三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)小結(jié)

三坐標(biāo)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，它是指在一個(gè)六面體的空間范圍內(nèi)，可以表現(xiàn)幾何形狀、長(zhǎng)度及圓周分度等測(cè)量能力的儀器，又稱為三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x或三坐標(biāo)量床。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的工作原理: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)估任何幾何形狀的基礎(chǔ)。坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的基本原理是將被測(cè)零件放入它允許的測(cè)量空間，精確的測(cè)出被測(cè)零件表面的點(diǎn)在空間三個(gè)坐標(biāo)位置的數(shù)值，將這些點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)值通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)解決，擬合形成測(cè)量元素，如圓、球、圓柱、圓錐、曲面等，通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算的方法得出其形狀、位置公差及其他幾何量數(shù)據(jù)。在測(cè)量技術(shù)上，光柵尺及以后的容柵、磁柵、激光干涉儀的出現(xiàn)，革命性的把尺寸信息數(shù)字化，不僅可以進(jìn)行數(shù)字顯示，并且為幾何量測(cè)量的計(jì)算機(jī)解決，進(jìn)而用于控制打下基礎(chǔ)。三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x可定義為“一種具有可作三個(gè)方向移動(dòng)的探測(cè)器，可在三個(gè)互相垂直的導(dǎo)軌上移動(dòng)，此探測(cè)器以接觸或非接觸等方式傳送訊號(hào)，三個(gè)軸的位移測(cè)量系統(tǒng)(如光學(xué)尺)經(jīng)數(shù)據(jù)解決器或計(jì)算機(jī)等計(jì)算出工件的各點(diǎn)坐標(biāo)(X、Y、Z)及各項(xiàng)功能測(cè)量的儀器”。三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的測(cè)量功能應(yīng)涉及尺寸精度、定位精度、幾何精度及輪廓精度等。應(yīng)用領(lǐng)域：測(cè)量高精度的幾何零件和曲面；測(cè)量復(fù)雜形狀的機(jī)械零部件；檢測(cè)自由曲面；可選用接觸式或非接觸式測(cè)頭進(jìn)行連續(xù)掃描。功能：幾何元素的測(cè)量，涉及點(diǎn)、線、面、圓、球、圓柱、圓錐等等；曲線、曲面掃描，支持點(diǎn)位掃描功能，IGES文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)輸出，CAD名義數(shù)據(jù)定義、ASCII文本數(shù)據(jù)輸入、名義曲線掃描、符合公差定義的輪廓分析。形位公差的計(jì)算，涉及直線度、平面度、圓度、圓柱度、垂直度、傾斜度、平行度、位置度、對(duì)稱度、同心度等等；支持傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出報(bào)告、圖形化檢測(cè)報(bào)告、圖形數(shù)據(jù)附注、數(shù)據(jù)標(biāo)簽輸出等多種輸出方式。