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1、2023/3/24,1,三坐标测量技术与仿真测量1Coordinate Measurement Technology and Training with Simulation,上海第二工业大学Shanghai Second Polytechnic University授课教师：蔡池兰,2023/3/24,2/206,课程内容,本章内容介绍,三坐标测量概论,三坐标测量基础知识,三坐标测量(仿真)实践,三坐标测量案例分析,2023/3/24,3/206,一 课程介绍,教学目标了解三坐标测量技术发展趋势了解三坐标硬件和软件的基础知识掌握三坐标测量机原理与操作方法通用三坐标测量软件介绍三坐标测量的基本
2、过程/方法/步骤和报告输出案例测量技巧与实践,2023/3/24,4/206,一 课程介绍,理论教学内容和基本要求 第一部分 三坐标测量技术概述现代测量技术的发展趋势三坐标测量技术的发展和趋势 基本要求：了解现代测量技术的发展趋势，了解三坐标测量技术高精度、高自动化、支持CAD、测量程序等技术发展趋势。第二部分 三坐标测量基础知识三坐标测量机测量原理三坐标测量机的基本组成主机的构成电气系统的构成测量软件的组成 基本要求：掌握三坐标测量机的基本组成，主机、电气系统、测量软件、测头系统的特点、功能。,2023/3/24,5/206,一 课程介绍,理论教学内容和基本要求 第三部分 三坐标测量基础知识
3、1 测头的介绍和测头的校正；2 矢量和余弦误差；3 坐标系基础知识；4 工作平面（投影平面）的概念和作用；5 基本几何元素；6 元素构造；基本要求：掌握测头的功能、作用和校正的意义，掌握矢量和余弦误差的概念、坐标系、工作平面的作用和概念，了解基本几何元素以及元素的构造。,2023/3/24,6/206,一 课程介绍,理论教学内容和基本要求第四部分 DirectTraining软件的应用技术 1 仿真三坐标测量机（DirectVCMM）界面与功能2 通用三坐标测量软件（DirectDMIS）界面与功能3 测头配置与校准管理4 建立坐标系PCS5 基本元素的测量6 元素的构造7 形位公差的评价8
4、测量报告的输出9 DMIS编程的应用 本章基本要求：掌握DirectTraining测量软件的应用技术，包括仿真测量机操作、机器模型管理、测头配置校准、建立坐标系、元素测量与构造、公差评价、报告输出等。,2023/3/24,7/206,一 课程介绍,理论教学内容和基本要求第五章 案例讲解与实践1 箱体类工件的测量2 曲线、曲面的典型零件测量3 批量零件的检测 本章基本要求：掌握案例工件的测量技巧和方法，包括曲线曲面的测量方法和技巧。,被测量零件,CAD模型,测量机,计算机软件,2023/3/24,8/206,一 课程介绍,实验内容和基本要求实验1：三坐标认知 实验目的：通过该实验，使学生掌握三
5、坐标测量机的基本构成以及正确使用三坐标测量机的方法和步骤；实验内容：实际观察三坐标测量机各部件；测头的正确装夹、工件的固定；三坐标测量机开/关机的正确方法和步骤；基本要求：掌握三坐标测量机的各部件构成，能独立正确操作三坐标测量机。,2023/3/24,9/206,一 课程介绍,实验内容和基本要求实验2：DirectTraining实训软件的应用实验目的：通过该实验，使学生掌握DirectTraining实训软件的特点，软件界面以及基本操作。实验内容：正确运行软件的步骤；软件的界面介绍，各菜单、状态条、工具的功能；仿真CMM操作，CAD模型操作，测量元素等操作。基本要求：学生认真观看老师的操作演
