三坐标精密测量

三坐标精密测量（精选7篇）

三坐标精密测量 篇1

1 引言

现代大型特种工程,如高速铁路、大型桥梁、核电站、大型隧道等,对控制测量的精度提出了极高要求,顺利实施精密控制测量则往往是顺利完成这些工程建设任务的关键[1]。精密工程测量技术无论是定线、定向、测距、测高,或设置精密测量标志,其基础都是坐标系;坐标系设置的好坏将直接影响测量成果精度。若精密控制测量施测中选择的坐标系不同,由于中央子午线、尺度因子、投影面大地高、高程异常等数学参数的不同,给施工造成的各种变形也不同[2]。

当前,国内常用北京1954高斯正射(3度或6度)投影坐标系。该坐标系由于投影变形较大,难以满足精密控制测量的精度要求;即使能够满足,往往也代价过大[3]。因此,需要灵活地建立投影变形小、便于使用的施工坐标系。

本文以太中银铁路工程横山、兴旺峁隧道群洞外精密控制测量为例,结合具体工程实践,通过设立两套彼此重叠的独立坐标系,来对整个测区进行有效地精密控制测量,保证了测量精度。

2 工程背景

太中银铁路工程位于陇海铁路以北,宝中、包兰铁路以东,京包铁路以南,同蒲铁路以西;东起太原枢纽榆次站,经太原、晋中、吕梁跨黄河入陕西榆林,从定边进入宁夏吴忠,于中宁再跨黄河,在包兰铁路黄羊湾站接轨至中卫;同时修建定边至银川的联络线,在永宁跨黄河。太中银铁路工程途径山西省中西部、陕西省北部和宁夏自治区的东部,正线全长748.181km,联络线长194.025km。该工程将有效推进东西部沟通,加快物流往来,充分开发沿线旅游资源,对实施西部开发战略、实现东西部经济和谐、均衡发展具有不可替代的作用。

横山、兴旺峁隧道群是太中银铁路工程的重点工程,均为双线单洞特长铁路隧道,其地质复杂,节理较发育,呈碎石状结构,土石界面处含水量较大,围岩自稳能力极差等。因而对精密控制测量提出了极高要求,其洞外控制网规模为全线之最,共包含横山、大路峁、岗城、兴旺峁四座隧道,其中横山隧道起止里程为DK333+250-DK344+718,全长11468m;大路峁隧道起止里程为DK344+945-DK345+410,全长460m;岗城隧道起止里程为DK345+428-改DK350+005,全长4 577m;兴旺峁隧道起止里程为改DK350+130-改DK361+185,全长11 055m。测区内依里程还包括魏家楼蚂蚁河特大桥DK332+957.93,岗城蚂蚁河大桥DK344+827.65,2m～6m盖板涵,两水界中桥改DK350+041.61,鲍渠中桥改DK361+222.950)等。

众多、密集的施工项目分别对精密工程测量提出了不同的要求,很难将此隧道群拟合到一个施工坐标系中。因此在具体施工中,采用了分别建立横山隧道工程和兴旺峁隧道工程独立坐标系、两者保持一定程度重叠区域的方法。

3 隧道施工坐标系的建立

隧道施工坐标采用同济大学TUNNEL软件进行数据处理,平差计算采用北京1954坐标系椭球参数,长半轴a为6378245m,扁率α为298.3,UTM变形参数为1.0。

横山隧道工程独立坐标系以HX3(JD89)为坐标原点,其X坐标、Y坐标加常数分别为333 836.539m和2000.000m,HX3大地高为1195.474m;以HX3至HX27方向为X轴正方向,顺时针旋转90°为Y轴,建立横山隧道工程独立坐标系,投影面大地高1 157.9m,高程异常取值28.3m。

兴旺峁隧道工程独立坐标系以HX28(改JD90大里程方向切线反向延长线上的点)为坐标原点,其X坐标、Y坐标加常数分别为348 456.513m和1000.000m,HX28大地高为1 236.639m;以HX28至HX43方向为X轴正方向,顺时针旋转90°为Y轴,建立兴旺峁隧道工程独立坐标系,投影面大地高1274.1m,高程异常取值28.3m。

在两套隧道工程独立坐标系平差后,控制点最大点位中误差为±2.5mm(为HX28点),平均点位中误差为±1.7mm,最弱边的相对精度为1/343643(为HX34-HX33边),基线边最大方位角中误差为±0.59"(为HX35-HX33方向),从而有效满足了施工对精度的需求。

