三坐标测量方法资料课件.ppt

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1、三坐标测量方法,DEPA/DVHL/PPC/QOP 段小斌 Tel：842 99992 E-mail：下载地址/IBM20060472/share/三坐标测量,2,目录,I三坐标设备介绍：1.1常见的三坐标测量设备；1.2如何选择测量设备；1.3测量前的准备；II三坐标测量：2.1常见元素的测量；2.2坐标系的建立方法及风险；2.3特殊元素测量方法及风险；2.4自动测量的实现及优点；2.5测头校准原理与实际意义；2.6拟合原理及常见问题；2.7形成测量需求；2.8如何分析测量报告；,3,1.1常见的三坐标测量设备,按测量方式分类（测头） 分接触式测量和非接触式测量 本文仅讨论接触式测头按测量机

2、的结构分类（机械坐标系统） 可以概括为悬臂式、台式、桥式、龙门式、关节臂式,4,1.1常见的三坐标测量设备,悬臂式、台式、桥式、龙门式均采用直线光栅进行测量，结构上均有3个明显的轴向运动部件。可手动也可自动进行测量。关节臂式（便携式）采用圆形光栅进行测量。结构上类似人类的手臂，具有3个（或更多）“关节”。因其结构小巧，只能手动测量。,5,1.2如何选择测量设备,选用测量设备按照以下顺序挑选：1、精度达到要求： 通常测量设备的测量不确定度应是零件公差指标的三至十分之一。2、测量范围 设备各方向的最大测量长度应大于被测距离，且不能有测量死角。3、测量环境 温度、湿度、粉尘、震动等环境因素应能保证设

3、备达到其标称测量不确定度。4、测量速度和效率 前三个要求均能保证的前提下，采用速度和效率最高的设备。对于需要大量监控的零部件，尽量采用编程自动测量，同时对测量的重复性要进行检查（CMC）。DPCA部分测量调研设备资源：激光跟踪仪：武汉工厂质检分部计量室(总装)99285 武汉工厂焊装分厂MMG99167 手动悬臂测量机：武汉工厂质检分部计量室(焊装)99262 台式测量机：武汉工厂质检分部计量室(焊装)99262,6,什么是三坐标的“精度”？,我们常说的“精度”，在计量学上叫做“测量不确定度”。 通常供应商对我们讲的“三坐标精度”=三坐标的长度测量不确定度： U=a + bL a,b是常数，L

4、表示被测长度。3D设备的精度以该设备的计量校准报告为准，3D设备的计量校准报告由各地计量主管部门出具。假设一台设备 U=0.1+0.02L用这台设备测量真值为1M的距离时，我们得到的结果有99.97%的概率在999.88，1000.12内,7,三坐标的“精度”有什么用？,测量设备的“精度”U 和 公差范围要求IT之间的关系： PSA.FER 146 三维测量设备标准中规定，焊装计量室使用MMT时 C = IT / 2U C：设备检测能力。在一般应用过程中长度计量国标要求是C1.5，即 UIT/3。Norme Q720150 规定C2，即UIT/4 对于焊装MMT的检查支架，C 8，+/-0,1

5、mm位置度公差的截面，就无法使用检测误差大于0,0125mm的检查设备进行检测了 。,8,1.3测量前的准备,进行三坐标测量，首先要准备好以下这些：1、被测零件及可能用到的辅助工具。2、被测零件的数字定义或图纸。3、基准元素列表。4、需测量的要素位置或坐标值。测量需求表达EBM就是一份至少包含了上述4个方面信息的文件，测量人员以此为依据进行测量。对于调研测量，工厂计量室有相应的申请表格，申请表格中需对以上4项进行填写。,9,1.3.1被测零件及可能用到的辅助工具,被测零件根据测头的不同有以下要求：1、接触式测量：被测物体表面不能是橡胶、软塑料等易变形的表面。零件、附件等产生的磁力不能影响测头的

