計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造第七章

1、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造機(jī)械工業(yè)出版社計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造07計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控測(cè)量技術(shù)第7章第7章 計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控測(cè)量技術(shù)7.1 數(shù)控測(cè)量的基本概念7.1數(shù)控測(cè)量的基本概念7.1.1計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量系統(tǒng)產(chǎn)品質(zhì)量是企業(yè)追求的永恒目標(biāo),是企業(yè)生存的根基,是企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地的重要因素。按現(xiàn)代質(zhì)量控制的觀點(diǎn),為了使產(chǎn)品達(dá)到高質(zhì)量,企業(yè)需要將“管理”和“技術(shù)”兩個(gè)方面綜合起來(lái),形成有效的質(zhì)量系統(tǒng)。前者通常是指全面質(zhì)量管理(Total Quality Management,TQM),而后者是指與現(xiàn)代測(cè)量和檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合的統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制(Statistical Process Control,SPC

2、)。TQM是企業(yè)管理的一個(gè)重要組成部分,其追求三個(gè)目標(biāo),即客戶滿意、連續(xù)改進(jìn)和全員參與。良好的質(zhì)量技術(shù)在形成高質(zhì)量產(chǎn)品中也具有重要作用,主要包括田口(Taguchi)方法、質(zhì)量功能配置(Quality Function Deployment,QFD)、統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制、自動(dòng)檢測(cè)等。7.1數(shù)控測(cè)量的基本概念目前,在西方工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家,無(wú)論是飛機(jī)、汽車制造等大型企業(yè),還是小型加工企業(yè),都已經(jīng)在質(zhì)量管理與控制中引入信息技術(shù),建立了CAQ系統(tǒng)。我國(guó)在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/制造(CAD/CAM)、計(jì)算機(jī)輔助工藝過(guò)程設(shè)計(jì)(CAPP)、管理信息系統(tǒng)(MIS)、制造資源計(jì)劃(MRP)、企業(yè)資源計(jì)劃(ERP)、車間自動(dòng)化(

3、FA)等技術(shù)與系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用之后,CAQ系統(tǒng)的應(yīng)用也已經(jīng)成為企業(yè)實(shí)現(xiàn)管理現(xiàn)代化目標(biāo)的組成部分,也是現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)(CIMS)和企業(yè)信息化的重要內(nèi)容。一般認(rèn)為CAQ系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包括如下功能:質(zhì)量計(jì)劃、檢測(cè)與質(zhì)量數(shù)據(jù)采集、質(zhì)量評(píng)價(jià)與控制、質(zhì)量綜合管理。因此,一個(gè)完整的CAQ系統(tǒng)主要應(yīng)由以下幾部分構(gòu)成。1)質(zhì)量計(jì)劃系統(tǒng)是根據(jù)質(zhì)量目標(biāo)制定產(chǎn)品質(zhì)量計(jì)劃、產(chǎn)品檢驗(yàn)計(jì)劃和產(chǎn)品制造過(guò)程監(jiān)控計(jì)劃的工具,將用戶需求和質(zhì)量目標(biāo)直接反映到產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與制造過(guò)程中,并能夠?qū)τ?jì)劃執(zhí)行情況進(jìn)行監(jiān)督與管理。2)質(zhì)量信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)范圍內(nèi)的各類質(zhì)量數(shù)據(jù)和信息的采集、匯總、統(tǒng)計(jì)、分析,實(shí)現(xiàn)質(zhì)量數(shù)據(jù)與信息的自動(dòng)化處理,及時(shí)準(zhǔn)確地向企

4、業(yè)各部門(mén)提供產(chǎn)品及其制造過(guò)程的質(zhì)量信息。3)過(guò)程質(zhì)量控制系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量形成全過(guò)程的監(jiān)控,保證產(chǎn)品質(zhì)量和過(guò)程工作質(zhì)量。4)質(zhì)量評(píng)估系統(tǒng)提供對(duì)產(chǎn)品及其過(guò)程質(zhì)量的質(zhì)量評(píng)估工具與技術(shù),為質(zhì)量的持續(xù)性改進(jìn)提供依據(jù)。7.1數(shù)控測(cè)量的基本概念在CAQ系統(tǒng)被提出的同時(shí),美國(guó)的Kapoor等人提出了集成質(zhì)量管理系統(tǒng)(Integrated Quality System,IQS)的概念。IQS系統(tǒng)就是把相互分離的質(zhì)量保證單元、質(zhì)量控制系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)形成有機(jī)的整體,及時(shí)采集、處理與傳遞質(zhì)量信息,使涉及產(chǎn)品整個(gè)生命周期的質(zhì)量活動(dòng)協(xié)調(diào)進(jìn)行,保證產(chǎn)品質(zhì)量并提高對(duì)多變的質(zhì)量要求的適應(yīng)能力。Kapoor等人認(rèn)為集成

5、質(zhì)量管理系統(tǒng)具有以下四個(gè)特點(diǎn)。1)覆蓋產(chǎn)品的整個(gè)生命周期,包括企業(yè)的各個(gè)層次。2)強(qiáng)調(diào)以企業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)質(zhì)量目標(biāo)為基礎(chǔ)的質(zhì)量計(jì)劃。3)強(qiáng)調(diào)從質(zhì)量計(jì)劃和質(zhì)量控制觀點(diǎn)出發(fā)的人的資源的開(kāi)發(fā)。4)通過(guò)閉環(huán)的質(zhì)量控制器實(shí)現(xiàn)企業(yè)中與質(zhì)量有關(guān)的過(guò)程和資源的控制。IQS是CAQ系統(tǒng)在過(guò)程和范圍上的延伸,即由制造過(guò)程延伸到設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程,由企業(yè)內(nèi)部擴(kuò)展到企業(yè)外部的其他合作方。7.1數(shù)控測(cè)量的基本概念7.1.2數(shù)控測(cè)量的基本概念和系統(tǒng)組成在自動(dòng)化制造系統(tǒng)中,加工的產(chǎn)品一般通過(guò)測(cè)量來(lái)驗(yàn)證其質(zhì)量,因此測(cè)量是制造過(guò)程進(jìn)行質(zhì)量控制的條件,也是CAQ系統(tǒng)獲取質(zhì)量信息的重要手段。同時(shí),隨著計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用的深入,測(cè)量、檢測(cè)

6、的目的已從單純解決產(chǎn)品精度評(píng)定問(wèn)題發(fā)展到解決產(chǎn)品幾何形狀的建模、逆向制造等一系列問(wèn)題上。7.1數(shù)控測(cè)量的基本概念在制造業(yè)中所使用的數(shù)控測(cè)量系統(tǒng)各種各樣(圖7-1),包括坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)(Portable CMM)、激光跟蹤儀(Laser Tracker)、經(jīng)緯儀(Theodolites)、激光掃描(Laser Scanner)系統(tǒng)和數(shù)字照相(攝影)測(cè)量(Photogrammetry)系統(tǒng)、室內(nèi)全球定位系統(tǒng)(Indoor GPS)等。這些數(shù)控測(cè)量系統(tǒng)可以從不同的角度進(jìn)行分類,最常見(jiàn)的是按測(cè)量系統(tǒng)的傳感器是否與被測(cè)對(duì)象接觸進(jìn)行分類,大體分為接觸式測(cè)量系統(tǒng)和非接觸式測(cè)量系統(tǒng)兩大類。上述測(cè)量系

7、統(tǒng)中,坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)(Portable CMM)、激光跟蹤儀(Laser Tracker)屬于接觸式測(cè)量系統(tǒng),而經(jīng)緯儀、激光掃描系統(tǒng)和數(shù)字照相(攝影)測(cè)量系統(tǒng)屬于非接觸式測(cè)量系統(tǒng)。一般來(lái)講,接觸式測(cè)量系統(tǒng)精度高但效率較低,對(duì)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的溫度控制有較高要求,另外被測(cè)對(duì)象可能因接觸力而產(chǎn)生變形或損傷。而非接觸式測(cè)量系統(tǒng)效率高但精度較低,而且對(duì)被測(cè)對(duì)象的材質(zhì)、表面光學(xué)特性及現(xiàn)場(chǎng)光照條件都有較高要求。7.1數(shù)控測(cè)量的基本概念常見(jiàn)數(shù)控測(cè)量系統(tǒng)7.1數(shù)控測(cè)量的基本概念數(shù)控測(cè)量系統(tǒng)的組成第7章 計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控測(cè)量技術(shù)7.2 坐標(biāo)測(cè)量機(jī)7.2坐標(biāo)測(cè)量機(jī)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(Coordinate Measurin

