三坐标测量技术和实用编程.docx

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三坐标测量技术和实用编程

目录

论文标题……………………………………………………………3

引言…………………………………………………………………4

一、三坐标测量机概述………………………………………………5

（一）测量机的组成和基本原理…………………………………5

（二）坐标系统……………………………………………………5

二、三坐标测量机硬件………………………………………………6

（一）机械结构……………………………………………………6

（二）控制系统……………………………………………………7

（三）探测系统……………………………………………………10

三、三坐标测量机软件……………………………………………12

（一）CAD数模测量软件包………………………………………12

（二）直接CAD接口的测量软件…………………………………13

四、测量技术应用…………………………………………………14

（一）箱体类零件的测量…………………………………………14

（二）自由曲面类零件的测量……………………………………16

（三）反求测量……………………………………………………16

五、实用测量编程…………………………………………………17

（一）联机编程、脱机编程………………………………………17

（二）自动编程……………………………………………………17

（三）高级编程……………………………………………………17

六、三坐标测量机的维护和保养…………………………………32

七、结论……………………………………………………………33

致谢……………………………………………………………33

参考文献………………………………………………………34

三坐标测量技术与实用编程

摘要

随着制造业的迅猛发展和全球经济一体化的猛烈冲击，中国的企业正在经历着一场史无前例的脱胎换骨的变革，即由原有的低技术含量的劳动密集型的粗旷加工，转变为拥有先进制造技术、工艺与检测流程的技术密集型的精益生产，由非数字制造、非精密制造，转变为数字制造、精密制造，从依靠批量生产和廉价劳动力取胜的世界工厂，转变为追求高品质，具有真正核心竞争力的现代生产制造企业。

计量与测量技术的发展、变革、参与和推动，将成为制造业变革中至关重要的因素。

三坐标测量机对于大多数制造业，特别是汽车、模具、机床、加工制造、航空航天等领域都具有十分重要的意义，它使企业在质量控制和管理中不断提升自己的产品质量和工作效率，从而更加能满足顾客的需求和服务。

关键词：

三坐标测量机、坐标系统、探测系统、PCDMIS测量软件、CAD数模、自由曲面测量、逆向工程、流程控制语言。

引言

三坐标测量机已经成为当前工业产品尺寸检测的主要设备。

由于现代工业生产的批量性、产品规格、系列的多样性以及产品越来越复杂，因此，制定合理的零件检测程序，开发出高水平的三坐标检测程序，并加以有效管理对提高产品检测技术和质量保证水平都是十分重要的工作。

本文首先论述了桥式三坐标测量机的结构特点和工作原理，介绍了三坐标测量机硬件系统、软件系统和探测系统，通过本论文的阐述能够运用三坐标测量机及其先进测量软件（本文指PC-DMIS软件）进行自动编程、脱机编程等。

可适合三坐标测量机的使用者、设计人员、质量控制人员、管理人员等参考。

本论文测量技术应用部分是写运用三坐标测量软件的基本功能测量零件的几何元素特征，如点、线、面、弧、槽、圆、圆柱、球体、锥体、形位公差及空间几何元素的位置关系，通过编程能够满足各种零件测量。

本论文实用测量编程部分是写利用软件的流程控制语言及VB语言进行高级测量编程，实现程序的简单化，给测量工作带来更佳的效果，从而能够大大提高测量工作效率和测量的准确性。

一、三坐标测量机概述

三坐标测量机，它的英文全称为：

CoordinateMeasuringMachine，是在三维空间上通过采集点的三维坐标来评定物体几何形状，是集光、电、气、机械与计算机技术融为一体高精度、高效率的一种自动化先进坐标测量机器，也是制造业中必不可少的一种检测设备。

