坐标测量（精选11篇）
坐标测量 篇1
目前, ITRF已成为国际公认的应用最广泛、精度最高的地心坐标参考框架。自1988年开始, IERS已发布了ITRF88、89、90、91、92、93、94、96、97、2000地心坐标参考框架。
1 国际地球参考坐标框架
国际地球参考坐标框架ITRF (International Terrestrial Reference Frame) 是由国际地球自转服务局 (1ERS) 根据一定要求, 建立分布全球的地面观测台站, 采用甚长基线干涉测量 (VLBI) 、卫星激光测距 (SLR) 、全球定位系统 (GPS) 、激光测月 (LLR, 1994年放弃) 和卫星多普勒定轨定位 (DORIS, 1994年采纳) 等空间大地测量技术的观测数据, 由IERS中央局对其进行综合分析处理, 得到框架点 (地面观测站) 的坐标和速度以及相应的地球定位定向参数 (EOP) 。
2 近邻国家大地测量坐标系统及坐标框架的进展
2.1 新西兰于1998年开始采用新的大地坐标系统, 称为新西兰
大地测量基准2000 (NZGD2000) , 它是地心三维坐标系统, 参考历元为2000年1月1日。NZGD2000相应坐标框架的点位及其变动依靠GPS测定提供。
2.2 蒙古近年也建立了新的国家大地坐标系统和坐标框架 (MONREF97) 。
MONREF97是地心三维坐标框架, 取代了原来的蒙古国家二维平面坐标系MSK42。该大地框架的点位由GPS测定, 因此该框架的大地坐标系统和GPS的坐标系统 (WGS84) 保持一致。
2.3 日本从2000年开始采用新的大地坐标系统JGD2000, 取代了具有百年历史的东京大地基准。
JGD2000采用国际地球参考坐标系统的定义, 历元定为1997.0。大地常数取GRS80所给定的值。维持JGD2000的大地坐标框架是由1 200个GPS连续运行网站协同64000个一等、二等、三等经典大地控制网点和20000个水准点组成。
2.4 韩国于1998年开始采用三维地心大地坐标系统KGD2000以替换现行的坐标系统。
KGD2000以ITRF97为参照坐标框架, 历元采用2000.0。这是韩国大地测量工作面向21世纪的一项重大决策。KGD2000的核心部分是有足够数量和分布合理的GPS连续运行网站。
2.5 马来西亚于2001年开始采用三维地心大地坐标系统NGRF2000以替换现行的坐标系统。
马来西亚建立国家三维地心大地坐标系统时采用了两个步骤:第一个步骤是建立分布全国的数十个GPS连续运行网站, MASS各站坐标定义于ITRF97, 历元为2000.0;第二个步骤是将马来西亚已有的238个点的GPS大地网拼接到MASS。
3 我国大地测量坐标系统和坐标框架的进展
3.1 北京1954 (大地) 坐标系统。
1954年, 我国由于缺乏天文大地网观测资料, 暂时采用了克拉索夫斯基椭球, 并与前苏联1942年坐标系统进行联测, 通过计算建立了我国大地坐标系统, 称为1954北京坐标系统。因此, 北京1954 (大地) 坐标系统的大地原点在前苏联的普尔科沃, 定位定向是前苏联1942年坐标系统的定位定向。
我国的坐标框架, 即我国的天文大地网于1951年开始布设。首先从北京出发向东部沿海地区推进, 然后转向中部、东北、西南和西北方向。当连续三角锁于1959年延伸到青藏高原时, 限于自然条件, 改为布设电磁波导线。到1962年, 除西部某些经济欠发达地区因不急需二等网而暂未布设外, 其余地区的一、二等锁网已基本完成。从1963年开始, 对已完成的天文大地网成果进行整理和分析, 于1975年完成全部外业的局部补测和修测。
中国天文大地网整体平差从1972年开始, 到1982年完成。参与平差的数据有:一、二等起始边467条;Laplace方位角458个, 在乎差中保持固定;一、二等三角点和导线点39 510个, 在没有二等三角点和导线的地区, 选用了8923个三等三角点和导线点, 使总点数达到48433个。
3.2 1980西安坐标系统。
1980西安坐标系统是在1954坐标系统的基础上采用多点定位法建立起来的。参考椭球采用IUGG75年推荐的椭球, 椭球定位参数根据我国范围内高程异常平方和最小为条件求解。椭球短轴平行于地球质心指向地极原点JYDl968.0方向, 起始大地子午面平行于我国起始天文子午面。
3.3 新1954坐标系统。
新1954 (大地) 坐标系统是在1980坐标系统的基础上, 将IUGG75椭球还原为克拉索夫斯基参考椭球, 将坐标原点平移使其与北京1954坐标系统重合, 坐标轴保持与1980坐标系统的坐标轴平行。
3.4 我国地心三维坐标框架的进展。
国家测绘局于1990年初开始施测国家A级和B级GPS大地控制网, 分别于1996年和1997年建成并先后交付使用。国家A级和B级GPS大地控制网分别由30个点和800个点构成, 均匀地分布在中国大陆, 平均边长相应为650km和150km。GPS A级网水平方向的精度优于2×10-8, 垂直方向不低于7×10-8;GPSB级网则分别优于4×10-7和8×10-7。这标志着我国地心三维坐标框架的建设进入了一个新阶段。它不仅在精度方面比已有的二维参心坐标框架提高了两个量级, 而且其三维地心坐标框架是建立在国际公认的ITRF框架之内。
我国于2004年完成了2000国家GPS网的计算。2000国家GPS网包括了国家GPSA、B级网, 全国GPS一、二级网和中国地壳运动GPS监测网络工程中的基准网、基本网和区域网。2000国家GPS网共有28个GPS连续运行站, 2 518个GPS网点。2000国家GPS网的精度优于10-8。2000国家GPS网是定义在ITBS2000地心坐标系统中的区域性地心坐标框架。
国家A级和B级GPS大地控制网中大部分点位, 均用水准进行了联测, 形成了我国第二代高程异常控制网。其中A级CPS点均用高于二等水准测量精度测定其正常高。B级CPS点均用高于四等水准测量精度测定其正常高。
参考文献
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[2]武汉测绘学院等.控制测量学 (下) .[M].武汉:测绘出版社, 1988.
