三坐標(biāo)測量技術(shù)小結(jié)

三坐標(biāo)三坐標(biāo)測量機，它是指在一個六面體的空間范圍內(nèi)，可以表現(xiàn)幾何形狀、長度及圓周分度等測量能力的儀器，又稱為三坐標(biāo)測量儀或三坐標(biāo)量床。三坐標(biāo)測量機的工作原理:任何形狀都是由空間點組成的,所有的幾何量測量都可以歸結(jié)為空間點的測量,因此精確進(jìn)行空間點坐標(biāo)的采集,是評估任何幾何形狀的基礎(chǔ)。坐標(biāo)測量機的基本原理是將被測零件放入它允許的測量空間，精確的測出被測零件表面的點在空間三個坐標(biāo)位置的數(shù)值，將這些點的坐標(biāo)數(shù)值通過計算機數(shù)據(jù)解決，擬合形成測量元素，如圓、球、圓柱、圓錐、曲面等，通過數(shù)學(xué)計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，并且為幾何量測量的計算機解決，進(jìn)而用于控制打下基礎(chǔ)。三坐標(biāo)測量儀可定義為“一種具有可作三個方向移動的探測器，可在三個互相垂直的導(dǎo)軌上移動，此探測器以接觸或非接觸等方式傳送訊號，三個軸的位移測量系統(tǒng)(如光學(xué)尺)經(jīng)數(shù)據(jù)解決器或計算機等計算出工件的各點坐標(biāo)(X、Y、Z)及各項功能測量的儀器”。三坐標(biāo)測量儀的測量功能應(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：測量高精度的幾何零件和曲面；測量復(fù)雜形狀的機械零部件；檢測自由曲面；可選用接觸式或非接觸式測頭進(jìn)行連續(xù)掃描。功能：幾何元素的測量，涉及點、線、面、圓、球、圓柱、圓錐等等；曲線、曲面掃描，支持點位掃描功能，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、對稱度、同心度等等；支持傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出報告、圖形化檢測報告、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：核心零部件及軟件所有原裝進(jìn)口單邊活動橋式結(jié)構(gòu)，顯著提高運動性能，保證測量精度及穩(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，運動更平穩(wěn)，導(dǎo)軌永不受磨損RENISHAW自粘開放式金屬光柵尺，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高速高精度自動控制系統(tǒng)，內(nèi)嵌32位微解決器，真正實現(xiàn)實時控制；上下位采用光纖通訊，增強了電氣抗干擾能力SEREINDMIS軟件特點軟件運營在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)實體或線架模型、DMIS、STEP文獻(xiàn)導(dǎo)入導(dǎo)出、測量結(jié)果的IGES文獻(xiàn)輸出，支持逆向工程。動態(tài)CMM模型，支持測量機和測頭的模擬和RENISHAW測頭圖形庫。測頭管理功能，可動態(tài)選擇多種測針。幾何元素的測量，涉及點、線、面、圓、球、圓柱、圓錐等等；曲線、曲面掃描，支持點位掃描功能，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、對稱度、同心度等等；支持傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出報告、圖形化檢測報告、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。誤差補償功能，進(jìn)一步提高機器測量精度?；A(chǔ)技術(shù)參數(shù)：型號：LeaderMiracleNC8107行程：X軸800mmY軸1000mmZ軸700mm結(jié)構(gòu)型式：活動橋式傳動方式：直流伺服系統(tǒng)+預(yù)載荷高精度空氣軸承長度測量系統(tǒng)：RENISHAW開放式光柵尺，分辨率為0.2μm機臺：高精度（00級）花崗巖平臺使用環(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整機尺寸(LWH)：1.2mX1.4mX2.3m機臺承重：1000kg，整機重量：3000Kg空間測量精度：（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、測量軟件等等。。全球重要三坐標(biāo)廠商：LK、蔡司、溫澤、?？怂箍怠⑽靼步淮缶?、愛德華、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

?形位公差是被測實際要素允許形狀和位置變動的范圍。

?二、形位公差的特性項目及符號

?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

對稱度（

）位置度（

）

?

跳動公差

圓跳動（

）全跳動（

）

形狀和位置公差與檢測

?零件幾何要素和形位公差的特性項目

?一、零件幾何要素及其分類

?形位公差的研究對象—幾何要素（簡稱要素）

?

（一）要素：構(gòu)成零件幾何特性的點、線、面。見書圖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、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。

?實際要素：零件上實際存在的要素。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：測量時用測得要素代替實際要素

?2、按結(jié)構(gòu)特性分

?輪廓要素：構(gòu)成零件外廓、直接為人們所感覺到的點、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：具有對稱關(guān)系的輪廓要素的對稱中心點、線、面。如圖3-1中7、8均為中心要素。

?3、按檢測時的地位分

?被測要素：圖樣上給出了形位公差規(guī)定的要素。是被檢測的對象。

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

?基準(zhǔn)要素：零件上用來擬定被測要素的方向或

位置的要素，基準(zhǔn)要素在圖樣上都標(biāo)有基準(zhǔn)符號或基準(zhǔn)代號，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：僅對被測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的臺肩面相對于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的圓柱臺肩面就是被測關(guān)聯(lián)要素。