6、触发。2、非接触式测量（光学、电磁波）：被测物体表面不能是玻璃、透明体等对光束会产生折射反射或透射的物体。根据实际测量需要，可能要使用辅助工具，例如3D检查支架。,10,1.3.2被测零件的数字定义或图纸,数字定义：不同的测量软件能够使用的数字定义格式不同。目前比较通用的是IGES格式。神龙公司使用的Metrolog测量软件能够直接使用CATIA V4的数字定义格式（.model），新版本的Metrolog XG能够使用V5的格式(.CATPart)。图纸：提供给3D测量用的图纸最好是坐标化的。若是传统机械图纸的话，则需要明确给出基准点的理论坐标。,11,1.3.3基准元素列表,基准元素：基准

7、是一个使被测要素与之相关的几何组件。简单来说，基准元素就是用于建立测量坐标系的元素。这些元素与被测元素有固定的空间位置关系。在测量开始之前，提出的测量需求里就要明确基准元素及坐标系建立的方式。,12,2.1常见元素的测量,常见元素的测量包括了：球、平面、圆、长圆、方槽、线、圆柱、几何点、曲面点等元素的测量。从回避测量风险的角度考虑，建立参考系的基准元素优先使用球、平面、圆、长圆、方槽、平面上的点等。 元素测量的风险主要有以下几方面：1、测头补偿（投影）方向的偏差右图是测量平面上的几何点。2、测量点位置不好如：测量薄板件边缘时3、料厚补偿不对,13,2.1.1球的测量,球通常作为基准元素、或者附

8、件引出元素，实际零件上使用较少。测量一个球最少需要在球上测量4个点。形状公差至少5点才能计算。球的测量可以完全回避3种主要的测量风险（测头补偿、测点位置、料厚）。,14,2.1.2平面的测量,平面通常作为也被用作基准元素，实际零件上很常见。测量一个平面最少需要在平面上测量3个点。形状公差（平面度）至少4点才能计算。平面的测量可以回避2种主要的测量风险：测头补偿、测点位置。如用平面做基准元素，尽量选择不须料厚补偿的那面。,F.F,15,2.1.3圆的测量,圆也可用作基准元素，实际零件上很常见。测量一个圆最少需要在圆上测量3个点。形状公差（圆跳动度）至少4点才能计算。圆需要投影平面，投影平面可以测

9、量，也可以选择理论平面。圆的测量可以回避1种主要的测量风险：测头补偿。如用圆做基准元素，请测量投影平面，避免料厚补偿，至少测4点。,16,2.1.4长圆、方槽的测量,长圆、方槽也可用作基准元素，实际零件上比较常见。测量一个长圆或方槽最少需要测量5个点。形状公差至少6点才能计算。长圆、方槽需要投影平面，投影平面可以测量，也可以选择理论平面。 长圆、方槽的测量可以回避1种主要的测量风险：测头补偿。 如用做基准元素，请测量投影平面，避免料厚补偿。,17,2.1.5直线的测量,直线也可用作基准元素，实际零件上不多见。测量直线需要测量2个点。形状公差（直线度）至少3点才能计算。直线需要投影平面，投影平面

10、可以测量，也可以选择理论平面。 直线的测量可以回避1种主要的测量风险：测头补偿。 如用做基准元素，请测量投影平面，避免料厚补偿。,18,2.1.6圆柱的测量,圆柱可以当作直线使用，因此也可用作基准元素，实际零件上比较常见。测量圆柱需要测量6个点。形状公差至少7点才能计算。圆柱的测量可以回避3种主要的测量风险。 如用做基准元素，请确保加工精度足够。,测量时第1、2两个点为轴向计算参考点，需与矢量方向尽量平行,矢量方向视图,19,2.1.7几何点、曲面点的测量,几何点（平面上点除外）、曲面点不推荐用作基准元素，实际零件上比较常见。测量几何点需要测量1个点。无形状公差。点的测量无法回避测量风险。 测

