機械三坐標(biāo)測量畢業(yè)設(shè)計論文

1、 三坐標(biāo)測量機測量回轉(zhuǎn)體零件分析 系 部： 機 電 工 程 系 學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 數(shù) 控 09C4 班 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 2012年 3 月20日- 22 -聲 明 本人所呈交的三坐標(biāo)測量機測量盤形零件分析，是我在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)和查閱相關(guān)著作下獨立進行分析研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含其他個人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中作了明確說明并表示謝意。作者簽名： 日期： 2012.3.20 【摘要】三坐標(biāo)測量機是“一種具有可在三個相互垂直的導(dǎo)軌上移動的探測器，此探測器以接觸或非接觸等方式傳遞訊號，三個軸的位移測量系統(tǒng)

2、（如光柵尺）經(jīng)數(shù)據(jù)處理器或計算機等計算出工件的點的三維坐標(biāo)（x，y，z）及各項功能測量的儀器”。三坐標(biāo)測量機也稱為三坐標(biāo)測量儀，它綜合利用精密機械、微電子、光柵和激光干涉儀等先進技術(shù)，目前廣泛應(yīng)用于機械制造、電子工業(yè)、航空和國防工業(yè)各部門，特別適用于測量箱體類零件和孔距、面距以及模具、精密鑄件、電子線路板、汽車外殼、發(fā)動機零件、凸輪和飛機型體等帶有空間曲面的零件?！娟P(guān)鍵詞】：三坐標(biāo)測量機；測量系統(tǒng)；精密機械目錄引言1一、三坐標(biāo)測量機測量原理、測量系統(tǒng)及測頭介紹2（一）三坐標(biāo)測量機測量原理2（2） 測量系統(tǒng)介紹2（3） 測頭介紹2二、三坐標(biāo)測量機的應(yīng)用2（一）主要技術(shù)指標(biāo)2（二）三坐標(biāo)測量機的功

3、能2三、機型的介紹與示例零件相關(guān)內(nèi)容敘述3（一）軟件與硬件介紹3（二）零件的選取5（三）準(zhǔn)備工作5（4） 零件的裝夾6四、測量內(nèi)容的分析6（一）尺寸的測量6（二）齒形齒向的測量7五、程序的編寫7（一）編寫程序注意事項7（二）坐標(biāo)系的建立9（三）元素列表的編寫10（四）評價列表的編寫12（五）細(xì)節(jié)修改13（六）程序運行13六、報告的輸出與分析13（一）報告的輸出13（二）齒形、齒向分析15總結(jié)17參考文獻(xiàn)18謝辭19引言三坐標(biāo)測量機按測量精度和功能的不同，通?？煞譃橛嬃啃汀⑸a(chǎn)型和專用型三大類。專用型三坐標(biāo)測量機在特定場合使用；計量型三坐標(biāo)測量機的測量精度較高，測量功能較多，運動速度較低，價格較

4、高，對環(huán)境條件的要求較嚴(yán)格；而生產(chǎn)型三坐標(biāo)測量機的測量精度較低，測量功能較少 ，運動速度較高，價格較低，對環(huán)境條件的要求不高。 三坐標(biāo)測量機有多種結(jié)構(gòu)形式。如圖1-1所示為一種固定橋式三坐標(biāo)測量機的外觀結(jié)構(gòu)。圖0-1 三坐標(biāo)結(jié)構(gòu)圖隨著機械行業(yè)的發(fā)展，三坐標(biāo)測量機在測量行業(yè)和品質(zhì)保證方面得到廣泛的應(yīng)用，而零件的特征是多種多樣的。本篇論文是對于盤形零件的測量做一個剖析。講述從識圖、準(zhǔn)備工作、選擇測頭文件的校準(zhǔn)、是否建立坐標(biāo)、獲取工件表面特征、對獲取的特征做出評價、根據(jù)需要保存出圖紙或文本報告、數(shù)據(jù)分析（缺陷分析，統(tǒng)計不良情況）的測量過程以及注意事項。對拓展知識面和提高學(xué)生在品質(zhì)方面的認(rèn)識有著深遠(yuǎn)的