本文主要介绍的是移动桥式三坐标测量机，如图

（1）：

（一）三坐标测量机的组成和基本原理

坐标测量机一般由主机（包括光栅尺）、控制系统、软件系统及测头组成，如图

（2）所示：

图

（1）移动桥式坐标测量机图

（2）三坐标测量机组成部分

坐标测量机的基本原理是将被测零件放入它允许的测量空间，精确地测出被测零件表面的点在空间三个坐标位置的数值，将这些点的坐标数值经过计算机数据处理，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、位置公差及其他几何量数据。

（二）坐标系统

1.机器坐标系：

开机时机器回原点的位置，以X、Y、Z三个导轨方向为坐标轴所构成的直角坐标系，称为机器坐标系，它是固定在坐标测量机上的坐标系。

图（3）所示：

2.零件坐标系：

通过被测工件的设计或工序基准建立起来的坐标系称为零件坐标系，它是固定在零件上的。

图（3）所示：

图（3）机器坐标系、零件坐标系

二、三坐标测量机硬件

（一）机械结构

根据ISO10360国际标准《坐标测量机的验收检测和复检检测》第一部分的规定，根据机械结构，对主要的测量机结构类型作以下分类：

移动桥式坐标测量机、固定桥式坐标测量机、龙门式坐标测量机、水平悬臂坐标测量机等。

每种测量机都具有各自的特点并运用于各行个业，各种测量机类型如图（4a、b、c、d）所示：

（a）移动桥式坐标测量机（b）固定桥式坐标测量机

（c）龙门式坐标测量机（d）水平悬臂坐标测量机

此外还有导轨及轴承、机械传动、平衡机构、光栅等结构。

这里只作简单叙述：

1．导轨及轴承：

测量机的导轨是保证机器平稳、高精度运动的关键，目前主要采用气浮导轨及直线滚珠导轨两种形式。

2．机械传动：

有两大部分，一是减速器部分，二是主传动部分；主传动部分可分摩擦传动及齿合传动。

摩擦传动有：

转动钢带传动、固定钢带传动、直接摩擦传动、固定杆传动、斜轮（转动杆）传动；齿合传动有：

齿轮齿条传动、柔性齿条传动、滚珠丝杠传动、同步带传动。

3．平衡机构：

垂直测量机的Z轴或水平臂测量机的水平臂及头架组件，由于重力作用会下掉，必须有机构加以平衡，使它处于随意平衡状态。

目前常用的平衡机构有三种，一种是重锤平衡，另一种是气动平衡，还有一种是

依靠电机用高速减速比的减速器来平衡。

4．光栅：

光栅一般由尺身及读数头两部分组成，尺身上有着均匀排列（按

直线或圆周）的刻线作为长度基准，读数头上有读数光栅以及光学器件如发射光的器件、按一定规律排列的接收器件及透镜等光学器件，主要参数有栅距ω、精度、热膨胀系数及不确定度、光栅所适应的速度和加速度。

目前在三坐标测量机上应用最为广泛。

（二）控制系统

从控制系统的角度来划分，三坐标测量机可分为手动型、机动型、CNC数控型三种模式。

1．手动控制系统：

主要包括坐标测量系统、测头系统、状态监测系统等，其结构简单、成本低，适合对精度和效率要求不高，而要求低价格的用户。

2．机动控制系统：

与手动型控制系统比较，机动型控制系统增加了电机、驱动器和操纵盒。

测头的移动是用操纵盒通过电机来驱动，电机运转的速度和方向都通过操纵盒上手操杆偏摆的角度和方向来控制。

3．CNC控制系统：

CNC数控系统主要由控制器、驱动器、细分器、光栅、测头、电机、操纵盒几部分组成。

测量的过程是由计算机控制，可以实现自动测量、自学习测量、扫描测量，也可通过操纵盒进行机动测量。

图（5）CNC控制系统框图

（1）控制器由控制卡与控制软件组成，是整个数控系统的核心。

现代的先进控制卡大多采用DSP（DigitalSignalProcessor,即数字信号处理器）代替以前的CPU，DSP所具有的高速运算功能，使得控制周期缩短，大大提高了系统的轨迹控制能力，测量机动作更快，测量效率更高；控制软件是控制系统的一个个重要组成部分，软件结构与控制卡的硬件结构及功能密切相关。

