1.1常见的三坐标测量设备
l 分接触式测量和非接触式测量
本按测量方式分类(测头)
文仅讨论接触式测头
l 按测量机的结构分类(机械坐标系统)
可以概括为悬臂式、台式、桥式、龙门式、关节臂式
悬臂式、台式、桥式、龙门式均采用直线光栅进行测量,结构上均有3个明显的轴向运动部件。可手动也可自动进行测量。
关节臂式(便携式)采用圆形光栅进行测量。结构上类似人类的手臂,具有3个(或更多)“关节”。因其结构小巧,只能手动测量。
1.2如何选择测量设备
选用测量设备按照以下顺序挑选:
1、精度达到要求:
通常测量设备的测量不确定度应是零件公差指标的三至十分之一。
2、测量范围
设备各方向的最大测量长度应大于被测距离,且不能有测量死角。
3、测量环境
温度、湿度、粉尘、震动等环境因素应能保证设备达到其标称测量不确定度。
4、测量速度和效率
前三个要求均能保证的前提下,采用速度和效率最高的设备。对于需要大量监控的零部件,尽量采用编程自动测量,同时对测量的重复性要进行检查(CMC)。
什么是三坐标的“精度”?
我们常说的“精度”,在计量学上叫做“测量不确定度”。
通常供应商对我们讲的“三坐标精度”=三坐标的长度测量不确定度:
U=a + bL
a,b是常数,L表示被测长度。
3D设备的精度以该设备的计量校准报告为准,3D设备的计量校准报告由各地计量主管部门出具。
假设一台设备 U=0.1+0.02L
用这台设备测量真值为1M的距离时,我们得到的结果有99.97%的概率在[999.88,1000.12]内
三坐标的“精度”有什么用?
测量设备的“精度”U 和 公差范围要求IT之间的关系:
PSA.FER 146 《三维测量设备》标准中规定,焊装计量室使用MMT时
C = IT / 2U
C:设备检测能力。
在一般应用过程中
长度计量国标要求是C≥1.5,即 U≤IT/3。
Norme Q720150 规定C≥2,即U≤IT/4
对于焊装MMT的检查支架,C ≥ 8,+/-0,1mm位置度公差的截面,就无法使用检测误差大于0,0125mm的检查设备进行检测了 。
1.3测量前的准备
进行三坐标测量,首先要准备好以下这些:
1、被测零件及可能用到的辅助工具。
2、被测零件的数字定义或图纸。
3、基准元素列表。
4、需测量的要素位置或坐标值。
1.3.1被测零件及可能用到的辅助工具
被测零件根据测头的不同有以下要求:
1、接触式测量:
被测物体表面不能是橡胶、软塑料等易变形的表面。
零件、附件等产生的磁力不能影响测头的触发。
2、非接触式测量(光学、电磁波):
被测物体表面不能是玻璃、透明体等对光束会产生折射 反射或透射的物体。
根据实际测量需要,可能要使用辅助工具,例如3D检查支架。
1.3.2被测零件的数字定义或图纸
数字定义:
不同的测量软件能够使用的数字定义格式不同。目前比较通用的是IGES格式。神龙公司使用的Metrolog测量软件能够直接使用CATIA V4的数字定义格式(.model),新版本的Metrolog XG能够使用V5的格式(.CATPart)。
图纸:
提供给3D测量用的图纸最好是坐标化的。若是传统机械图纸的话,则需要明确给出基准点的理论坐标。
1.3.3基准元素列表
基准元素:
基准是一个使被测要素与之相关的几何组件。
简单来说,基准元素就是用于建立测量坐标系的元素。这些元素与被测元素有固定的空间位置关系。
在测量开始之前,提出的测量需求里就要明确基准元素及坐标系建立的方式。
2.1常见元素的测量
常见元素的测量包括了:球、平面、圆、长圆、方槽、线、圆柱、几何点、曲面点等元素的测量。
从回避测量风险的角度考虑,建立参考系的基准元素优先使用球、平面、圆、长圆、方槽、平面上的点等。
元素测量的风险主要有以下几方面:
1、测头补偿(投影)方向的偏差
右图是测量平面上的几何点。
2、测量点位置不好
如:测量薄板件边缘时
3、料厚补偿不对
2.1.1球的测量
球通常作为基准元素、或者附件引出元素,实际零件上使用较少。测量一个球最少需要在球上测量4个点。形状公差至少5点才能计算。
球的测量可以完全回避3种主要的测量风险(测头补偿、测点位置、料厚)。
2.1.2平面的测量
平面通常作为也被用作基准元素,实际零件上很常见。测量一个平面最少需要在平面上测量3个点。形状公差(平面度)至少4点才能计算。
平面的测量可以回避2种主要的测量风险:测头补偿、测点位置。
如用平面做基准元素,尽量选择不须料厚补偿的那面。
2.1.3圆的测量
圆也可用作基准元素,实际零件上很常见。测量一个圆最少需要在圆上测量3个点。形状公差(圆跳动度)至少4点才能计算。