8、g Machine,CMM)是近30年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種高效的新型精密測(cè)量?jī)x器。它廣泛地用于機(jī)械制造、電子、汽車和航空航天等領(lǐng)域中,可以進(jìn)行零件和部件的尺寸、形狀及相互位置的檢測(cè)。例如,箱體、導(dǎo)軌、渦輪和葉片、缸體、凸輪、齒輪、形體等空間型面的測(cè)量。此外,還可用于劃線、定中心孔、雕刻集成線路等,并可對(duì)連續(xù)曲面進(jìn)行掃描及制備數(shù)控機(jī)床的加工程序等。由于它的通用性強(qiáng)、測(cè)量范圍大、精度高、效率高、性能好、能與柔性制造系統(tǒng)相連接,已成為一類大型精密儀器,故有“測(cè)量中心”之稱。坐標(biāo)測(cè)量機(jī)作為現(xiàn)代精密儀器,已越來(lái)越顯示出它的重要性和廣闊的發(fā)展前景。它的優(yōu)點(diǎn)是:通用性強(qiáng),可實(shí)現(xiàn)空間坐標(biāo)點(diǎn)位的測(cè)量,方便地測(cè)量出各

9、種零件的三維輪廓尺寸和位置精度;測(cè)量精確可靠;可方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與程序控制。因而它可納入自動(dòng)化生產(chǎn)和柔性加工線中,并成為一個(gè)重要的組成部分。7.2坐標(biāo)測(cè)量機(jī)7.2.1坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的工作原理及方法坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的工作原理一般是建立在直角坐標(biāo)系上,通過(guò)檢測(cè)機(jī)械零件輪廓上各被測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)值,并對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,求得零件各幾何元素的形狀、位置和尺寸精度的信息。所依據(jù)的理論基礎(chǔ)是任何形狀都是由空間點(diǎn)組成的,所有的幾何量測(cè)量都可以歸結(jié)為空間點(diǎn)的測(cè)量,因此精確進(jìn)行空間點(diǎn)坐標(biāo)的采集是評(píng)定任何幾何形狀的基礎(chǔ)。坐標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)處理流程如圖7-3所示。7.2坐標(biāo)測(cè)量機(jī)坐標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)處理流程框圖7.2坐標(biāo)測(cè)量機(jī)1.測(cè)量坐標(biāo)系當(dāng)坐

10、標(biāo)測(cè)量機(jī)的絕對(duì)坐標(biāo)系是基準(zhǔn)坐標(biāo)系時(shí),該絕對(duì)坐標(biāo)系由坐標(biāo)測(cè)量機(jī)本身構(gòu)成,測(cè)量的測(cè)端和被測(cè)件都在此坐標(biāo)系(也稱測(cè)量空間)內(nèi)。絕對(duì)坐標(biāo)系是在坐標(biāo)測(cè)量機(jī)3個(gè)軸的某一行程終點(diǎn)處設(shè)置一個(gè)絕對(duì)零點(diǎn)作為原點(diǎn),以3個(gè)軸的方向作為坐標(biāo)軸的方向所建立的空間直角坐標(biāo)系,如圖7-4所示。在測(cè)量程序重復(fù)使用時(shí),或停電、停機(jī)后恢復(fù)運(yùn)行時(shí),均以此坐標(biāo)系為基準(zhǔn)自動(dòng)尋找(數(shù)控測(cè)量機(jī))測(cè)量空間內(nèi)固定位置上的被測(cè)零件。測(cè)量零件時(shí),由于被測(cè)件的尺寸標(biāo)準(zhǔn)及安裝位置等各不相同,因此測(cè)量時(shí)還要對(duì)零件進(jìn)行找正,建立零件坐標(biāo)系?，F(xiàn)代坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量軟件能夠建立多個(gè)坐標(biāo)系,并自動(dòng)進(jìn)行坐標(biāo)系之間的變換。測(cè)量坐標(biāo)系示意圖7.2坐標(biāo)測(cè)量機(jī)2.測(cè)頭球徑校

11、準(zhǔn)一般的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)都使用接觸式測(cè)頭檢測(cè)零件輪廓的坐標(biāo)值。直接接觸被測(cè)零件表面的測(cè)頭部分一般為球形測(cè)端,數(shù)據(jù)處理時(shí)必須進(jìn)行補(bǔ)償。由于球形測(cè)端的實(shí)際球徑會(huì)有所不同,每臺(tái)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)都需對(duì)測(cè)頭球徑作校準(zhǔn)測(cè)量,常用的方法如圖7-5所示,在坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上用標(biāo)準(zhǔn)方塊或標(biāo)準(zhǔn)球(都是已知尺寸的高精度校準(zhǔn)量塊)作為假想零件進(jìn)行測(cè)量,通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)量塊的值進(jìn)行比較,從而反求出測(cè)頭球徑的實(shí)際補(bǔ)償值,即d=L-A式中,d是測(cè)頭球徑的實(shí)際補(bǔ)償值;L是測(cè)量值;A是標(biāo)準(zhǔn)量塊的標(biāo)準(zhǔn)尺寸值。測(cè)頭球徑校準(zhǔn)測(cè)量7.2坐標(biāo)測(cè)量機(jī)3.機(jī)械幾何精度補(bǔ)償坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在坐標(biāo)測(cè)量時(shí)有運(yùn)動(dòng)誤差,這就會(huì)直接影響測(cè)量的精確度和穩(wěn)定性。對(duì)于機(jī)械幾何誤差

12、,可采用直接測(cè)量或間接測(cè)量的方法獲得誤差值,然后建立補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型,利用此模型對(duì)坐標(biāo)測(cè)量的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償,可獲得正確的坐標(biāo)測(cè)量值。這種誤差補(bǔ)償方法可使坐標(biāo)測(cè)量誤差(由幾何誤差引起)降低40%70%。4.坐標(biāo)檢測(cè)的數(shù)據(jù)處理幾何元素?cái)?shù)據(jù)處理主要是對(duì)單個(gè)幾何元素項(xiàng)目進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,如平面、孔、圓等。形狀公差測(cè)量項(xiàng)目數(shù)據(jù)處理過(guò)程與一般幾何元素?cái)?shù)據(jù)處理過(guò)程類似。但在幾何元素上采集到的坐標(biāo)點(diǎn)很多,所以在算法上有差異(如用最小二乘法回歸計(jì)算等)。位置公差測(cè)量項(xiàng)目數(shù)據(jù)處理過(guò)程是以一個(gè)已知的幾何元素為基準(zhǔn),在被測(cè)元素的坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)值采集后,再作與兩個(gè)幾何元素相關(guān)的計(jì)算?？臻g曲面測(cè)量時(shí),一般是固定一個(gè)坐標(biāo)系,然后按截面

13、測(cè)量曲線。例如,若固定X坐標(biāo),Y軸方向作進(jìn)給(按等距或不等距),Z軸方向即可采集輪廓表面坐標(biāo)值。這些數(shù)據(jù)處理可用測(cè)量機(jī)提供的專門(mén)的測(cè)量軟件包實(shí)現(xiàn)。7.2坐標(biāo)測(cè)量機(jī)7.2.2坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的組成坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的組成7.2坐標(biāo)測(cè)量機(jī)1.主機(jī)(機(jī)械系統(tǒng))坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的主機(jī)包括框架、標(biāo)尺系統(tǒng)、導(dǎo)軌、驅(qū)動(dòng)裝置、平衡部件和轉(zhuǎn)臺(tái)及其附件?？蚣苁侵钢鳈C(jī)的主體機(jī)械結(jié)構(gòu)架子,它是工作臺(tái)、立柱、橋框和殼體等機(jī)械結(jié)構(gòu)的集合體。標(biāo)尺系統(tǒng)是主機(jī)的重要組成部分,是決定儀器精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。導(dǎo)軌是主機(jī)實(shí)現(xiàn)三維運(yùn)動(dòng)的重要部件,測(cè)量機(jī)多采用滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)軸承導(dǎo)軌和氣浮導(dǎo)軌等多種形式,現(xiàn)以氣浮靜壓導(dǎo)軌居多。驅(qū)動(dòng)裝置是主機(jī)的重要運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),可