11、量几何点需选取补偿投影方向，常用参考平面、理论矢量、参考系轴向等。测量曲面点时，补偿方向是理论矢量，因此没有数模不能测量。几何点测量时，为保证投影方向正确（回避第一种风险），可使用3点拟合或参考实测平面来测量几何点。几何点与曲面点在N.D向的偏差计算有区别：几何点的N.D：理论与实测点在理论矢量方向上的偏差。曲面点的N.D：理论与实测点在空间的3D偏差。,P1,P2,左图中P1为几何点，P2为曲面点，矢量相同 两点测量值在X、Z 方向上的偏差相同,但在N.D方向上的偏差不同。,Z,X,Y,N.D,N.D,20,2.2坐标系的建立方法及风险,在实际工作中为了分析零件，通常需要将零件放置在“理论坐

12、标系”下。三坐标测量中通过建立“测量坐标系”来实现这一目的。 为了将零件约束在理论坐标系上，最简单的办法就是在零件上找6个坐标值，使其“实际值=理论值”（基准元素法）。1、6个值建立坐标系的几何过程。 首先空间中要确定一个“主轴及其0点”，这需要3个坐标值，如Z1、Z2、Z3。 其次通过3个坐标值，Y1、Y2、X1，可以在“主轴平面”建立剩余的2个轴并找到原点。 这样建立的坐标系的特点：用于建坐标的坐标值在报告上理论值与实际值相同，偏差为0。,Z1,Z2,Z3,Z,Y1,Y2,X1,Z轴,Y轴,21,2.2坐标系的建立方法及风险,2、风险一：选择的主轴平面与测量需求不符。 由坐标系建立的过程我

13、们可以得知，建立的“测量坐标系”与“主轴”选取有直接的关系。看下一个图例：因此，在选择“主轴平面”时，需要根据测量的需求来选择,22,2.2坐标系的建立方法及风险,2、风险二：选择的主轴平面钝角过大、面积过小。主轴平面太小或钝角太大造成的直接后果就是：测量过程的重复性差。测量结果偏差很大。,23,2.2.1几何法,优点：可用来手动平移、旋转坐标系例如使用下面的元素： 测量平面Plan1直线line2 测量并投影在Plan1上直线line3 测量并投影在Plan1上点poin4 是line2 与 line3相交的构造点坐标系：主轴 ：Z，选取Plan1第二轴 ：X，选择直线Line2原点 ：选择

14、点poin4 坐标系不旋转坐标系不平移,24,2.2.2特征值法,优点：所用元素均是选取的已测元素，坐标系直观。报告特点：基准要素偏差为0例如使用下面的元素： 点Pt1、pt2、pt3 在平面上圆Cerc1、Cerc2 在平面上坐标系：主轴 ：Z，选取pt1、pt2、pt3的Z向第二轴 ：X，选择Cerc1、Cerc2 的X向,25,2.2.3 3点法,优点：3轴不分主次，测量值与3个基准点之间的距离偏差结果最小报告特点：3个基准元素同向偏差之和为0例如使用下面的元素： 球 sphere1、 sphere1 、 sphere1坐标系：3轴不分主次,26,2.2.4 1面2点法,优点：坐标系直观

15、。报告特点：3个基准元素中某1个元素偏差为0例如使用下面的元素： 点p1、 p2平面PL坐标系：可按需要选取主轴。,顺序：PL-p1-p2,顺序：p1-PL-p2,顺序：p1-p2-PL,27,2.2.5 3-2-1法,优点：坐标系直观。缺点：不能选取已有元素，需测量创建报告特点：基准元素无法显示，复测的基准元素值有微小偏差例如使用下面的元素： 点1, 2, 3 设定了Z方向，这些点的坐标位置是 Z=100点4, 5 设定了Y 方向坐标是Y=0点 6 设定了X方向是 X=25.坐标系：主轴为X第二轴为Y,28,2.3 特殊元素测量方法及风险（自动测量）,实际测量中，某些特殊的元素直接测量风险较

16、大（测头补偿和测量点位置） ，测量时常常采用多次局部坐标系的方法来回避风险 。局部坐标系通常是利用被测元素附近与数模符合性较好的局部零件上的元素建立坐标系，使得被测元素的测头补偿不准和测量点位置不好的风险降到最低。 下例中，想考察冲压件翻边高度h在Y=0截面是否合格。,Z,X,Y,数模，Y=0截面,实际零件,翻边高度h,Z1,Z2,翻边高度h,h的偏差反应点的N.D向,29,2.3.2 下沉的冲孔,右边这种下沉的冲孔在测量投影平面（黄色）时存在风险（尤其是自动测量时） 为准确定位，利用附近在平面上的约束进行局部坐标系创建,30,2.3.2 错层圆孔,当零件发生错层时，为考察孔的通过性，需要测量