坐标测量 篇2
(一)三坐标测量机的分类与构成 三坐标测量机按其工作方式可分为点位测量方式和连续扫描测量方式。点位测量方式是由测量机采集零件表面上一系列有意义的空间点，通过数学处理，求出这些点所组成的特定几何元素的形状和位置。连续扫描测量方式是对曲线、曲面轮廓进行连续测量，多为大、中型测量机。根据三坐标测量机的结构形式及三个方向测量轴的相互配置位置的不同，三坐标测量机可分为悬臂式、桥式、龙门式、立柱式、坐标镗床式等，如图1—48所示。它们各有特点及相应的适用范围如下：(1)悬臂式的特点是结构紧凑、数控机床厂工作面开阔、装卸工件方便、便于测量，但悬臂易于变形，且变形量随测量轴丁轴的位置变化，因此丁轴测量范围受限。(2)桥式测量机结构刚性好，x、y、z方向的行程大，一般为大型机。(3)龙门式的特点是龙门架刚度大，结构稳定性好，精度较高。由于龙门或工作台可以移动，使装卸工件方便，但考虑龙门移动或工作台移动的惯性，龙门式测量机一般为小型机。(4)立柱式适合于大型工件的测量。(5)坐标镗床式的结构与镗床基本相同，结构刚性好，测量精度高，但结构复杂，适用于小型工件。三坐标测量机按测量范围可分为大型、中型和小型。按其精度可分两类：①精密型，一般放在有恒温条件的计量室，用于精密测量，分辨率一般为0．5～21lm；②生产型，数控机床厂一般放在生产车间，用于生产过程检测，并可进行末道工序的精加工，分辨率为5Flm或10怜m。三坐标测量机的规格品种很多，但基本组成大致一样，主要由测量机主体、测量系统、控制系统和数据处理系统组成。1．三坐标测量机的主体 三坐标测量机的主体的运动部件包括沿x轴移动的主滑架、沿丁向移动的副滑架、沿z向移动的z轴，以及底座、测量工作台。测量机的工作台多为花岗岩制造，具有稳定、抗弯曲、抗振动、不易变形等优点。
2．三坐标测量机的测量系统 三坐标测量机的测量系统包括测头和标准器。三坐标测量机的测头用来实现对工件的测量，是直接影响测量机测量精度、操作的自动化程度和检测效率的重要部件。三坐标测量机的测头可分接触式和非接触式两类。数控机床厂在接触式测量头中又分机械式测头和电气式测头。此外，生产型测量机还可配有专用测头式切削工具，如专用铣削头和气动钻头等。机械接触式测头为具有各种形状(如锥形、球形)的刚性测头、带千分表的测头以及划针式工具。机械接触式测头主要用于手动测量，由于手动测量的测量力不易控制，测量力的变化会降低瞄准精度，因此只适用于一般精度的测量。电气接触式测头的触端与被测件接触后可作偏移，传感器输出模拟位移量信号。这种测头既可以用于瞄准(过零发信)，也可以用于测微(测给定坐标值的偏差)，因此电气接触式测头主要分为电触式开关测头和三向测微电感测头，其中电触式开关测头应用较广泛。非接触式测头主要由光学系统构成，如投影屏式显微镜、电视扫描头，适用于软、薄、脆的工件测量。
(二)三坐标测量机的测量方法 一般点位测量有三种测量方法：直接测量、数控机床厂程序测量和自学习测量。(1)直接测量方法(即手动测量)。操作员将决定的顺序利用键盘输入指
令，系统逐步执行的操作方式，测量时根据被测零件的形状调用相应的测量指令，以手动或数控方式采样，其中数控方式是把测头拉到接近测量部位，系统根据给定的点数自动采点。测量机通过接口将测量点坐标值送入计算机进行处理，并将结果输出显示或打印。(2)程序测量方法。将测量一个零件所需要的全部操作按照其执行顺序编程，以文件形式存入磁盘，测量时按运行程序控制测量机自动测量。该方法适用于成批零件的重复测量。零件测量程序的结构一般包括以下内容： 1)程序初始化。如指定文件名、存储器置零、对不同于缺省条件的某些条件给出有关选择指令。2)测头管理和零件管理。如测头定义或再校正、数控机床厂临时零点定义、数学找正、建立永久原点等。3)测量的循环。①定位，使测头在进入下一采样点前，先进入定位点(使测头接近采样点时可避免碰撞工件的位置)；②采样处理，包括预备指令和操作指令，如测孔指令前先给出采样点数、孔的轴线理论坐标及直径等参数的指令；③测量值的处理；④关闭文件结束整个测量过程。(3)自学习测量方法。操作者对第一个零件执行直接测量方式的正常测量循环中，借助适当命令使系统自动产生相应的零件测量程序，对其余零件测量时重复调用。该方法与手I编程相比，省时且不易出错。但要求操作员熟练掌握直接测量技巧，注意操作的目的是获得零件测量程序，严格掌握操作的正确性。自学习测量过程中，系统可以两种方式进行自学习：对于系统不需要对其进行任何计算的指令，如测头定义、参考坐标系的选择等指令，系统采用直接记录方式。数控机床厂许可记录方式用于测量计算的有关指令，只有在操作者确认无误时才记录，如测头校正、零件校正等指令。当测量循环完成或在执行程序的过程中发现操作错误时，可中断零件程序的生成，进入编辑状态修改，然后再从断点启动。(三)三坐标测量机的应用(1)多种几何量的测量。测量前必须根据被测件的形状特点选择测头并进行测头的定义和校验，并对被测件的安装位置进行找正。1)触头的定义和校验。在测量过程中，当触头接触零件时，计算机将存人测头中心坐标，而不是零件接触点的实际坐标，因而触头的定义包括触头半径和测杆的长度造成的中心偏置，以及多触头测量时各个触头定义代码。测量触头的校验还包括使计算机记录各触头沿测量机不同方向测同一测点时的长度差别，以便实际测量时系统能自动补偿。触头的定义和校验可直接调用测头管理程序、参考点标定和测头校正程序来进行，将各触头分别测量固定在工作台上已标定的标准球或杯准块，计算机即将各测头测量时的坐标值计算出各触头的实际球径和相互位置尺寸，并将这些数据存储于寄存器作为以后测量时的补偿值。经过校验的不同触头测同一点，数控机床厂可得到同样的测量结果。2)零件的找正。指在测量机上用数学方法为工件的测量建立新的坐标基准。测量时，工件任意放置在工作台上，其基准线或基准面与测量机的坐标轴(x、y、z轴的移动方向)不需要精确找正，为了消除这种基准不重合对测量精度的影响，用计算机对其进行坐标转换，根据新基准计算校正测量结果。因此，这种零件找正的方法称为数学找正。零件找正的主要步骤有：①根据采用的三维找正或二维找正方法，确定初始参考坐标系；②运行找正程序；③选定第一坐标轴；④调用相应子程序进行测量并存储结果；⑤选第二坐标轴；⑥调用相应子程序进行测量并存储结果。对于三维找正中的第三轴，系统自动根据右手坐标准则确定。工件测量坐标系设定后，即可调用测量指令进行测量。三坐标测量机测量被测工件的形状、位置、中心和尺寸等方面的应用举例。(2)实物程序编制。对于在数控机床上加工的形状复杂的零件，当其形状难于建立数学模型使程序编制困难时，常常