14、實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)和程序控制伺服運(yùn)動(dòng)的功能。平衡部件主要用于Z軸框架結(jié)構(gòu)中,其功能是平衡Z軸的重量,以使Z軸上下運(yùn)動(dòng)時(shí)無(wú)偏重干擾,使檢測(cè)時(shí)Z向測(cè)力穩(wěn)定。轉(zhuǎn)臺(tái)增加了主機(jī)的一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的自由度,便于某些種類零件的測(cè)量。主機(jī)的附件很多,一般有基準(zhǔn)平尺、角尺、步距規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)球體、測(cè)微儀及用于自檢的精度檢測(cè)樣板等。7.2坐標(biāo)測(cè)量機(jī)主機(jī)的結(jié)構(gòu)形式7.2坐標(biāo)測(cè)量機(jī)典型結(jié)構(gòu)形式的主機(jī)產(chǎn)品7.2坐標(biāo)測(cè)量機(jī)2.測(cè)頭系統(tǒng)測(cè)頭系統(tǒng)是坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的關(guān)鍵部件,其精度的高低很大程度決定了坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量重復(fù)性及精度。不同的零件需要選擇不同功能的測(cè)頭系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)頭系統(tǒng)主要由測(cè)頭、測(cè)頭座及附件三部分組成。測(cè)頭是測(cè)頭系統(tǒng)的主體,它是坐標(biāo)測(cè)

15、量機(jī)探測(cè)時(shí)發(fā)送信號(hào)的裝置,其種類繁多、形式各異。測(cè)頭按照結(jié)構(gòu)原理不同可分為機(jī)械式測(cè)頭、電氣式測(cè)頭和光學(xué)式測(cè)頭等。機(jī)械式測(cè)頭又稱“剛性測(cè)頭”或“硬測(cè)頭”,常用的有球形測(cè)頭、盤(pán)形測(cè)頭、錐形測(cè)頭和回轉(zhuǎn)1/4柱面測(cè)頭,主要用于手動(dòng)測(cè)量。由于手動(dòng)測(cè)量操作時(shí)測(cè)量力不易控制,如測(cè)量力過(guò)大會(huì)引起測(cè)頭和被測(cè)件變形,而測(cè)量力過(guò)小又不能保持測(cè)頭與被測(cè)件的正常接觸,因此機(jī)械式測(cè)頭目前已很少應(yīng)用。電氣式測(cè)頭多用于接觸式的自動(dòng)測(cè)量,是目前使用最多、應(yīng)用范圍最廣的測(cè)頭。電氣式測(cè)頭多采用電觸、電感、電容、壓電晶體、應(yīng)變片等作為傳感器來(lái)接收測(cè)量信號(hào),可以達(dá)到很高的測(cè)量精度,其中最常用的是電感式測(cè)頭。光學(xué)式測(cè)頭(如激光測(cè)頭)多用

16、于非接觸式測(cè)量。由于光學(xué)測(cè)頭無(wú)需接觸被測(cè)零件,故不存在測(cè)量力,更不會(huì)劃傷被測(cè)零件,同時(shí)可以測(cè)量軟質(zhì)介質(zhì)的表面形貌。但該類測(cè)頭受外界影響因素較多,如被測(cè)物體的形貌特征、輻射特性以及表面反射情況都會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。到目前為止,非接觸式測(cè)頭的測(cè)量精度還不是很高,還無(wú)法取代接觸式測(cè)頭在精密量?jī)x中的位置。由于坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的自動(dòng)化要求,新型測(cè)頭主要采用電學(xué)與光學(xué)原理進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。7.2坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)頭按照功能應(yīng)用的不同分為觸發(fā)式測(cè)頭(Trigger Probe)和掃描式測(cè)頭(Scanning Probe)。觸發(fā)式測(cè)頭又稱為開(kāi)關(guān)測(cè)頭,主要任務(wù)是探測(cè)零件并發(fā)出鎖存(瞄準(zhǔn))信號(hào),實(shí)時(shí)鎖存被測(cè)表面坐標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。掃

17、描式測(cè)頭又稱為比例測(cè)頭或模擬測(cè)頭,它既可以作觸發(fā)式測(cè)頭使用,也能輸出與測(cè)桿的偏轉(zhuǎn)成比例的信號(hào)(模擬電壓或數(shù)字信號(hào))。該類測(cè)頭的測(cè)量原理是測(cè)頭測(cè)端在接觸被測(cè)零件后, 連續(xù)測(cè)得接觸位移,測(cè)頭的轉(zhuǎn)換裝置輸出與測(cè)桿微小偏移成正比的信號(hào),該信號(hào)和精密量?jī)x的相應(yīng)坐標(biāo)值疊加便可得到被測(cè)零件上點(diǎn)的精確坐標(biāo)。由于取點(diǎn)時(shí)沒(méi)有坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的機(jī)械往復(fù)運(yùn)動(dòng),因此采點(diǎn)率大大提高。掃描式測(cè)頭用于離散點(diǎn)測(cè)量時(shí),由于探針的三維運(yùn)動(dòng)可以確定該點(diǎn)所在表面的法向矢量方向,因此更適于曲面的測(cè)量。單測(cè)尖測(cè)頭和多測(cè)尖測(cè)頭7.2坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)頭座是一種可分度的旋轉(zhuǎn)頭,又稱分度測(cè)頭座,能使測(cè)頭改變姿態(tài),以擴(kuò)展從各個(gè)方向接近零件的能力。把測(cè)頭座和具

18、有可重復(fù)性的測(cè)頭集成起來(lái),就可以對(duì)復(fù)雜零件進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量。測(cè)頭座主要有三種,即手動(dòng)旋轉(zhuǎn)測(cè)頭座、手動(dòng)分度測(cè)頭座和自動(dòng)分度測(cè)頭座。測(cè)頭座7.2坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)頭更換架及存放的多種測(cè)頭7.2坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)頭座上的測(cè)頭/加長(zhǎng)桿/探針組合進(jìn)行快速、可重復(fù)的更換,從而使得在同一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)下對(duì)不同的零件能夠進(jìn)行完全自動(dòng)化的檢測(cè)。圖7-11所示為測(cè)頭更換架及存放的多種測(cè)頭。加長(zhǎng)桿和探針也是大多數(shù)測(cè)量所需要的附件,能夠確保測(cè)頭不受限制的對(duì)零件所有特征元素進(jìn)行測(cè)量,且具有測(cè)量較深位置特征(如深孔)的能力?？紤]到精度要求和經(jīng)濟(jì)性,測(cè)頭選用的一般原則如下: 在可以應(yīng)用接觸式測(cè)頭的情況下,慎選非接觸式測(cè)頭。 在只測(cè)尺寸、位置要

19、素的情況下,盡量選接觸式觸發(fā)測(cè)頭。 對(duì)形狀及輪廓精度要求較高的情況下,選用掃描式觸發(fā)測(cè)頭。 易變形零件、精度不高零件、要求超大量數(shù)據(jù)零件的測(cè)量,可以考慮采用非接觸式測(cè)頭。 要考慮軟件和附加硬件(如測(cè)頭控制器、電纜等)的配套。7.2坐標(biāo)測(cè)量機(jī)3.控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的四大組成部分之一。其主要功能是讀取空間坐標(biāo)值,對(duì)測(cè)頭信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)與處理,控制機(jī)械系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)測(cè)量所必需的運(yùn)動(dòng),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的狀態(tài)以保證整個(gè)系統(tǒng)的安全性和可靠性。有的還包括對(duì)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行幾何誤差與溫度誤差補(bǔ)償,以提高坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量精度?？刂葡到y(tǒng)可分為手動(dòng)型、機(jī)動(dòng)型及CNC數(shù)控型三種模式。早期的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)以手動(dòng)型和通過(guò)

