三坐标测量技术与实用编程

深圳职业技术学院毕业论文用纸第1页共34页目录论文标题……………………………………………………………3引言…………………………………………………………………4一、三坐标测量机概述………………………………………………5（一）测量机的组成和基本原理…………………………………5（二）坐标系统……………………………………………………5二、三坐标测量机硬件………………………………………………6（一）机械结构……………………………………………………6（二）控制系统……………………………………………………7（三）探测系统……………………………………………………10三、三坐标测量机软件……………………………………………12（一）CAD数模测量软件包………………………………………12（二）直接CAD接口的测量软件…………………………………13四、测量技术应用…………………………………………………14（一）箱体类零件的测量…………………………………………14（二）自由曲面类零件的测量……………………………………16（三）反求测量……………………………………………………16五、实用测量编程…………………………………………………17（一）联机编程、脱机编程………………………………………17深圳职业技术学院毕业论文用纸第2页共34页（二）自动编程……………………………………………………17（三）高级编程……………………………………………………17六、三坐标测量机的维护和保养…………………………………32七、结论……………………………………………………………33致谢……………………………………………………………33参考文献………………………………………………………34深圳职业技术学院毕业论文用纸第3页共34页三坐标测量技术与实用编程摘要随着制造业的迅猛发展和全球经济一体化的猛烈冲击，中国的企业正在经历着一场史无前例的脱胎换骨的变革，即由原有的低技术含量的劳动密集型的粗旷加工，转变为拥有先进制造技术、工艺与检测流程的技术密集型的精益生产，由非数字制造、非精密制造，转变为数字制造、精密制造，从依靠批量生产和廉价劳动力取胜的世界工厂，转变为追求高品质，具有真正核心竞争力的现代生产制造企业。计量与测量技术的发展、变革、参与和推动，将成为制造业变革中至关重要的因素。三坐标测量机对于大多数制造业，特别是汽车、模具、机床、加工制造、航空航天等领域都具有十分重要的意义，它使企业在质量控制和管理中不断提升自己的产品质量和工作效率，从而更加能满足顾客的需求和服务。关键词：三坐标测量机、坐标系统、探测系统、PCDMIS测量软件、CAD数模、自由曲面测量、逆向工程、流程控制语言。深圳职业技术学院毕业论文用纸第4页共34页引言三坐标测量机已经成为当前工业产品尺寸检测的主要设备。由于现代工业生产的批量性、产品规格、系列的多样性以及产品越来越复杂，因此，制定合理的零件检测程序，开发出高水平的三坐标检测程序，并加以有效管理对提高产品检测技术和质量保证水平都是十分重要的工作。本文首先论述了桥式三坐标测量机的结构特点和工作原理，介绍了三坐标测量机硬件系统、软件系统和探测系统，通过本论文的阐述能够运用三坐标测量机及其先进测量软件（本文指PC-DMIS软件）进行自动编程、脱机编程等。可适合三坐标测量机的使用者、设计人员、质量控制人员、管理人员等参考。本论文测量技术应用部分是写运用三坐标测量软件的基本功能测量零件的几何元素特征，如点、线、面、弧、槽、圆、圆柱、球体、锥体、形位公差及空间几何元素的位置关系，通过编程能够满足各种零件测量。本论文实用测量编程部分是写利用软件的流程控制语言及VB语言进行高级测量编程，实现程序的简单化，给测量工作带来更佳的效果，从而能够大大提高测量工作效率和测量的准确性。