6、示，掌握DirectTraining软件功能和特点，了解正确使用测量实训软件的方法和步骤。,2023/3/24,10/206,一 课程介绍,实验内容和基本要求实验3：手动测量与建立零件坐标系实验目的：通过该实验，使学生掌握手动测量的方法，以及利用测量的基本元素正确建立坐标系。实验内容：仿真测量机的操作；基本元素的手动测量；3-2-1法建立坐标系；坐标系对齐后查看几何元素；基本要求：学生认真观看老师的操作师范，学会正确使用仿真三坐标测量机进行手动测量，并利用测量元素建立坐标系，以及对齐情况下测量元素的查看操作。,一 课程介绍,实验内容和基本要求实验4：有图纸的自动测量技术实验目的：通过该实验，使
7、学生掌握（有工件和）图纸的情况下，通过图纸尺寸和实际测量元素正确建立工件坐标系，然后进行自动测量。实验内容：分析图纸，找出设计基准，加工基准；正确装夹工件手动测量基本几何元素；建立坐标系；自动测量；基本要求：学生认真观看老师的操作师范，学会分析图纸，掌握建立坐标系的方法，并产生测量程序进行自动测量。,2023/3/24,11/206,2023/3/24,12/206,一 课程介绍,实训内容和基本要求实验5：元素构造、公差评价（融合在前面实验中）实验目的：通过该实验，使学生掌握元素构造和形状位置公差评定的正确方法步骤。实验内容：元素构造的意义；中点、平行元素、相交元素、垂直元素等构造；圆度、平面
8、度、直线度等形状公差评价；垂直度、平行度、位置度等位置公差评价；基本要求：学生认真观察老师的操作过程，学会元素构造和形位误差评价的操作。,2023/3/24,13/206,一 课程介绍,实训内容和基本要求实验6：基于三维CAD模型的测量实验目的：通过该实验，使学生掌握有三维数模的工件的坐标系建立、自动测量的过程和方法。实验内容：导入CAD数模测量的意义；基于CAD数模的坐标系建立（数模对齐）；基于CAD数模的元素测量：提取理论测量、即点即测；基本要求：学生仔细观看老师的操作步骤和方法，学会具有CAD数模的工件的坐标系建立和自动测量的过程和方法。,2023/3/24,14/206,一 课程介绍,
9、实训内容和基本要求实验7：输出测量报告实验目的：通过该实验，使学生掌握多种形式测量报告输出方法。实验内容：输出报告的真实性的意义；表格形式、图文形式测量报告的输出方法；基本要求：学生通过观看老师具体的操作，学会输出多种形式报告的基本操作过程。,2023/3/24,15/206,课程内容,课程介绍,三坐标测量概论,三坐标测量基础知识,三坐标测量(仿真)实践,三坐标测量案例分析,二、三坐标测量概论,三坐标测量机（Coordinate Measuring Machine，简称CMM）是20世纪60年代发展起来的一种新型高效的精密测量仪器。它的出现原因：一方面是由于自动机床、数控机床高效率加工以及越来
10、越多复杂形状零件加工需要有快速可靠的测量设备与之配套；另一方面是由于电子技术、计算机技术、数字控制技术以及精密加工技术的发展为三坐标测量机的产生提供了技术基础。,CMM的发展历史,1960年，英国FERRANTI公司研制成功世界上第一台CMM到20世纪60年代末，已有近十个国家的三十多家公司在生产CMM，不过这一时期的CMM尚处于初级阶段20世纪80年代，以ZEISS、LEITZ、DEA、LK、三丰、SIP、FERRANTI、MOORE等为代表的众多公司不断推出新产品现代CMM在计算机控制下完成各种复杂测量通过与数控机床交换信息，实现对加工的控制并且还可以根据测量数据，实现反求工程,2023/