17、最小通过孔此时，测头应测量在两层板的交错处，测量时使用constraints的INSCRIT 准则,31,2.3.3 斜面圆形冲孔,右图表示一个斜面上的圆形冲头冲孔。为测量冲孔位置，通常希望得到的是圆形或圆柱的结果。此时，我们需要按以下步骤建立局部坐标系来测量。1- 定义Plan面、椭圆Ellipse 1 和 2。 两个椭圆圆心连线构造直线Drte1。2- 测量平面Plan1，Drte与Plan平面相交于poin1点。3- 构造局部坐标系（几何法）： 主轴为Drte1 第二轴利用原有坐标系对应方向 原点为poin1.4- 测量圆，投影平面选择局部坐标系的主轴平面,32,2.3.4 薄板边缘,薄

18、板边缘测量时存在测头补偿和测量点位置不好的风险。这可以通过局部坐标系来回避。 测量结果的解读如下图，测量结果轴向上的偏差并不能反映实际状态。,理论,实际,实测偏差,真实偏差,33,2.3.5 包边边缘,包边边缘测量时同样存在测头补偿和测量点位置不好的风险。也需要通过局部坐标系来回避。 测量结果的解读如下图，测量结果轴向上的偏差并不能反映实际状态。,实际的间隙,Y,Z,N.D.,34,2.4自动测量的实现及优点,自动测量具有测量速度快，劳动强度低，人为因素干扰小，重复性好等优点，适合大批量复杂零件的测量。 实现自动测量要具备以下几个条件：1、测量设备可以自动测量。2、编好了测量程序。3、零件装夹

19、位置固定。4、测头校准球位置固定。其中1、2两点便于理解，3、4两点作用是让零件在机器坐标系（MCS）下位置固定。下面详细解释3、4两点。,35,2.4.1装夹位置的固定,为了让零件在机器坐标系下具有固定的位置，必须让零件的装夹位置固定。我们通过测量支架来实现这一功能。零件在支架上的装配位置固定，支架在三坐标设备平台上的装配位置固定。从而使零件相对与测量设备是固定的。,零件,支架,支架上的基准球,三坐标测量台,车身坐标系建立过程：1、在MCS下测量3个支架基准球。2、用3点法建立支架坐标系。3、在支架坐标系下测量车身基准元素。4、利用车身基准元素建立车身坐标系。通常是特征值法。,36,2.4.

20、2 测头校准球位置固定,为了让测量设备在机器坐标系（MCS）下能够自动的准确找到固定好的零件，我们需要将MCS也固定下来。这可以通过固定校准球的位置来实现。,校准球是被固定在三坐标测量台的固定位置上的,在上个车身坐标系建立过程中，第一步是“在MCS下测量3个支架基准球”。 这3个基准球在MCS下的坐标值是写在程序中的，为了让测量机每次测量都能准确找到基准球，MCS就不能变。而MCS的原点是通过测头校准来确定的（MCS的轴向由测量机确定，是固定不变的）,MCS,Z,X,Y,支架坐标系,37,2.5测头校准原理与实际意义,在测量之前，通常会进行简单的测头校准工作。这个工作主要的作用有三点：1、通过

21、抽查几个角度，来判断测头是否需要全部重新校准。2、通过校准测头将各种测头角度姿态下的MCS统一起来。3、将MCS的原点设定在校准实用的小球上。 不进行测头校准，直接利用光栅的读数的时候，就像左下示意图所示，不同角度测量同一点得到的结果不同。 RENISHAW 的旋转测头（PH10、MH8等）的旋转角度范围是：A轴：0105分度15B轴：-180180分度15,X,X1,X2,X,38,2.5测头校准原理与实际意义,对于不同的角度姿态，X、Y、Z轴向是相同的（三坐标设定）。因此不同的姿态的测头在XYZ三个光栅方向上运动时的轨迹是相同的。 不同姿态的机器坐标系之间的关系是平移的关系。因此我们可以通