坐标测量 篇3
1.相对坐标法的原理及适用范围
1.1基本原理
相对坐标也叫相对直角坐标或独立直角坐标，在煤矿测量中是针对真坐标（矿区3度带坐标）相对来说的，就是用观测区域具有代表性的一个切平面来代替大地水准面，并将坐标原点选在测区适当的位置（一般位于西南角），以子午线为X轴。向北为正；相对的纬度线作为Y轴，向东为正这样就构成了独立（相对）的直角、坐标系统。
1.2适用的范围
（1）在巷道掘进或采面开采过程中，遇到条件变化临时决定改向或重新配巷，而附近又没有导线点或原有导线系统已不能使用，可采用相对坐标来应急。
（2）在贯通测量中，当开口处与贯通点附近的原有导线系统已被破坏时，也可以使用相对坐标法。即甩开原系统的影响，建立只针对本项工程的独立坐标系统，其能减少影响因素，提高贯通精度，预防和减少贯通偏差。待工程完工再根据工程的用途决定是否与真坐标系统相连。
（3）在特殊地段，受周围环境条件的限制，测量工作不允许占用大量生产时间。即在原有导线点下架设仪器要受到刮板或皮带输送机运行振动的影响，施测时输送机不能运行，这必将影响正常的掘进或出煤。使用相对坐标可缩短施测时间，为多进尺或多出煤创造了更好的条件。
2.应用实例
下面以该办法在我矿1214采面回风配巷施工中的应用为例加以说明。
2.1基本情况
该采面为下山开采，矿山压力大，回风巷AB段顶板破碎，冒过顶（冒高平均5m，最高达7m），巷道返修后煤层落在巷底以下，如果采面强行推进，一是增加了顶板管理的难度，安全没有保障；二是混人大量矸石，严重影响原煤质量。经研究决定新作一段配巷解决此问题。
AB为采面回风巷；BC段及延长为临时采至线，ADC段为即将施工的回风配巷，其中DA段垂直回风巷的AB段；DC段平行于AB段。设计上AB段长为50m，回风巷与配巷之间净煤柱为10m。由于采面压力大，底软顶碎，加上本煤层上部采空区的涌水大约每小时有60m3流入，使得采面不能长进间停下来。故决定从A点和C点同时开口施工。时間紧迫，而原回风巷内的测点有的被瓦斯抽放管等设施遮挡；有的由于巷道返修被弄掉；有的即使存在也发生了严重变形。从开口位置距能用的永久导线组最近距离达800m，重新布设已来不及。只能利用相对坐标来解决。
2.2操作过程
操作过程分以下几步：第一步在原回风巷内选择居于巷中的两点A点和B点，将A点作为施测点，B点作为后视点，根据设计按90°的夹角视线方向给出AD段的掘进中线方向；第二步以A点为后视点，B点为设站点，按设计的煤柱密度在临时停采线上找到C点，并作为前视点，测出∠ABC得263°；第三步以B点为后视点，C点为设站点按推出的夹角277°给出CD段巷道的掘进方向；第四步是严格控制AD段的掘进长度，掘到位后准确收集数据，代人假定的坐标系统，以D、C两点的假定坐标求出贯通方位，就是最后的贯通中线。
3.相对坐标法运用中要注意的几个问题
（1）设计图上的已知数据要经过严格检查，对有关参数的量取或推算要力求准确。
（2）作为巷道的参照中线要尽量居中，长度必须达到要求。
（3）对于放线长度，可参照巷道的用途和目的来选取，同时要注意新掘巷道与周围巷道的空间立体几何关系以及对周围井巷工程的可能影响程度。一般来说重要巷道和牵涉有过巷等与邻近巷道有影响的巷道放线要力求精确，角度取值应达到1′以下，长度取值误差不能超过100mm。次要巷道精度可适当放宽。
（4）对于次要巷道，若条件确实困难没有办法架设测量仪器，可使用地质罗盘仪，但要注意使用场所磁性物质影响。重要巷道禁止使用。
（5）在使用相对坐标时，如牵涉到重要巷道贯通，很有必要先将贯通点进行施测，施测的方法和精度要求按《煤矿测量规程》规定的经纬仪测量方法精度要求进行：即先将贯通点与掘进迎头点建立在同一假定的坐标系统中，分别计算出在同一坐标系统中的坐标值，在求取必要的坐标参数后，再用经纬仪在掘进头给出贯通的中、腰线。如果贯距长或本项工程对邻近采掘工程有较大影响时，事后必须将此假定的坐标系统与矿区的真坐标系统进行联测，以便取得统一资料。
坐标测量 篇4
1 坐标系的选择方法
上述对大型厂矿测量坐标系选择的规定是否满足建设中对构造物的测量的测量需要,答案是肯定的。但如何选择,非测量专业人员很难选择测量坐标系统。
我们知道测量的水平距离投影长度变形由两部分组成:
1)归算到测区平均高程面上的测量边改正,其每千米改正值为:
ΔD1≈(Hm-HP)·105/R。
其中,Hm为测量边的平均高度,km;HP为投影面的高程,km;R为地球半径,km。
2)投影到参考椭球面上的改正,其每千米改正值为:
ΔD2≈Y2·105/2 R2。
其中,Y为测量边平均横坐标,km。
在高差变化较小的地区通过选择适当的投影面,欲使总的改正值小于2.5 cm/km,所选择坐标系东西方向的跨度可以达到150 km～190 km,在一般情况下,可以满足要求。若其他相对精度较高的构造物超越东西方向跨度大于190 km时,可以通过分带的方法解决。
在高差变化较大的地区,如果不考虑投影变形的影响,只考虑归算改正,欲使其改正值小于2.5 cm/km,测区最高点与最低点高差必须小于320 m,如果超过320 m,那么就要重新选择一个投影面,这样一来,在山区,特别在高山区,当高低起伏频繁或高差较大时,势必要选择很多投影面,给测量计算,特别是勘测设计及施工放样带来很大的不便甚至混乱,因此在高差变化较大的地区,规范规定的坐标系的选择原则很难满足实际需要,尽管规定了“二级和二级以下建设中对构造物的测量、独立桥梁、隧道等,可采用假定坐标系”,但采用假定坐标系,测量成果没有进行有效的计算检核,势必留下很大的隐患。
2 坐标系的作用
对于国家平面控制网而言坐标系的主要任务和作用是满足我国各行各业基本建设和军事用途的需要,为了对我国所有版图进行有效的测量和控制,全国必须布设一个统一的坐标系,以保证全国版图内坐标的统一,便于测绘资料的统一管理和利用,便于图纸的拼接。对于一个具体的工程来讲,选择一个坐标系其作用是能够对所有的控制测量数据进行计算。在一个坐标系统内,将所有的长度测量值投影归算到同一个平面上,并通过联测国家控制点进行平差计算,以检查测量数据的正确性和可靠性,最后得到一个统一精度的坐标,由此可见工程测量坐标系尽管可以使我们获得同一个坐标系的坐标,但另一个更重要的作用是可以进行平差计算,并检查和保证测量成果的正确性和可靠性,从而保证大型厂矿施工测量的准确性。
3 山区大型厂矿测量坐标系的选择