圆需要投影平面,投影平面可以测量,也可以选择理论平面。
圆的测量可以回避1种主要的测量风险:测头补偿。
如用圆做基准元素,请测量投影平面,避免料厚补偿,至少测4点。
2.1.4长圆、方槽的测量
长圆、方槽也可用作基准元素,实际零件上比较常见。测量一个长圆或方槽最少需要测量5个点。形状公差至少6点才能计算。
长圆、方槽需要投影平面,投影平面可以测量,也可以选择理论平面。
长圆、方槽的测量可以回避1种主要的测量风险:测头补偿。
如用做基准元素,请测量投影平面,避免料厚补偿。
2.1.5直线的测量
直线也可用作基准元素,实际零件上不多见。测量直线需要测量2个点。形状公差(直线度)至少3点才能计算。
直线需要投影平面,投影平面可以测量,也可以选择理论平面。
直线的测量可以回避1种主要的测量风险:测头补偿。
如用做基准元素,请测量投影平面,避免料厚补偿。
2.1.6圆柱的测量
圆柱可以当作直线使用,因此也可用作基准元素,实际零件上比较常见。测量圆柱需要测量6个点。形状公差至少7点才能计算。
圆柱的测量可以回避3种主要的测量风险。
如用做基准元素,请确保加工精度足够。
2.1.7几何点、曲面点的测量
几何点(平面上点除外)、曲面点不推荐用作基准元素,实际零件上比较常见。测量几何点需要测量1个点。无形状公差。
点的测量无法回避测量风险。
测量几何点需选取补偿投影方向,常用参考平面、理论矢量、参考系轴向等。测量曲面点时,补偿方向是理论矢量,因此没有数模不能测量。
几何点测量时,为保证投影方向正确(回避第一种风险),可使用3点拟合或参考实测平面来测量几何点。
几何点与曲面点在N.D向的偏差计算有区别:
几何点的N.D:理论与实测点在理论矢量方向上的偏差。
曲面点的N.D:理论与实测点在空间的3D偏差。
2.2坐标系的建立方法及风险
在实际工作中为了分析零件,通常需要将零件放置在“理论坐标系”下。三坐标测量中通过建立“测量坐标系”来实现这一目的。
为了将零件约束在理论坐标系上,最简单的办法就是在零件上找6个坐标值,使其“实际值=理论值”(基准元素法)。
1、6个值建立坐标系的几何过程。
首先空间中要确定一个“主轴及其0点”,这需要3个坐标值,如Z1、Z2、Z3。
2.3 特殊元素测量方法及风险(自动测量)
实际测量中,某些特殊的元素直接测量风险较大(测头补偿和测量点位置) ,测量时常常采用多次局部坐标系的方法来回避风险 。
2.4测头校准原理与实际意义
局部坐标系通常是利用被测元素附近与数模符合性较好的局部零件上的元素建立坐标系,使得被测元素的测头补偿不准和测量点位置不好的风险降到最低。
在测量之前,通常会进行简单的测头校准工作。这个工作主要的作用有三点:
1、通过抽查几个角度,来判断测头是否需要全部重新校准。
2、通过校准测头将各种测头角度姿态下的MCS统一起来。
3、将MCS的原点设定在校准实用的小球上。
2.5测头校准原理与实际意义
对于不同的角度姿态,X、Y、Z轴向是相同的(三坐标设定)。因此不同的姿态的测头在XYZ三个光栅方向上运动时的轨迹是相同的。
不同姿态的机器坐标系之间的关系是平移的关系。因此我们可以通过让所有的姿态测量统一位置的小球,把所有姿态的机器坐标系原点都定义在小球上,就可以统一所有的机器坐标系。在此基础上,就可以在测量过程中随意旋转测头了。这一过程称为“测头校准”
2.6拟合原理及常见问题
因此,拟合时建议大家遵守以下几点:
1、拟合坐标系实际上也是一个建立新坐标系的过程,要确认参与拟合的元素都是基准元素。
2、参与拟合的基准元素如果缺少某个方向,缺少的方向的平移和旋转都需要加以限制。如:拟合的点全是X向点,那么在拟合时,只允许X向的平移和YZ向的旋转。建议在拟合时,如缺少某一方向的基准元素时,将原坐标系下该方向的基准元素纳入到拟合的范围内。
3、曲面点(surface)的理论值是变化的(实际值投影到数模上产生),因此要避免三向要素全部使用曲面点进行拟合,最多允许一个方向上的要素全部是曲面点。
2.7形成测量需求
测量需求表达中应至少包含:
1、基本的零件信息。如零件名称。
2、基准元素列表。
3、使用的图纸或数模。
4、需测量的元素位置,并编号。
2.8测量报告的分析
拿到一份测量报告,应按以下顺序解读:
1、获取测量信息,确保测量条件符合要求。
2、检查基准元素是否符合要求。
3、边缘点等特殊元素测量是否正确
4、曲面点的投影面是否正确。
2.8测量报告的分析
分析行李箱盖的测量:
1、获取测量设备信息,确保测量条件符合要求:
我们使用的是焊装自动3D设备,符合要求
2、检查基准元素是否符合要求。
查看报告,基准符合元素列表要求
我们还可在测量软件中检查:坐标系