11、3/24,18/206,广泛应用于机械制造业、电子工业、汽车、航空航天工业和国防工业等。测量各种机械零件、模具等的形状尺寸、孔位、孔中心距以及各种形状的轮廓，特别适用于测量带有空间曲面的工件。具有高准确度、高效率、测量范围大的优点。CMM成为现代工业检测和质量控制不可缺少的万能测量设备,工作原理简介：测头通过三个坐标轴导轨在空间自由移动，在测量范围内可到达任意一个测点。三个轴的光栅给出传感器分别在X，Y，Z三个方向上的精确坐标。测量软件通过接收传感器触测信号与数据，可计算出待测几何元素的几何尺寸和形位误差。高端CMM可配置绕Z 轴旋转的分度转台和绕X 轴旋转的带顶尖座的分度头，可以实现螺纹、齿
12、轮、凸轮等的测量。,应用领域和工作原理,CMM的工作原理,三坐标测量机是基于坐标测量的通用化数字测量设备。,2023/3/24,20/206,满足现代化汽车生产实时监控的需要,上海仪昌机电科技有限公司,三坐标测量图例,2023/3/24,21/206,机器人的出现给坐标测量以新的启发，人们认识到坐标测量可用矢量的方式来定义计算和实现。多自由度的关节臂测量机以轻便、灵活、低价使它在一定领域内得到欢迎。,R=r1+r2+r3+r4,便携式硬件(载体),三坐标测量图例,2023/3/24,22/206,坐标测量图例,三坐标测量图例,2023/3/24,24/206,三坐标测量机：底座、工作台、立柱、
13、X向支撑梁和导轨、Y向支撑梁和导轨、Z轴部件、测头、驱动电机及测长系统。其结构形式（总体布局形式）主要取决于三组坐标的相对运动方式，对测量机的精度和适用性影响很大。计算机及测量软件（配置打印机）：计算机是整个测量系统的“大脑”。实现与操作者对话、控制程序的执行和结果处理、与外设的通讯等功能控制系统：控制系统是计算机和测量机集成的桥梁。控制系统（运动控制器）通过由计算机传来的命令和数据，计算出运动路径，系统以此来控制CMM的运动和信号响应。,三坐标测量机系统的硬件构成和功能,三坐标测量机基本组成,三坐标测量机的基本组成,CMM的组成,图4.1三坐标测量机的组成1工作台 2移动桥架 3中央滑架 4
14、Z轴 5测头 6电子系统,机械结构工作台,机械结构导轨,导轨是测量机的导向装置，直接影响测量机的精度，因而要求其具有较高的直线性精度在三坐标测量机上使用的导轨有：滑动导轨、滚动导轨和气浮导轨早期的CMM，许多机型采用的是滑动导轨滑动导轨精度高，承载能力强，但摩擦阻力大，易磨损，低速运行时易产生爬行，也不易在高速下运行，有逐步被气浮导轨取代的趋势目前，多数三坐标测量机已采用空气静压导轨又称为气浮导轨、气垫导轨制造简单、精度高、摩擦力极小、工作平稳等,移动桥式结构CMM气浮导轨的结构,图4.4 三坐标测量机气浮导轨的结构1工作台 2气垫 3 滚轮 4 压缩弹簧 5导向块 6桥架,2023/3/24
15、,29/206,测量机的控制中枢，主要功能：,控制、驱动测量机的运动，三轴同步、速度、加速度控制；对光栅读数进行处理；在有触发信号时采集数据；采集温度数据，进行温度补偿；根据补偿文件，对测量机进行21项误差补偿；对测量机工作状态进行监测（行程控制、气压、速度、读数、测头等），采取保护措施；对扫描测头的数据进行处理，并控制扫描；与计算机进行各种信息交流。,控制系统,三坐标测量机的分类,按CMM的技术水平分类 数字显示及打印型 主要用于几何尺寸测量，可显示并打印出测得点的坐标数据，但要获得所需的几何尺寸形位误差，还需进行人工运算，其技术水平较低，目前已基本被淘汰。带有计算机进行数据处理型 技术水平
16、略高，目前应用较多。其测量仍为手动或机动，但用计算机处理测量数据，可完成诸如工件安装倾斜的自动校正计算、坐标变换、孔心距计算、偏差值计算等数据处理工作。计算机数字控制型 技术水平较高，可像数控机床一样，按照编制好的程序自动测量。,三坐标测量机的分类,按CMM的测量范围分类 1小型坐标测量机 这类CMM在其最长一个坐标轴方向（一般为X轴方向）上的测量范围小于500mm，主要用于小型精密模具、工具和刀具等的测量。2中型坐标测量机 这类CMM在其最长一个坐标轴方向上的测量范围为5002000mm，是应用最多的机型，主要用于箱体、模具类零件的测量。3大型坐标测量机 这类CMM在其最长一个坐标轴方向上的
