工件坐标系在三坐标测量机检测中的应用

三坐标测量机在对工件进行检测时有两种工作模式，一种是手动模式，另一种是自动模式（或者程序模式

）。用手动模式对工件进行检测，人为的加进了测量误差，而使测量结果偏离理论值。手动模式测量的缺点

可归纳为以下两点：

（1）测头补偿带来的误差，测量软件在进行数据处理时收到的是红宝石球心的坐标值，而实际测量中

接触工件的是红宝石球的表面，球心到球表面这段距离就要靠测量机的补偿来实现，爱德华三坐标测量机

的补偿是沿法矢方向来进行的，手动测量时很难做到每个测量点都沿法矢方向去触测。这样就使得触测方

向和法矢方向不重合，两者产生一余弦关系。

（2）测头触发延时造成的误差，爱德华三坐标测量机在进行测量时，是用测针的宝石球接触被测工件

的测量部位，此时测头（接触传感器）发出触测信号，该信号进入计数系统后，将此刻的光栅计数器锁存

并送往计算机，由于手握操纵盒时的惯性作用，宝石球在接触被测工件后测头还要继续向前移动一小段距

离L，这样计算机采集到的坐标值就偏离了实际值，如图。

为了消除手动模式下给测量结果带来的偏差，在爱德华三坐标检测的过程中尽可能的采用自动模式，在

自动模式下，测头可根据零件的实际情况按照计算机的指令沿法矢方向去触测被测点，要采用自动模式，首

要的问题就是建立工件坐标系。

基于三坐标测量机的平面测量方法

1. 三坐标测量简介

三坐标测量机是一种通用性强、自动化程度高的高精度测量系统。对一般的测量软件而言，三坐标测量机的测量过程可分为以下几个步骤（假设测头校验与坐标系的建立已经完成）：

（1）采集特征点的坐标位置。即通过测头直接测被测对象、读取并记录坐标值。

（2）按照“最小条件”对前面测得的特征点进行计算与构建。如果是形状误差，可直接计算出误差值。

（3）如果是位置误差则按照“最小条件”将特征点构建出误差评价所需的点、线、面等基本要素，并用数学的方法计算出各要素间的实际误差，对照图样判断其是否合格。

在这一过程中，第一步特征点的采集是后续工作的基础，如果有误，构建出的特征要素就不能真实的反映出零件的实际情况，误差计算与评价的结果也就不可信了。因此，特征点的位置、特征点的数量和采集方式对三坐标测量结果有着非常重要的影响。本文就是针对此类问题，对三坐标测量的取点进行了一定程度的试验与讨论，并得出了有益的结论。

2. 平面度测量与评价方法

平面度测量是几何量评价的基本内容，是14类误差测量（直线度、平面度、圆度、圆柱度、线轮廓度、面轮廓度、平行度、垂直度、倾斜度、同轴度、对称度、位置度、圆跳动、全跳动）中最基本也是最具有代表性的。按照“最小条件”的要求，平面度误差可以由最小包容区域法、对角线法和三点法来评定。以最小包容区域法为例，只要满足了下列条件中的一条即可确定平面度误差的大小：

（1）三角形法则 图1a为三角形法则。图中点A 为凹形实际表面的最高点，a 、b 、c

为三个最低点，A 点的投影落在由a 、b 、c 三点构成的三角形内。在满足这一条件的基础上，a 、b 、c 点确定平面1，过A点做平面2平行于平面1，则平面1与平面2之间就构成了最小区域，两平面间的距离即为平面度误差。

（2）交叉法则 图1b为交叉法则。图中点A 、点B 为鞍形实际面的最高点，点a 、点b 为最低点，过直线AB 和过直线ab 决定了一对平行平面，且两直线成交叉状态，则两平行平面就构成了最小区域，两平面间的距离即为平面度误差。

第３６卷　第９期　、（１１．３６　ＮＯ．９　铁道技术监督　计量工作　、ｌｌ　、　Ｌ｝｛　、ｌＥ、Ｉ　（Ｊｆ｛　

ＣＡＤ模型在三坐标检测及生产中的应用　

田晓春　（中国北车集团齐齐哈尔轨道装备公司，黑龙江齐齐哈尔１６１００２）　

摘要：主要阐述ＣＡＤ模型在三坐标检测中的具体应用价值及其在逆向工程中的应用。解决了复杂样板　及多圆弧连接工件的形位公差的评定，实现了边界尺寸的测量及盲件的测绘。　关键词：ｊ坐标测量机；ＣＡＤ模型；坐标系；逆向工程　

中图分类号：ＴＢ９２　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００６—９ｌ７８（２００８）０９—００３２—０３　