20、操縱桿控制機(jī)械運(yùn)動(dòng)的機(jī)動(dòng)型為主,當(dāng)時(shí)的控制系統(tǒng)主要完成空間坐標(biāo)值的監(jiān)控與實(shí)時(shí)采樣。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)控技術(shù)的發(fā)展,CNC型控制系統(tǒng)變得日益普及,高精度、高速度、智能化成為坐標(biāo)測(cè)量機(jī)發(fā)展的主要趨勢(shì)。7.2坐標(biāo)測(cè)量機(jī)手動(dòng)型控制系統(tǒng)框圖7.2坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(1)手動(dòng)型控制系統(tǒng)手動(dòng)型控制系統(tǒng)沒(méi)有驅(qū)動(dòng)器,操作人員沿著坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的三個(gè)坐標(biāo)軸手工移動(dòng)測(cè)頭,計(jì)算機(jī)記錄測(cè)量數(shù)據(jù)。手動(dòng)型控制系統(tǒng)如圖7-12所示,主要由控制器、測(cè)頭控制器、細(xì)分器等組成。X、Y、Z三個(gè)方向的光柵讀數(shù)頭輸出的四路模擬信號(hào)(+sin、-sin、+cos、-cos)經(jīng)過(guò)細(xì)分器處理后,送入控制器中的計(jì)數(shù)器,CPU讀取計(jì)數(shù)器中的脈沖數(shù),從而計(jì)算出

21、相應(yīng)的空間位移量。由于光柵的柵距為10100m,這樣的坐標(biāo)分辨力不能滿足坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的精度要求,因此需要對(duì)此信號(hào)進(jìn)行細(xì)分處理。細(xì)分器的作用是將光柵讀數(shù)頭輸出的模擬信號(hào)光經(jīng)放大、移相、比較,產(chǎn)生細(xì)分倍數(shù)為5的倍數(shù)(如20倍、40倍、100倍等)的脈沖信號(hào)。測(cè)頭控制器的作用是當(dāng)手動(dòng)移動(dòng)測(cè)頭并接觸零件時(shí),測(cè)頭發(fā)出的信號(hào)用作控制器中計(jì)數(shù)器的鎖存信號(hào)和CPU的中斷信號(hào)。鎖存信號(hào)將X、Y、Z三軸的當(dāng)前光柵數(shù)值記錄下來(lái),CPU執(zhí)行中斷服務(wù)程序時(shí),讀取計(jì)數(shù)器中的鎖存值,這樣就完成了一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的采集。計(jì)算機(jī)對(duì)這些坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析計(jì)算出零件的尺寸、形狀和位置誤差。手動(dòng)型控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低,適合于對(duì)精度和效率要求

22、不是太高,而且要求低價(jià)格的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。7.2坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(2)機(jī)動(dòng)型控制系統(tǒng)與手動(dòng)型控制系統(tǒng)相比,機(jī)動(dòng)型控制系統(tǒng)增加了電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和操縱盒。測(cè)頭的移動(dòng)不再需要手動(dòng),而是用操縱盒通過(guò)電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度和方向都通過(guò)操縱盒上手操桿偏擺的角度和方向來(lái)控制。機(jī)動(dòng)型控制系統(tǒng)主要是減輕了操作人員的體力勞動(dòng)強(qiáng)度,是一種過(guò)渡型,隨著CNC系統(tǒng)成本的降低,機(jī)動(dòng)型控制系統(tǒng)目前采用得很少。(3) CNC數(shù)控型控制系統(tǒng)CNC數(shù)控型控制系統(tǒng)的測(cè)量過(guò)程是由計(jì)算機(jī)控制的。它不僅可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量、自學(xué)習(xí)測(cè)量、掃描測(cè)量,也可通過(guò)操縱桿進(jìn)行機(jī)動(dòng)測(cè)量。CNC數(shù)控型控制系統(tǒng)如圖7-13所示,主要由控制器、測(cè)頭控制器、細(xì)分器

23、、驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)等幾部分組成。與手動(dòng)型控制系統(tǒng)相比,主要增加了驅(qū)動(dòng)器和電動(dòng)機(jī),而控制器的功能也更加強(qiáng)大和完善?？刂破饔煽刂瓶ê涂刂栖浖M成,是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心?，F(xiàn)代先進(jìn)的控制卡大多采用數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor,DSP)代替以前的CPU。DSP所具有的高速運(yùn)算功能,使得控制周期縮短,大大提高了系統(tǒng)的軌跡控制能力,測(cè)量動(dòng)作更快、測(cè)量效率更高?？刂栖浖c控制卡的硬件結(jié)構(gòu)和功能密切相關(guān),主要功能包括精確、實(shí)時(shí)地讀取空間坐標(biāo)值、運(yùn)動(dòng)軌跡控制、坐標(biāo)測(cè)量機(jī)狀態(tài)監(jiān)控、測(cè)頭系統(tǒng)管理、系統(tǒng)參數(shù)初始化與管理、與測(cè)量軟件進(jìn)行通信等。7.2坐標(biāo)測(cè)量機(jī)CNC數(shù)控型控制系統(tǒng)框圖7.

24、2坐標(biāo)測(cè)量機(jī)4.測(cè)量軟件測(cè)量軟件是坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的一個(gè)重要組成部分,是用于操作坐標(biāo)測(cè)量機(jī)及相關(guān)裝置的一組程序。隨著幾何量測(cè)試技術(shù)和計(jì)算技術(shù)研究的不斷深入,先進(jìn)的數(shù)學(xué)模型和算法不斷涌現(xiàn),完善和充實(shí)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量軟件是坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)的一個(gè)重要努力方向。迄今為止,測(cè)量軟件的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)重要階段:第一階段是DOS操作系統(tǒng)及其以前的時(shí)期,測(cè)量軟件能夠?qū)崿F(xiàn)坐標(biāo)找正、簡(jiǎn)單幾何要素的測(cè)量、幾何公差和相關(guān)尺寸的計(jì)算;第二階段是在Windows操作系統(tǒng)時(shí)代,這一時(shí)期計(jì)算機(jī)的配置都有了極大的改善,測(cè)量軟件在功能的完善和界面的友好性上有了飛躍性的改變;第三階段從20世紀(jì)末開(kāi)始,它以將CAD技術(shù)引入到測(cè)量軟件為標(biāo)志,這是

25、一次革命性的改變。以三維CAD環(huán)境為中心的新一代測(cè)量軟件包具有以下特點(diǎn)。(1)數(shù)模脫機(jī)編程(2)圖形操作環(huán)境(3)圖形報(bào)告7.2坐標(biāo)測(cè)量機(jī)目前,比較著名的測(cè)量軟件有PC-DMIS、RationalDMIS、PowerINSPECT、QUINDOS、TUTOR等。雖然測(cè)量軟件形式多樣,但從功能上可以分成以下幾類或幾組。1)核心或通用測(cè)量軟件。它實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的最基本的功能,通常包括測(cè)頭校準(zhǔn)、坐標(biāo)系建立、幾何特征測(cè)量、幾何公差分析與評(píng)價(jià)等。其中,測(cè)頭校準(zhǔn)用于定義/設(shè)定測(cè)頭的參數(shù)(如測(cè)尖半徑、多向測(cè)頭的位置等),以便測(cè)尖接觸零件表面時(shí)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)能夠?qū)y(cè)頭尺寸自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。校準(zhǔn)通常通過(guò)測(cè)頭測(cè)量已知尺