5、影響。一、三坐標(biāo)測量機測量原理、測量系統(tǒng)及測頭介紹（一）三坐標(biāo)測量機測量原理三坐標(biāo)測量機所采用的標(biāo)準(zhǔn)器是光柵尺。反射式金屬光柵尺固定在導(dǎo)軌上，讀數(shù)頭（指示光柵）與其保持一定的間隙安裝在滑架上，當(dāng)讀數(shù)頭隨滑架沿著導(dǎo)軌連續(xù)運動時，由于光柵產(chǎn)生的莫爾條紋的明暗變化，經(jīng)光電元件接收，把測量位移所得的光信號轉(zhuǎn)換成周期變化的電信號，經(jīng)電路放大、整形、細(xì)分處理成計數(shù)脈沖，最后顯示成數(shù)字量。當(dāng)讀數(shù)頭移動到空間某個點位置時，計算機屏幕上立即顯示出其三維坐標(biāo)值。對表面進行幾次測量，即可求得其空間坐標(biāo)方程，確定工件的形狀和尺寸。（2） 測量系統(tǒng)介紹1.機械式測量系統(tǒng)。典型的機械式測量系統(tǒng)是傳統(tǒng)的精密絲杠和微分鼓讀數(shù)

6、系統(tǒng)，也可以把微分鼓的示值通過機電轉(zhuǎn)換，用數(shù)字方式顯示。示值一般為15m。2.光學(xué)式測量系統(tǒng)。最常用的是光柵測量系統(tǒng)，利用光柵的莫爾條紋來檢測坐標(biāo)的移動值。由于光柵體積小，精度高，信號容易細(xì)分，因此是目前三坐標(biāo)測量機特別是計量型測量機使用最普遍的測量系統(tǒng)，但使用光柵測量系統(tǒng)需要清潔的工作環(huán)境。除光柵測量系統(tǒng)外，其他的光學(xué)測量系統(tǒng)還有光學(xué)讀數(shù)刻度尺、光電顯微鏡和金屬刻度尺、光學(xué)編碼器、激光干涉儀等測量系統(tǒng)。3.電學(xué)式測量系統(tǒng)。最常見的是感應(yīng)同步器測量系統(tǒng)和磁尺測量系統(tǒng)兩種。前者的特點是成本低，對環(huán)境的適應(yīng)性強，不怕灰塵和油污，精度在1m內(nèi)可以達(dá)到10m，因而常應(yīng)用于生產(chǎn)型三坐標(biāo)測量機。后者也有容

7、易生產(chǎn)、成本低、易安裝得優(yōu)點，其精度略低于感應(yīng)同步器，在600mm長度以內(nèi)約為10m，在三坐標(biāo)測量機上應(yīng)用較少。（3） 測頭介紹1.非接觸式測量頭。分為光學(xué)測量頭和激光測量頭，主要用于軟材料表面、難于接觸到的表面以及窄小的棱面等的非接觸測量。2.接觸式測量頭。分為硬測量頭與軟測量頭兩種。硬測量頭多為機械測量頭，主要用于手動測量與精度要求不高的場合。現(xiàn)代的三坐標(biāo)測量機較少采用這種測量頭。而軟測量頭是目前三坐標(biāo)測量機普遍使用的測量頭。軟測量頭主要有觸發(fā)式測量頭和電感式三維模擬測量頭兩種，前者多用于生產(chǎn)型三坐標(biāo)測量機，后者多用于計量型三坐標(biāo)測量機。2、 三坐標(biāo)測量機的應(yīng)用（一）主要技術(shù)指標(biāo)三坐標(biāo)測量

8、機的主要技術(shù)指標(biāo)包括測量范圍、測量精度、運動速度、分辨率和測量力等五項。（二）三坐標(biāo)測量機的功能現(xiàn)代的三坐標(biāo)測量機都配有不同的計算機。因此三坐標(biāo)測量機的功能很大程度上取決于所配計算機軟件的功能。計量型和生產(chǎn)型三坐標(biāo)測量機的基本測量功能相仿，但計量型三坐標(biāo)測量機往往有許多特殊的測量功能。1.基本測量功能。包括對一般幾何元素的確定（如直線、圓、橢圓、平面、圓柱、球、圓錐等），對一般幾何元素的幾何誤差測量以及對曲線的點到點的測量和對一般幾何元素的聯(lián)接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、相應(yīng)誤差的統(tǒng)計分析，必要的打印輸出和繪圖輸出等。2.特殊測量處理功能。包括對曲線的連續(xù)掃描，圓柱與圓錐齒輪的齒形、齒向和齒距測量，各種凸輪和

