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1、三坐标(CMM)培训教程,培训课程目标,一 了解三坐标二.掌握三坐标测量基础知识1.了解为什么并且如何进行测头校正2.完全理解如何建立零件坐标系3.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,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。,2.1三坐标定义,由三个运动导轨，按笛
2、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,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
3、得出形状、位置公差及其他几何量数据。,Z,Y,直角坐标系,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,直角坐标系,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。,X,Z,10,0,5,Y,|,5 10,直角坐标系,实例 1测量点的坐标分别是:,X=10Y=5Z=5,X,Z,Y,105,10,5,0 5 10,|,直角坐标系,X=0Y=0Z=5,105,X,Z,Y,|,10,5,0 5 10,实例 2测量点的坐标分别是:,直角坐标系,X=10Y=10Z=0,X,Z,0,Y,|,10
4、5,10,5,5 10,实例 3测量点的坐标分别是:,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.,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
5、栅,和双驱动,等技术,提高精度.,4.常见测量机主机结构形式,4.水平臂式 特点:水平臂式测量机开敞性好,测量范围大,他可以有两台机器共同组成双臂测量机,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
6、部件(过虑器,气浮块),5.活动桥式测量机的构成和及功能,二.控制系统 1控制，驱动测量机的运动，三轴同步。速度。加速度控制。2.在有触发信号时采集数据，对光栅读数进行处理。3根据补偿文件，对测量机进行21项补偿。4采集温度数据，进行温度补偿。5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。6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。7与计算机进行各种信息交流。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
7、制系统(控制柜),5.活动桥式测量机的构成和及功能,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.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),MH8(手动分度测座)：紧凑的可分度测座，专为小型手动测量机设计，可重复分度，减少了由于重新定位而对测杆进行的修正。特点：1.测头连接采用M8螺纹2.可在168个位置实现重复定位，本身自重205g3.在设置过程中，在相应位置只需修正一次测头4.最大支持能力：可与TP6、TP2相连接5.与TP2相连最长可连接50mm加长杆,典型的几种测头(手动),MH20i(可重复分度紧凑形测座)：MH20i具有良好的分度定
8、位重复性，从而有效的提高了多方向测头/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成。特点：1.可重复分度定位，加少持续重新校正的需要2.168个可重复定位，以15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3.锁定/解开特性，便于实现定位并解除了不必要的磨损4.便于读取的刻度显示，可快速重定位到校正过的位置5.最大加载：EM2 TP20加长75mm(MIP 60mm)6.自重：210g（不包括shank）,典型的几种测头(自动),PH10M/PH10MQ/H属于功能强大的分度机动测座，能够携带长加长杆和各种测头。具备高度可重复性的动态连接，允许快速的测头或加长杆
9、更换而不需要重新校正。特点：1.自动关节固定，可重复测头定位2.对于手动输入可自动转换3.完善的多线功能4.7.5度为一个分度5.720个可重复定位最长可加300mm加长杆（PAA3）,典型的几种测头(自动),PH10MQ/PH10MQH，能够固定在测量机Z轴内部，从而可通过提高Z轴的行程，使得具备更大的测量空间。测座，配有测头和适配器自动连接器。特点：1.7.5度为一个分度2.720个可重复定位最长可加300mm加长杆（PAA3）,典型的几种测头(扫描测头),SP600/SP600M：SP600、SP600M（多线式）属于模拟测头，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。该测头
10、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。该测头系统允许在测杆长达200mm时，在每个方向以7mm的步距进行移动，采用RENISHAW的PH10M测座，能够实现任何方向的定位。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发。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性能。,典型的几种测头(扫描测头),OTP6M光学触发式测头系统：OTP6M光学触发式测头系统，采用了可是激光束（2级）提供了在测量机上非接触的检测方案。该系统包括了来自WOLF&BECK的激光测头(OTP6-LD),采用了三角发光学原理，并配合以RENISHAW的接口（