設(shè)備特點(diǎn)：核心零部件及軟件所有原裝進(jìn)口單邊活動(dòng)橋式結(jié)構(gòu)，顯著提高運(yùn)動(dòng)性能，保證測(cè)量精度及穩(wěn)定性三軸導(dǎo)軌均采用高精密天然花崗巖，具有相同的溫度特性及剛性三軸導(dǎo)軌均采用自潔式預(yù)載荷高精度空氣軸承，運(yùn)動(dòng)更平穩(wěn)，導(dǎo)軌永不受磨損RENISHAW自粘開(kāi)放式金屬光柵尺，更接近花崗巖基體的熱膨脹系數(shù)，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性RENISHAWUCC高速高精度自動(dòng)控制系統(tǒng)，內(nèi)嵌32位微解決器，真正實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制；上下位采用光纖通訊，增強(qiáng)了電氣抗干擾能力SEREINDMIS軟件特點(diǎn)軟件運(yùn)營(yíng)在WINDOWS2023/XP環(huán)境下，全中文界面；面向?qū)ο蟮木幊谭绞?，支持圖形鏡像功能。三維CAD數(shù)模導(dǎo)入、再現(xiàn)實(shí)體或線架模型、DMIS、STEP文獻(xiàn)導(dǎo)入導(dǎo)出、測(cè)量結(jié)果的IGES文獻(xiàn)輸出，支持逆向工程。動(dòng)態(tài)CMM模型，支持測(cè)量機(jī)和測(cè)頭的模擬和RENISHAW測(cè)頭圖形庫(kù)。測(cè)頭管理功能，可動(dòng)態(tài)選擇多種測(cè)針。幾何元素的測(cè)量，涉及點(diǎn)、線、面、圓、球、圓柱、圓錐等等；曲線、曲面掃描，支持點(diǎn)位掃描功能，IGES文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)輸出，CAD名義數(shù)據(jù)定義、ASCII文本數(shù)據(jù)輸入、名義曲線掃描、符合公差定義的輪廓分析。形位公差的計(jì)算，涉及直線度、平面度、圓度、圓柱度、垂直度、傾斜度、平行度、位置度、對(duì)稱度、同心度等等；支持傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出報(bào)告、圖形化檢測(cè)報(bào)告、圖形數(shù)據(jù)附注、數(shù)據(jù)標(biāo)簽輸出等多種輸出方式；工件坐標(biāo)系管理，指定基準(zhǔn)面（軸）即可生成工件坐標(biāo)系，并可實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系平移、旋轉(zhuǎn)及迪卡爾坐標(biāo)和極坐標(biāo)的互相轉(zhuǎn)換，支持3-2-1找正。誤差補(bǔ)償功能，進(jìn)一步提高機(jī)器測(cè)量精度?；A(chǔ)技術(shù)參數(shù)：型號(hào)：LeaderMiracleNC8107行程：X軸800mmY軸1000mmZ軸700mm結(jié)構(gòu)型式：活動(dòng)橋式傳動(dòng)方式：直流伺服系統(tǒng)+預(yù)載荷高精度空氣軸承長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)：RENISHAW開(kāi)放式光柵尺，分辨率為0.2μm機(jī)臺(tái)：高精度（00級(jí)）花崗巖平臺(tái)使用環(huán)境：溫度(20±2)℃，濕度55%-65%，溫度梯度1℃/m，溫度變化1℃/h空氣壓力：0.4MPa-0.5Mpa空氣流量：120L/min–140L/min整機(jī)尺寸(LWH)：1.2mX1.4mX2.3m機(jī)臺(tái)承重：1000kg，整機(jī)重量：3000Kg空間測(cè)量精度：（2.9+4L/1000）μm產(chǎn)品的重要配件：校正球、校正塊、光柵尺尺、探針、控制器、測(cè)量軟件等等。。全球重要三坐標(biāo)廠商：LK、蔡司、溫澤、?？怂箍?、西安交大精密、愛(ài)德華、法如、波龍、奧智品、Feanor、SNK、埃帝科、馬波斯、法信、西安力德、雷尼威爾等等（順序隨便，無(wú)任何排名）

