三坐标 培训教程

1、 三坐标三坐标(CMM) 培训教程培训教程培训课程目标培训课程目标n一 了解三坐标n二.掌握三坐标测量基础知识n1. 了解为什么并且如何进行测头校正n2. 完全理解如何建立零件坐标系n3. 掌握基本几何元素特性一. 三坐标介绍1.三坐标的作用2.三坐标的定义，原理3坐标测量机基本组成4.常见测量机主机结构形式5.活动桥式测量机的构成和及功能6.三坐标的工作环境要求.1.三坐标的作用n三坐标测量仪，也叫三坐标测定器、三坐标测量机或三次元，是一种三维测量仪器，主要用于各种加工品、模具等的各种尺寸以及集合公差的测量。同时也是逆向工程的有效工具，在汽车、航天、模具、机械加工、塑胶等行业有广泛的应用。

2、2.1三坐标定义 由三个运动导轨，按笛卡儿坐标系组成的具有测量功能的测量仪器，称为坐标测量机，并且由计算机来分析处理数据（也可由计算机控制，实现全自动测量），是一种复杂程度很高的计量设备。它的英文名为（coordinate measuring machine, CMM),俗称三坐标或三次元直角坐标系直角坐标系直角坐标系直角坐标系XZYZXYMicrovalMicroXcel &Xcel Machine坐标轴规定坐标轴规定Older MistralScirocco & Typhoon Machine坐标轴规定坐标轴规定2.2.三坐标测量原理 几何量测量是以点的坐标位置为基础的，它分为一维、二维和

3、三维测量。坐标测量机是一种几何量测量仪器，它的基本原理是将被测零件放入它容许的测量空间，精密地测出被测零件在X、Y、Z三个坐标位置的数值，根据这些点的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，经过数学计算得出形状、位置公差及其他几何量数据。ZY原点原点测量机的空间范围可用一个立方体表示。立方体的每条边是测量机的一个轴向。三条边的交点为机器的原点。X每个轴被分成许多相同的分割来表示测量单位。测量空间的任意一点可被期间的唯一一组X、Y、Z值来定义。XZ1005Y105 | | | | | | | | 5 10实例实例 1测量点的坐标分测量点的坐标分别是别是: X =

4、10Y = 5Z = 5XZY1051050 5 10 | | | | | | | | X = 0Y = 0Z = 5105XZY | | | | | | | | 105 0 5 10实例实例 2测量点的坐标分测量点的坐标分别是别是: X = 10Y = 10Z = 0XZ0Y | | | | | | | | 105105 5 10实例实例 3测量点的坐标分测量点的坐标分别是别是: 3坐标测量机基本组成(Y)1.主机2.控制器3.测头系统4计算机4.常见测量机主机结构形式 1.活动桥式特点 : 结构简单,开敞性好,视野开阔,上下零件方便,运动, 速度快,精度比较高,有小型,中型,大型几种形式.

5、4.常见测量机主机结构形式2.固定桥式特点:由于桥架固定,刚性好,动台中心驱动,中心光栅阿贝误差小,以上特点使这种结构的测量机精度非常高,是高精度和超高精度的测量机首选结构4.常见测量机主机结构形式3.高架桥式特点:高架桥式测量机适合于大型和超大型测量机,适合于航空,航天,造船行业,的大型零件或大型模具的测量,一般采用双光栅,和双驱动,等技术,提高精度.4.常见测量机主机结构形式n4.水平臂式 n特点:水平臂式测量机开敞性好,n测量范围大, 他可以有两台机器n共同组成双臂测量机,n尤其适合汽车钣金件的测量5.活动桥式测量机的构成和及功能一. 主机 1. 工作台（一般采用花岗石）。用于摆放零件支