26、寸的標(biāo)準(zhǔn)量塊或標(biāo)準(zhǔn)球來(lái)完成。坐標(biāo)系建立與轉(zhuǎn)換軟件使得零件測(cè)量過(guò)程中不需要費(fèi)時(shí)地在測(cè)量工作臺(tái)上找正零件,方便零件坐標(biāo)系的建立。基本幾何特征包括平面、圓柱、孔、槽等,要測(cè)得這些幾何特征的幾何參數(shù),需要采集多個(gè)測(cè)量點(diǎn)并進(jìn)行擬合(如采用最小二乘算法)計(jì)算。幾何公差分析與評(píng)價(jià)能夠完成測(cè)量結(jié)果與圖樣或數(shù)模中規(guī)定的尺寸和公差規(guī)范值的分析比較。2)專用測(cè)量軟件。它是指在核心測(cè)量軟件基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的針對(duì)某種具有特殊用途的零、部件測(cè)量與評(píng)價(jià)軟件,主要包括齒輪檢測(cè)、葉片檢測(cè)、螺紋檢測(cè)、凸輪檢測(cè)、汽車車體檢測(cè)等軟件,以代替一些專用的測(cè)量?jī)x器,拓展了坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。7.2坐標(biāo)測(cè)量機(jī)3)統(tǒng)計(jì)分析軟件。統(tǒng)計(jì)分析在生產(chǎn)過(guò)程

27、及工藝設(shè)備的狀況和能力分析中有著重要作用。此類軟件可以根據(jù)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種統(tǒng)計(jì)分析。例如,通過(guò)測(cè)量得到零件的尺寸數(shù)據(jù),可用來(lái)評(píng)價(jià)工藝過(guò)程的工序能力(以工序能力指數(shù)Cp表征)或進(jìn)行統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制。常用的統(tǒng)計(jì)分析指標(biāo)有平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變化趨勢(shì)、分散范圍、概率分布、工序能力指數(shù)等,還可以對(duì)各種因素進(jìn)行相關(guān)性分析。4)圖形報(bào)告輸出軟件。它以圖形或圖畫(huà)方式顯示測(cè)量數(shù)據(jù),為用戶提供直觀、可視化的誤差展示和報(bào)告輸出功能。5)補(bǔ)償、驅(qū)動(dòng)軟件。為了增強(qiáng)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的功能,利用軟件補(bǔ)償?shù)姆椒ㄌ岣咦鴺?biāo)測(cè)量機(jī)的精度,坐標(biāo)測(cè)量機(jī)生產(chǎn)廠還提供了附加功能軟件,如誤差補(bǔ)償軟件、激光測(cè)頭驅(qū)動(dòng)軟件以及驅(qū)動(dòng)其他廠家坐標(biāo)測(cè)量

28、機(jī)的驅(qū)動(dòng)軟件。第7章 計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控測(cè)量技術(shù)7.3 數(shù)控測(cè)量編程7.3數(shù)控測(cè)量編程7.3.1測(cè)量編程模式要使坐標(biāo)測(cè)量機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量,必須要有相應(yīng)的自動(dòng)測(cè)量程序。測(cè)量程序可以通過(guò)三種模式編制,即聯(lián)機(jī)編程、脫機(jī)編程和自動(dòng)編程或CAD數(shù)模編程。1.聯(lián)機(jī)編程聯(lián)機(jī)編程又叫“自學(xué)習(xí)編程”,現(xiàn)代的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)軟件一般都具備“自學(xué)習(xí)”功能。所謂“自學(xué)習(xí)”,指的是為了精確測(cè)量某一零件或是為了能自動(dòng)測(cè)量相同的一批零件,計(jì)算機(jī)把操作者手動(dòng)操作的過(guò)程及相關(guān)信息記錄下來(lái),并存儲(chǔ)在文件中的一種功能。重復(fù)測(cè)量時(shí),只需調(diào)用該文件,便可自動(dòng)完成記錄的全部測(cè)量過(guò)程。聯(lián)機(jī)編程模式適合于多個(gè)幾何特征的綜合測(cè)量及批量檢測(cè),其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易

29、學(xué),缺點(diǎn)是編程時(shí)會(huì)占用太多的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)時(shí)間。7.3數(shù)控測(cè)量編程2.脫機(jī)編程脫機(jī)編程是在與坐標(biāo)測(cè)量機(jī)分離的任意一臺(tái)計(jì)算機(jī)上,使用其他編輯工具或配套的測(cè)量軟件,根據(jù)零件圖樣,按照坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的專用語(yǔ)言的指令編制零件測(cè)量程序。所編制的測(cè)量程序包括運(yùn)動(dòng)指令、測(cè)量指令和報(bào)告生成指令等。運(yùn)動(dòng)指令定位測(cè)頭到指定位置,測(cè)量指令控制坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的觸測(cè)。為了降低操作者對(duì)專用語(yǔ)言熟練程度的要求,測(cè)量軟件往往采用提示指令菜單及用于計(jì)算機(jī)輔助編程的多級(jí)菜單。脫機(jī)編程的優(yōu)點(diǎn)是編程不占用坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的時(shí)間,缺點(diǎn)是編程員必須精通測(cè)量編程語(yǔ)言,否則容易出錯(cuò),故必須試運(yùn)行和多次修改。7.3數(shù)控測(cè)量編程3. CAD數(shù)模編程脫機(jī)編程的進(jìn)一

30、步發(fā)展就產(chǎn)生了CAD數(shù)模編程,有的稱為自動(dòng)編程,是測(cè)量行業(yè)追求的目標(biāo)。顧名思義,它基于待測(cè)零、部件的CAD模型,自動(dòng)或半自動(dòng)地進(jìn)行檢測(cè)規(guī)劃并生成測(cè)量程序,并通過(guò)尺寸測(cè)量接口標(biāo)準(zhǔn)(Dimensional Measurement Interface Standard,DMIS)格式文件傳輸?shù)阶鴺?biāo)測(cè)量機(jī)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)上。CAD數(shù)模編程可以在獨(dú)立的測(cè)量軟件(如PC-DMIS、PowerINSPECT)中進(jìn)行,首先讀取CAD模型數(shù)據(jù)文件,自動(dòng)構(gòu)建虛擬零件,并根據(jù)虛擬零件自動(dòng)建立檢測(cè)工藝過(guò)程,自動(dòng)生成測(cè)量路徑,自動(dòng)完成檢測(cè),并將實(shí)際零件的檢測(cè)結(jié)果反饋給主控計(jì)算機(jī)。CAD數(shù)模編程也可以直接在集成的CAD/CA

31、M系統(tǒng)(如CATIA, Pro/E等)中進(jìn)行,但無(wú)需讀取和轉(zhuǎn)換CAD模型。CAD數(shù)模編程的優(yōu)點(diǎn)有:可仿真模擬測(cè)量過(guò)程,事先驗(yàn)證測(cè)量程序正確性;無(wú)需坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和實(shí)際零件就可進(jìn)行,極大提高坐標(biāo)測(cè)量機(jī)效率和利用率。因此CAD數(shù)模編程是當(dāng)前最流行的編程方法。7.3數(shù)控測(cè)量編程7.3.2測(cè)量規(guī)劃與編程一個(gè)完整的測(cè)量活動(dòng)包括產(chǎn)品信息定義/獲取、測(cè)量過(guò)程定義、測(cè)量過(guò)程執(zhí)行和測(cè)量結(jié)果分析四大環(huán)節(jié)。核心環(huán)節(jié)是測(cè)量過(guò)程定義,就是在獲取產(chǎn)品幾何、特征、尺寸和公差等信息的基礎(chǔ)上,完成測(cè)量過(guò)程規(guī)劃和編程,生成相應(yīng)的測(cè)量程序。過(guò)去常采用脫機(jī)編程和聯(lián)機(jī)編程模式編制測(cè)量程序。也就是說(shuō),在測(cè)量軟件支持下,針對(duì)二維零件圖樣要求編