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（特別在法律、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域），建議您征詢相關(guān)領(lǐng)域?qū)I(yè)人士。?一、形位公差

?形位公差是被測(cè)實(shí)際要素允許形狀和位置變動(dòng)的范圍。

?二、形位公差的特性項(xiàng)目及符號(hào)

?直線度（—）平面度（

）圓度（○）

?

形狀公差

?

圓柱度（

）線輪廓度（⌒）輪廓度（

）

?

形位公差

平行度（∥）定向公差

垂直度（⊥）

?

傾斜度（∠）位置公差

同軸度（◎）

?定位公差

對(duì)稱度（

）位置度（

）

?

跳動(dòng)公差

圓跳動(dòng)（

）全跳動(dòng)（

）

形狀和位置公差與檢測(cè)

?零件幾何要素和形位公差的特性項(xiàng)目

?一、零件幾何要素及其分類

?形位公差的研究對(duì)象—幾何要素（簡(jiǎn)稱要素）

?

（一）要素：構(gòu)成零件幾何特性的點(diǎn)、線、面。見(jiàn)書圖3-1

?

（二）要素的分類

?

1、按存在的狀態(tài)分

?抱負(fù)要素：具有幾何學(xué)意義的要素，即幾何的點(diǎn)、線、面，它們不存在任何誤差。圖樣上表達(dá)的要素均為抱負(fù)要素。

?實(shí)際要素：零件上實(shí)際存在的要素。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：測(cè)量時(shí)用測(cè)得要素代替實(shí)際要素

?2、按結(jié)構(gòu)特性分

?輪廓要素：構(gòu)成零件外廓、直接為人們所感覺(jué)到的點(diǎn)、線、面各要素。如圖3-1中1、2、3、4、5、6都是輪廓要素。

?中心要素：具有對(duì)稱關(guān)系的輪廓要素的對(duì)稱中心點(diǎn)、線、面。如圖3-1中7、8均為中心要素。

?3、按檢測(cè)時(shí)的地位分

?被測(cè)要素：圖樣上給出了形位公差規(guī)定的要素。是被檢測(cè)的對(duì)象。

?右圖中，φd2的圓柱面和φd2的臺(tái)肩面都給出了形位公差，因此都屬于被測(cè)要素。

?基準(zhǔn)要素：零件上用來(lái)擬定被測(cè)要素的方向或

位置的要素，基準(zhǔn)要素在圖樣上都標(biāo)有基準(zhǔn)符號(hào)或基準(zhǔn)代號(hào)，如右圖中φd2的中心線即為基準(zhǔn)要素A。

?4、按功能關(guān)系分

?單一要素：僅對(duì)被測(cè)要素自身給出形狀公差的要素。如上圖中φd2的圓柱面是被測(cè)要素，且給出了圓柱度公差規(guī)定，故為單一要素。

?關(guān)聯(lián)要素：與零件基準(zhǔn)要素有功能規(guī)定的要素。（即相對(duì)于基準(zhǔn)要素有功能規(guī)定而給出位置公差的要素）。如上圖中，φd2的臺(tái)肩面相對(duì)于φd2圓柱基準(zhǔn)軸線有垂直的功能規(guī)定，且都給出了位置公差，所以φd2的圓柱臺(tái)肩面就是被測(cè)關(guān)聯(lián)要素。

三坐標(biāo)如何用來(lái)進(jìn)行曲面檢測(cè)？CMM曲面檢測(cè)

1傳統(tǒng)測(cè)量方法

在沒(méi)有采用CAD數(shù)模的情況下用\o"三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)"三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)曲面件檢測(cè)，通常是，先在CAD軟件里用相關(guān)命令在曲面數(shù)模上生成截面線和點(diǎn)的坐標(biāo)，以此作為理論值，控制測(cè)量機(jī)到相應(yīng)的位置，進(jìn)行檢測(cè)，并比較坐標(biāo)值的偏離。這種方法需要設(shè)計(jì)人員額外提供理論數(shù)據(jù)，同時(shí)測(cè)頭測(cè)尖球徑的補(bǔ)償不容易準(zhǔn)的確現(xiàn)，對(duì)于單點(diǎn)測(cè)量來(lái)說(shuō)，由于無(wú)法擬定矢量方向，測(cè)頭的補(bǔ)償主線無(wú)法實(shí)現(xiàn)。因此，這種辦法具有一定的局限性。

2基于3D數(shù)模的測(cè)量

運(yùn)用曲面數(shù)模對(duì)曲面進(jìn)行檢測(cè)是CMM測(cè)量技術(shù)發(fā)展的需要。由于曲面建構(gòu)技術(shù)比較復(fù)雜，在CAD應(yīng)用范疇里也屬于高端技術(shù)，一般由專業(yè)的CAD/CAM系統(tǒng)完畢。在測(cè)量軟件內(nèi)，則是通過(guò)導(dǎo)入設(shè)計(jì)數(shù)模而運(yùn)用的問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，就必須解決好四個(gè)方面的技術(shù)問(wèn)題：數(shù)模導(dǎo)入接口、對(duì)齊、測(cè)尖補(bǔ)償、理論值捕獲。

