹。扫描测头在与零件表面接触、运动过程中定时发出信号，采集 4操操作作员员通通过过操操纵纵盒盒或或通通过过控控制制器器使使测测量量机机运运动动 测测针针接接触触零零件件，传传感感器器 （测测头头）发发出出触触发发信信号号 控控制制系系统统将将处处理理好好

13、的的数数据据发发送送计计算算机机 控控制制系系统统锁锁存存光光栅栅信信号号 并并进进行行误误差差计计算算 计计算算机机软软件件根根据据选选择择的的功功能能进进行行拟拟合合运运算算 点数是否满足？YESNO 测量点的过程测量点的过程 光栅数据，并可以根据设置的原则过滤粗大误差，称为“扫描”。扫描测头也可以触发方式工作，这种方式是高精度的方式，与触发式测头的工作原理不同的是它采用回退触发方式。?测头控制器（PI200、PI7）控制测头工作方式转换（TP200、TP7）；TP200、TP7 测头是高精度测头，它们的特点是灵敏度高，可以接比较长的测针。但是灵敏度高会造成测量机高速运动时出现误触发。测头

14、控制器控制测头在测量机高速运动时处于高阻（不灵敏）状态，触发时进入灵敏状态度转换。在手动方式时一般都是以操纵盒的“速度控制键”进行控制状态转换，即低速运动时是测头的灵敏状态。?测座控制器根据命令控制测座旋转到指定角度。测座控制器可以用命令或程序控制并驱动自动测座的旋转到指定位置。手动的测座只能由人工手动方式旋转测座。测头（针）更换架可以在程序运行中，自动更换测头（针），避免程序中的人工干预，提高测量效率。二、测量原理 1、在坐标空间中，可以用坐标来描述每一个点的位置。2、多个点可以用数学的方法拟合成几何元素，如：面、线、圆、圆柱、圆锥等。3、利用几何元素的特征，如：圆的直径、圆心点、面的法矢、

15、圆柱的轴线、圆锥顶点等可以计算这些几何元素之间的距离和位置关系、进行形位公差的评价。4、将复杂的数学公式编写成程序软件，利用软件可以进行特殊零件的检测。齿轮、叶片、曲线曲面、数据统计等。5、主要算法是最小二乘法。三、坐标系的概念 1、制定了正向的直线称为轴，加入刻度后称为数轴。可以表示点的 1D 位置。2、在平面上选定两条互相垂直的数轴，分别指定这两条数轴的正向，把两数轴的交点称为原点，形成一个平面（直角）坐标系（2D）。平面坐标系可分为四个象限，用不同符号组合，可以表示点在各象限的位置。（见下图）5x（，）（，）（，）（，）0 y xyo xy平面 yz平面xz平面 z 平面直角坐标系（2D

16、）空间直角坐标系（3D）3、三条互相垂直的坐标轴和三轴相交的原点，构成三维空间坐标系（3D）。空间的任意一点投影到三轴就会有三个相应的数值，有了三轴相应数值，就对应空间点。即把点数字化描述。空间坐标系有 8 个褂限，用不同正负号组合可以分辨出点的空间所在的褂限和位置。有三个工作（投影）平面 XY、YZ、XZ 可以进行点（元素）的投影。坐标系可以根据需要进行平移、旋转。4、坐标测量机中的坐标系?原始坐标系（开机时的坐标系，没有意义）。在打开控制系统的瞬间，光栅计数单元开始工作，虽然这时测量机符合坐标系的定义，但由于这时测量机系统误差补偿程序没有被激活，所以这个“原始坐标系”对于我们没有意义。?机

17、器坐标系（回机器零位后的坐标系，又称机器坐标系）。测量机开机执行了“回家”过程后，测量机三轴光栅都从机器零点开始计数，补偿程序被激活，测量机处于正常工作状态，这时测量的点坐标都相对机器零点，称“机器坐标系”。?零件坐标系（利用零件的基准建立的坐标系）。在测量机过程中，我们往往需要利用零件的基准建立坐标系来评价公差、进行辅助测量、指定零件位置等，这个坐标系称“零件坐标系”。建立零件坐标系要根据零件图纸指定的 A、B、C基准的顺序指定第一轴、第二轴和坐标零点。顺序不能颠倒。零件坐标系的使用非常灵活、方便，可以为我们提供很多方便。甚至可以利用零件坐标系生成我们测不到元素。为方便测量一些特殊的数据，可