32、寫(xiě),或是由人按照測(cè)量規(guī)劃控制測(cè)頭運(yùn)動(dòng),邊測(cè)量邊生成測(cè)量程序。這些人工編程方法的效率低并且主要依賴二維零件圖樣,在實(shí)際應(yīng)用中目前多采用CAD數(shù)模編程的方法,由坐標(biāo)測(cè)量機(jī)軟件半自動(dòng)或自動(dòng)生成測(cè)量程序。測(cè)量規(guī)劃與編程的一般流程如圖7-14所示,主要包括選擇坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、確定零件定位及裝夾方案、選擇測(cè)頭及組件、設(shè)置坐標(biāo)系和零件找正、規(guī)劃測(cè)量點(diǎn)及路徑、碰撞檢查及規(guī)避、測(cè)量過(guò)程仿真及輸出測(cè)量程序和檢測(cè)工藝規(guī)程。7.3數(shù)控測(cè)量編程測(cè)量規(guī)劃與編程的一般流程7.3數(shù)控測(cè)量編程1.選擇坐標(biāo)測(cè)量機(jī)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的選擇主要考慮兩個(gè)方面的內(nèi)容,一個(gè)是測(cè)量范圍,另一個(gè)是測(cè)量精度,要使得所選擇的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的X、Y、Z行程范圍和測(cè)

33、量精度能夠滿足零件的最大輪廓尺寸和最高精度要求。2.確定零件定位及裝夾方案當(dāng)零件被放在測(cè)量工作臺(tái)上后,它的定位也就確定了。由于測(cè)頭具有一定的體積,且它在空間的位置不是任意的,故在某種定位方式下,可能只有一部分特征能被測(cè)量,而其他一些特征則需通過(guò)改換測(cè)頭或?qū)α慵M(jìn)行重定位來(lái)測(cè)量。為了減少測(cè)頭改換或零件重定位的次數(shù),提高檢驗(yàn)效率,零件定位時(shí)在首先滿足基準(zhǔn)面可測(cè)的情況下,應(yīng)盡可能照顧到其他被測(cè)面。通常做法是對(duì)所有特征的可測(cè)性(即可達(dá)性)進(jìn)行檢查,然后以測(cè)頭的定位和零件的裝夾為基礎(chǔ),將零件的特征進(jìn)行分組檢測(cè),每一組檢測(cè)構(gòu)成一道檢測(cè)工序。7.3數(shù)控測(cè)量編程3.選擇測(cè)頭及組件測(cè)量規(guī)劃與編程過(guò)程中的一個(gè)重要

34、的內(nèi)容就是根據(jù)被測(cè)件特征類型和尺寸選擇合適的測(cè)頭類型及其組件(如測(cè)桿和加長(zhǎng)桿等)。選擇測(cè)頭時(shí)應(yīng)考慮被測(cè)件精度要求、可測(cè)量性和經(jīng)濟(jì)性。測(cè)頭精度的選擇并不是越高越好,對(duì)于一般等級(jí)的公差,選擇精度很高的測(cè)頭,會(huì)造成不必要的浪費(fèi),增加測(cè)量成本,而且對(duì)于測(cè)頭的維護(hù)和保養(yǎng)不利。同時(shí),使用高精度的測(cè)頭,在測(cè)量時(shí)間上也會(huì)相應(yīng)增加。由于接觸式測(cè)頭的“可達(dá)即可測(cè)”,故實(shí)際中利用可達(dá)性分析確定可測(cè)量性要求。可達(dá)性(Accessibility)是指在特定的被測(cè)件定位和測(cè)頭方位下,測(cè)頭能夠接觸到待測(cè)特征,并且不與被測(cè)件其他部分發(fā)生碰撞干涉。對(duì)被測(cè)件的可達(dá)性分析,即是確定測(cè)頭接近零件表面被測(cè)特征的方向。可達(dá)性分析是測(cè)量規(guī)

35、劃中的重要問(wèn)題,是判斷測(cè)量方案是否可行或是否優(yōu)化的基礎(chǔ)工作。7.3數(shù)控測(cè)量編程4.設(shè)置坐標(biāo)系和零件找正在坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上對(duì)零件進(jìn)行測(cè)量時(shí),有兩種坐標(biāo)系,即坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的絕對(duì)坐標(biāo)系和零件坐標(biāo)系,默認(rèn)為絕對(duì)坐標(biāo)系。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中,一般以零件坐標(biāo)系應(yīng)用為主。所以在測(cè)量中需要將坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的絕對(duì)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為零件坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系隨零件的位置改變而變化,始終與零件位置相對(duì)應(yīng),故稱為柔性坐標(biāo)系。建立零件坐標(biāo)系的方法有很多種,常用的有由三個(gè)平面建立坐標(biāo)系,由一個(gè)平面、兩條軸線建立坐標(biāo)系及由三條正交軸線建立坐標(biāo)系等方法。零件測(cè)點(diǎn)及其路徑的生成通常是在CAD中的零件坐標(biāo)系(數(shù)控加工中稱為工件坐標(biāo)系)進(jìn)行的,但在實(shí)際測(cè)量

36、過(guò)程中,對(duì)零件進(jìn)行裝夾固定后,應(yīng)首先對(duì)被測(cè)件進(jìn)行找正,即確定零件坐標(biāo)系在坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的絕對(duì)坐標(biāo)系中的位置。因此設(shè)置的坐標(biāo)系要便于測(cè)量時(shí)測(cè)頭對(duì)零件找正,而且每個(gè)測(cè)量工序都要進(jìn)行坐標(biāo)系設(shè)置。7.3數(shù)控測(cè)量編程5.規(guī)劃測(cè)量點(diǎn)及路徑不同的測(cè)量點(diǎn)數(shù)量和分布往往會(huì)產(chǎn)生不同的測(cè)量結(jié)果。測(cè)量點(diǎn)數(shù)量的確定主要權(quán)衡測(cè)量精度和成本。測(cè)量點(diǎn)越多,分析所依據(jù)的信息就越多,同時(shí)測(cè)量可信度也就越高。因此,對(duì)于精度要求較高、需要重點(diǎn)關(guān)注和曲率較大的表面特征應(yīng)當(dāng)安排較多的測(cè)量點(diǎn)。但是,測(cè)量點(diǎn)越多相應(yīng)地增加了測(cè)量時(shí)間和操作成本,而且當(dāng)測(cè)量點(diǎn)數(shù)量增加到一定程度后,再增加更多的測(cè)量點(diǎn)對(duì)進(jìn)一步提高測(cè)量精度的貢獻(xiàn)很有限,而測(cè)量成本卻大大提

37、高。測(cè)量點(diǎn)的分布主要是由被測(cè)特征表面的幾何類型和形狀決定的,同時(shí)不同的檢測(cè)項(xiàng)(即幾何公差類型)要求也對(duì)測(cè)量點(diǎn)的分布有著不同的要求,最后還必須注意測(cè)量點(diǎn)的可達(dá)性。表7-1給出了不同幾何公差類型對(duì)平面和圓柱面基本測(cè)量點(diǎn)的要求。在實(shí)際測(cè)量點(diǎn)規(guī)劃中雖然有多種測(cè)量點(diǎn)分布方法,但均勻分布仍不失為一種簡(jiǎn)單有效的測(cè)量點(diǎn)布置方式。圖7-15所示為平面、圓柱面以及球面測(cè)量點(diǎn)均勻分布的典型情況。7.3數(shù)控測(cè)量編程7.3數(shù)控測(cè)量編程平面、圓柱面以及球面測(cè)量點(diǎn)均勻分布的典型情況7.3數(shù)控測(cè)量編程平面測(cè)量路徑內(nèi)孔柱面測(cè)量路徑7.3數(shù)控測(cè)量編程6.碰撞檢查及規(guī)避在測(cè)量規(guī)劃過(guò)程中要嚴(yán)格防止測(cè)頭與零件的碰撞。對(duì)于簡(jiǎn)單的零件,可