17、测量范围大于2000mm，主要用于汽车与发动机外壳、航空发动机叶片等大型零件的测量。,三坐标测量机的分类,按CMM的精度分类 精密型CMM 是一种计量型三坐标测量机。其单轴最大测量不确定度小于1106L（L为最大量程，单位为mm），空间最大测量不确定度小于（23）106L，一般放在具有恒温条件的计量室内，用于精密测量。中、低精度CMM 一般放在生产车间，用于生产过程的检测，并可进行末道工序的精加工检测。低精度CMM的单轴最大测量不确定度大体在1104L左右，空间最大测量不确定度为（23）104L，中等精度CMM的单轴最大测量不确定度约为1105L，空间最大测量不确定度为（23）105L。,三坐
18、标测量机的分类,按CMM的结构形式分类 移动桥式固定桥式龙门式悬臂式立柱式等,2023/3/24,34/206,（a）,(b)悬臂式;,(c),(d)桥式,(e)，(f)龙门式;,(g)坐标镗床式;,(h)卧式镗床式,三坐标测量机的结构形式分类,4.2 三坐标测量概论,三坐标测量机的机械结构,三坐标测量机是由三个正交的直线运动轴构成的，这三个坐标轴的相互配置位置（即总体结构形式）对测量机的精度以及对被测工件的适用性影响较大,移动桥式结构，目前应用最广泛的一种结构形式，结构简单，敞开性好工件安装在固定工作台上，承载能力强但X向驱动位于桥框一侧，桥框移动时易产生绕Z轴偏摆，而X向标尺也位于桥框一侧
19、，在Y向存在较大的阿贝臂，偏摆会引起较大的阿贝误差，因而主要用于中等精度的中小机型。,结构形式,固定桥式结构，其桥框固定不动，X向标尺和驱动机构可安装在工作台下方中部，阿贝臂及工作台绕Z轴偏摆小，其主要部件的运动稳定性好，运动误差小，适用于高精度测量，但工作台负载能力小，结构敞开性不好，主要用于高精度的中小机型。,中心门移动式结构，结构比较复杂，敞开性一般，兼具移动桥式结构承载能力强和固定桥式结构精度高的优点，适用于高精度、中型尺寸以下机型。,2023/3/24,37/206,固定桥式,结构形式,结构形式,龙门式结构，移动部分横梁，移动部分质量小，整个结构刚性好，三个坐标测量范围较大时也可保证
20、测量精度，适用于大机型，缺点是立柱限制了工件装卸，单侧驱动时仍会带来较大的阿贝误差，而双侧驱动方式在技术上较为复杂，只有Y向跨距很大、对精度要求较高的大型测量机才采用。,悬臂式结构，结构简单，具有很好的敞开性，但当滑架在悬臂上作Y向运动时，会使悬臂的变形发生变化，故测量精度不高，一般用于测量精度要求不太高的小型测量机。,2023/3/24,39/206,高架桥式-龙门式结构,结构形式,结构形式,单柱移动式结构，也称为仪器台式结构，它是在工具显微镜的结构基础上发展起来的。其优点是操作方便、测量精度高，但结构复杂，测量范围小，适用于高精度的小型数控机型。,单柱固定式结构，它是在 坐标镗的基础上发展
21、起来的。其结构牢靠、敞开性较好，但工件的重量对工作台运动有影响，同时两维平动工作台行程不可能太大，因此仅用于测量精度中等的中小型测量机。,工具显微镜,结构形式,横臂立柱式结构，也称为水平臂式结构，在汽车工业中有广泛应用。其结构简单、敞开性好，尺寸也可以较大，但因横臂前后伸出时会产生较大变形，故测量精度不高，用于中、大型机型。,横臂工作台移动式结构，其敞开性较好，横臂部件质量较小，但工作台承载有限，在两个方向上运动范围较小，适用于中等精度的中小机型。,2023/3/24,44/206,水平臂式,水平臂式测量机开敞性好，测量范围大，可以由两台机器共同组成双臂测量机，尤其适合汽车工业钣金件的测量。,上海仪昌机电科技有限公司,Thank You!,