一、數(shù)模導(dǎo)入接口

運(yùn)用數(shù)模進(jìn)行檢測(cè)，一方面要做的工作，當(dāng)然是保證數(shù)模對(duì)的導(dǎo)入到測(cè)量軟件。事實(shí)上，由于技術(shù)、利益等眾所周知的因素，全世界各大CAD制造商各自開(kāi)發(fā)著不同的軟件和格式，例如國(guó)內(nèi)影響比較大的UG、PROE、CATIA等，均不能直接互讀文獻(xiàn)。

為了解決這一矛盾，國(guó)際上建立了一系列的數(shù)據(jù)互換標(biāo)準(zhǔn)，如國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)互換STEP(StandardfortheExchangeofProductModelData)，美國(guó)的初始圖形互換標(biāo)準(zhǔn)IGES(InitialGraphicsExchangeSpecification)等。盡管IGES標(biāo)準(zhǔn)存在數(shù)據(jù)文獻(xiàn)大、轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)、信息不夠全等缺陷，但不可否認(rèn)，它是目前應(yīng)用最廣泛的接口標(biāo)準(zhǔn)，絕大部分CAD軟件均支持該標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)也將IGES作為推薦標(biāo)準(zhǔn)。

目前具有數(shù)模檢測(cè)功能的測(cè)量機(jī)軟件，均支持IGES格式。差異基本上重要體現(xiàn)在復(fù)雜數(shù)模輸入后個(gè)別曲面的丟失、破損，尚有就是導(dǎo)入速度的快慢。對(duì)于一個(gè)10M的數(shù)模，有的也許用幾十秒鐘，有的也許要幾分鐘。目前市面上比較有名的CMM測(cè)量軟件，均基本較好的解決了這一問(wèn)題。圖1為中測(cè)量?jī)x自主研發(fā)的ZCRMDT測(cè)量軟件，導(dǎo)入數(shù)模到檢測(cè)軟件的情況，數(shù)模大小46M多。

針對(duì)目前主流CAD軟件，一些測(cè)量機(jī)軟件商也開(kāi)發(fā)了各種直讀接口，如UG文獻(xiàn)直讀、PROE文獻(xiàn)直讀等，不需中間文獻(xiàn)格式轉(zhuǎn)換，避免了轉(zhuǎn)換帶來(lái)的影響。但是，這種接口一般都需要此外購(gòu)買。

二、對(duì)齊

對(duì)齊（Align）是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)軟件的一項(xiàng)重要內(nèi)容，無(wú)論有無(wú)數(shù)模，都必須通過(guò)對(duì)齊，將機(jī)器坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系保持一致，測(cè)量值才具有可比性。

對(duì)于箱體類零件，基本都采用3-2-1方式建坐標(biāo)，運(yùn)用面、線、點(diǎn)特性來(lái)擬定坐標(biāo)軸和原點(diǎn)，通過(guò)建立工件坐標(biāo)系來(lái)將工件找正，這也是最基本、最準(zhǔn)確的對(duì)齊方法。應(yīng)盡量選用加工好、范圍大的特性來(lái)作為建坐標(biāo)基準(zhǔn)，以減小對(duì)齊產(chǎn)生的誤差。通常，對(duì)于建立的坐標(biāo)系，還需要可以進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)等操作，以產(chǎn)生新的對(duì)齊。

對(duì)于不規(guī)則形體，計(jì)算就要復(fù)雜得多。假如工件上有明確的特性點(diǎn)，如3個(gè)孔心，則通常測(cè)量出實(shí)際值，與理論值相應(yīng)，進(jìn)行3點(diǎn)找正。

我們經(jīng)常會(huì)碰到工件上沒(méi)有明確特性的情況，即我們無(wú)法準(zhǔn)確的將測(cè)量值和理論值直接相應(yīng)。對(duì)于該情況，測(cè)量軟件常用的是迭代找正的方法。對(duì)于單點(diǎn)觸發(fā)采數(shù)的測(cè)量機(jī)，通常是軟件在數(shù)模曲面上選取多點(diǎn)作為目的點(diǎn)，所選取的點(diǎn)應(yīng)能在所有6個(gè)自由度上固定零件，以防零件出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)，然后將測(cè)量機(jī)移動(dòng)到工件上盡量相應(yīng)的位置采集實(shí)測(cè)點(diǎn)，軟件將測(cè)量點(diǎn)在數(shù)模上目的點(diǎn)的附近區(qū)域進(jìn)行迭代找正，直到找正誤差在指定的精度內(nèi)。有的測(cè)量軟件在迭代超差時(shí)，將指導(dǎo)你重新測(cè)量到更接近的點(diǎn)進(jìn)行更準(zhǔn)確的計(jì)算。