（2）驱动器其性能直接影响机器的运行特性。

现代三坐标测量机上一般采用脉宽调制系统，是按一个固定的频率来接通和断开直流电源，根据输入信号的大小改变一个周期内的“接通”和“断开”时间的长短，通过改变电机电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电机的转速。

它具

有调速比高、响应速度快、起动性能好特点，还具有过压、过流、过速、过

热等多种保护手段。

（3）光栅尺坐标测量机的长度基准有多种：

光栅、感应同步器以及激光干涉仪等，目前光栅尺主要有金属的和玻璃的两种，它在1mm的间距内刻有高达10~100条的刻线，每条刻线间的距离（即栅距）为10~100μm。

（4）细分器根据其工作原理的不同，可分为硬细分和软细分两种。

硬细分主要是将移相电阻链与数字逻辑电路相结合，得到细分脉冲信号。

硬细分电路的原理是：

先将光栅输出信号放大，经电阻链移相，输出一系列五细分或十细分的正弦信号；再通过幅值比较器输出相位各异的系列方波；经数字逻辑电路组合提高细分数，产生含有方向信息的计数脉冲，由于最终的A+、A-、B+、B-四路脉冲信号的上升沿都对计数器产生触发，所以又进行了一次计数四细分。

一般细分倍数是5的倍数，常见的有20倍、40倍、100倍等几种。

软细分是以A/D转换器与CPU为核心，它的工作原理是：

将光栅读数头输出的四路模拟信号+sin、-sin、+cos、-cos经差动放大器后成为两路正交正弦信号，这两路信号经采样保持器和模拟开关进入A/D转换器。

当采用控制信号到来时，两路模拟心海由采样保持器同时采样。

CPU控制模拟开关与A/D转换器分别对两路信号转换，得到两路信号的幅值，此幅值经软件运算得到正切值，再结合所处的象限，得到光栅信号相位角。

再加上累计的整周期数，就可算出空间坐标值。

它的细分倍数一般都是8的倍数。

（5）电机绝大多数的测量机采用的是直流电机、测速机伺服机组，也有少数采用直线电机、步进电机等。

由于三坐标测量机精度高，在测量时又经常高速地正反向切换，若每分钟采集100个点，则电机就必须每分钟正反向切换共200次，且要求运行平稳。

因此，测量机所选用的电机性能要求起动扭矩大、起动电压低、时间响应快。

（6）操纵盒由手操杆和功能键组成，操纵杆偏移的方向既是机器运动的方向，偏移的角度控制着机器的运行速度；功能键一般由急停键、速度键、快/慢速转换键、单轴锁定键、电机加电键、虚点记录键、元素确认键、删除键

等组成。

不同的操纵盒功能键不完全相同。

（三）探测系统

探测系统是由测头及其附件组成的系统。

测头是测量机探测时发送信号的装置，它可以输出开关信号，也可以输出与探针偏转角度成正比的比例信号，它是坐标测量机的关键部件。

测头精度的高低很大程度决定了测量机的测量重复性及精度，不同零件需要选择不同功能的测头进行测量。

探测系统的主要组成部分及其特性：

1．测头

（1）触发测头与扫描测头

触发测头又称开关测头，主要任务是探测零件并发出锁存信号，实时的锁存被测表面坐标点的三维坐标值。

扫描测头又称比例测头或模拟测头。

此类测头不仅能作触发测头使用更重要的是能输出与探针的偏转成正比的信号，由计算机同时读入探针偏转及

测量机的三维坐标信号，以保证实时的得到被探测点的三维坐标。

（2）接触式测头和非接触式测头

接触式测头需与待测表面发生实体接触，其基本结构和原理如图（6）：

非接触式测头：

此类测头不需与待测表面发生实体接触，例如光学探测系统，本文不作详细描述。

2．分度测座

这里主要介绍自动可分度测座：

两个自由度的测座可在空间内以良好的重复性自动定位测头，能够自动更换测量传感器，旋转后不需要重新校准测头，因此针对工件的表面可以选择最合适的角度测量，多应用于多表面的箱体零件的检测。