18、以利用零件坐标系进行辅助测量。5、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）；零件在工作台上放置时不可能与机器坐标系完全重合，在测量过程中会因投影平面等问题出现误差，所以要使用零件的基准来建立坐标系，又称“找正零件”。?建立零件基准；在一些求距离、观察坐标位置、求轮廓、位置度等计算时，需要使用零件基准，建立零件坐标系后，可以以这些基准为参照，方便我们得出结论。?指出零件放置的位置，运行程序；在编制 DCC 的测量程序时，多数情况下要以零件坐标系为基础来编制。这样在零件位置变化时，只要粗建零件坐标系，就可使程序自动运行测量。?使零件与 CAD 模型坐标系一致；在使用 CAD 模型

19、的情况下，首先要使被测零件与 CAD 模型的坐标系统一致，以获得零件的理论数据，便于进行自动测量、编程、进行轮廓比对、输出检测报告等。?零件坐标系可以根据需要建立若干个。6 四、矢量的概念 矢量是测量机应用中的一个非常重要的概念。要牢固掌握。矢量是物理学和数学中一个表示力、速度等等一个概念。在测量机的应用中主要使用它在表示方向上的意义。?几何矢量：在空间有一定长度和一定方向的线段。简称“矢量”。?单位矢量：长度为一个单位长的矢量叫“单位矢量”。测量机中使用的矢量都是单位矢量。?矢量在坐标轴上的投影，称为矢量在坐标轴上的分解，又称为矢量的坐标。?通过矢量的坐标，可以知道矢量的空间方向。?矢量的用

20、途，触测（回退）方向、面的法矢、线的方向矢量、圆柱轴线的方向矢量、圆锥的轴线矢量。五、测量软件如何描述几何元素（元素的特征）1、面，均值点、法向矢量。2、线，均值点、方向矢量、工作平面（投影面）。3、圆，圆心、直径（半径）、工作平面（投影平面）。4、圆柱，均值点（轴线上）、直径（半径）、轴线方向矢量。5、圆锥，锥顶点、锥角（半角）、锥的轴线矢量。6、球，球心、直径（半径）。圆、圆柱、圆锥、球有内、外之分。六、形位公差的概念 被测要素 误差分类 误差项目 公差符号 单一要素 形状误差 直线度误差 平面度误差 圆度误差 圆柱度误差 单一要素或 关联要素 形状和位置误差 轮廓误差 线轮廓度误差 面轮

21、廓度误差 关联要素 位置误差 定向误差 平行度误差 垂直度误差 倾斜度误差 7定位误差 同轴度误差 对称度误差 位置度误差 跳动 圆跳动 全跳动 各项目的特征综合表 项 目 公差带形状 公差值形式项目性质 说 明 直线度 两平行直线；两平行平面；圆柱面t t 单项 仅对轴线直线度可注t 平面度 两平行平面 t 综合，控制直线度误差 圆度 两同心圆 t 单项 圆柱度 两同心圆柱 t 综合，控制圆度误差 线轮廓度 两等距曲线 t 单项 面轮廓度 两等距曲面 t 综合，扩展线轮廓度误差 平行度 两平行直线；两平行平面；圆柱面t t 综合，控制直线度或平面度误差 仅对轴线间平行度可注t 垂直度 两平行

22、直线；两平行平面；圆柱面t t 综合，控制直线度或平面度误差 仅轴线对表面的垂直度可注t 倾斜度 两平行直线；两平行平面；圆柱面t t 综合，控制直线度或平面度误差 仅轴线对表面的倾斜度可注t 位置度 两平行直线；两平行平面；圆；圆柱面；球面 t t st 综合，控制直线度或平面度误差 对于点的位置度公差带可能是圆或球面，可注t 或 st同轴度（同心度）圆；圆柱面 t 综合，控制轴线的直线度误差 对于极薄短的圆 柱 体 的 轴线，可看成是个点，此时公差带为圆，称同心度 对称度 两平行平面 t 综合，控制平面度误差 圆 跳 动 径向 在垂直于基准轴线的平面内圆心在基准轴线上的两同心圆 t 综合，

23、控制圆柱面的同轴度，圆度误差 视其选点的多少决定其控制程度，如轮廓形状对称于轴线时，径向跳动不反映 8端面 与基准同轴的环面 t 综合，控制端面的平面度和垂直度误差 轮廓形状对称于轴线时，端面跳动不能反映 斜面 与基准同轴的圆锥面 t 综合，控制锥面的形状误差和同轴度误差 轮廓形状对称轴线时，跳动不能反映 全 跳 动 径向 与基准同轴的两同轴圆柱面 t 综合，控制圆表面的形状误差，轴线直线度、同轴度等误差 端面 与基准轴线垂直的两平行平面 t 综合，控制端面的平面度、垂直度等误差 七、学习方法?学会“举一反三”，掌握主要功能。?互相学习，经验互补。?多重复，多讲多说，多讨论。?适当的作笔记。主要掌握思路。?有效利用上机时间，加深理解。?劳逸结合，心情愉快。