诚然,我们在选择坐标系时力争做到与国家坐标系的统一,但是大型厂矿测量坐标系必须首先满足建设中对构造物的测量测设的需要,要满足建设中对构造物的测量测设的需求,笔者认为首先应满足以下两点需要:
1)首先必须保证全部测量成果的正确性,为此必须选择一个适当的坐标系和投影面进行计算;2)使得测区投影长度变形值不大于2.5 cm/km,满足建设中对构造物测量建设的各个阶段对测量精度的要求,保证施工建设的质量。
以前我们选择一个坐标系,使得测区投影长度变形值不大于2.5 cm/km,当然,其计算的最终坐标也是该坐标系的坐标,这是一种自然的选择,也是一种最恰当的选择。但是如前所述,当地形高低起伏频繁或高差较大时,要保证投影长度变形值不大于2.5 cm/km,就要选择较多的投影面,反之,如选择较少的投影面,那就很难保证投影长度变形值不大于2.5 cm/km,为此,笔者根据上述分析并借鉴以往低等级建设中对构造物的测量的测设办法,提出与现阶段建设中对构造物的测量工程中坐标系选择理念完全不同的方法,即在一个合适的坐标系中进行计算并平差,而最终成果采用无约束自由网推求坐标,所使用的边长长度不进行投影变形改正但却加入平差改正,角度也加入平差改正,在此提出,与各位同仁商榷,具体方法如下:
1)首先选择一个合适的投影面,如测区平均高程面、起点高程面、终点高程面或其他重点构造物高程面,选择一个合适的中央子午线,组成一个任意带直角坐标系,在此坐标系中,不一定要满足测区投影长度变形值不大于2.5 cm/km的要求;2)将施测的边长进行两项改正,并将联测的国家坐标系中的坐标改算到所选择的坐标系中;3)在所选择的坐标系中对全测区控制网进行整网平差,得到每一条边和每一个角度的平差改正数;4)将每一条实测的边长平距加入平差改正值,得到平差后边长值,将每一个实测角度加入角度改正得到平差后的角度值;5)假定控制网中某一点作为起点,过起点某一边的方向为起始方向,利用第4)步中计算的边长值和角度值推算出测区所有点的坐标。
通过以上方法进行计算:1)满足了建设中对构造物的测量工程关于测区投影长度变形值不大于2.5 cm/km的要求,事实上,通过该方法计算出的坐标和边长,其投影变形值几乎等于零,因为参加计算的边长就是实测边长;2)通过第3)步的计算,有效地对全部测量数据进行了检核通过第步的计算对所有的测量观测值实现了平差改正,消除了观测误差。
这一方法在使用时,应充分利用计算机进行计算,应将这种方法应用到平差软件的设计中去,以避免数据抄录中出现错误。使用这一方法给坐标转化带来了不便,但笔者认为坐标转化在建设中对构造物的测量勘测毕竟是一个次要方面
摘要：从《工程测量规范》关于坐标系的选择原则入手,分析了影响坐标系选择的几个方面,进而提出了满足大型厂矿测量坐标系的选择方法,并提出了相应的坐标平差和计算方法,以期为同类测量工程提供借鉴。
关键词：坐标系,选择,坐标,计算方法
参考文献
坐标测量 篇5
【关键词】工程测量；坐标系转换；设计实例
工程測量常用的建模方法就是工程坐标系，为了保证工程满足计算要求，需要合理控制投影的变化效果。为了使施工测量更加方便，需要使用中央子午线作为平均经度，并且将X轴设为主轴线，边长设为平均高程面，通过国家坐标系作为基准，完成坐标系与边长得确认，并且制定出合理的独立坐标系。
一、坐标系统概述
在工程测量工作中，坐标系统选择与转换是非常重要的工作内容。社会发展的过程中，城市、水利工程、铁路等建设活动，均需采取全面的测量工作，既需要进行大比例地图测绘，还需要进行高精度的施工放样测绘。根据我国工程测量标准规定，城市测量值应符合投影变形值<2.6cm/km，在进行水利工程与重要工程施工时，需要根据施工区域的投影变形值进行测量设计，如投影变形值<6cm/km，则使用国家标准，根据3°高斯投影进行计算，如投影变形值≥6cm/km，则使用高斯投影建立平面直角坐标，或者根据我国两个地点方位建立大坐标。为了建立出全面的测量体系，需要根据工程实际施工环境，建立出覆盖面广的工程平面控制坐标体系，明确不同坐标系的转换方法，从根本上解决工程测量中存在的问题。
二、三维坐标系
空间直角坐标与大地坐标作为三维坐标系统中的常见坐标，对空间直角与大地两种坐标体系进行转换，是三维坐标转换的基础工作。在进行空间直角坐标转换时，使用的两个坐标系通过7种参数完成转换，假设坐标系为O1-X1Y1Z1与O2-X2Y2Z2，则得出平移参数[X0、Y0、Z0]T，旋转参数[ ]T、缩放参数m，通过转换公式： ；可以得出：
R= ；
所以在求解转换参数时，需要3个点进行计算。通过公式可以得出，在进行[X1、Y1、Z1、X2、Y2、Z2]转化到[ 、X0、Y0、Z0、m]时，属于非线性转化，可通过线性计算方法进行求解，目前常用的计算公式为高斯牛顿与最小阻尼乘估法，在[ ]T作为最小角度进行计算，可以通过该简化公式进行计算： ；设a1=m 、a2=m 、a3=m ，可以得出公式 + 。
三、二维坐标系
目前我国使用的国家坐标系为北京54与国家80，也是我国各类工程测量常用的基础坐标，在这种情况下，经常涉及到转换的问题。国家坐标转换应包括观测资料转换、改化、控制坐标换算、地图变更处理等内容。目前北京54使用克氏椭球进行计算，而国家80则使用国际椭球进行计算，两坐标间存在定向差别。为了精准求出北京54在国家80中的准确位置，需要求出国家80的大地坐标，即通过公式计算坐标（B80、L80）：
该公式中，W= ，M= ，N= ， =偏心率平方差，a=克氏椭球长半径， =偏心率平方。 、 均为北京54的大地经纬度，而 、 、 为椭球参心差值。通过公式计算得出，P点国家80大地坐标为 ；根据高斯投影进行计算，可以求出国家80中的点P坐标，设置平面直角坐标为（x80、y80），该计算方法主要考虑两个坐标系中椭球参数与定位定向问题，并没有考虑国家坐标大地控制点差别，也就是说该计算工程中，国家80为整体平差，而北京54则是局部平差，所以该方法的严密性存在一定不足，在无公共点或极少量公共点中可以进行局部地图转换。
在国家坐标系用于计算低等级控制点时，可以通过近似变化法进行计算，也可以用于工程坐标系的计算之中，通过相似变化法，获得控制点的新坐标系内坐标。假设有一旧坐标系X1O1Y1，在逆时针进行α角旋转后，平移（x0、y0），即可得出新坐标系X2O2Y2，而计算点P在新坐标系的坐标关系方法为： ；如果需要根据尺度因子进行计算，则可以根据公式： ；通过上述公式可以计算得出，为了求出4个参数[x0、y0、α、m]，以最小乘法公式进行计算，计算过程中需要3个以上的公共点，在α角度较小时，该公式可以简化为 。