4 施工坐标系重叠区域边长改化分析

横山隧道工程独立坐标系与兴旺峁隧道工程独立坐标系的重叠区域为岗城隧道出口与兴旺峁隧道进口处,这两个隧道洞口相连,共用一个洞口控制子网。由此,这一个子网有两套施工坐标,即有两个高程归化投影面。为了保证重叠区域内边长的有效改化,在洞口实测一个三角形(HX23-HX25-HX26),将实测边长分别投影于两个高程面,通过比较角度、边长全站仪实测值与GPS计算结果对相应精度进行验证[4,5]。

施工中具体使用Leica1201全站仪,角度、边长实测结果与GPS计算值比较如表1、表2所示。

注:表中∠HX23、∠HX25、∠HX26三个角度采用横山隧道独立坐标系,与兴旺峁隧道独立坐标系两套成果复核;表中括号内的数字为兴旺峁隧道独立坐标系成果。

从表1、表2中的比较可见,三角形角度全站仪实测值与GPS成果计算值最大较差2.43″,最小较差为0.10″,较差算术平均值1.12″;三角形边长实测值与GPS成果计算值最大较差为4.2mm,最小较差为0.1mm,较差算术平均值1.87mm。上述对比结果表明,GPS平面控制测量精度较高,已经满足施工要求。

5 结论

以上分析结果表明,全站仪实测边长分别投影到两个独立的施工坐标系投影面上,实际变形很小。因此,设计的这两套施工坐标系可以满足精密工程测量的精度要求;在这两套施工坐标系的重叠区域内,角度、边长的投影变形都很小,两套施工坐标成果在该重叠区域可相互使用。进而可以推论,对于测区目标密集,测量环境复杂,测量目标特异性强的大型施工项目,可以采用多套施工坐标系并行的方法化整为零,再对坐标系间的重叠区进行必要的角度、边长改化精度验证,从而简单有效地降低坐标系布设难度,保证施工进度和精度。

摘要：精密控制测量具体施工中,单一的北京1954坐标系往往难以保证精度。结合隧道洞外精密控制测量实例,设计2套相对独立、彼此存在重叠区的施工坐标系,有效实现对测区的精密控制,并对重叠区域角度、边长的改化进行了比较分析。

关键词：精密控制测量,施工坐标系,重叠区改化分析

参考文献

【1】李青岳,陈永奇.工程测量学[M].北京:测绘出版社,1995.

【2】孔祥元,梅是义.控制测量学[M].武汉:武汉大学出版社,2003.

【3】王兆祥,付晓村.铁路工程测量[M].北京:测绘出版社,1988.

【4】QJ/SSY034-2000铁路勘测细则第24篇全球定位系统(GPS)铁路测量[S].

【5】QJ/SSY034-2000铁路勘测细则第23篇隧道控制测量[S].

三坐标精密测量 篇2

一：什么是三坐标测针

测针是三坐标策略系统的组成部分，它与被测工件接触，使测头机构产生位移。所产生的信号经处理得出策略结果。被测工件的外形特征将决定要采用的测针类型和大小。在所有情况下，测针的最大刚性和测球的球度都至关重要。

为了达到这一要求，Renishaw的测针杆按照严格的标准在数控机床上生产。我们格外注意保证测针刚性最高，同时测针质量经过最优化处理以适用于Renishaw的各种测头。

Renishaw原产测球是按最高标准制造，保证与测针杆的链接能达到最佳的完整性。如果您使用的测球球度差、位置不正、螺纹公差大、或因设计不当使测量时产生过量的扰度变形，则很容易降低测量效果。为了确保您采集的数据的正确性，请务必从Renishaw原产的全系列测针中指定和选用测针。二、三坐标测针的专业术语：

总长度：雷尼绍对测针总长度的标准定义，是从测针的后安装端面到测球中心的长度。有效工作长度：有效工作长度是在零件发现方向测量时从测球中心道测针杆与被测目标干涉点之间的距离。

三、如何正确选择测针

1、尽量选用短测针

测针弯曲或变形量越大，精度月底，使用近可能短的测针

2、尽量减少接头

每增加一个饿着呢的测杆的链接，便增加了一个潜在的弯曲和变性点。所以使用中应尽量减少三坐标测针的组件数。

3、选用的测球直径要尽量大

一是这样能增大测球、测针杆的距离，从而减少由于碰撞测针杆所引起的误触发。其次测球直径越大，被测工件表面光洁度的影响越小。

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三坐标精密测量 篇3

摘 要：位置度检测是机动车零部件检测中经常进行的一项常规检验。所谓“位置度”是指对被评价要素的实际位置对理想位置变动量的指标进行限制。在进行位置度检测时首先要很好地理解和消化图纸的要求，在理解的基础上选择合适的基准。位置度的检测就是相对于这些基准，它的定位尺寸为理论尺寸。