三坐標(biāo)如何用來進(jìn)行曲面檢測？CMM曲面檢測

1傳統(tǒng)測量方法

在沒有采用CAD數(shù)模的情況下用\o"三坐標(biāo)測量機"三坐標(biāo)測量機對曲面件檢測，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的坐標(biāo)，以此作為理論值，控制測量機到相應(yīng)的位置，進(jìn)行檢測，并比較坐標(biāo)值的偏離。這種方法需要設(shè)計人員額外提供理論數(shù)據(jù)，同時測頭測尖球徑的補償不容易準(zhǔn)的確現(xiàn)，對于單點測量來說，由于無法擬定矢量方向，測頭的補償主線無法實現(xiàn)。因此，這種辦法具有一定的局限性。

2基于3D數(shù)模的測量

運用曲面數(shù)模對曲面進(jìn)行檢測是CMM測量技術(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。在測量軟件內(nèi)，則是通過導(dǎo)入設(shè)計數(shù)模而運用的問題。為了實現(xiàn)這一目的，就必須解決好四個方面的技術(shù)問題：數(shù)模導(dǎo)入接口、對齊、測尖補償、理論值捕獲。

一、數(shù)模導(dǎo)入接口

運用數(shù)模進(jìn)行檢測，一方面要做的工作，當(dāng)然是保證數(shù)模對的導(dǎo)入到測量軟件。事實上，由于技術(shù)、利益等眾所周知的因素，全世界各大CAD制造商各自開發(fā)著不同的軟件和格式，例如國內(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，國際上建立了一系列的數(shù)據(jù)互換標(biāo)準(zhǔn)，如國際標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)互換STEP(StandardfortheExchangeofProductModelData)，美國的初始圖形互換標(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)換時間長、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)，我國也將IGES作為推薦標(biāo)準(zhǔn)。

目前具有數(shù)模檢測功能的測量機軟件，均支持IGES格式。差異基本上重要體現(xiàn)在復(fù)雜數(shù)模輸入后個別曲面的丟失、破損，尚有就是導(dǎo)入速度的快慢。對于一個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測量軟件，均基本較好的解決了這一問題。圖1為中測量儀自主研發(fā)的ZCRMDT測量軟件，導(dǎo)入數(shù)模到檢測軟件的情況，數(shù)模大小46M多。

針對目前主流CAD軟件，一些測量機軟件商也開發(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)換帶來的影響。但是，這種接口一般都需要此外購買。

二、對齊

對齊（Align）是三坐標(biāo)測量機軟件的一項重要內(nèi)容，無論有無數(shù)模，都必須通過對齊，將機器坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系保持一致，測量值才具有可比性。

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

對于不規(guī)則形體，計算就要復(fù)雜得多。假如工件上有明確的特性點，如3個孔心，則通常測量出實際值，與理論值相應(yīng)，進(jìn)行3點找正。

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

尚有種情況是直接測量多個點，軟件將該點群與理論數(shù)模進(jìn)行最佳匹配計算，將點群與數(shù)模一步步對齊，直到點群與數(shù)模的偏差均方根最小。該方法點數(shù)越多越準(zhǔn)，但同時計算越復(fù)雜，對計算機規(guī)定較高，通常在掃描點云的對齊中，用得比較多。

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

三、測尖補償

目前，三坐標(biāo)測量機用得最多的是機械觸發(fā)式測頭，配以紅寶石測針，必然會帶來測尖補償?shù)膯栴}。

對于平面、圓等標(biāo)準(zhǔn)特性，可以通過整體偏置的方式自動補償測頭，對于連續(xù)掃描的曲線，也可以用同樣的方式自動解決。但對于曲面測量時經(jīng)常碰到的單點測量，如何解決測尖補償問題呢？

要單獨對一點進(jìn)行補償，則必須知道補償?shù)姆较蚴噶浚布词墙佑|點處的法向矢量方向。為了找到該法線方向，比較準(zhǔn)確的做法是，在測點的周邊測量個微平面，以該微平面的法向視為測點處曲面的法向，從而完畢測尖補償。

對于工件測點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，為了減少采點數(shù)，也可以不測量微平面，軟件直接以測點刺穿數(shù)模的方向矢量進(jìn)行測尖補償，即以數(shù)模上該處的法向矢量代替工件上實測處的法向矢量做為測尖補償?shù)姆较?。但是假如工件與數(shù)模自身該處曲率偏差大，則測尖補償將不準(zhǔn)，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)不可靠。

對于非接觸式測頭，不存在測尖補償問題。

四、理論值捕獲

在解決了數(shù)模的導(dǎo)入和對齊后，理論值的捕獲就比較簡樸。對于圓等標(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。對于自動測量來說，就可以直接根據(jù)數(shù)模特性進(jìn)行編程，指導(dǎo)機器運營到特性的理論值位置附近進(jìn)行測量。

對于曲面工件上的點，通常分為曲面點和邊沿點，有的軟件分得更細(xì)。對于曲面上的點，通過直接測量，測量點沿數(shù)模曲面法向投影到曲面上，即可獲得理論點。但邊沿點就不同了，邊沿是CAD曲面的邊界所在，例如，鈑金件的邊，最簡樸的如方體的