可以看出四参数转换主要在计算小区域平面坐标换算中应用，特点为新旧坐标几何形状不会出现变化，而公共点则会出现一定间隙。为了保证公共点坐标不会发生变化，可以根据配置发进行非公共点转换值配置，在计算公共点时，Vi=已知结果-转换结果，而公共点坐标则需要使用已知值进行计算。在进行工程坐标向国家坐标转换时，需要将变成转变为椭球面结构，之后通过高斯投影进行计算，根据国家坐标系的点与方位角合进行平差计算，或者使用近似变化法完成坐标系转换的计算工作。
结束语
在进行工程测量工作时，需要涉及到的坐标系转换工作较多，无论选择何种建立方法，必须满足测量规范要求，在进行施工控制计算时，需要保证坐标反算边长与实测边长相互一致。通过科学的坐标转换方法，可以有效提高工程可行性研究、设计、勘测、施工等工作的一致性，通过系统化的测量流程，可以为工程建设施工提供可靠保障。采取合理的坐标转换方法，可以降低施工成本，而且转换的过程简便，转换结果精度高，适用于各大勘测单位与施工单位。
参考文献
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[4] 王晓东.机载惯导及制导天线安装精密测量关键技术研究[D].解放军信息工程大学，2012（12）：1-53.
坐标测量 篇6
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。
参考文献
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[5]马晓丽, 马中, 陈艾华.误差分析[J].农业机械学报, 2007, 11.
[6]费业泰.误差理论与数据处理[M].北京:机械工业出版社, 2004.
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坐标测量 篇7
关键词：微纳米三坐标测量机,量块,等效直径
0 引言
随着微细加工技术和微电子机械系统技术的快速发展, 多种多样的微型器件相机被加工出来, 如微型涡轮、微型针阵列、微型马达以及汽车发动机中的喷油嘴。这些器件的尺寸形状对测量系统提出更高的要求, 因此, 研制高精度微纳米三坐标测量机来实现对被测件的高精度测量。日本东京大学Kiyoshi Takamasu首次提出了区别于传统三坐标测量机的纳米三坐标测量机应具备的一些技术指标。据此, 国内外一些大学和研究所开始研制微纳米三坐标测量机, 例如德国联邦物理技术研究所 (PTB) 研制的Special CMM、日本东京大学Takamatsu教授于1995年开始研制的Nano-CMM、英国国家物理实验室 (NPL) 研制的小型三维测量机、瑞士联邦计量局 (METAS) 研制的Ultra precision CMM、台湾大学范光照教授研制的Nano-CMM[1]。此外, 中国精密机械研究所 (303所) 、中国长城计量测试研究院、天津大学、清华大学等许多科研院所和高校都对微纳米三坐标测量机进行了深入的研究。
本文研制的微纳米三坐标测量机是来源于科技部“863”计划重点项目, 整个微纳米三坐标测量机系统是由微纳米接触扫描式探头[2] (测头是直径为1mm的红宝石球) 、“331”原则工作台[3,4]以及激光回馈干涉仪[5]的测量系统等部分组成。
1 微纳米三坐标测量机系统
文中研制一台新型微纳米三坐标测量机其测量范围为50×50×50mm, 各轴测长的分辨率为1nm, 测量系统设计总不确定度≤100nm。本文研究的微纳米三坐标测量机主要部分包括零阿贝误差的工作台、微纳接触扫描式探头以及准共路微片激光器回馈干涉仪。其中, 零阿贝误差工作台是基于“331”原则 (即:三轴标尺线相互垂直并交于一点, 并以此三轴测量线为基准建立三维坐标系;由x、y标尺线构成的测量面与x、y轴导轨导向面相互重合;探头中心点与各轴标尺线交点重合, 简称三线共点、三面共面、点面重合) 设计的;接触扫描式探头三轴可以实现20μm的测量范围以及1nm测量分辨率;微片激光回馈干涉仪可以实现50mm的量程, 位移分辨率优于0.1~1nm。图1是微纳米三坐标测量机的实物图。
2 探头测端等效直径测量及误差分析
本文的微纳米三坐标测量机使用的是接触式探头, 采点原理是通过二次触发的方式, 即在对被测件进行测量时, 探头第一时间碰到被测件时, 会继续运动一定的位移直至达到某一触发阈值才会记录下该点的坐标。这段接触后行走的距离则被称为探头触发的预行程, 并且包括了测杆的力变形。由于探头在接触被测件时, 测杆会发生变形、红宝石测球与被测件之间的摩擦力以及红宝石测球的形貌等因素都会对最终的测量精度有影响, 并且测量内尺寸和外尺寸引起的影响是有区别的。设为d0为红宝石测球直径。
在尺寸测量过程中, 被测长度为L1, 被测件的实际尺寸:, 测端的等效直径为d:。因此探头在使用前都要对测头进行测端等效直径的标定[6]。通过上述计算方法, 便可以获得探头的测端等效直径, 以降低测杆变形和探头触发预行程等因素对测量的影响。
本文使用的是被检定过长度为10mm和20mm两种一等量块作为测量基准, 这两种量块的检定值分别为10.000045mm和19.999998mm。由于本文中的微纳米三坐标测量机采点过程中只设计特殊角度, 所以只把量块在几个特殊角度 (0º、30º、45º、60º、90º、120º、135º、150º) 之间切换。量块的测量方法:在量块的一个平面上均匀选取六个点, 得到此平面的最小二乘平面, 在另一个平面上中间位置选取一点, 该点到最小二乘平面的距离作为该量块的长度测量值。量块测量示意图如图4所示。
首先, 按照上述测量方法测量检定值为10.000045mm的一等量块。根据长度测量原理及测端等效直径的测量原理, 得到探头在各个方向的等效直径。表1是10mm厚00级量块特殊方向的长度测量值。
为了验证测端等效外径的修正效果, 本文又进行长度检定值19.999998mm量块特殊方向的测量实验, 并用长度10mm的量块测端等效直径对长度20mm量块测端等效直径进行补偿得其误差, 其测得值如表2所示。
由实验数据处理结果可知, 这种方法在一定程度上减小量块长度测量误差, 但使用上述所述的补偿方法各个特殊方向还会存在一定的误差, 这种误差是由多种因素引起, 包括各个方向的测量力的微弱变化、探头与被测件之间摩擦力变化以及环境因素等, 为了降低这种影响, 在实验过程需要采用多次测量方法, 来降低其对测量结果的影响.