深圳职业技术学院毕业论文用纸第5页共34页一、三坐标测量机概述三坐标测量机，它的英文全称为：CoordinateMeasuringMachine，是在三维空间上通过采集点的三维坐标来评定物体几何形状，是集光、电、气、机械与计算机技术融为一体高精度、高效率的一种自动化先进坐标测量机器，也是制造业中必不可少的一种检测设备。本文主要介绍的是移动桥式三坐标测量机，如图（1）：（一）三坐标测量机的组成和基本原理坐标测量机一般由主机（包括光栅尺）、控制系统、软件系统及测头组成，如图（2）所示：图（1）移动桥式坐标测量机图（2）三坐标测量机组成部分坐标测量机的基本原理是将被测零件放入它允许的测量空间，精确地测出被测零件表面的点在空间三个坐标位置的数值，将这些点的坐标数值经过计算机数据处理，拟合形成测量元素，如圆、球、圆柱、圆锥、曲面等，经过数学计算的方法得出其形状、位置公差及其他几何量数据。（二）坐标系统1.机器坐标系：开机时机器回原点的位置，以X、Y、Z三个导轨方向为坐标轴所构成的直角坐标系，称为机器坐标系，它是固定在坐标测量机上的坐标系。图（3）所示：深圳职业技术学院毕业论文用纸第6页共34页2.零件坐标系：通过被测工件的设计或工序基准建立起来的坐标系称为零件坐标系，它是固定在零件上的。图（3）所示：图（3）机器坐标系、零件坐标系二、三坐标测量机硬件（一）机械结构根据ISO10360国际标准《坐标测量机的验收检测和复检检测》第一部分的规定，根据机械结构，对主要的测量机结构类型作以下分类：移动桥式坐标测量机、固定桥式坐标测量机、龙门式坐标测量机、水平悬臂坐标测量机等。每种测量机都具有各自的特点并运用于各行个业，各种测量机类型如图（4a、b、c、d）所示：(a)移动桥式坐标测量机(b)固定桥式坐标测量机零件坐标系机器坐标系深圳职业技术学院毕业论文用纸第7页共34页(c)龙门式坐标测量机(d)水平悬臂坐标测量机此外还有导轨及轴承、机械传动、平衡机构、光栅等结构。这里只作简单叙述：1．导轨及轴承：测量机的导轨是保证机器平稳、高精度运动的关键，目前主要采用气浮导轨及直线滚珠导轨两种形式。2．机械传动：有两大部分，一是减速器部分，二是主传动部分；主传动部分可分摩擦传动及齿合传动。摩擦传动有：转动钢带传动、固定钢带传动、直接摩擦传动、固定杆传动、斜轮（转动杆）传动；齿合传动有：齿轮齿条传动、柔性齿条传动、滚珠丝杠传动、同步带传动。3．平衡机构：垂直测量机的Z轴或水平臂测量机的水平臂及头架组件，由于重力作用会下掉，必须有机构加以平衡，使它处于随意平衡状态。目前常用的平衡机构有三种，一种是重锤平衡，另一种是气动平衡，还有一种是依靠电机用高速减速比的减速器来平衡。4．光栅：光栅一般由尺身及读数头两部分组成，尺身上有着均匀排列（按直线或圆周）的刻线作为长度基准，读数头上有读数光栅以及光学器件如发射光的器件、按一定规律排列的接收器件及透镜等光学器件，主要参数有栅距ω、精度、热膨胀系数及不确定度、光栅所适应的速度和加速度。目前在三坐标测量机上应用最为广泛。（二）控制系统从控制系统的角度来划分，三坐标测量机可分为手动型、机动型、CNC数控型三种模式。深圳职业技术学院毕业论文用纸第8页共34页1．手动控制系统：主要包括坐标测量系统、测头系统、状态监测系统等，其结构简单、成本低，适合对精度和效率要求不高，而要求低价格的用户。2．机动控制系统：与手动型控制系统比较，机动型控制系统增加了电机、驱动器和操纵盒。测头的移动是用操纵盒通过电机来驱动，电机运转的速度和方向都通过操纵盒上手操杆偏摆的角度和方向来控制。3．CNC控制系统：CNC数控系统主要由控制器、驱动器、细分器、光栅、测头、电机、操纵盒几部分组成。测量的过程是由计算机控制，可以实现自动测量、自学习测量、扫描测量，也可通过操纵盒进行机动测量。图（5）CNC控制系统框图（1）控制器由控制卡与控制软件组成，是整个数控系统的核心。现代的先进控制卡大多采用DSP（DigitalSignalProcessor,即数字信号处理器）代替以前的CPU，DSP所具有的高速运算功能，使得控制周期缩短，大大提高了系统的轨迹控制能力，测量机动作更快，测量效率更高；控制软件是控制系统的一个个重要组成部分，软件结构与控制卡的硬件结构及功能密切相关。