9、凸輪軸的測定以及各種螺紋參數(shù)的測量等。3.計量型三坐標(biāo)測量機還可以用于機械產(chǎn)品計算機的輔助設(shè)計與輔助制造。如汽車車身設(shè)計從泥模的測量到主模型的測量；沖模從數(shù)控加工到加工后的檢驗，直至投產(chǎn)使用后的定期磨損檢驗等，都可以用三坐標(biāo)測量機完成。三、機型的介紹與示例零件相關(guān)內(nèi)容敘述（一）軟件與硬件介紹 三坐標(biāo)測量機又為三坐標(biāo)測量儀，在目前市場上由于產(chǎn)地與商家的不同，其相應(yīng) 的品牌與軟件都是不同的。而目前我從事的工作是ZEISS三坐標(biāo)測量員，這更好的將我在學(xué)校所學(xué)習(xí)的專業(yè)課程應(yīng)用到了實際操作中，下面就對目前我所工作的機型以及軟件等做一個介紹：1.軟件我所使用的是CLYPSO5.2的版本，這款軟件的作用在于

10、可以與ZEISS硬件配合使用完成產(chǎn)品測量工作，對于同一產(chǎn)品可以對程序進行二次使用，亦可以導(dǎo)入數(shù)模進行脫機編程，其精度達(dá)到0.1。Calypso自動識別所測量的幾何元素并自動生成測量路徑、策略、回退運動以及元素間的運行路徑。與傳統(tǒng)軟件相比，探針的校準(zhǔn)是由CNC 程序自動完成的。在程序中你只需在參考球上手動測量一點即可， Calypso 會繼續(xù)完成其它的工作。在Calypso 中，你要輸出的參數(shù)必須依據(jù)預(yù)定義的結(jié)構(gòu)，這意味著不會遺漏任何東西。例如，你會發(fā)現(xiàn)在需輸入?yún)?shù)的地方提供了缺省值。只有很少的地方需要手動輸入數(shù)據(jù)，它們會高亮顯示以引起你的注意。邏輯順序，指示器，確認(rèn)提示，匹配特性的合理性檢查都

11、是用來確保你不會遺漏任何要素，以使測量盡可能順利進行。所見即所測：Calypso 在任何都提供了一個清晰的視圖。 屏幕上的CAD 模型是正確的，你可以在整個測量過程中得到每個細(xì)節(jié)。 當(dāng)然，你也可以直接輸入CAD 數(shù)據(jù)，從而生成無錯誤的測量程序。多種測量報告可以保證你將及時得到全部的測量結(jié)果，然后你依然需要Calypso 的幫助。你可以定義測量記錄以適合你的需要，例如你可以指定超差的顏色或選擇全圖模式顯示結(jié)果。如果你要將結(jié)果輸入到其它Windows 應(yīng)用程序中去， Calypso 可以為你輸出結(jié)果文件，這樣你就能用圖形格式或文本格式，或用客戶定義的格式輸出數(shù)據(jù)。2、硬件本論文介紹的三坐標(biāo)機型屬于

12、移動橋式三坐標(biāo)200*120，由氣浮驅(qū)動，其三坐標(biāo)精度高的原因之一在于它的針庫是固定不動的，而測針由吸盤吸取，這樣就減少了氣浮旋轉(zhuǎn)帶來的誤差。對于硬件部分的詳細(xì)介紹如下圖3-1：庫位架轉(zhuǎn)臺操縱盒 圖3-1三坐標(biāo)測量機庫位架(如圖3-2所示)就是用來放置測量探針的地方，放置探針需注意的是：復(fù)雜探針擺放于下層。圖3-2庫位架操縱盒(如下圖3-3所示)是在手動模式下用來控制XYZ方向的。圖3-3 操縱盒轉(zhuǎn)臺(如圖3-4所示)作為三次元的第四軸，有著可以對于齒輪，回轉(zhuǎn)體零件進行精確測量的功能。Calypso 容許你在轉(zhuǎn)臺上測量工件，當(dāng)旋轉(zhuǎn)測量對稱工件（桿，大齒輪）和棱鏡形狀工件時就會體現(xiàn)出優(yōu)勢：更加簡