3 结束语
通过对比的实验方法在测量量块长度的实验中, 可以得到很高的测量精度, 但是还存在一定的残余误差, 带来这些误差的主要原因有:测量方法带来的误差;标定的数学模型引入的误差;探头本身引入的误差, 包括各个方向上测力的不同, 以及探头在各个方向上的的重复性的差异;测量机本身的误差;外界环境对测量结果产生的影响。
参考文献
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三坐标球头测量系统误差分析 篇8
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.
解析坐标测量技术发展方向 篇9
关键词：坐标测量技术,发展,方向
物体始终保持一定空间运动状态, 科学的测量技术是对物体空间的运动做基本的描述, 只有科学的测量才能保证科技生产力的发展与进步。测量是现代科学智能化的发展基础, 发达国家纷纷投入巨资努力发展坐标测量技术, 当前坐标测量技术发展很快, 尤其智能坐标测量技术的研究工作已成为当前研究的重点方向, 成为现代科学生产制造产品的质量保障。
1 当前坐标测量技术发展现状
随着科学技术不断的发展和进步, 坐标测量技术应用在机械工业制造中的作用越来越重要, 这是由机械工业产品精密度不断的提高要求决定的, 坐标测量技术综合电子技术和计算机技术等, 随着新型科技材料的出现, 坐标测量机 (CMM) 的应用范围和领域也不断增加, 随着计算机水平的发展, 坐标测量技术也得到了提升, 精度更高, 方便操作, 适用领域广阔, 从一个长期的发展趋势分析, 坐标测量技术伴随着自动化加工技术一起发展, 满足了现代化科技生产的需要, 所以要保障坐标测量技术的稳定发展, 就要努力从提高坐标测量机 (CMM) 精度开始, 降低CMM对周围环境的依靠, 才能提供准确的精度检测, 针对CMM在数据采集、处理方面的能力对坐标测量技术的发展方向做简单的分析。
直角与非直角的坐标测量机并存, 直角坐标测量机主要有移动桥式坐标测量机、固定桥式坐标测量机、悬臂式坐标测量机等很多形式。而生产这些坐标测量机的厂商大多为国外企业, 我国的航空精密机械研究所也取得了很大的成就。非直角的坐标测量机中激光跟踪仪和经纬仪等广泛得到使用, 是移动测量和需要大尺寸测量中应用到的重要使用工具。
2 坐标测量技术的发展方向分析
随着科学技术的发展进步, CMM的自动化、集成化、柔性化发展随着生产的需要逐步集成在生产线的使用中。CMM、机械加工和数控机床构成了CMM质量数据收集与控制的系统, 通过有效的集成工作, 几何造型形成实物三维模型。
坐标测量机的集成应用已成为坐标测量技术最要的发展方向。以目前生产的加工检测办法, 有时无法发现在加工中出现了什么问题, 既不能对问题发生时进行控制, 也不能在问题发生后, 进行修补工作。对生产中的产品加工质量做不到有力的控制, 如果将坐标测量机的集成应用系统使用在产品生产线上, 就能够完全改善现有的生产加工和检测现状。坐标测量机实现了加工与检测一步到位, 边加工边检测, 及时把加工的情况以加工参数的形式进行反馈工作, 这方便了管理控制工作人员对生产加工中的产品加工参数及时调整工作。既保证了产品加工的质量, 减少损耗报废的原材料, 也就使加工成本降低, 为企业节省加工成本, 最终为企业创造效益。
坐标测量机的数据采集要考虑到加工产品的特点, 根据产品的特点逐渐减少周围环境对坐标测量结果的影响。对加工数据也要及时处理, 根据产品的类型, 调整测量的标准, 确保测量的准确性。
坐标测量机在校准和误差补偿上实现了更简捷的操作方法, 能够非常快速的进行在线传递误差补偿, 这就是坐标测量机能够工作的环境扩大, 增加了坐标测量机的应用范围。
在坐标测量技术方面, 最主要的一个发展趋势就是制造各种复杂专用的测量机, 这些测量机大多都是为某种专业的机械零件提供检测工作, 而这一类专业的检测比起普通坐标测量机来说, 具有更先进, 更智能的解决测量问题的能力。例如:齿轮测量中心就是坐标测量技术发展的立物, 它可以有效解决各种齿轮、零件的精度检测工作, 既能保持高性能的测量工作, 还能实现齿轮对测量的高标准要求, 拓宽测量范围, 增加齿轮多数据传递的问题, 这方面坐标测量技术已得到了很大的发展。
坐标测量技术的发展还表现在高精度的激光测头的出现。激光扫描测头发展已越来越成熟, 由测头测量到被检测品, 连续的接触位移, 实现测头的转换偏移发出信号, 这种扫描式测头能测量曲线面, 也可以测量信号, 但由于技术的复杂, 大多由国外生产。
而微测头作为一个新兴的领域, 已成为现代高精坐标测量机的重要部分, 微测头技术对于坐标测量技术应用范围的扩展具有重要意义。
位移传感技术得到了迅速的发展, 坐标测量技术的精度测量也得到了发展, 当传感技术应用于坐标测量工作中, 测量的精度直接从微米亚微米提高到纳米级。
虚拟坐标的测量技术得到迅速发展, 坐标测量机、测头与被测元件同步三维模型在计算机的图形中, 通过虚拟测头与被测元件的移动和接触, 实现计算机的仿真模拟测量。这项技术使大量教学和科研工作, 在缺乏真实坐标的情况下开展测量工作, 为准确的测量工作节省费用。
我国应努力研发坐标测量技术, 实现坐标测量技术精度得到进一步提高, 满足现代对大尺寸, 高精度的要求。在发展网络化坐标技术的同时, 对高精度探测技术也努力探索, 提高角度测量的精度和测量的跟踪速度, 使坐标测量技术发展为大型零件测量必备的方法。而经纬仪、全站仪等简便携带的坐标测量技术也得到了进一步的发展。现阶段, 全站仪在汽车车身测量中已得到大面积的应用, 在飞机、桥梁等制造行业也将取得重要的发展。
3 结论
坐标测量技术经过几十年的发展, 已取得了重大的突破, 在测量范围、精度、控制及软件等方面, 都实现了兼容性强柔性佳的控制技术系统, 而高精度的智能坐标测量和远程测量技术, 都是未来坐标测量技术发展的方向。
参考文献