关键词：三坐标；位置度

1 位置度的三坐标测量方法

1.1 计算被测要素的理论位置

①根据不同零部件的功能要求，位置度公差分为给定一个方向、给定两个方向和任意方向三种，可以根据基准体系及确定被测要素的理论正确位置的两个理论正确尺寸的方向选择适当的投影面，如XY平面、XZ平面、YZ平面。②根据投影面和图纸要求正确计算被测要素在适当投影面的理论位置。

1.2 根据零部件建立合适的坐标系。在PC-DMIS软件中，可以把基准用于建立零件坐标系，也可以使用合适的测量元素建立零件坐标系，建立坐标的元素和基准元素可以分开。

1.3 测量被测元素和基准元素。在被测元素和基准元素取点拟合时，最好使用自动程序进行，以减少手动检测的误差。

1.4 位置度的评价。①在PC-DMIS软件中，位置度的评价可以直接点击位置度图标。②在位置度评价对话框中包含两个页面，特征控制框和高级，首先根据图纸要求设置相应的基准元素，在基准元素编辑窗口中只会出现在编辑当前光标位置以上的基准特征，如图1所示。③基准元素设置完成，回到特征控制框选择被测元素，设置基准，输入位置度公差。④在位置度评价的对话框中选择高级，在此对话框中可以设置特征控制框尺寸的信息输出方式和分析选项。如图2的对话框，在标称值一栏中手动键入被测要素的理论位置值，点击评价。

1.5 在报告文本中刷新就可以看到所评价的位置度结果。

2 三坐标测量位置度的注意事项

2.1 评价位置度的基准元素选择和建立坐标系的元素选择有相似之处，都要用平面或轴线作为A基准，用投影于第一个坐标平面的线作为B基准，用坐标系原点作为C基准。如果这些元素不存在，可以用构造功能套用、生成这些元素。

2.2 对位置度公差的理解。如位置度公差值t前加注φ，表示公差带是直径为t的圆内的区域，圆心的位置由相对于基准A和B的理论值确定。（如图3）

如位置度公差值前加注Sφ，表示公差带是直径为t的球内的区域，球心的位置由相对于基准A、B和C的理论值确定。（如图4）

2.3 对于深度小于5mm的孔，可以直接计算测量其位置度。对于深度大于5mm的孔，必须采用先测量圆柱，然后与上、下端面求相交，再对交点求位置度的方法来控制测量误差，上、下端面一般是指整个孔的两端面。或者尽量取靠近两端面孔的截面位置，如果仅测量一个截面，求其位置度是不能保证此孔在整个长度范围上所有截面的位置度都合格的。因为交点是圆柱轴线与两端平面相交得到，不管轴线方向往哪个方向倾斜，如果两端交点位置度合格，中间各截面的位置度也应该是合格的。

2.4 对于有延伸公差带要求的，评价时要包含延伸的长度。

2.5 在位置度公差设置时，有时会出现[M] [L] 图标，它们的含义各不相同，其主要目的是为了尺寸公差和形状、位置度公差之间的相互补偿。

①孔的最小实体位置度公差。

它的含义是计算位置度时，要遵守最小实体状态原则，并按最小实体要求输出其位置度误差值，如上所示φ14的孔，当其实测值小于φ14，例如为φ13.9时，孔的最小实体位置度公差补偿值=13.9-14。

它输出的位置度公差值=|13.9-14|+φ0.5。

②孔的最小实体位置度公差（以孔为基准）。

它的含义与①相同，与①的不同之处是它的基准是规定的孔，即要先测量基准孔，再测量被测孔，軟件自动计算出包含最小实体要求的位置度误差值。

③孔的最大实体位置度公差。

它的含义是计算位置度时，要遵守最大实体状态原则，并按最大实体要求输出其位置度误差值。如上所示φ14的孔做到φ14.1时，孔的最大实体位置度公差补偿值=14.1-14，它输出的位置度公差值=（14.1-14）+φ0.5。

④孔的最大实体位置度公差（以孔为基准）。

它的含义与③相同，与③的不同之处是它的基准是规定的孔，即用三坐标测量时要先测量基准孔，再测量被测孔，软件自动计算出包含最大实体要求的位置度误差值。

2.6 基准的选择顺序也是非常重要的，顺序不同，评价出来的结果也完全不同。

三坐标球头测量系统误差分析 篇4

关键词：三坐标,测量,测头,系统,补偿,误差

1 现状分析

在三坐标测量中, 对于测量软件中测头系统补偿误差存在两个观点, 第一个观点:测量机厂家海克斯康认为其补偿系统误差很小, 对于我们公司现有产品的测量精度要求完全可以满足, 我们现在在测量中是打开测头补偿系统进行测量的;第二个观点:608 所和西工大认为测头系统补偿有一定的误差, 所以在测量时关闭测头补偿系统。最近在测量叶轮中, 有设计人员提出了测头选取的大小会一定的测量误差, 对零件的测量结果有一定的影响, 针对该问题, 我们决定作以理论和实际的分析研究, 得到确切的结论。