11、OPI6）.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面评价的偏差。并便于从现有标准的触发式测头实现升级。该测头具有良好的Z向重复性，并具有边缘触发功能。特点：1.可视激光束（2级）2.正负1微米重复性3.便于升级改造无额外软件多线式自动连接,典型的几种测头(扫描测头),WIZprobe是来自于NEXTEC公司的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功能。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。利用WIZprobe无以伦比的精度和大的动态范围，使其可以非常简便的进行扫描程序的编制，并能够快速而精确的采集数以千计的数据
12、点。NEXTEC具有独特的光学技术和完善的图像处理软件，WIZprobe测头可适用于任何材料、任意表面的测量。可自动执行自动修正并配以实时的闭环自适应控制。,典型的几种测头(扫描测头),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，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案。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。通过利用三维视频采集测量工件数据，并采用具有强大点云处理功能的CAD软件进行持续的质量报告输出和快速实现逆向工程。当测量机
13、采用了METRIS公司的LC测头时，测量机就成为功能强大的五轴扫描装置。利用现有的RENISHAW测座系统，无需任何外部连线就可采用METRIS测头。该测头可适用于包括钣金件、塑料件、纸制品等材料在内的各种不同的材料。,典型的几种测头(扫描测头),德国WOLF&BECK公司的光学扫描测头，是扫描自由形状曲面和复杂轮廓的理想选择。与BROWN&SHARPE的测量机和软件相配合，提供了功能先进的特定测量解决方案。具体体现：-造型 扑捉手工或经过修饰后的模型数据，并转化为CAD数据，同时产生了CAM文件，已完成在模型优化和修正阶段的模具复制工作。-钣金件检测：在冲压过程中进行质量控制，并在装配阶段对
14、白车身实施控制。在这种情况下，测头能够完成截面以及边缘和沟槽的测量。,5.活动桥式测量机的构成和及功能,四.计算机和测量软件是数据处理中心.1.对控制系统进行参数设置2对测头定义和校正及检测3 建立零件坐标系 4对测量数据进行计算和统计,处理5编程并将运动位置和触测控制通知控制系统6输出测量报告7 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.,1.工作温度范围：1822 24小时温度变化：2 1小时温度变化：1 每米温度变化：1 2.环境湿度一般要求:40%-60%3.压缩空气供气压力：0.4-0.6MPa耗气量（最小）：0.14立方米/分钟含水：6克/立方米含油：0.49克/
15、立方米微粒大小：15微米微粒浓度：0.81克/立方米,6.测量机基本工作环境.,4.震动 由于震动的测试比较困难,所以按周围环境条件要求 a 厂房周围不应有干线公路 b 厂房内不应有与测量机同时工作的吊车,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 d 测量机尽量避免装在楼上,.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.5电源 除使用机型特殊要求,一般测量机使用的电源为220v+-10v 50HZ要求有稳压装置,或UPS 电源6 单独接地线要求有单独的接地线,接地电阻=5 欧姆要求周围没有强电干扰.,第一部分结束,谢谢!编制 黄勤良 2008.07.22,二.
16、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,1.测头校正(关节旋转测座),测座的A角以7.5 分度从0 旋转到105,A 角旋转,1.测头校正(关节旋转测座),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,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,1.测头校正(关节旋转测座),1.测头校正,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。为了完成这一任务，需
17、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.测头校正,1.开机 运行 PcDmis,1.测头校正,运行 PcDmis,PcDmis 文件管理器界面,1.测头校正,运行 PcDmis,选择这一图标可以产生一个新文件夹,运行 PcDmis,这个新文件夹可以改名为用户名或操作员姓名,运行 PcDmis,运行 PcDmis,产生测头文件,1.测头校正,1.测头校正,输入测头文件名，然后按回车键，这时测头没被定义显示为高亮度。,第一步,1.测头校正,
18、从清单中选择测座类型,第二步,从这里用鼠标单击下拉菜单,1.测头校正,从清单中选择测头附件,第三步,1.测头校正,从清单中选择相应的传感器如：Tp20,Tp200等,第四步,1.测头校正,从测头清单中选择所用的测杆，如：4*20（直径、长度）,第五步,1.测头校正,定义结束时测头系统的配置完全图示化显示出来。,Step 6,从加入测头角度按钮输入测头度。,1.测头校正,需要追加其它角度，可通过输入每一个A、B角，然后对其进行校验测量。,第七步,如果需要多组复合角度，可以通过A、B角的起始角，它们的增量和终止角的输入来实现。,1.测头校正,第八步,当所需的测头位置全部输入后，选择“测量”。,1.