13、單測頭系統(tǒng)；用相同的測頭就可以測量工件所有的邊；當(dāng)校準(zhǔn)測頭時很省力；更加縮短了移動路徑；擴展了CMM 機的測量范圍；既然使用者可以編程則編程變得更加簡單。注意：對CMM 來說轉(zhuǎn)臺是第四個軸，因此有考慮測量的不確定度。在使用轉(zhuǎn)臺測量元素精度估計要考慮到CMM 容許第四軸的偏差，轉(zhuǎn)臺軸的校準(zhǔn)精度會強烈影響到所獲精度，因此有特別注意轉(zhuǎn)臺軸的校準(zhǔn)。圖3-4 轉(zhuǎn)臺（二）零件的選取我所選取的零件名稱為worm gear如下圖3-5所示：圖3-2 PSA WORM GEAR選取此零件測量的是其跨棒距以及割斷直徑與位置度等形位公差，外加齒形齒向的分析圖3-5 PSA WORM GEAR（三）準(zhǔn)備工作1.開機，

14、完成5S工作；2.根據(jù)檢測方的要求與提供的尺寸，我們將選取測針，進行校驗；3.由于是回轉(zhuǎn)體零件，為了方便分析其各部分的結(jié)構(gòu)以及加工情況，需選擇其中一個點作為標(biāo)志性判斷；4.整理測量方案，為高效率編程做鋪墊。（4） 零件的裝夾對于該類零件，通常為了測量的準(zhǔn)確性，我們選取在轉(zhuǎn)臺上進行測量，其裝夾方式如下圖3-6所示：圖3-6轉(zhuǎn)臺裝夾測針則為圖中所示的psa worm gear。該裝夾方法便于批量測量且裝夾簡單牢固。四、測量內(nèi)容的分析（一）尺寸的測量 尺寸的測量包括：由點線面組成的各種元素，但其中不包括齒相關(guān)類容的測量，對于尺寸的測量做如下相關(guān)分析:Calypso 使用了參數(shù)化原理，所以，和使用單一

15、的測量程序測量工件是類似的，但不完全相同。這一原理是建立在一個前提基礎(chǔ)上的，這個前提是Calypso 測量程序中，兩個工件相同的數(shù)據(jù)作為常量，而不同的數(shù)據(jù)作為變量。圖4-1圓孔對比圖同一個測量程序可以用來測量和檢測不同的工件。如圖4-1所示，有一個或兩個圓孔的平面。即使孔徑不同，幾何形狀不同，元素數(shù)量不同以及有無元素- 所有這些都可以進行參數(shù)化設(shè)置。建立可變測量程序的高級方法是使用參數(shù)文件，這個參數(shù)文件包含測量程序中變量的設(shè)置值。當(dāng)你參數(shù)化確定工件的定義項目時，就可以用單一的測量程序測量不同的工件。你需要做的全部工作是在Calypso 中直接輸入不同的參數(shù)，或者指定并調(diào)用一個參數(shù)文件?？梢詾樘?/p>

16、定的測量程序創(chuàng)建不同的參數(shù)文件，對于給定的工件并測量所需項目時，可以調(diào)用任何一個相應(yīng)的參數(shù)文件。每一個工件需要有一個獨立的參數(shù)文件，如圖4-2所示：圖4-2 獨立文件理解（二）齒形齒向的測量需要注意的是齒形齒向的測量需根據(jù)要求選擇相應(yīng)的探球大小五、程序的編寫（一）編寫程序注意事項1.測量程序基礎(chǔ)第一步：打開一個新的測量程序并命名第二步：完成測量必須的準(zhǔn)備工作第三步：定義要測量零件的元素第四步：定義要檢查元素的特性第五步：運行測量程序2.準(zhǔn)備工作列表紅色是在你繼續(xù)創(chuàng)建測量程序之前，必須完成準(zhǔn)備工作。然而手動測量不需要準(zhǔn)備工作全都滿足。黃色是準(zhǔn)備工作仍未完成, 然而，可以繼續(xù)創(chuàng)建測量程序( 系統(tǒng)將