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坐标测量 篇10
关键词：现代工业；三坐标测量机；测量坐标系；原来分析；系统研究
一、现代工业测量理论分析
工业测量是指为工业设备安装、制造、产品质量检验以及仿真建模等进行精密三维空间定位和数据获取的测量工作。工业测量是在工业生产和科研各环节中，为产品的设计、模拟、测量、放样、仿制、仿真、产品质量控制、产品运动状态，提供测量技术支撑的一门学科。测量，内容以产品的几何尺寸为主，但也涉及色彩、温度、速度与加速度及其他物理量。
伴随工业的发展，可选择的工业测量的手段或仪器设备名目繁多，如一、二、三维的机械型量测工具或设备，各种专用的基于光机电技术的一维传感器，基于测角的各类仪器设备，基于测距的各类光电测距仪器设备，基于各种固态摄像机的摄像设备和摄影测量系统，各种专用的一、二、三维工业摄影测量系统，光学显微摄像测量系统，电子显微摄像测量系统，基于高速影像的一、二、三维摄影测量系统，基于莫尔条纹的工业测量系统，基于光波干涉原理的测量系统，基于磁力场的三维量测系统，基于结构光的工业测量或工业摄像测量系统，Motography自动测量技术，乃至用于空抛物体运动轨迹测定的全球定位系统。
二、三维坐标测量机概述介绍
三维坐标测量机是一种高效率的精密测量设备，用规定的位置时，即自动停止测量台的驱动，同时将坐标J以测量各种机械零件、模具等的形位误差、轮廓尺寸、距测量值输人计算机。测量力由螺旋圈控制，在0.IN一J离等。随着电子技术和计算机技术的发展，三维坐标测0.4N之间分三档。量机配备了专用电子计算机、打印机、绘图机等，为其实三、数据处理系统现高效率、多用途提供了可能，使用起来也更加方便。
三、三维坐标测量机的原理分析
坐标测量原理——图1
三坐标测量机是基于坐标测量的通用化数字测量设备。它首先将各被测几何元素的测量转化为对这些几何元素上一些点集坐标位置的测量，在测得这些点的坐标位置后，再根据这些点的空间坐标值，经过数学运算求出其尺寸和形位误差。如图1所示，要测量零件上一圆柱孔的直径，可以在垂直于孔轴线的截面I内，触测内孔壁上三个点（点1、2、3），则根据这三点的坐标值就可计算出孔的直径及圆心坐标OI；如果在该截面内触测更多的点（点1，2，…，n，n为测点数），则可根据最小二乘法或最小条件法计算出该截面圆的圆度误差；如果对多个垂直于孔轴线的截面圆（I，II，…，m，m为测量的截面圆数）进行测量，则根据测得点的坐标值可计算出孔的圆柱度误差以及各截面圆的圆心坐标，再根据各圆心坐标值又可计算出孔轴线位置；如果再在孔端面A上触测三点，则可计算出孔轴线对端面的位置度误差。由此可见，CMM的这一工作原理使得其具有很大的通用性与柔性。从原理上说，它可以测量任何零件的任何几何元素的任何参数。
四、三维坐标测量系统分析
1.经纬仪测量系统
（1）手动经纬仪测量系统
手动经纬仪测量系统（MTS）是由多台高精度电子经纬仪构成的空间角度前方交会测量系统，手动经纬仪测量系统的硬件设备主要为高精度的电子经纬仪T2000/T3000系列（也可联Kern的E2/E20电子经纬仪）、基准尺、接口和联机电缆及微机等组成。采用手动照准目标，经纬仪自动读数，逐点观测的方法。系统定向软件采用基于大地测量控制网平差的互瞄法或基于摄影测量的光束法平差技术。
（2）自动经纬仪测量系统
自动经纬仪测量系统（ATMS）是采用2台马达驱动电子经纬仪TM3000L和TM3000V所构成的空间前方交会测量系统，由于电子经纬仪采用马达驱动，因此操作可以自动进行。TM3000L有一个激光目标投射器，用于在被测物的表面上标志出目标点，TM3000V为摄像经纬仪，它内置一小型CCD摄像机，一个特制的广角镜可以获得一个9°×12°的目标的全景。用它来跟踪TM3000L发出的激光点，通过高精度图像处理软件可测定出目标点的三维坐标。
2.全站仪极坐标测量系统
（1）手动极坐标测量系统
极坐标测量系统是由一台高精度的测角、测距全站仪构成的单台仪器三维坐标测量系统（STS）。测角精度为±0.5″，测距标称精度为±（1 mm+1×10—6D）。用掌上计算机配合微机推出的一个产品为DCA—TC。其中DCP10软件装入掌上计算机用于控制TC2002进行数据采集和一般性处理，DCP20软件运行在微机上进行测量数据的综合处理和分析。TC2002在近距离测距时，无需棱镜作为测距目标，只需采用特制的不干胶（或磁性）反射片贴到被测物的表面上，软件处理时顾及了标志的厚度。极坐标法坐标测量系统的仪器设站非常方便和灵活，测程较远，实际上在100 m范围内的精度可达到±0.5 mm左右，因此特别适用于钢架结构测量和造船工业等中等精度要求的情况。
（2）自动极坐标测量系统
自动极坐标测量系统（APS）是由一台TM3000D马达驱动电子经纬仪和一台徕卡测距仪构成的，所用的测距仪可根据实际需求来选择某一型号。对于无棱镜合作的情况，可选DIOR3002，高精度测距仪可选DI2002。APS的照准和观测完全自动化，特别适用于露天矿建设工地等的滑坡变形监测。最新的APS—Win系统采用TM1800马达经纬仪或TCA1800/TCA2003自动跟踪全站仪。TCA1800全站仪采用了所谓的自动目标识别（ATR）技术，能自动瞄准棱镜进行测量。
3.激光跟踪测量系统
激光跟踪测量系统（LTS）的代表产品为SMART 310。与常规经纬仪测量系统不同的是，SMART 310激光跟踪测量系统可全自动地跟踪反射装置，只要将反射装置在被测物的表面移动，就可实现该表面的快速数字化，因此实际上SMART 310只需要一个操作员即可。由于干涉测量的速度极快（每秒钟最多到500次读数），因此它特别适用于动态目标的监测，如机器人的检校等。激光跟踪测量需要有专用的反射器配合，一般可根据不同的测量情况来进行选择，如“猫眼”反射器（Cat Eye）、角隅反射器（Corner Cube）、工具球反射器（TBR）等，不同反射器的常数和偏距是不同的。
4.数字摄影测量系统