19、测头校正,选择手动或自动校验测头。,第九步,输入测量标准球的点数。,单击“测量”按钮进行测头校验。,PcDmis的工作平面,2.零件坐标系.,PC-DMIS 的工作平面,在 PC-DMIS中,当计算2D距离时，和其它软件一样，工作平面的选择非常重要。有效的工作平面是:,Z+,Z-,X+,X-,Y+,Y-,2.零件坐标系.,什么是工作平面 工作平面是我们当前所看的方向。例如：当你想去测量工件的上平面时，工作平面是Z+,如果测量元素在前平面时,工作平面为Y-。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0度。,PC-DMIS 的工作平面,2.零件坐标系.,*在Z+平面，0度在
20、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。,PC-DMIS 的工作平面,2.零件坐标系.,+X,90 deg,测量圆的方向,0 deg,45 deg,135 deg,180 deg,225 deg,270 deg,315 deg,2.零件坐标系.,矢量方向余弦,2.零件坐标系.,矢量,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。,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:,矢量,(+I),Z,(+K),X,
21、Y,(+J),I=0.707J=0.707 K=045度方向矢量,2.零件坐标系.,不正确的矢量=余弦误差,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.,零件找正,零件找正,零件找正,2.零件坐标系.,建立步骤,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。,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
22、系.,机器坐标轴方向。,所需的零件坐标系,X,Z,Y,找正元素=平面旋转轴线=直线原点元素=圆,2.零件坐标系.,建立步骤,建立步骤,步骤 1:找正Z轴并将Z的原点平移到此平面上。,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。,Z,X,Y,X,Z,Y,2.零件坐标系.,实例,测量3点确立一个平面。,测量2点确定一条直线。,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。,实例,2.零件坐标系.,从特征元素清单中选择,Plane1Line1Point1,实例,2.零件坐标系.,单击“找正”按钮,PcDmis将找正PLN1。将坐标轴旋
23、转到平行于直线LNE1的方向。将 X 原点设置到PNT1。将 Y 设置到 LN1。将 Z设置到PLN1,选择要找正的坐标轴,选择要旋转的轴,选择元素建立原点.,2.零件坐标系.,实例,几何元素,3.基本几何元素,元素:POINT最小点数:1位置:XYZ 位置矢量:无形状误差:无2维/3维:3维,实例,Y,5,5,5,Z,X,输出 X=5 Y=5 Z=5,元素:直线最小点数:2位置:重心矢量:第一点到最后一点。形状误差:直线度2维/3维:2维/3维,实例,输出 X=2.5 I=-1 Y=0 J=0 Z=5 K=0,Y,5,5,5,Z,X,1,2,3.基本几何元素,3.基本几何元素,元素:圆最小点
24、数:3位置:中心矢量*:相应的截平面矢量形状误差:圆度2维/3维:2维,实例,输出 X=2 Y=2 Z=0 I=0 J=0 K=1 D=4 R=2,Y,5,5,5,Z,X,*圆的矢量只是为了测量。不单独描述元素的几何特征。,3.基本几何元素,元素:平面最小点数:3位置:重心矢量:垂直于平面形状误差:平面度2维/3维:3维,实例,输出 X=1.67 I=0.707 Y=2.50 J=0.000 Z=3.33 K=0.707,Y,5,5,5,Z,X,3.基本几何元素,元素:圆柱最小点数:5位置:重心矢量:从第一层到最后一层形状误差:圆柱度2维/3维:3维,实例,输出:X=2.0 I=0 D=4 Y
25、=2.0 J=0 R=2 Z=2.5 K=1,Y,5,5,5,Z,X,3.基本几何元素,元素:圆锥最小点数:6位置:顶点矢量:从小端指向大端形状误差:锥度2维/3维:3维,实例,5,5,X=2.0 I=0 A=43degY=2.0 J=0 Z=5.0 K=1,Y,5,Z,X,3.基本几何元素,元素：球最小点数:4位置:中心矢量*:如右图向上形状误差:球度2维/3维:3维,实例,5,X=2.5 I=0 D=5.0Y=2.5 J=0 R=2.5Z=2.5 K=1,Y,5,5,Z,X,*球的矢量只是为了测量。并不描述元素的几何特征。,元素构造点,元素构造,点:原点,X,Z,Y,在当前坐标系的原点构造
26、一个点。坐标值为0，0，0。,基本几何元素,点:产生,在所选元素的中心产生一个点。它的坐标与所选的元素相等（X、Y、Z）。,输入:圆1,圆1,基本几何元素,点:相交,在两个元素相交处产生一个交点。,输入:线1 线2,线1,线2,基本几何元素,点:垂落,将第一点的重心投影到第二个元素上（直线、圆锥、圆柱或槽）,输入:圆1 线1,线1,圆,基本几何元素,点:中分,产生两个所选元素的中分点。,输入:圆1 圆2,圆1,圆2,基本几何元素,点:投影,输入:点1 平面1,将一个元素投影所选平面上。,点1,平面1,元素构造圆,基本几何元素,圆:最佳拟和,输入:圆1 圆2 圆3 圆4,通过所选的几个元素通过最佳拟和产生一个圆。,圆1,圆4,圆3,圆2,元素构造直线,基本几何元素,直线:坐标轴,X,Z,Y,沿着当前坐标系的一个坐标轴建立一条轴线，它垂直于当前工作平面。,当前工作平面=Z+,Z+平面,基本几何元素,直线:最佳拟和,通过所选元素建立一条最佳拟和直线。,输入:圆1 圆2,圆2,圆1,