17、使用缺省設(shè)置。綠色是準(zhǔn)備工作已完成。 3.測量機回零無論測量機什么時候返回原點( 在Calypso 啟動時回原點或從Calypso 上選擇回原點命令), 都需要再次確定參考球的位置。4.安裝及校準(zhǔn)探針當(dāng)創(chuàng)建一個測量程序時，必須確保已經(jīng)安裝和校準(zhǔn)了正確的探針組。校準(zhǔn)探針，必須指定要校的探針，然后運行校準(zhǔn)程序。如果探針按鈕是綠色的，表明已經(jīng)校準(zhǔn)了探針組。校準(zhǔn)探針必須遵守以下準(zhǔn)則：（1）定義和校準(zhǔn)探針組及探針必須在一個測量程序內(nèi)進行，一旦已經(jīng)定義了一個探針組，就要校準(zhǔn)它的探針，已校準(zhǔn)的探針可以在其它測量程序中調(diào)用。（2）每次運行程序時使用的探針組，必須與編制測量程序時使用的探針組相同。Calypso

18、 儲存這些探針組，如果在運行時使用了不同的探針組Calypso 將會發(fā)現(xiàn)這種不恰當(dāng)?shù)呐浜稀?、設(shè)置基本/ 初始坐標(biāo)系工件坐標(biāo)系是為測量程序定義的參考坐標(biāo)系，基本坐標(biāo)系是一個特殊的工件坐標(biāo)系?；咀鴺?biāo)系實質(zhì)是通過 Calypso 中CAD 的幾何零點，將測量機臺面上的零件位置與機器的物理原點關(guān)聯(lián)起來。6、轉(zhuǎn)臺的準(zhǔn)備工作 測量機的第四軸，因而會影響測量機的測量不確定度，用轉(zhuǎn)臺測量元素時的精度評定，必須考慮測量機第四軸允許的偏差。校準(zhǔn)的精確度對測量機的測量精度有很大的影響，所以校準(zhǔn)轉(zhuǎn)臺軸應(yīng)該非常小心。7、定義安全平面安全平面的名字首先是由安全立方體的縮寫SE組成，后面是保護方向。例如，SE+X。當(dāng)使

19、用轉(zhuǎn)臺時，將會有附加的部分以及保護方向組成安全平面的名字，例如， RTSE+X。安全平面不要太大，因為有些情況下可能會導(dǎo)致不合理的路徑甚至碰撞。 8、溫度補償你可以配置Calypso，以便在測量時考慮工件隨溫度變化的熱脹冷縮，及CMM 的X、Y、Z 軸光柵尺溫度，另外，也可以設(shè)定一個溫度界限，當(dāng)自動運行程序時，超出或低于這個溫度界限時進行報警。溫度補償對于測量的精度非常重要，一般來說工件的名義值是基于環(huán)境溫度為20度，且不同材料的熱膨脹系數(shù)是不同的。因此，如果工件不滿足參考溫度，不同材料的膨脹/ 收縮必須進行溫度補償，如下表5-1所示。表5-1 膨脹系數(shù)一覽表材料膨脹系數(shù)（/）鋁（2024-T

20、3）22.7鋁（6061-T6）24.3鋁（7079-T6）24.7鑄鐵11.7銅16.6鎂（NK31A-H24）25.2鋼（AISI C1020）15.1鋼（AISI 304）17.8碳鋼11.3鈦（B 120VCA）9.4（二）坐標(biāo)系的建立轉(zhuǎn)臺測量零件時，零件坐標(biāo)系的建立一般為回轉(zhuǎn)體中心軸，先粗建坐標(biāo)再進行精建。當(dāng)初始坐標(biāo)系作為臨時基本坐標(biāo)系使用時，工件坐標(biāo)系將參考到初始坐標(biāo)系。它只能通過手動探測產(chǎn)生，在測量程序中只允許調(diào)用一次。在某些情況下，產(chǎn)生基本坐標(biāo)系需要許多元素。例如，基本坐標(biāo)系包含由幾個元素建構(gòu)的新元素，在這種情況下，通過手動探測的方式產(chǎn)生基本坐標(biāo)系是繁瑣的，當(dāng)然，如果用于產(chǎn)生基