图（6）触发测头基本结构

3．附件

（1）更换架：

对测量机测座上的测头/加长杆/探针组合进行快速、可重复的更换，可在同一测量系统下对不同工件进行完全自动化检测。

（2）加长杆和探针

4．测头参数对精度的影响

（1）探针长度对等效直径的影响，图（7）：

（2）测头触测速度对测量精度的影响，图（8）：

图（7）测杆长度对等效直径的影响图（8）测头触测速度对测量精度的影响

图（9）探针长度对检测精度的影响

（3）探针长度对检测精度的影响，图（9）：

三、三坐标测量机软件

准确、稳定、可靠、精度高、速度快、功能强、操作方便，是对测量机总体性能的要求。

测量机本体包括测头只是提取零件表面空间坐标点的工具，实际上，由于误差补偿技术的发展，算法及控制软件的改进，测量机的精度在很大程度上依赖于软件，测量机软件成为决定测量机性能的主要因素。

目前PC-DMIS软件是测量机运用最广泛的软件之一，广泛应用于测量汽车、模具、机床、加工制造、航空航天等零件和产品，它还可提供齿轮、叶片、CAD直接接口模块，满足不同用户特定检测要求。

（一）CAD数模测量软件包

具有CAD功能的测量软件，只利用软件就能够完成脱机测量程序的编制，不需要测量机也不需要实际工件，大大提高了零件编程技术，它可作为仿真模拟，既能检查测头干涉，也能验证程序逻辑和测量流程的正确性，极大地提高了测量机的使用效率或有效利用时间，同时也降低了检测成本。

如图（10）：

图（10）具有CAD功能的测量软件

（二）直接CAD接口的测量软件

具有直接的CAD接口的测量软件应当具备与主要CAD/CAM系统的直接接口；所说的测量软件与CAD/CAM的直接接口意味着软件系统可以简单地导入和编译不同格式的CAD文件，包括IGES、DXF、STEP、VDAFS、DES、XYZIJK等通用格式在内的CAD图形数据。

如图（11）所示，在制造业中常用的CAD系统有：

Unigraphics、Catia、Pro/Engineer、I-DEAS和ACIS。

图（11）测量软件与CAD的接口

其他软件还有统计分析软件，逆向工程CAD软件、专用测量评价软件等。

四、测量技术应用

（一）箱体类零件的测量

这类零件以组合平面和孔或轴为主要元素，主要测量空间尺寸以元素的形状位置误差。

它的原材料多为铸铁和铝合金，是动力机械制造的重要组件，设计和制造精度非常高，加工难度较大，因此，许多关键重要部件都选择专用机床或数控加工设备进行加工，而且还要配有精良的刀具，制造成本很高。

