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三坐标测量方法

2018-06-19  来自: 厦门英昊达精密设备有限公司浏览次数:211

三坐标设备介绍


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


按测量机的结构分类(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。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。


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:设备各方向的极限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)。


3.测量前的准备

进行三坐标测量,首先要准备好以下这些:

·被测零件及可能用到的辅助工具。

·被测零件的数字定义或图纸。

·基准元素列表。

·需测量的要素位置或坐标值。


2三坐标测量


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。


(1)球的测量

球通常作为基准元素、或者附件引出元素,实际零件上使用较少。测量一个球至少需要在球上测量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)。

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(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。测量一个平面至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。





2.坐标系的建立方法

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,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)。


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。      



3.特殊元素测量方法

实际测量中,某些特殊的元素直接测量风险较大(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低。 


下例中,想考察冲压件翻边高度h在Y=0截面是否合格。

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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、零件装夹位置固定。

  4、测头校准球位置固定。


(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。

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(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。

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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。


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”

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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。


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),因此要避免三向要素全部使用曲面点进行拟合,至多允许一个方向上的要素全部是曲面点。


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