2 球头补偿原理

2.1 测头的定义及校验

在对工件进行检测之前, 需要对所使用的测杆进行定义及校验。在PC-DMIS的测头功能中按照实际采用的测杆配置进行定义, 并添加所用到的测头角度。之后用标准球对其进行校验, 得到正确的球径和测头角度。

2.2 校验测头的目的

在进行工件测量时, 在程序中出现的数值是软件记录测杆红宝石球心的位置, 但实际是红宝石球表面接触工件, 这就需要对实际的接触点与软件记录的位置沿着测点矢量方向进行测头半径、位置的补偿, 消除以下三方面误差:

(1) 理论测针半径与实际测针半径之间的误差。

(2) 理论测杆程度与实际测杆长度的误差。

(3) 测头旋转角度之误差。

通过校验消除以上三个误差, 得到正确的补偿值。因此, 校验结果的准确度, 直接影响工件的检测结果。

3 观点说明

3.1 错误观点

一部分人认为, 在实际测量是, 每测量一个元素, 系统都可以自动区分测球半径的补偿方向, 计算正确的补偿半径。在采点开始后, 测量软件将在沿着测针接触工件的方向上对测球进行半径补偿。但被补偿点并非真正的接触点, 而是测头沿着测针接触工件方向的延长线上的一个点。这样就造成了测头半径补偿误差, 产生误差的大小与测球的半径与该工件被测面与笛卡尔坐标轴的夹角有关, 夹角越大, 误差越大, 详见图1。

3.2 正确观点

软件在获取每一个触测点时, 得到的是测针红宝石球球心点的位置, 我们最终想要获得的是红宝石球与工件表面接触的特征点, 这两个点之间的间距为触测方向 (矢量方向) 上的测针半径值, 这就需要通过测头补偿来实现, 即将红宝石球心点沿测针触测方向 (矢量方向) 补偿测针半径之后, 得到工件的特征点, 而不是竖直方向的延长点。

4 测量验证

从研究三坐标测量系统的补偿原来我们可以发现, 正常经过校验的测头, 打开补偿控制要求, 理论上不会出现测量误差。为了验证测头打开补偿状态测量误差, 进行了不同球径在平面与曲面的测量对比。

4.1 平面测量

(1) 使用准1.5 球头测量平面上的一点, 重复测量10 次, 得到测头校验精度为0.002mm。

(2) 使用准2 球头测量平面上的一点, 重复测量10 次, 得到测头校验精度为0.002mm。

(3) 使用准3 球头测量平面上的一点, 重复测量10 次, 得到测头校验精度为0.001mm。

(4) 使用准5 球头测量平面上的一点, 重复测量10 次, 得到测头校验精度为0.001mm。

4.2 曲面测量

(1) 使用准5 球头测量曲面上的一点, 重复测量10 次, 得到测头校验精度为0.001mm。

(2) 使用准2 球头测量曲面上的一点, 重复测量10 次, 得到测头校验精度为0.002mm。

(3) 使用准3 球头测量曲面上的一点, 重复测量10 次, 得到测头校验精度为0.001mm。

(4) 使用准5 球头测量曲面上的一点, 重复测量10 次, 得到测头校验精度为0.001mm。

5 结束语

经过对球头测量原理的分析与实际测头直径在平面与曲面上的测量对比, 我们可以得出结论, 就是测头直径的大小对测量精度有一定的影响, 测头直径大比直径小的精度要低万分之三到万分之五左右, 这样的精度对测量常规零件的影响是可以忽略不记, 实际测量中出现的问题是由于产品本身不合格所导致。

参考文献

[1]QUINDOS7培训手册[Z].海克斯康测量技术有限公司.