6、撑桥架 和被测零件. 2.桥架，支撑Z滑架,形成相互垂直的的三轴. 3.导轨,具有精度要求的运动导向轨道,是测量基准. 4.光栅系统（光栅，读数头，零位片），是测量基准. 5. 驱动系统(伺服电机,传动带) . 6空气轴承气路系统（过滤器，开关，传感器，气浮块，气管，） 7支撑架，随动带。 计数系统部件(读数头和光栅尺)传动系统部件气路系统的部件(过虑器,气浮块)5.活动桥式测量机的构成和及功能n二. 控制系统 n1控制，驱动测量机的运动，三轴同步。速度。加速度控制。n2.在有触发信号时采集数据，对光栅读数进行处理。n3根据补偿文件，对测量机进行21项补偿。n4采集温度数据，进行温度补偿。n5

7、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。n6配备有扫描功能的测量机，由于扫描测头采集的数据非常大，必须用专门的扫描数据处理单元进行处理，并控制测量机按照零件表面形状，保持扫描接触的方式运动。n7与计算机进行各种信息交流。n 虽然控制系统本身就是一台计算机，但是没有与外界交互的介面，交流方式主要是RS232接口或网卡.二. 控制系统(控制柜)5.活动桥式测量机的构成和及功能n三. 测头系统是数据采集的传感系统,测座分为手动和自动两种.n一般有四部分组成, 1.测座2转接器,3传感器 4. 测杆典型的几种测头(手动)nMH8(手动分度测座手动分度测座)： n紧凑

8、的可分度测座，专为小型手动测量机设计紧凑的可分度测座，专为小型手动测量机设计，n可重复分度，减少了由于重新定位而对测杆进可重复分度，减少了由于重新定位而对测杆进n行的修正。行的修正。n特点：特点：n1. 测头连接采用测头连接采用M8螺纹螺纹n2. 可在可在168个位置实现重复定位，本身自重个位置实现重复定位，本身自重205gn3. 在设置过程中，在相应位置只需修正一次在设置过程中，在相应位置只需修正一次测头测头n4. 最大支持能力：可与最大支持能力：可与TP6、TP2相连接相连接n5. 与与TP2相连最长可连接相连最长可连接50mm加长杆加长杆典型的几种测头(手动)nMH20i(可重复分度紧凑

9、形测座可重复分度紧凑形测座)：nMH20i具有良好的分度定位重复性，从而有效具有良好的分度定位重复性，从而有效的提高了多方向测头的提高了多方向测头/测杆配置和测座位置情况下测杆配置和测座位置情况下的理想选择，使得复杂的测量任务在一次就能完的理想选择，使得复杂的测量任务在一次就能完成。成。n特点：特点：n1. 可重复分度定位，加少持续重新校正的需可重复分度定位，加少持续重新校正的需要要n2. 168个可重复定位，以个可重复定位，以15度进位，在进行度进位，在进行重复测头定位的情况下提供了最大的灵活性重复测头定位的情况下提供了最大的灵活性n3. 锁定锁定/解开特性，便于实现定位并解除了不解开特性，

10、便于实现定位并解除了不必要的磨损必要的磨损n4. 便于读取的刻度显示，可快速重定位到校便于读取的刻度显示，可快速重定位到校正过的位置正过的位置n5. 最大加载：最大加载：EM2 TP20加长加长75mm(MIP 60mm)n6. 自重：自重：210g（不包括（不包括shank）典型的几种测头(自动)nPH10M/PH10MQ/H属于功能属于功能强大的分度机动测座，能够携带强大的分度机动测座，能够携带长加长杆和各种测头。具备高度长加长杆和各种测头。具备高度可重复性的动态连接，允许快速可重复性的动态连接，允许快速的测头或加长杆更换而不需要重的测头或加长杆更换而不需要重新校正。新校正。n特点：特点：

11、n1. 自动关节固定，可重复测自动关节固定，可重复测头定位头定位n2. 对于手动输入可自动转换对于手动输入可自动转换n3. 完善的多线功能完善的多线功能n4. 7.5度为一个分度度为一个分度n5. 720个可重复定位个可重复定位n最长可加最长可加300mm加长杆（加长杆（PAA3） 典型的几种测头(自动)n PH10MQ/PH10MQH，能够，能够固定在测量机固定在测量机Z轴内部，从而可通轴内部，从而可通过提高过提高Z轴的行程，使得具备更大轴的行程，使得具备更大的测量空间。测座，配有测头和的测量空间。测座，配有测头和适配器自动连接器。适配器自动连接器。n特点：特点：n1. 7.5度为一个分度度