０前言　■坐标测量机是近几十年来，随着计算机、机床　业的飞速发展而产生的一种高效高精度的测量仪　器。它采用坐标测量的原理，在计算机软件的控制和　驱动下，完成对工件几何尺寸和形位公差的＿＿＿＝＿＝＝坐标　数据采集。它有机地结合了数字控制技术，利用计算　机软件技术，采用先进的位置传感技术和精密机构　技术，并使之完美结合，顺应了硬件软件化的技术发　展方向。■坐标测量机作为一种高精度的通用测量　设备在工业生产领域中的使用越来越广泛．也越来　越受到生产型企业的重视。而一　坐标测量软件中对　ＣＡＤ功能的引入．更是将■坐标测量机的应用领域　和易用性推到一个新的高度。目前使用的ｇｌｏｂａｏ型　＿三坐标测量机，在ＷＩＮＤＯＷＳ—ＸＰ操作系统下，使用　ＰＣ—ＤＩＭＳ　ｃＡＤ＋＋测量软件，并且配置了　维转换　功能。主要用ＰＣ—ＤＩＭＳ对复杂样板空间尺寸及～些　轮廓曲线进行检测与测量。检测过程中有时需要使　用ＣＡＤ模型来引导测量，使用的ＣＡＤ模型主要来　源于ＰＲＯＥ，但对于ＰＣ—ＤＩＭＳ来说，无论使用哪种　造型软件来提供ＣＡＤ模型，模型导人后的测量及处　理都是一样的。　ｌ虚拟测量　虚拟测量就是在没有实际工件的情况下对　ＣＡＤ模型在软件中进行测量。首先在ＰＣ—ＤＩＭＳ测　量软件下导人ＣＡＤ模型．即打开文件一导入一选择　要导人的ＣＡＤ模型文件类型，然后按提示操作。当　收稿Ｅｔ期：２００８—０５—０４　作者简介：田晓春．Ｉ一程帅　・３２・　模型导入后。根据所要测量的几何元素，使用鼠标在　模型上点击所要测量的元素并合理采点，此时ＣＡＤ　模型上会显示所采点的位置及其矢量方向。当采够　所需要的点数后再在采点窗口中点击创建，系统将　会驱动虚拟测头进行采点，并拟和　要测的几何元　素及其图形。虚拟测量的主要功能是实现在脱机状　态下完成自动测量编程过程。　例如测量图１所示样板的轮廓度。它是多圆弧　且小弧线连接的样板，用传统的测量方法测量其轮　廓度是很麻烦的，而且测量精度达不到要求。利用　ＣＡＤ模型就完全可以解决测量难的问题。　Ｉ　

现代制造技术与装备2222019第7期　总第272期

随着制造业智能化和高精度化不断进步，零件加工精度要求越来越高，为了满足精密零件检测，三坐标测量机得到了广泛应用。三坐标测量机具有快捷测量过程，可以成批量测量同一种零件,得到的测量数据稳定可靠，测量结果也可以进行比对分析，打印出图形成规范的纸质文件。1　测量软件AC-DMIS测量软件常用于军工、航空、汽车及模具等精密加工领域中的测量检测环节，可以对零件几何尺寸、形位公差进行测量及分析，也具有零件逆向功能。在软件中,可以导入零件三维模型，编辑测量程序，实现大批量零件快速测量，提高测量效率。2　工件坐标系的作用三坐标测量机自带有机械坐标系，为了保证测量数据和零件三维模型数值一致，需要建立合适的工件坐标系。通常建立的工件坐标系与零件基准一致，建立正确的工件坐标系可以让测量结果的坐标值与设计参数保持一致，从而得到合格的测量报告；建立工件坐标系，可以让设备定位工件位置，结合工件三维模型进行编程；测针沿着预先编辑的移动轨迹运动，从而完成工件自动测量。本文采用爱德华Daisy系列三坐标测量机的AC-DMIS测量软件，被测工件为教学模型，通过线—圆—面的方式建立工件坐标系。3　工件坐标系建立3.1　测量元素确定零件上表面的圆孔中心点为工件坐标系原点，用测针测量工件表面的三个基本几何元素，分别是直线段、圆与平面，得到工件表面形状特征。通过软件分析计算形成工件坐标系，测量元素直线段、圆和平面均为矢量元素，其矢量方向也决定了坐标系各个的轴向方向；分别在工件侧面采点拾取方向水平直线段，工件上表面采点拾取平面，工件圆孔拾取圆。3.2　工件坐标系的找正在工件位置找正菜单栏中，将之前拾取生成的测量元素直线段、圆以及平面添加到元素名称栏内，通过这三个测量元素建立工件坐标系，用直线-1定义X轴的方向，单击直线-1复选框，空间旋转的轴向方向选为X+，工件坐标系的X轴方向确定；用平面-1的法向直线定义Z轴的方向，单击平面-1复选框，平面旋转的轴向方向选为Z+，工件坐标系的Z轴方向确定；坐标系两个坐标轴的方向确定，第三个方向（Y轴）根据笛卡尔坐标系自动确定。通过平面-1定义工件坐标系Z轴零点位置，单击平面-1复选框，在菜单栏中选中Z轴，偏置距离为0，单击偏置按钮，工件坐标系Z轴零点位置确定，位于工件上表面；通过圆-1定义工件坐标系在X-Y平面上的原点，选择圆-1复选框，在菜单栏中选中X轴和Y轴，偏置距离为0，单击偏置按钮，工件坐标系X、Y轴的零点位置确定，位于所测圆孔的圆心处，工件坐标系测量元素设置如图1所示。单击“确定”键，此时工件坐标系建立完成；更新测量元素，显示工件坐标系和模型坐标系，两个坐标系重合。