三坐标精密测量 篇5

•稳定性(stability)----测量仪器保持其计量特性随时间恒定的能力.•检查(inspection)---对产品设计,产品,服务,过程或工厂的核查,并确定其与特定要求的符合性,或在专业不断的基础上,与通用要求的符合性.•检定(verification)---查明或确认计量器具是否符合法定要求的程序,它包括检查,加标记和(或)出具检定证书.•标称值(nominalvalue)------测量仪器上表明其特性或指导其使用的量值，该值为近似值.•测得值(也被称为测得结果,result of a measurement)----由测量所得到的赋予被测量的值.•测量仪器的示值(indicationof a measuring instrument)-----测量仪器所给出的量值.•标称范围(nominalrange)----测量仪器的操纵器件调到特定位置时可得到的示值范围.•测量范围(measuringrange)----测量仪器在给定的误差极限范围内所能测量的最高量值与最低量值的区间.•后续检定(subsequentverification)---计量器具检定后的任何一种检定.•校准(calibration)---在规定条件下,为确定测量仪器(或测量系统)所指示的量值,或实物量具(或参考物质)所代表的值,与对应的由测量标准所复现的值之间关系的一组操作.•首次检定(initialverification)---对未曾检定过的新计量器具进行的一种检定.•量程(span)----标称范围两极限之差的模.•再现性(reproducibility)---在改变了的测量条件下,同一被测量的测量结果之间的差异.(改变的条件包括:测量原理,测量方法,观测者,测量仪器,参考测量标准,地点,使用时间,使用条件.)•测量(measurement)---以测量量值为目的的一组操作.•重复性(repeatability)---在相同的测量条件下,重复测量同一个被测量,测量仪器提供相似的示值能力，相同的测量条件包括:相同的测量程序,相同的观测者,在相同的条件下使用相同的测量仪器在短时间内重复测量。

•测试,检测，试验（testing）---在给定的产品，过程或服务按规定程序确定某种或多种特性的一组技术操作.常见故障1.坐标X轴向在手动移动时会突然掉电,很频繁,在校验测头时也偶会出现这种问题？ 问：坐标X轴向在手动移动时会突然掉电,很频繁,在校验测头时也偶会出现这种问题 答：擦擦光栅试试，有的时候传动皮带松也会出现这种错误。

问：在自动测量时候不仅仅是掉电的问题，比如说测一个圆，４个点，在运行到第二个点（设为Ｙ＋）的时候就在逼近，回退来回摆动，时而有电，时而没电，就是不接触！（摆线运动＿有阻尼＿最终停止＿彻底掉电－但手动可以上下移动！！）

答：感觉好像是电机负载较大造成的，首先检查一下导轨和其他机械传动部件是否有干涉情况，再检查光栅系统是否有异常，如果的确没问题，可能就需要更换电机、驱动板等部件了。问：只有Ｘ向左的方向在手动时停，在自动测量时不会停。

答：按下紧急停止按钮，用手轻推X轴，看移动是否顺畅，如果这个没问题就检查下X轴传动皮带，看紧度是否正常，还不行就是驱动电机或驱动电路板有问题了。

常见故障2.有些时候由于一些干扰或者电源、气源的波动也会使系统出现掉电保护。有时空气过滤器的滤芯脏了，造成压缩空气压力降低，也会造成系统频繁掉电。您遇到的问题，错误提示是Z轴计数问题，而从我们的经验上看，也应该是Z轴计数系统读数头的问题，您可以先擦一下光栅试试，如果光栅比较脏的话，那就可能出现报警。结果：我将光栅尺檫后，故障现象消除。

常见故障3.为什么刚开机气压够，但中途老是断电，特别干燥箱放气的时候更容易断？

干燥箱放气会分流掉一部分管道内的压缩空气，使进入三坐标的压力降低，当低到一定的程度就会引起三坐标的报警，这种故障一般是总进气的压力和流量不足引起的，简单的解决办法是给放气口加个节流阀，让它不要放的太快，要不就在干燥箱后加一个大的储气罐，也能缓冲气压的骤降。

还有三坐标在运动的状态会耗费更多的压缩空气，从你的描述“中途老是断电”看，我感觉你的空气压缩机小了点，加储气罐是个好方法。

常见故障4.三坐标为什么会自动掉电？

测量机自动断点是一种保护措施，它对测量机的供电、供气、测量机及控制系统的状态进行监控，发现有异常情况时就会自动掉电，一方面保护测量机不要造成损伤，另一方面提醒操作人员检查造成掉电的问题。

常见故障5.z轴出现尖鸣请指教怎么排除故障？

三坐标精密测量 篇6

三坐标测量机常见的建立坐标系的方法分3类:3个互相垂直的平面;1面2孔;1面1线1孔。建标所用要素为零件上的平面、直线或孔等要素。

自波音747-8内襟翼项目始, 出现了零件的3个基准均为曲面的情况, 需要用3个曲面最佳拟合建立坐标系。曲面建立坐标系对我们来说完全是新思路, 经过探索学习, 我们掌握了曲面建标的原理和步骤。