（2）驱动器其性能直接影响机器的运行特性。现代三坐标测量机上一深圳职业技术学院毕业论文用纸第9页共34页般采用脉宽调制系统，是按一个固定的频率来接通和断开直流电源，根据输入信号的大小改变一个周期内的“接通”和“断开”时间的长短，通过改变电机电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电机的转速。它具有调速比高、响应速度快、起动性能好特点，还具有过压、过流、过速、过热等多种保护手段。（3）光栅尺坐标测量机的长度基准有多种：光栅、感应同步器以及激光干涉仪等，目前光栅尺主要有金属的和玻璃的两种，它在1mm的间距内刻有高达10~100条的刻线，每条刻线间的距离（即栅距）为10~100μm。（4）细分器根据其工作原理的不同，可分为硬细分和软细分两种。硬细分主要是将移相电阻链与数字逻辑电路相结合，得到细分脉冲信号。硬细分电路的原理是：先将光栅输出信号放大，经电阻链移相，输出一系列五细分或十细分的正弦信号；再通过幅值比较器输出相位各异的系列方波；经数字逻辑电路组合提高细分数，产生含有方向信息的计数脉冲，由于最终的A+、A-、B+、B-四路脉冲信号的上升沿都对计数器产生触发，所以又进行了一次计数四细分。一般细分倍数是5的倍数，常见的有20倍、40倍、100倍等几种。软细分是以A/D转换器与CPU为核心，它的工作原理是：将光栅读数头输出的四路模拟信号+sin、-sin、+cos、-cos经差动放大器后成为两路正交正弦信号，这两路信号经采样保持器和模拟开关进入A/D转换器。当采用控制信号到来时，两路模拟心海由采样保持器同时采样。CPU控制模拟开关与A/D转换器分别对两路信号转换，得到两路信号的幅值，此幅值经软件运算得到正切值，再结合所处的象限，得到光栅信号相位角。再加上累计的整周期数，就可算出空间坐标值。它的细分倍数一般都是8的倍数。（5）电机绝大多数的测量机采用的是直流电机、测速机伺服机组，也有少数采用直线电机、步进电机等。由于三坐标测量机精度高，在测量时又经常高速地正反向切换，若每分钟采集100个点，则电机就必须每分钟正反向切换共200次，且要求运行平稳。因此，测量机所选用的电机性能要求起动扭矩大、起动电压低、时间响应快。深圳职业技术学院毕业论文用纸第10页共34页（6）操纵盒由手操杆和功能键组成，操纵杆偏移的方向既是机器运动的方向，偏移的角度控制着机器的运行速度；功能键一般由急停键、速度键、快/慢速转换键、单轴锁定键、电机加电键、虚点记录键、元素确认键、删除键等组成。不同的操纵盒功能键不完全相同。（三）探测系统探测系统是由测头及其附件组成的系统。测头是测量机探测时发送信号的装置，它可以输出开关信号，也可以输出与探针偏转角度成正比的比例信号，它是坐标测量机的关键部件。测头精度的高低很大程度决定了测量机的测量重复性及精度，不同零件需要选择不同功能的测头进行测量。探测系统的主要组成部分及其特性：1．测头（1）触发测头与扫描测头触发测头又称开关测头，主要任务是探测零件并发出锁存信号，实时的锁存被测表面坐标点的三维坐标值。扫描测头又称比例测头或模拟测头。此类测头不仅能作触发测头使用更重要的是能输出与探针的偏转成正比的信号，由计算机同时读入探针偏转及测量机的三维坐标信号，以保证实时的得到被探测点的三维坐标。（2）接触式测头和非接触式测头接触式测头需与待测表面发生实体接触，其基本结构和原理如图（6）：非接触式测头：此类测头不需与待测表面发生实体接触，例如光学探测系统，本文不作详细描述。2．分度测座这里主要介绍自动可分度测座：两个自由度的测座可在空间内以良好的重复性自动定位测头，能够自动更换测量传感器，旋转后不需要重新校准测头，因此针对工件的表面可以选择最合适的角度测量，多应用于多表面的箱体零件的检测。深圳职业技术学院毕业论文用纸第11页共34页图（6）触发测头基本结构3．附件（1）更换架