38、以較容易發(fā)現(xiàn)碰撞情況的發(fā)生。而對(duì)于復(fù)雜的零件,則有時(shí)很難檢查出來(lái)。當(dāng)前主要有兩類方法用于碰撞檢查。第一類方法是將測(cè)頭運(yùn)動(dòng)軌跡劃分為很多時(shí)間步,在測(cè)頭移動(dòng)過(guò)程中的每一個(gè)時(shí)間步都進(jìn)行靜態(tài)干涉檢測(cè),來(lái)判定測(cè)頭與零件之間是否發(fā)生碰撞,稱為“單步檢查”的方法。對(duì)于這種檢查方法,時(shí)間步的個(gè)數(shù)將影響到檢測(cè)結(jié)果的正確性和算法的效率。如果利用過(guò)多的時(shí)間步,將會(huì)耗費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間;如果時(shí)間步過(guò)少,則會(huì)發(fā)生漏判或錯(cuò)判現(xiàn)象。第二類方法是基于產(chǎn)生稱為“掃描實(shí)體”的空間占位實(shí)體。產(chǎn)生的空間占位實(shí)體代表測(cè)頭按給定軌跡移動(dòng)過(guò)程中所占有的全部空間體積,如果空間占位實(shí)體與零件發(fā)生干涉,則測(cè)頭即會(huì)與零件發(fā)生碰撞。這種檢查方法的處理

39、效率更高。7.3數(shù)控測(cè)量編程7.測(cè)量過(guò)程仿真當(dāng)測(cè)量規(guī)劃工作全部完成后,就可以對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行模擬仿真。通過(guò)模擬進(jìn)行仿真測(cè)量,可以預(yù)知實(shí)際測(cè)量過(guò)程,及時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)前存在的問(wèn)題,修改測(cè)量規(guī)劃,提高規(guī)劃效率和質(zhì)量。8.后置處理與輸出當(dāng)所有被測(cè)特征都在檢測(cè)工步中定義并進(jìn)行碰撞檢查及仿真確認(rèn)無(wú)誤后,就可以將測(cè)量規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行后置處理,輸出供坐標(biāo)測(cè)量機(jī)執(zhí)行的測(cè)量程序,也可以輸出相應(yīng)的檢測(cè)工藝規(guī)程7.3數(shù)控測(cè)量編程7.3.3測(cè)量程序標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議測(cè)量規(guī)劃完成以后,通過(guò)后置處理產(chǎn)生坐標(biāo)測(cè)量機(jī)可以執(zhí)行的測(cè)量程序,把測(cè)量程序輸入到坐標(biāo)測(cè)量機(jī)之后即可進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。目前通用的測(cè)量程序是DMIS程序,各廠家生產(chǎn)的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)基本都支

40、持DMIS標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)量程序的執(zhí)行還有一種方式,就是通過(guò)在測(cè)量軟件系統(tǒng)和坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的控制系統(tǒng)之間建立一種通信協(xié)議I+DME,通過(guò)該協(xié)議可以把測(cè)量程序?qū)崟r(shí)地傳輸?shù)阶鴺?biāo)測(cè)量機(jī)上進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。7.3數(shù)控測(cè)量編程(1)DMIS的應(yīng)用環(huán)境測(cè)量。1. DMIS標(biāo)準(zhǔn)DMIS是制造檢測(cè)中尺寸測(cè)量程序和數(shù)據(jù)通信的定義性標(biāo)準(zhǔn),可以作為CAD系統(tǒng)與CMM內(nèi)部檢測(cè)語(yǔ)言,也可以作為CMM直接控制的內(nèi)部編程語(yǔ)言。DMIS標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)解決設(shè)備間尺寸測(cè)量數(shù)據(jù)雙向通信的標(biāo)準(zhǔn),其目的是規(guī)范測(cè)量設(shè)備間數(shù)據(jù)和格式的統(tǒng)一。DMIS既是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn),也是一種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言,還是一種數(shù)據(jù)格式。標(biāo)準(zhǔn)是其內(nèi)涵,語(yǔ)言是其實(shí)現(xiàn)方式,數(shù)據(jù)格式是其統(tǒng)一的外在形式。

41、7.3數(shù)控測(cè)量編程DMIS標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用環(huán)境7.3數(shù)控測(cè)量編程(2)DMIS的程序格式DMIS程序由ASCII碼組成,除在文本串內(nèi)部之外,其余位置字母不區(qū)分大小寫(xiě)。DMIS詞法體系主要由關(guān)鍵字、標(biāo)識(shí)符名稱、文本串、變量、表達(dá)式、分界符等組成。DMIS語(yǔ)句類別由DMIS主關(guān)鍵字確定。主關(guān)鍵字、次關(guān)鍵字、參數(shù)、標(biāo)識(shí)符、變量、表達(dá)式、分界符等構(gòu)成了DMIS語(yǔ)句。DMIS語(yǔ)句按功能分為命令語(yǔ)句和定義語(yǔ)句兩類。命令語(yǔ)句指揮DME和接收系統(tǒng)執(zhí)行某些功能。通常,命令語(yǔ)句包含一條預(yù)先的定義語(yǔ)句。此時(shí),命令語(yǔ)句執(zhí)行過(guò)程中使用定義語(yǔ)句。主關(guān)鍵字指出了命令語(yǔ)句的類型。定義語(yǔ)句用來(lái)描述專門(mén)的幾何意義、公差、機(jī)床特性和其他

42、的關(guān)于檢測(cè)零件程序條件的細(xì)節(jié)信息。除了主關(guān)鍵字的前面有一個(gè)主關(guān)鍵字和一個(gè)等號(hào),定義語(yǔ)句的基本結(jié)構(gòu)和命令語(yǔ)句相同。定義語(yǔ)句描述了一組條件,給標(biāo)識(shí)符名稱賦一個(gè)簡(jiǎn)單的基準(zhǔn),然后標(biāo)識(shí)符名稱用于另一個(gè)語(yǔ)句來(lái)指出已定義的對(duì)象。7.3數(shù)控測(cè)量編程2. I+DME協(xié)議I+DME(Inspection Plus Plus;Dimensional Measurement Equipment Interface)是由I+工作組于2001年提出的針對(duì)尺寸測(cè)量設(shè)備的通用接口標(biāo)準(zhǔn)。該工作組主要由歐洲的汽車制造協(xié)會(huì)的汽車生產(chǎn)商(奧迪、寶馬、戴姆勒-克萊斯勒、通用、保時(shí)捷、大眾和沃爾沃)聯(lián)合發(fā)起,目的是在測(cè)量軟件和測(cè)量設(shè)備之

43、間建立一套統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),以解決公司內(nèi)部眾多尺寸測(cè)量設(shè)備的兼容問(wèn)題。I+DME適用于坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、形狀檢測(cè)儀、凸輪軸測(cè)量?jī)x等尺寸測(cè)量設(shè)備。由于是由用戶直接發(fā)起的,因而得到了比較好的推廣,得到了包括ZEISS、HEXGAON、RENISHAW等行業(yè)著名測(cè)量技術(shù)公司的支持,目前已經(jīng)發(fā)展到1.7版本。7.3數(shù)控測(cè)量編程I+DME系統(tǒng)的物理布局(1)I+DME系統(tǒng)的物理布局7.3數(shù)控測(cè)量編程(2)I+DME系統(tǒng)的邏輯布局I+DME系統(tǒng)的邏輯布局7.3數(shù)控測(cè)量編程(3)I+DME系統(tǒng)的通信第7章 計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控測(cè)量技術(shù)7.4 大尺寸測(cè)量系統(tǒng)7.4大尺寸測(cè)量系統(tǒng)7.4.1大尺寸測(cè)量系統(tǒng)的產(chǎn)生及其特點(diǎn)隨著科學(xué)技術(shù)

44、的不斷發(fā)展,工業(yè)生產(chǎn)的不斷變革,使得工業(yè)測(cè)量的內(nèi)容和手段也發(fā)生了很大的變化。尤其是進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來(lái),工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)大尺寸測(cè)量的需求越來(lái)越多,特別是在汽車、船舶、航空、航天、核工業(yè)、能源及水力電力工業(yè)中,大型部件的測(cè)量比比皆是?！按蟪叽鐪y(cè)量”一詞源于“大尺寸工程測(cè)量”。早在1961年英國(guó)的D.W.Berry就給了有關(guān)“大尺寸測(cè)量”的描述。他認(rèn)為大尺寸測(cè)量是一種關(guān)于幾何量的測(cè)量,它將大測(cè)量技術(shù)與工程測(cè)量技術(shù)結(jié)合起來(lái),以解決工程中大型裝備的測(cè)量問(wèn)題。大尺寸測(cè)量已經(jīng)演變成一種精密的工程測(cè)量,使用激光跟蹤儀測(cè)量點(diǎn)到點(diǎn)距離的不確定度能達(dá)到270m,測(cè)量要素也從單一的角度、長(zhǎng)度測(cè)量擴(kuò)展到坐標(biāo)測(cè)量和形