12、为一个分度n2. 720个可重复定位个可重复定位n最长可加最长可加300mm加长杆（加长杆（PAA3） 典型的几种测头(扫描测头)nSP600/SP600M：nSP600、SP600M（多线式）属于模拟（多线式）属于模拟测头，是轮廓扫描、测量机测量以及完测头，是轮廓扫描、测量机测量以及完成精细部件扫描的理想选择。成精细部件扫描的理想选择。n该测头使得测量机能够快速采集大量该测头使得测量机能够快速采集大量点，从而实现检测和数字化的目的。该点，从而实现检测和数字化的目的。该测头系统允许在测杆长达测头系统允许在测杆长达200mm时，在时，在每个方向以每个方向以7mm的步距进行移动，采用的步距进行移动

13、，采用RENISHAW的的PH10M测座，能够实现测座，能够实现任何方向的定位。任何方向的定位。n该测头具备完善的回零（自定义中心该测头具备完善的回零（自定义中心）性能，实现了较小探测力情况下的触）性能，实现了较小探测力情况下的触发。发。n重量轻、结构稳定性好、无摩擦粘滞重量轻、结构稳定性好、无摩擦粘滞阻力，使得该测头系统具备优异的动态阻力，使得该测头系统具备优异的动态性能。性能。 典型的几种测头(扫描测头)nOTP6M光学触发式测头系统：光学触发式测头系统：nOTP6M光学触发式测头系统，采用了光学触发式测头系统，采用了可是激光束（可是激光束（2级）提供了在测量机上非级）提供了在测量机上非接

14、触的检测方案。接触的检测方案。n该系统包括了来自该系统包括了来自WOLF&BECK的激的激光测头光测头(OTP6-LD),采用了三角发光学原采用了三角发光学原理，并配合以理，并配合以RENISHAW的接口（的接口（OPI6）.n该测头可用来检测柔软或易碎的材料，该测头可用来检测柔软或易碎的材料，同时要求工件表面的光泽不会引起对于表同时要求工件表面的光泽不会引起对于表面评价的偏差。并便于从现有标准的触发面评价的偏差。并便于从现有标准的触发式测头实现升级。式测头实现升级。n该测头具有良好的该测头具有良好的Z向重复性，并具有向重复性，并具有边缘触发功能。边缘触发功能。n特点：特点：n1. 可视激光束

15、（可视激光束（2级）级）n2. 正负正负1微米重复性微米重复性n3. 便于升级改造便于升级改造无额外软件无额外软件n多线式自动连接多线式自动连接 典型的几种测头(扫描测头)nWIZprobe是来自于是来自于NEXTEC公司的公司的一款先进的非接触光学扫描测头，具一款先进的非接触光学扫描测头，具有快速、精确和高可靠性的几何测量有快速、精确和高可靠性的几何测量功能。功能。n该测头可简便的用在任何测量机上该测头可简便的用在任何测量机上，并能够取代传统的机械接触式测头，并能够取代传统的机械接触式测头。n利用利用WIZprobe无以伦比的精度和大无以伦比的精度和大的动态范围，使其可以非常简便的进的动态范

16、围，使其可以非常简便的进行扫描程序的编制，并能够快速而精行扫描程序的编制，并能够快速而精确的采集数以千计的数据点。确的采集数以千计的数据点。nNEXTEC具有独特的光学技术和完具有独特的光学技术和完善的图像处理软件，善的图像处理软件，WIZprobe测头测头可适用于任何材料、任意表面的测量可适用于任何材料、任意表面的测量。可自动执行自动修正并配以实时的。可自动执行自动修正并配以实时的闭环自适应控制。闭环自适应控制。 典型的几种测头(扫描测头)n 随着现代制造业的飞速发展，对于产品高随着现代制造业的飞速发展，对于产品高质量的要求以及对产品研制周期的日益苛刻质量的要求以及对产品研制周期的日益苛刻，