22、过让所有的姿态测量统一位置的小球，把所有姿态的机器坐标系原点都定义在小球上，就可以统一所有的机器坐标系。在此基础上，就可以在测量过程中随意旋转测头了。这一过程称为“测头校准”,39,2.6拟合原理及常见问题,拟合坐标系步骤举例：下面这个零件在PCS下测量得到圆A和长圆B的结果显示为红色通过拟合得到新的坐标系。新坐标系有以下特点：主轴为Y轴，为A、B所在平面A的X、Z向为基准A-B连线为基准1、选择四个Y向基准区域，每个区域测量3点，选择XZ向基准(圆A)及一个Z向基准(长圆B)并测量。,A,B,Y,X,Z,40,2.6拟合原理及常见问题,2、第一次拟合所有点均参加，拟合参数选择时将所有方向的平

23、移及旋转都勾选。3、以实测圆A为圆心，A-B中心理论距离为半径作圆弧与实测长圆B（红色）的长轴交于点B（B理论值与B一致）。4、第二次拟合选择除B以外所有的点和B点，拟合参数选择X、Z平移，Y旋转。要点：保证拟合时AB间距离与理论相同，消除因此产生的坐标平移（如不消除，则相当于点B的2个方向坐标参与了计算，出现过定位）。圆弧与B长轴相交，可以理解为长圆B沿着长轴方向运动。,41,2.6拟合原理及常见问题,拟合坐标系，实际上是通过一批新的基准元素（可能含有原坐标系的基准元素）按最小二重法来重新选择一个主轴方向，使得这批基准元素在新的坐标系下的主轴方向上偏差得到优化。拟合带来的风险是：可能使坐标系

24、与实际零件使用状态有出入，一些不应成为基准的要素成为了基准，从而使测量数据失真。前例中，若只进行第一次拟合。将出现以下结果：,A,B,Y,X,Z,42,2.6拟合原理及常见问题,因此，拟合时建议大家遵守以下几点：1、拟合坐标系实际上也是一个建立新坐标系的过程，要确认参与拟合的元素都是基准元素。2、参与拟合的基准元素如果缺少某个方向，缺少的方向的平移和旋转都需要加以限制。如：拟合的点全是X向点，那么在拟合时，只允许X向的平移和YZ向的旋转。建议在拟合时，如缺少某一方向的基准元素时，将原坐标系下该方向的基准元素纳入到拟合的范围内。3、曲面点（surface）的理论值是变化的（实际值投影到数模上产生

25、），因此要避免三向要素全部使用曲面点进行拟合，最多允许一个方向上的要素全部是曲面点。,43,2.7形成测量需求,测量需求表达中应至少包含：1、基本的零件信息。如零件名称。2、基准元素列表。3、使用的图纸或数模。4、需测量的元素位置，并编号。以下以R33行李箱盖的一次调研测量为例来说明。此次调研目的：确认行李箱总成焊接时，在X2900截面上的行李箱总成与侧围的间隙面差处是否符合零件定义的要求。,44,2.7形成测量需求,从调研的目的，我们可以准备以下资料：1、被测零件为行李箱盖，需要3D支架2、被测零件的数字定义列表。3、基准元素列表。4、需测量的要素位置或坐标值。为此，我们整理了一份EBM,45,2.8测量报告的分析,拿到一份测量报告，应按以下顺序解读：1、获取测量信息，确保测量条件符合要求。2、检查基准元素是否符合要求。3、边缘点等特殊元素测量是否正确。4、曲面点的投影面是否正确。,46,2.8测量报告的分析,分析行李箱盖的测量：1、获取测量设备信息，确保测量条件符合要求：我们使用的是焊装自动3D设备，符合要求2、检查基准元素是否符合要求。查看报告，基准符合元素列表要求我们还可在测量软件中检查：坐标系3、分析测量结果。还可在测量软件中检查边缘点是否符合要求。,