如图所示：

从检测上来看，该类工件一是送检工序多，其中不少项目都由工艺规定100%测量；二是大多都以坐标尺寸和形位公差的测量为主。

所以，从事这类工件检测的人员除要了解加工工艺外，对形位公差的理论研究和实际应用也要有一个基本的了解。

在箱体类工件的检测中，为保证装夹安稳和避免测头在机器坐标系的-Z方向超程，必须要有一些辅具来支撑。

如垫铁、角铁、千斤顶以及虎钳等。

1．箱体类工件常用的找正方法：

（1）测量基面的选择原则

测量基面的选择必须遵守基面统一的原则，既测量基面应和设计基面、工艺基面、装配基面相一致。

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；

（2）辅助基面的选择原则

①选择精度较高的尺寸或尺寸组（如尺寸较长的尺寸组）作为辅助基面。

当没有合适的辅助基面时，应事先加工一辅助基面作为测量基面。

②应选择稳定性较好且精度较高的尺寸作为辅助基面。

③当被测参数较多时，应在精度大致相同的情况下，选择各参数之间关系较密切的，便于控制各参数的一参数（或尺寸）作为辅助基面。

（3）找正第1轴所选元素：

线元素、面元素以及构造的线元素、面元素

（4）找正第2轴所选元素：

除了线元素、面元素，还可用点元素（点、圆、球等）,以及由各种类型元素再构造的建轴元素。

如：

一圆与一槽的连线、两圆中点与两圆中点的连线、圆与交点的连线等等诸多组合。

（5）下面是几种常用的找正方法示意图：

①一平面两孔

②一圆柱（包括阶梯柱）两孔

③一平面（包括三阶平面）一线

④一平面一圆柱（包括阶梯柱）

⑤一圆柱（包括阶梯柱）一线

⑥两平面

（二）自由曲面零件的测量

自由曲面（包括自由曲线）类零件，以测量轮廓度为特点，从简单的凸轮到飞机机翼和汽车覆盖件。

CAD数模的使用是曲线、曲面的测量数据处理方法由“点到点”改变为“点到曲线”和“点到曲面”，在软件包内部使用的理论模型是真正的曲线、曲面。

这一改变提高了测量数据的精度，克服了测量机的空间定位误差的影响。

加上连续扫描测头的应用，是测量效率大幅度提高，通过扫描线实现一个截面轮廓的测量和分析。

（三）反求测量

反求测量即逆向工程测量，是三维数据的采集，分两种：

一是简单复制，也叫CAM反求，传统上叫仿型，要求百分百复制零件。

这种反求方法简单，用测量机实现的方式是使用连续扫描测头，逐行连续采集数据，并直接转换为加工刀具路径。

这种反求适用于精度要求不高和简单的低端产品。

二是由点云（PointCloud）直接生成曲面数模。

五、实用测量编程

（一）联机编程和脱机编程

联机编程又叫“自学习”功能，所谓自学习是指为了精确测某一零件或是为了能自动测量相同的一批零件，计算机把操作者手动操作的过程及相关信息记录下来，并存储在文件中的一种功能，重复测量时，只需调用该文件，便可自动完成记录的全部测量过程，其优点是简单易学，缺点是编程时会占用太多测量机时间。

脱机编程是在另一台计算机上安装测量软件，根据图纸和测量要求，在测量软件提供的编程平台上进行测量。

（二）自动编程

自动编程其含义是测量机一方面读取CAD文件，自动构筑虚拟工件，并根据虚拟工件自动建立检测规划，自动生成测量路径，自动完成检测，并将实际工件的检测结果反馈给主控计算机。

（三）高级编程

1．利用VB/VC外部编程

外部编程是指在测量软件平台下，通过VB/VC等高级编程语言进行高级编程。

PC-DMIS软件提供了强大的外部编程能力，通过VB/VC++高级语言进行高级编程。

下面简单地举例描述VB编程的全过程：

这个例子是用VB实现特殊测量结果报告的输出，也就是PC-DMIS测量完成后，把所有测量点坐标提取出来直接写到一个ASCII文件中。

步骤1：

打开PC-DMIS软件。

步骤2：

编写测量点元素的PC-DMIS程序。

运行该PC-DMIS程序后，得到了一些点坐标和圆心坐标，下面编制一VB程序，从测量结果中提取出点坐标，并保存到一文件中。

步骤3：

打开VB软件，编写VB程序。

打开VisualBasic，选择菜单“文件”->“新建工程”，这时出现一对话框选择新建种类，如下图：

图（12）VB选择“新建工程”