21、本坐標(biāo)系的元素不易探測時，也可以用這種方式。在這些情況下，建議使用初始坐標(biāo)系。創(chuàng)建初始坐標(biāo)系相對比較簡單，通過3-2-1的方式找正，也可以是單獨一個點。在CNC 運行時手動探測這些點或元素，然后， Calypso 就知道了工件的大概位置，并在CNC 運行過程中自動創(chuàng)建基本坐標(biāo)系。圖5-3如圖5-3所示1、 機床坐標(biāo)系2、 工件坐標(biāo)系21圖5-1 坐標(biāo)系如圖5-1坐標(biāo)系所示：1.機床坐標(biāo)系 2.工件坐標(biāo)系（三）元素列表的編寫藍(lán)色區(qū)域為工作界面坐標(biāo)系及五項修改評價列表元素列表圖5-2工作界面元素的編寫區(qū)域如上圖5-2工作界面所示。以圓孔為例，其測量策略如下圖5-3策略編輯： 圖5-3策略編輯通過轉(zhuǎn)

22、臺的實體編程，在元素列表（如圖5-4 元素列表）中出現(xiàn)的元素為測量程序，但測量的目的在于得出評價結(jié)果，因此下面來介紹一下評價如何進行。圖5-4元素列表（四）評價列表的編寫理論參數(shù)以及基準(zhǔn)的選擇以位置度為例：從菜單欄中選中位置度，并對其中的理論參數(shù)以及基準(zhǔn)做選擇：如下圖5-5位置度對話框所示： 圖5-5 位置度對話框圖5-6評價列表如圖5-6評價列表所示紅色框內(nèi)為經(jīng)過評價所得的內(nèi)容，但在元素、評價都完成之后，為了確保程序能夠正常運行，我們需對重要的五項進行修改（五）細(xì)節(jié)修改圖5-7五項修改如圖5-7所示五項修改分別是：探針參數(shù)、工作平面、逼近距離、回退距離，運行速度。（六）程序運行每一個程序都是

23、在不斷調(diào)試與路徑優(yōu)化中達(dá)到最佳狀態(tài)，大大提高工作效率。待一切工作就緒后，點擊如圖5-8圖標(biāo)運行圖5-8六、報告的輸出與分析（一）報告的輸出尺寸報告與圖形如下圖6-1、6-2所示：圖6-1 尺寸報告圖6-2 圖形報告紅色區(qū)域為公差帶，中間線為理論值，藍(lán)色波動線則為測量實際值（二）齒形、齒向分析圖6-3 齒形圖6-4 齒向圖6-3為齒形圖，圖6-4為齒向圖總結(jié)隨著畢業(yè)的臨近，畢業(yè)設(shè)計也接近了尾聲。在老師的精心指導(dǎo)下，我的畢業(yè)設(shè)計終于完成了?；厥走@段時光，我收獲了很多。經(jīng)歷了一段有笑有累的光陰，在此要感謝我的指導(dǎo)老師，是因為你的悉心指導(dǎo)和幫助讓我不斷成長。本次設(shè)計，從分析開始，再進行設(shè)計，最后到作品實現(xiàn)，每一步都讓我將理論學(xué)習(xí)的知識應(yīng)用到實踐中去。在設(shè)計過程中，我通過查閱相關(guān)資料，與同學(xué)交流經(jīng)驗，向老師請教等方式，讓自己學(xué)到了不少知識，培養(yǎng)了我獨立工作的能力和動手能力，相信會對我以后的學(xué)習(xí)和工作有非常重要的影響。畢業(yè)設(shè)計不僅是對前面所學(xué)知識的一種檢驗，而且也是對自己能力