17、使得测量机面临着前所未有的压力。制造，使得测量机面临着前所未有的压力。制造业需要更快的测量方法，并尽量避免传统测业需要更快的测量方法，并尽量避免传统测量的一些缺陷。激光扫描，配合适当的处理量的一些缺陷。激光扫描，配合适当的处理软件，为解决复杂的测量问题提供了新的方软件，为解决复杂的测量问题提供了新的方案。案。n激光扫描测头惊人的数据采集速度为质量控激光扫描测头惊人的数据采集速度为质量控制开创了一个崭新的领域。通过利用三维视制开创了一个崭新的领域。通过利用三维视频采集测量工件数据，并采用具有强大点云频采集测量工件数据，并采用具有强大点云处理功能的处理功能的CAD软件进行持续的质量报告输软件进行持

18、续的质量报告输出和快速实现逆向工程。出和快速实现逆向工程。n当测量机采用了当测量机采用了METRIS公司的公司的LC测头时测头时，测量机就成为功能强大的五轴扫描装置。，测量机就成为功能强大的五轴扫描装置。利用现有的利用现有的RENISHAW测座系统，无需任何测座系统，无需任何外部连线就可采用外部连线就可采用METRIS测头。该测头可测头。该测头可适用于包括钣金件、塑料件、纸制品等材料适用于包括钣金件、塑料件、纸制品等材料在内的各种不同的材料。在内的各种不同的材料。 典型的几种测头(扫描测头)n德国德国WOLF&BECK公司的光学扫公司的光学扫描测头，是扫描自由形状曲面和复杂描测头，是扫描自由形

19、状曲面和复杂轮廓的理想选择。与轮廓的理想选择。与BROWN&SHARPE的测量机和软件的测量机和软件相配合，提供了功能先进的特定测量相配合，提供了功能先进的特定测量解决方案。具体体现：解决方案。具体体现：n-造型造型n 扑捉手工或经过修饰后的模型数扑捉手工或经过修饰后的模型数据，并转化为据，并转化为CAD数据，同时产生了数据，同时产生了CAM文件，已完成在模型优化和修文件，已完成在模型优化和修正阶段的模具复制工作。正阶段的模具复制工作。n-钣金件检测：钣金件检测：n 在冲压过程中进行质量控制，并在冲压过程中进行质量控制，并在装配阶段对白车身实施控制。在这在装配阶段对白车身实施控制。在这种情况下

20、，测头能够完成截面以及边种情况下，测头能够完成截面以及边缘和沟槽的测量。缘和沟槽的测量。 5.活动桥式测量机的构成和及功能n四. 计算机和测量软件是数据处理中心.n1. 对控制系统进行参数设置n2对测头定义和校正及检测n3 建立零件坐标系 n4对测量数据进行计算和统计,处理n5编程并将运动位置和触测控制通知控制系统n6输出测量报告n7 传输测量数据到指定的网路或计算机.6.测量机基本工作环境.n1. 工作温度范围：1822 n24小时温度变化：2 n1小时温度变化：1 n每米温度变化： 1 n2.环境湿度n一般要求: 40%-60%n3.压缩空气n供气压力：0.4-0.6MPan耗气量（最小）

21、：0.14立方米/分钟n含水：6克/立方米n含油：0.49克/立方米n微粒大小：15微米n微粒浓度：0.81克/立方米6.测量机基本工作环境.n4. 震动n 由于震动的测试比较困难,所以按周围环境条件要求n a 厂房周围不应有干线公路n b 厂房内不应有与测量机同时工作的吊车,n c 厂房内和周围不应有冲床或大型压力机等震动比较大的设备n d 测量机尽量避免装在楼上,.n ac 的条件不满足时,需要做专用的地基或采用减震器等防震措施. n 5电源n 除使用机型特殊要求,一般测量机使用的电源为220v+- 10v 50HZn要求有稳压装置,或UPS 电源n6 单独接地线n要求有单独的接地线,接地