45、狀測(cè)量。7.4大尺寸測(cè)量系統(tǒng)傳統(tǒng)的模擬直角坐標(biāo)的框架式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)具有精度高、功能完善等優(yōu)勢(shì),因而在中小尺寸工業(yè)零件的幾何量檢測(cè)中至今占有絕對(duì)統(tǒng)治地位。但是不便于攜帶和框架尺寸的限制(目前世界最長(zhǎng)的框架式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)行程為40m,最寬為6m),對(duì)于大尺寸的測(cè)量、現(xiàn)場(chǎng)的零件測(cè)量、較隱蔽部位的測(cè)量,以及大型飛機(jī)、航天飛機(jī)、火箭的測(cè)量,建筑和山川的測(cè)量等,它的應(yīng)用受到了限制。因此在坐標(biāo)測(cè)量概念的基礎(chǔ)上,人們力爭(zhēng)有所突破。大尺寸測(cè)量系統(tǒng)的出現(xiàn),就迎合了這種需求。它有如下特點(diǎn):1)在結(jié)構(gòu)上突破直角框架的形式。2)在坐標(biāo)系的建立上更多地應(yīng)用矢量坐標(biāo)系或球坐標(biāo)系。3)在探測(cè)系統(tǒng)方面除了傳統(tǒng)的接觸式探測(cè)系統(tǒng),更多

46、地采用非接觸式探測(cè)系統(tǒng)(光學(xué)或激光甚至雷達(dá)系統(tǒng))。4)由于計(jì)時(shí)系統(tǒng)的精確性大大提高,現(xiàn)在常常把距離的測(cè)量轉(zhuǎn)化為時(shí)間間隔的測(cè)量。5)重量輕且便于攜帶。7.4大尺寸測(cè)量系統(tǒng)7.4.2關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)1.關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)的定義及結(jié)構(gòu)形式關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)是由幾根固定長(zhǎng)度的臂通過(guò)繞互相垂直軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)節(jié)(分別稱為肩、肘和腕關(guān)節(jié))互相連接,在最后的轉(zhuǎn)軸上裝有探測(cè)系統(tǒng)的坐標(biāo)測(cè)量裝置,如圖7-21所示。很明顯,關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)不是一個(gè)直角坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng),每個(gè)臂的轉(zhuǎn)動(dòng)軸或者與臂軸線垂直,或者繞臂自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)(自轉(zhuǎn)),一般用三個(gè)“-”隔開(kāi)的數(shù)來(lái)表示肩、肘和腕的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。例如,圖7-21、圖7-22分別所示為2-1-2,2-2-3

47、配置,可以有ao- b o- d o- e o- f o和a o- b o- c o- d o- e o- f o- g o角度轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)。為了適應(yīng)當(dāng)前情況,關(guān)節(jié)數(shù)一般小于7,目前一般為手動(dòng)測(cè)量機(jī)。7.4大尺寸測(cè)量系統(tǒng)7.4大尺寸測(cè)量系統(tǒng)3.關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)的典型應(yīng)用圖7-23所示為關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)的幾種常見(jiàn)的典型應(yīng)用。7.4大尺寸測(cè)量系統(tǒng)7.4.3激光跟蹤儀1.激光跟蹤儀的產(chǎn)生和定義由于激光的發(fā)散性很小,測(cè)距精度高,人們?cè)趲资昵熬烷_(kāi)始用激光干涉儀來(lái)測(cè)距離,進(jìn)而用它測(cè)直線度和角度,特別在較長(zhǎng)距離(60m左右)的測(cè)量中發(fā)揮了它的優(yōu)勢(shì)。但是激光干涉儀使用時(shí)要求找好準(zhǔn)直,如果干涉鏡或反射鏡偏離了激

48、光光軸,那么就會(huì)出錯(cuò)而且不能斷光再續(xù),必須重新再來(lái),甚至中間有東西擋一下光也是如此。這些限制了它在空間坐標(biāo)測(cè)量中的應(yīng)用。另一方面激光終究是一個(gè)測(cè)長(zhǎng)工具,要用來(lái)進(jìn)行空間測(cè)量則必須尋求其他定位裝置。7.4大尺寸測(cè)量系統(tǒng)激光跟蹤儀7.4大尺寸測(cè)量系統(tǒng)2.激光跟蹤儀的工作原理和工作特點(diǎn)激光跟蹤儀是典型的球坐標(biāo)系的坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng),它的靶標(biāo)或測(cè)頭與主體無(wú)機(jī)械的聯(lián)系,可以工作在40m的甚至更大的測(cè)量半徑范圍內(nèi)。由于應(yīng)用了角度編碼器、斷光再續(xù)和激光跟蹤技術(shù),因而可以在工業(yè)環(huán)境下動(dòng)態(tài)跟蹤靶標(biāo)進(jìn)行空間坐標(biāo)測(cè)量。由于空間坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于一定的矢徑及確定的兩個(gè)極角,保證了它的唯一性,相對(duì)于關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)對(duì)空間點(diǎn)有任意多的組合

49、而言,跟蹤儀的精度及誤差補(bǔ)償比關(guān)節(jié)臂更好。P點(diǎn)在空間的坐標(biāo)由矢徑d及極角hz及vt決定,如圖7-25所示,通過(guò)數(shù)學(xué)變換也可以進(jìn)行直角坐標(biāo)系運(yùn)算。7.4大尺寸測(cè)量系統(tǒng)激光跟蹤儀的原理7.4大尺寸測(cè)量系統(tǒng)3.使用激光跟蹤儀時(shí)要注意的問(wèn)題1)在應(yīng)用時(shí)要保持前述的環(huán)境條件,其中溫度始終是影響測(cè)量設(shè)備精度的一個(gè)主要問(wèn)題。激光管是激光跟蹤儀的主要器件,其周圍環(huán)境溫度的穩(wěn)定性對(duì)激光跟蹤儀的精度有著很大的影響。2)由于激光跟蹤儀是大尺寸的測(cè)量設(shè)備,而且角度編碼器是影響設(shè)備精度的主要器件,所以要盡可能在大尺寸范圍內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)。3)根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用情況,必要時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)站檢測(cè)(目標(biāo)不動(dòng),移動(dòng)激光跟蹤儀進(jìn)行對(duì)比檢測(cè))。4)

50、由于激光跟蹤儀是動(dòng)態(tài)檢測(cè)儀器,必要時(shí)需進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)(以一定速度旋轉(zhuǎn)裝在球棒上的靶標(biāo))。5)注意激光跟蹤儀的補(bǔ)償軟件是否在全空間有效。6)在使用時(shí)要防止反射鏡跌落,以免喪失精度。7)鏡頭及發(fā)射發(fā)光二極管等光學(xué)器件最好用氣囊吹及細(xì)毛刷清潔,必要時(shí)可用浸有異丙醇的棉球去污。8)要定期更換空氣過(guò)濾紙。7.4大尺寸測(cè)量系統(tǒng)4.典型激光跟蹤儀的性能指標(biāo)表7-3給出了典型激光跟蹤儀的性能指標(biāo)。7.4大尺寸測(cè)量系統(tǒng)5.激光跟蹤儀的應(yīng)用激光跟蹤儀在汽車、航空航天和通用制造領(lǐng)域工裝設(shè)置、檢測(cè)和機(jī)床控制與校準(zhǔn)應(yīng)用中得到普遍認(rèn)可?？罩锌蛙嚬臼褂肔eica激光跟蹤儀來(lái)輔助進(jìn)行巨型夾具中機(jī)翼的裝配,40m范圍內(nèi)誤差不超過(guò)0.25mm。目前國(guó)外著名的大型飛機(jī)和汽車生產(chǎn)商都廣泛采用激光跟蹤儀來(lái)進(jìn)行工裝的設(shè)置、測(cè)