本文仅以113U2133-9壁板为例, 说明此零件建标的过程。此零件为薄板件, 上表面基准A和两侧边基准B、基准C均为曲面, 设计坐标系和加工坐标系如图1所示, 测量时需要用A、B、C三曲面最佳拟合建成此坐标系。

1 导入零件模型, 调入零件设计坐标系

我公司使用的PCDMIS脱机软件为2010版本, 只能兼容CATIA V5R19及更低版本的数模, CATIA V5R20版本的数模在PCDMIS2010版测量软件中无法导入, 需将数模进行处理后存为STEP文件才可适用。下面对这两种版本数模的应用分别进行介绍。

1) CATIA V5R19版本的数模。打开PC-DMIS 2010版测量软件, 新建测量程序 (对波音项目的测量单位选英寸) , 导入数模, 点菜单EDIT-GRAPHICS DISPLAY WINDOW-CAD COORDINATE SYSTEM, 在弹出的框中选零件设计坐标系, 再确定, 从而零件模型导进来, 坐标系也调入了。

2) 对于CATIA V5R20版本的数模。打开零件数模, 插入飞机原始坐标系, 在零件设计状态下进行定位变换。点菜单“开始→机械设计→零件设计”, 然后点菜单“插入→变换特征→定位变换”, 在弹出的框中, 参考框选零件坐标系, 目标框选原始坐标系, 点确定, 零件实体就会转换到飞机原始坐标系下, 将飞机坐标系设为当前坐标系, 将数模另存为STEP文件。

然后打开PC-DMIS 2010版测量软件, 新建测量程序, 导入STEP文件, 再确定零件在测量平台上摆放时零件坐标系与机床坐标系各轴的对应关系, 按F5, 在弹出框中点“PART/MACHINE”按钮, 选零件+X对应机床+Z, 零件+Y对应机床+X, 零件+Z对应机床+Y, 点确定。这样导进了零件模型, 也调入了坐标系。

2 迭代法建标

对于导入的CATIA文件和STEP文件, 接下来的步骤完全一致。在A基准面均匀测3个点, B基准边沿+Z向测2个点, C基准边测一个点, 用迭代法粗建标, 如图2。

迭代法建标步骤:插入坐标系→点INTERATIVE按钮→选1、2、3点为LEVEL-3, 4、5点为ROTATE-2, 6点为ORIGIN-1, 每次选择后按SELECT按钮确认, 勾上“MEAS ALL ALWAYS”, 设POINT TARGET RADIUS为0.1, 点OK, 第二个界面关掉后, 在第一个界面点“CAD=PART”, 点确定, 迭代法建标结束。根据各点的坐标值和坐标系方向, 在程序中的第3、4点和第5、6点之间分别加两个虚点。脱机运行程序, 若能正常运行, 将程序另存为3.5的版本, 再将程序拷贝到测量机上联机运行, 确认迭代法粗建标能正常运行, 否则, 脱机重做。由于我们测量机的联机软件版本低, 为3.5版, 脱机程序必须另存为3.5以下的低版本才能联机运行。拷贝程序时须把自动生成的CAD文件和程序文件一起拷贝。

3 在各基准面布点, 分别构造点集

若迭代法建标运行正常, 再将程序倒回脱机状态, 依次在A、B、C基准上均匀布点, 根据基准的面积和曲率决定点数的多少和疏密, 面积大时点数要多, 曲率大时点要密, 反之则相反。113U2133-9的A基准大约53 cm×63 cm, 布了90个点;B基准约20 cm长, 5 mm厚, 沿+Z向布了一排, 18个点;C基准厚4 mm, 沿+Y向布了一排, 32个点。根据点的坐标值以及坐标系方向, 在A基准最后一点和B基准第一点、在B基准最后一点和C基准第一点之间分别加上2个虚点。将A基准上所有的点构成集合SCANA, 将B基准上所有的点构成集合SCANB, 将C基准上所有的点构成集合SCANC, 用这3个点集最佳拟合建标。在最佳拟和坐标系界面, A、B、C三基准的权重分别输5、3、1, 选3D, 最小二乘法, 允许平移和旋转, 点OK即可。将程序另存为低版本, 然后将程序文件和CAD文件一同拷贝到测量机, 如图3。