22、电阻=5 欧姆n要求周围没有强电干扰.第一部分结束n n 谢谢 !n 编制 黄勤良 n 2008.07.22二. 坐标测量基础知识1.测头校正 2. 零件坐标系.3.基本几何元素 测座的A角以7.5 分度从0 旋转到105 A 角旋转角旋转B角从-180 到180 以7.5 的分度(按顺时针、逆时针)旋转B 角旋转角旋转正如TP20这样的机械测头，包括3个电子接触器，当测杆接触物体使测杆偏斜时，至少有一个接触器断开，此时机器的X、Y、Z光栅被读出。这组数值表示此时的测杆球心位置。接触器断开已知直径并且可以溯源到国家基准的标准器。测头校正对所定义测头的有效直径及位置参数进行测量的过程。为了完成这

23、一任务，需要用被校正的测头对一个校验标准进行测量。未知直径和位置的测头在实物基准的每个测量点的球心坐标同它的已知道直径比较。有效的测头直径是通过计算每个测量点所组成的直径与已知直径的差值有效测头半径1.开机开机 运行运行 PcDmisPcDmis 文件管理器界面文件管理器界面选择这一图选择这一图标可以产生标可以产生一个新文件一个新文件夹夹这个新文件夹这个新文件夹可以改名为用可以改名为用户名或操作员户名或操作员姓名姓名建立一个新建立一个新文件。文件。打开一个打开一个已生成的已生成的文件。文件。设置所需设置所需的测量单的测量单位非常重位非常重要。（公要。（公、英制）、英制）输入你输入你要建立要建立

24、的文件的文件名名输入相输入相应的测应的测量信息量信息产生测头文件产生测头文件输入测头输入测头文件名，文件名，然后按回然后按回车键，这车键，这时测头没时测头没被定义显被定义显示为高亮示为高亮度。度。第一步第一步从清单中选从清单中选择测座类型择测座类型第二步第二步从这里用从这里用鼠标单击鼠标单击下拉菜单下拉菜单从清单中从清单中选择测头选择测头附件附件第三步第三步从清单中选从清单中选择相应的传择相应的传感器如：感器如： Tp20, Tp200等等第四步第四步从测头清单从测头清单中选择所用中选择所用的测杆，如的测杆，如：4 *20 （直直径、长度）径、长度）第五步第五步定义结束时定义结束时测头系统的测

25、头系统的配置完全图配置完全图示化显示出示化显示出来。来。Step 6从加入测头角度从加入测头角度按钮输入测头按钮输入测头度。度。需要追加其需要追加其它角度，可它角度，可通过输入每通过输入每一个一个A、B角角，然后对其，然后对其进行校验测进行校验测量。量。第七步第七步如果需要多组如果需要多组复合角度，可复合角度，可以通过以通过A、B角的起始角，角的起始角，它们的增量和它们的增量和终止角的输入终止角的输入来实现。来实现。第八步第八步当所需的测当所需的测头位置全部头位置全部输入后，选输入后，选择择“测量测量”。选择手动或自选择手动或自动校验测头。动校验测头。第九步第九步输入测量标输入测量标准球的点数

26、准球的点数。单击单击“测量测量”按按钮进行测头校验钮进行测头校验。PcDmis的工作平面的工作平面2. 零件坐标系.在在 PC-DMIS中中, 当计当计算算2D距离时，和其它距离时，和其它软件一样，工作平面软件一样，工作平面的选择非常重要。有的选择非常重要。有效的工作平面是效的工作平面是:Z+Z-X+X-Y+Y-2. 零件坐标系.n 什么是工作平面什么是工作平面n 工作平面是我们当前所看的方向。例如工作平面是我们当前所看的方向。例如：当你想去测当你想去测量工件的上平面时，量工件的上平面时， 工作平面是工作平面是Z+, 如果测量元素在前如果测量元素在前平面时平面时,工作平面为工作平面为Y-。这一

27、选择对于极坐标系非常重要这一选择对于极坐标系非常重要，PC-DMKIS将决定当前工作平面的将决定当前工作平面的0度。度。2. 零件坐标系.n * 在Z+平面，0度在X+，90度在Y+向。 * 在X+平面，0度在Y+向，90度在Z+向。 *在Y+平面，0度在X-，90度在Z+方向。2. 零件坐标系.+ X90 deg +Y0 deg 45 deg 135 deg180 deg225 deg270 deg315 deg2. 零件坐标系.矢量矢量方向余弦方向余弦IKMicroval, MicroXcel & Xcel Machine Axes Convention JOlder Mistral, S