尚有種情況是直接測(cè)量多個(gè)點(diǎn)，軟件將該點(diǎn)群與理論數(shù)模進(jìn)行最佳匹配計(jì)算，將點(diǎn)群與數(shù)模一步步對(duì)齊，直到點(diǎn)群與數(shù)模的偏差均方根最小。該方法點(diǎn)數(shù)越多越準(zhǔn)，但同時(shí)計(jì)算越復(fù)雜，對(duì)計(jì)算機(jī)規(guī)定較高，通常在掃描點(diǎn)云的對(duì)齊中，用得比較多。

盡管每種軟件關(guān)于對(duì)齊都有不同的分類和特點(diǎn)，但基本重要采用以上方法。

三、測(cè)尖補(bǔ)償

目前，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)用得最多的是機(jī)械觸發(fā)式測(cè)頭，配以紅寶石測(cè)針，必然會(huì)帶來(lái)測(cè)尖補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題。

對(duì)于平面、圓等標(biāo)準(zhǔn)特性，可以通過(guò)整體偏置的方式自動(dòng)補(bǔ)償測(cè)頭，對(duì)于連續(xù)掃描的曲線，也可以用同樣的方式自動(dòng)解決。但對(duì)于曲面測(cè)量時(shí)經(jīng)常碰到的單點(diǎn)測(cè)量，如何解決測(cè)尖補(bǔ)償問(wèn)題呢？

要單獨(dú)對(duì)一點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償，則必須知道補(bǔ)償?shù)姆较蚴噶浚布词墙佑|點(diǎn)處的法向矢量方向。為了找到該法線方向，比較準(zhǔn)確的做法是，在測(cè)點(diǎn)的周邊測(cè)量個(gè)微平面，以該微平面的法向視為測(cè)點(diǎn)處曲面的法向，從而完畢測(cè)尖補(bǔ)償。

對(duì)于工件測(cè)點(diǎn)附自身曲率變化不大的地方，或者工件與數(shù)模自身偏差較小的情況下，假如規(guī)定不高，為了減少采點(diǎn)數(shù)，也可以不測(cè)量微平面，軟件直接以測(cè)點(diǎn)刺穿數(shù)模的方向矢量進(jìn)行測(cè)尖補(bǔ)償，即以數(shù)模上該處的法向矢量代替工件上實(shí)測(cè)處的法向矢量做為測(cè)尖補(bǔ)償?shù)姆较?。但是假如工件與數(shù)模自身該處曲率偏差大，則測(cè)尖補(bǔ)償將不準(zhǔn)，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)不可靠。

對(duì)于非接觸式測(cè)頭，不存在測(cè)尖補(bǔ)償問(wèn)題。

四、理論值捕獲

在解決了數(shù)模的導(dǎo)入和對(duì)齊后，理論值的捕獲就比較簡(jiǎn)樸。對(duì)于圓等標(biāo)準(zhǔn)特性，軟件只需要能從CAD數(shù)模上選取辨認(rèn)該特性，即可直接從其特性中提取理論值。對(duì)于自動(dòng)測(cè)量來(lái)說(shuō)，就可以直接根據(jù)數(shù)模特性進(jìn)行編程，指導(dǎo)機(jī)器運(yùn)營(yíng)到特性的理論值位置附近進(jìn)行測(cè)量。

對(duì)于曲面工件上的點(diǎn)，通常分為曲面點(diǎn)和邊沿點(diǎn)，有的軟件分得更細(xì)。對(duì)于曲面上的點(diǎn)，通過(guò)直接測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)沿?cái)?shù)模曲面法向投影到曲面上，即可獲得理論點(diǎn)。但邊沿點(diǎn)就不同了，邊沿是CAD曲面的邊界所在，例如，鈑金件的邊，最簡(jiǎn)樸的如方體的