4 联机运行程序

联机运行程序, 手动测量6个点后, 程序开始自动运行, 先迭代法粗建标, 然后依次测量3个基准所有点, 评价3个基准的点集, 按F10, 根据需要可勾选被评价元素的实测、理论, 偏差, 公差和超出公差。输出各点集的X、Y、Z、T值, 这里我们只输出偏差, 偏差不大于零件测量要素的最严公差的1/4到1/5即可, 不能保证精度时需重新脱机加密取点。建标精度若满足要求, 即可加入程序的题头信息、测量子程序、存储命令, 一个曲面建标程序就建成了, 在首件测量过程中加入虚点, 程序就完善了, 如图4。

5 结语

用3个曲面基准面最佳拟合建立坐标系, 解决了波音747-8内襟翼项目的十多项零件的测量问题, 突破了以往传统的建标思路, 使我们的三坐标数控测量技术进一步提高, 以后会有更多的应用。

摘要：介绍了在PC-DMIS测量软件的环境下, 用3个曲面基准面最佳拟合建立测量坐标系的详细步骤。

关键词：PC-DMIS测量软件,迭代法,最佳拟合,定位变换

参考文献

三坐标精密测量 篇7

1 三坐标测量机的基本工作原理

三坐标测量机是指在一个六面体的空间范围内, 能够表现几何形状、长度及圆周分度等测量能力的仪器, 它就是在三个相互垂直的方向上有导向机构、测长元件、数显装置, 具有能够放置工件的工作平台, 测头可以以手动或机动方式快速的移动到被测点上, 由读数、数显装置把被测点的坐标值显示出来的一种测量设备。测量机的采点发讯装置是测头, 在沿X, Y, Z三个轴的方向装有光栅尺和读数头。其测量过程就是将被测零件放入它已允许的测量空间, 根据零件上的设计基准、加工要求, 建立一个空间坐标系, 当测头接触工件并发出采点信号时, 由控制系统去采集当前采集坐标相对于测量仪绝对原点坐标的坐标值, 精密地测量出被测零件表面的点在空间3个坐标位置的数值, 将这些点的坐标数值经过测量软件的数据处理, 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、位置公差及其它几何量的数据。

2 影响接触式CMM测量精度的原因以及减小测量误差的方法

2.1 测头的选择

测头部分是测量机的重要部件, 测头根据其功能有:触发式、扫描式、非接触式 (激光、光学) 等。触发式测头是使用最多的一种测头。测头是坐标测量机的一部分, 主要用来触测工件表面, 当测头的机械装置移位时, 将产生信号触发并采集一个测量数据。一般的测头都是由测头体、一个测针杆和测球组成, 它与测座连接。最常见的测球的材料是红宝石, 因为红宝石是目前已知的最坚硬的材料之一, 虽然红宝石是最常用的测球材料, 但其它材料可能更适合进行接触扫描测量。在扫描测量时, 测球沿着工件表面滑行, 会产生摩擦磨损, 在测量某些材料, 这种长期接触会导致测球材料从测球球面上被磨除 (磨粒磨损) , 其残留的微小颗粒会导致测球和测量件的工作表面被轻微划伤, 从而在测球表面上形成一个微小的“平面”, 或工件材料被粘着到测球上 (粘结磨损) , 以上无论哪一种情况, 都会影响测球的圆度。当测球的磨损部位与工件经常保持接触时, 这种圆度误差就会不断增大, 测球的圆度误差会使CMM损失高达10%的潜在测量精度。红宝石测球的制造精度水平是用等级来定义的, 而一个测球的等级取决于其相对于理想球体的最大偏差。最常用的两种测球等级为5级和10级 (其球度误差分别为0.13μm和0.25μm) , 只有极少的情况不适宜采用红宝石球。高强度下对铝材料制成的工件进行测量时, 由于粘结磨损通常发生在测球材料与测量工件具有化学亲和力的情况下, 从相对较软的铝件上转移到测球上的材料可能生成一层“涂层”, 从而降低测球的球度精度, 选择氮化硅测球较好;对铸铁材料工件进行高强度测量时, 选择使用硬度更高的氧化锆测球。由于天然的红宝石价格比较昂贵, 所以大多数CMM测杆顶端的测球都采用人造红宝石球, 其主要成分是氧化铝, 其测针结构示意图如图1所示。

2.2 测球直径的校正方法

三坐标测量机的测头校正时, 最先校正的测针作为测针组坐标的原点, 其原理如图3所示, 用测球对标准球进行测量 (通常测量5个点) , 在球极上测一点, 球赤道面上均匀的测4个点。对于较高精度的测量, 采用9点测量法, 即在球极上测一点, 球赤道面上均匀的测4个点, 即球极和球赤道面之间的中间面上再采集4个点。三坐标测量机通过对标准球的测量, 测球半径得到了补偿, 测点坐标值从而进行了测球半径补偿。