28、cirocco & Typhoon Machine Axes Conventions IKJ2. 零件坐标系.特征元素的方向和测头的逼近方向体现了测量点的方向矢量。矢量可以被看做一个单位长的直线，并指向矢量方向。XZY+I+J+K相对于三个轴的方向矢量。I方向在X轴，J方向在Y轴，K方向在Z轴。2. 零件坐标系.什么是矢量方向什么是矢量方向 :(+I )Z(+K )XY(+J )45I = 0.707J = 0.707 K = 045度方向矢量2. 零件坐标系.Probe Dia0.51.002.003.004.006.00Angle ErrorMagnitude of error intro

29、duced by not probing normal to surface1.00.00000.00010.00020.00020.00030.00055.00.00100.00190.00380.00570.00760.011510.00.00390.00770.01540.02310.03090.046315.00.00880.01760.03530.05290.07090.105820.00.01600.03210.06420.09630.12840.1925期望接触点导致的误差法向矢量理论接触点逼近方向角度2. 零件坐标系.2. 零件坐标系.校正坐标系是建立零件坐标系的过程。通过数学

30、计算将机器坐标系和校正坐标系是建立零件坐标系的过程。通过数学计算将机器坐标系和零件坐标系联系起来。零件坐标系联系起来。 建立零件坐标系时需要做三件事： 找正 (用任何元素的方向矢量）。找正元素控制了工作平面的方向。 旋转坐标轴 (用所测量元素的方向矢量). 旋转元素需垂直于已找正的元素。这控制着轴线相对于工作平面的旋转定位。 原点 (任意测量元素或将其设为零点的定义了X、Y、Z值的元素)。2. 零件坐标系.机器坐标轴方向。所需的零件坐标系所需的零件坐标系XZY找正元素找正元素 = 平面平面旋转轴线旋转轴线 = 直线直线原点元素原点元素 = 圆圆2. 零件坐标系.步骤 1 :找正Z轴并将Z的原点

31、平移到此平面上。步骤2 : 将X轴旋转到平行于线的方向。步骤3 : 将X、Y的原点平移到圆上。ZXYXZY2. 零件坐标系.测量测量3点确立一个平面。点确立一个平面。测量测量2点确定一条直线。点确定一条直线。在测平面测量一点。在测平面测量一点。2. 零件坐标系.从工具栏选择“工具”菜单。然后选择零件找正。2. 零件坐标系.从特征元素从特征元素清单中选择清单中选择Plane1Line1Point12. 零件坐标系.单击单击“找找正正”按钮按钮PcDmis将找正将找正PLN1。将坐标轴旋转到将坐标轴旋转到平行于直线平行于直线LNE1的方向。的方向。将将 X 原点设置到原点设置到PNT1。将将 Y

32、设置到设置到 LN1 。将将 Z设置到设置到PLN1选择要找正选择要找正的坐标轴的坐标轴选择要旋转选择要旋转的轴的轴选择元素建立选择元素建立原点原点.2. 零件坐标系.几何元素几何元素元素元素: POINT最小点数最小点数: 1位置位置: XYZ 位置位置矢量矢量: 无无形状误差形状误差: 无无2维维/3维维: 3维维实例实例Y555ZX输出输出 X = 5 Y = 5 Z = 5元素元素: 直线直线最小点数最小点数: 2位置位置: 重心重心矢量矢量: 第一点到最后一点。第一点到最后一点。形状误差形状误差: 直线度直线度2维维/3维维: 2维维/3维维实例实例输出输出 X = 2.5 I = -1 Y = 0 J = 0 Z = 5 K = 0Y555ZX12元素元素: 圆圆最小点数最小点数:3位置位置: 中心中心矢量矢量*:相应的截平面矢量相应的截平面矢量形状误差形状误差:圆度圆度2维维/3维维:2维维实例实例 输出输出 X = 2 Y = 2 Z = 0 I = 0 J = 0 K = 1 D = 4 R = 2 Y555ZX* 圆的矢量只