采用数字近景摄影测量原理，通过2台高分辨率的数字相机对被测物同时拍摄，得到物体的数字影像，经计算机图像处理后得到精确的X、Y、Z坐标。坐标计算可采用脱机和联机2种方式。对于静态目标，脱机处理可采用单台数字相机，在2个或多个位置进行拍摄，图像可存入相机背后的PCMCIA卡中，然后将PCMCIA卡插入笔记本电脑即可进行图像处理。因此对静态目标来说，这种脱机方式只需一台数字相机，是最为经济的选择。
总结：随着新技术的发展，测量技术被广泛应用于实际工程中。与三坐标测量机配套的相应测量软件也逐渐成熟。本文讨论了在实际测量前期坐标系统建立的有关技术问题，坐标系统的建立对后续测量工作以及数据处理起到至关重要的作用。
参考文献：
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坐标测量 篇11
箱体类工件是动力机械制造的重要组件,它的原材料多为铸铁和铝合金。设计和制造精度非常高,加工难度较大,因此,许多重要零部件都选择在加工中心或数控加工设备上进行加工,同时需要配备精良的刀具及工装来保证加工精度,因而制造成本相对较高。为减少零部件废品率,从而降低产品的成本,对产品的检测就显得尤为重要。由于箱体类工件形状不规则,而且结构又比较复杂,用一般的检测手段很难测量,通常需要使用三坐标测量机通过对工件进行系统编程来实现测量。
2 箱体类工件检测的特点
从检测上来看,箱体类工件一般存在以下三个特点:
(1)加工工序多,检验项目多。工序间检测依据加工工序进行,其中不少检验项目都是由加工工艺规定的关键尺寸,一般需要100%测量。以中间体为例:加工工艺分为三序,而我们根据中间体的加工情况,结合测量实际,将测量过程分为四序来进行,以确保测量的准确性。
(2)大多数工件图纸尺寸要求都是以坐标尺寸和形位公差的来标注。所以要求我们在进行工件检测时,除了要了解工件的加工工艺,对形位公差的理论知识和实际应用也要有一个更深地理解。
(3)由于箱体类工件形状的不规则性,增加了测量难度,因此,在三坐标测量中工件坐标系的建立是进行后续测量的基础和关键,如何合理地建立工件坐标系,成为保证测量准确性的首要因素,一个错误的坐标系将直接导致工件测量数据的错误。
3 建立箱体类工件三坐标测量所需的坐标系
在三坐标测量中,通常我们使用右手螺旋定则,通过3-2-1法并且需要严格遵守以下三个步骤来确立最终的工件坐标系:(1)找正工件基准面,建立工件的第一基准;(2)确定工件的正确轴向方向;(3)设置工件的坐标原点。下面以中间体的测量为例,对三坐标测量机在实际测量箱体类工件时,如何合理地建立工件坐标系加以阐述。
首先应选定箱体类工件的基面。测量基面的选择原则:在理论上测量基面的选择必须遵守基面统一的原则,即测量基面应与设计基面、工艺基面、装配基面相一致。联系到实际情况,当工艺基面不能与设计基面一致时,应遵守下列原则:(1)在工序间检验时,测量基面应与工艺基面一致;(2)在终结检验时,测量基面应与装配基面一致。
对于中间体来说:由于中间体的加工工序分为三序,其加工基面也相应不同,我们参照图纸的标注结合加工实际,将中间体分为四序测量,根据不同的测量部位需要分别建立三个不同的工件坐标系,以完成全部尺寸测量。第一序将中间体的底平面作为第一基面,由于准10的小孔是加工时的定位孔,所以我们分别在准200大圆和准10小孔上采点,根据图纸要求,将两者的圆心作连线,沿着垂直于底平面的方向顺时针旋转理论角度45°后的虚拟轴线作为工件的轴向方向,将准200中心圆设为坐标原点,利用PCDMIS软件进行创建(见图2、图3),其坐标系的建立以及被测元素如图4所示,这样中间体第一序的工件坐标系就建立完成,这种创建方式在实际测量中既检验了中间体第一序的尺寸,又逆向验证了加工定位孔的准确性。
对中间体加工工序的第二序检测,我们分两步来测量。为确保工件坐标的一致性,第一步,平放中间体,延续一序的坐标系来检测相应的尺寸。第二步,将中间体竖直摆放,重新定义工件坐标系,此时根据图纸要求和第二序加工工艺,改变测量基面和工件的轴线方向。以内加工平面为测量基面,以左上圆孔准19和右下圆孔φ19的圆心作连线,沿着垂直于加工平面的方向顺时针旋转理论角度38°后的虚拟轴线确定为工件的轴向方向,将准84.3的中心圆设为坐标原点,创建坐标系(见图5),其坐标系的建立以及被测元素的示意图如图6所示。通过这两部分的测量,能够有效地将图纸的要求与实际加工流程结合起来,真实地反映中间体的加工状况。
由于中间体外观为非规则形状,结构复杂,三坐标机在进行测量时,受测座旋转角度(每7.5°为一旋转分度)、测针直径及测针长度所限,存在着一定的局限性,有些部位尺寸在测量上存在盲区,必须利用特殊装夹来固定工件,并且旋转至合适位置以便于测量。因此,对于中间体的局部部位,为确保测量数据的准确性,我们必须进行单独测量,根据工件局部实际情况,采用平面/直线/圆这三个基本元素来建立坐标系。将加工平面设置为基面,以工件摆放方向为坐标轴线,将中间圆定为坐标原点创建一个局部坐标系(如图7、图8所示),其坐标系的建立以及被测元素的示意图如图9所示。
针对这三个不同的坐标系建立,我们再分别进行中间体的后续实体测量编程和测量数据的评价,这样一个完整的中间体测量程序就顺利完成了,其最终的检测报告将真实地反映中间体的实际加工情况。
4 结语
我们通过一系列的实际测量数据证明,合理的坐标系建立对于箱体类工件测量的准确性起到决定性的作用,这就要求我们在实际测量中多方面考虑坐标系建立的合理性,进一步完善三坐标检测流程。
摘要：探讨了在三坐标测量中合理建立工件坐标系对箱体类工件测量的重要性,并引用实例说明了其测量结果将直接影响工件测量的准确性。
关键词：三坐标测量机,坐标系,基面,右手螺旋定则,3-2-1法,旋转
参考文献
[1]张国雄.三坐标测量机[M].天津:天津大学出版社,1999.
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