步骤4：

工程文件类型

选择“标准EXE”并按“确定”，这时VB就进入一个可供编程的新工程，该工程开始时提供了一个空的Form，如下图：

图（13）空的Form

步骤5：

添加命令按钮

通过工具菜单，在新工程中，添加命令按钮，方法是：

在VB左边的工具栏中，选择CommandButton，并在这个空的Form中“画”一个Button。

在右边的属性栏中，首先修改“名称”为cmdGetPointsData，然后修改“Caption”为“取出测量点数据”，这里设计的Form如图（14）所示：

图（14）添加命令按钮

用鼠标双击Button,这时VB产生一个空的Function,如下：

PrivateSubCommand1Click（）

EndSub

步骤6：

引用PC-DMIS编程接口。

把PC-DMIS编程接口引用到该工程中,方法是:

选择菜单“工程”->“引用”,这里出现引用对话框，在“可用的引用”中找到PC-DMIS3.5（或3.2）并选择上，如下图：

图（15）“可用的引用”菜单

确定后，PC-DMIS的接口库PCDLRN.TLB就被加入到我们的工程中了。

步骤7：

在函数中添加内容。

在函数中添加内容，完成设计要求动作，方法是：

在Command1_Click（）函数体中加入程序代码：

PrivateSubCommand1_Click（）

DimappPcdmisAsNewPCDLRN.Application

DimprtsPcdmisAsPCDLRN.PartPrograms

SetprtsPcdmis=appPcdmis.PartPrograms

DimprtPcdmisAsPCDLRN.PartProgram

SetprtPcdmis=appPcdmis.ActivePartProgram

DimcmdsPcdmisAsPCDLRN.Commands

SetcmdsPcdmis=prtPcdmis.Commands

DimcmdPcdmisAsPCDLRN.Command

DimfeatNameAsString

DimmeasX,measY,measZAsString

DimtheoX,theoY,theoZAsString

Open"c:

\point.txt"ForOutputAs#1

ForEachcmdPcdmisIncmdsPcdmis

IfcmdPcdmis.Type=AUTO_VECTOR_FEATUREThen

featName=cmdPcdmis.ID

measX=cmdPcdmis.GetText（MEAS_X,0）

measY=cmdPcdmis.GetText（MEAS_Y,0）

measZ=cmdPcdmis.GetText（MEAS_Z,0）

theoX=cmdPcdmis.GetText（THEO_X,0）

theoY=cmdPcdmis.GetText（THEO_Y,0）

theoZ=cmdPcdmis.GetText（THEO_Z,0）

Print#1,featName+"X"+"Y"+"Z"

Print#1,"ACT",measX,measY,measZ

Print#1,"NOM",theoX,theoY,theoZ

Print#1,

EndIf

Next

Close#1

EndSub

步骤8：

执行VB程序

执行VB程序（PC-DMIS不能关闭，否则VB程序执行后,没有结果输出）出现如下对话框：

图（16）选用命令按钮

按“取出测量点数据”按钮，您可以在c:

\目录下发现一个名为point.txt的文件，该文件内容如下：

这样，我们就把数据从PC-DMIS中成功的取了出来，存到了指定的文件中。

2．利用流程控制语言进行编程

通过流程控制语句可实现复杂程序的简化、按照公式的计算、循环测量等。

高级编程语句

（1）：

赋值语句

赋值语句用于定义变量，即把一个常量或表达式赋值于变量，同时完成变量的定义。

在程序中的语句：

赋值/V1=10

赋值/V2=2*V1+V1/2

赋值/V3=（V1^2-1）/V2

特征/评价数据的引用，可以把特征或者评价的值赋给一个变量，然后可以用于公式计算。

例如：

赋值/DIA_M=（圆1.DIAM+圆.DIAM）/2

赋值/XX=距离1.MEAS

高级编程语句

（2）：

条件判断语句

条件判断语句用于根据给定的条件（表达式）作出相应判断。

常用的条件判断语句有以下三种：