2.3 测头校正时接触测点位置对测头半径二维补偿误差的影响

测头校正是保证测量精度的基础, 测头校正时接触点的位置是在测头校正过程中引起误差的重要因素之一, 如图2 (a) 所示。因为测头接触工件时, 三坐标测量机接收到得坐标值是红宝石球头中心点的坐标。显然三坐标测量机将自动从接触点沿着测量逼近方向回退一个测头半径值, 但补偿后的点并非是真正的接触点, 而是测头沿着测量逼近方向上的点, 这样就会在正确的逼近方向上产生补偿误差。产生误差的大小与测头的直径及该工件与直角坐标系中坐标轴的夹角有关, 测针轴线与被测面法线的夹角α越大, 误差就会越大。用CMM进行零件测量时, 理论上, 测头的球半径应为零, 测头和工件接触为测头中心, 得到的数据就是测头中心的坐标值, 而非测头与被测件接触点的坐标值。但实际上, 测头是有半径的, 从而需要对测头直径进行校正, 即进行测头球心轨迹曲面域和测头半径补偿, r为测球半径, α为测量逼近方向和正确逼近方向之间的夹角, δ为补偿误差。由图2 (b) 所知, 补偿误差δ:

由式 (1) 可以看出, 测球半径r越小, 补偿误差δ也越小, 因此当进行点位测量时, 应选用尽可能小的测球。当测针轴线与被测面法线的夹角角度α为0时, 其测球半径补偿误差δ也为0, 角度α越大, 其补偿误差δ也越大, 所以测量时要尽可能使测量逼近方向与被测表面法矢相一致, 在测头校正测量时, 应尽可能使测针轴线与被测面垂直, 使测头沿着被测表面的法线方向移动, 以减小测球半径的补偿误差。

2.4 测针长度对测头半径补偿误差的影响

测针在测量时, 使用的测杆越长, 则测头产生的弯曲和偏斜就越大, 由图3可知。

因为实际测量时, 除了测头体安装时产生的轴间平移, 还有轴 (测杆) 会发生倾斜, 所产生的测头半径补偿误差δ=Lsinα (L为测杆长度, α为测杆倾角) , 误差δ与测杆的长度和角度成正比, 当测针在校正后对标准球进行测量时, 其测量结果是随着测针长度的增加, 其偏差也随着增大, 其测量精度随着测杆长度的增加而降低, 因此长测杆并不适合测量所有的工件特征。虽然测杆并不会直接引起这种特定的误差, 但测杆长度会将误差放大, 当测头从不同的方向与工件接触时, 因触发所需要的测量力不同, 就会引起预行程的变化, 从而产生这种误差, 用标准测球对测头进行校准可以减小这种预行程误差。测杆的挠性会放大预行程的变化, 虽然钢也适合制造一些短测杆, 但硬质合金是刚性最好的测杆材料。然而由于硬质合金密度大, 因此不适合用于长测杆, 陶瓷测杆通常可用于既需要刚性好, 又要求重量轻的测量工作。由于测杆会随着温度波动而变化, 对三坐标测量机的测量误差造成很大的影响, 所以选用适当长度的接长杆材料, 在环境条件发生变化的情况下, 获得更好的稳定性和一致性更好的测量结果。具有低热膨胀系数的材料是首选的测杆材料 (尤其是在使用长测杆时) , 因为热膨胀量取决于长度。碳纤维是最常用的长测杆和接长杆材料, 因为这种材料既硬又轻。钛合金兼具良好的强度﹑稳定性和密度, 非常适合用于制造测杆的金属零件 (如接头和活动关节) , 因此测针针杆一般使用非磁性的不锈钢针或碳钨纤维的针杆, 以保证测针的刚性, 测针的有效工作长度使得测针接触零件时可获得精确的测点位置, 测针直径球头尺寸和测针有效工作长度的选取取决于被测零件, 在条件允许的情况下, 尽量选择测针直径较大、测杆较短的测针, 以保证最大的测针/测杆距, 获得最佳的有效工作长度和测针刚性。

3 结论

在接触式三坐标测量机中, 其中接触式测头的动态误差补偿, 测头半径补偿技术, 测球校正和补偿, 正确选择和使用测头、测杆和正确的建立零件坐标系等方法是减小三坐标测量机测量误差的几个关键因素, 直接影响到测量工件的测量精度, 以及数据的准确度和真实度, 本文总结了产生测量误差的特点, 并提出了减小误差的措施, 为提高产品的测量精度提供了有力的依据。可以肯定, 以接触式三坐标测量机为代表的三维测量技术在整个机械行业, 乃至整个机加工、模具设计、逆向设计等行业都有非常广阔的应用前景。

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