1、计算机辅助设计算机辅助设计与制造计与制造机 械 工 业 出 版 社计算机辅助设计与制造07计算机辅助数控测量技术第7章第7章 计算机辅助数控测量技术7.1 数控测量的基本概念7.1数控测量的基本概念7.1.1计算机辅助质量系统产品质量是企业追求的永恒目标,是企业生存的根基,是企业在激烈的市场竞争中立于不败之地的重要因素。按现代质量控制的观点,为了使产品达到高质量,企业需要将“管理”和“技术”两个方面综合起来,形成有效的质量系统。前者通常是指全面质量管理(Total Quality Management,TQM),而后者是指与现代测量和检测技术相结合的统计过程控制(Statistical Pro
2、cess Control,SPC)。TQM是企业管理的一个重要组成部分,其追求三个目标,即客户满意、连续改进和全员参与。良好的质量技术在形成高质量产品中也具有重要作用,主要包括田口(Taguchi)方法、质量功能配置(Quality Function Deployment,QFD)、统计过程控制、自动检测等。7.1数控测量的基本概念目前,在西方工业发达国家,无论是飞机、汽车制造等大型企业,还是小型加工企业,都已经在质量管理与控制中引入信息技术,建立了CAQ系统。我国在计算机辅助设计/制造(CAD/CAM)、计算机辅助工艺过程设计(CAPP)、管理信息系统(MIS)、制造资源计划(MRP)、企业
3、资源计划(ERP)、车间自动化(FA)等技术与系统得到广泛应用之后,CAQ系统的应用也已经成为企业实现管理现代化目标的组成部分,也是现代集成制造系统(CIMS)和企业信息化的重要内容。一般认为CAQ系统应当包括如下功能:质量计划、检测与质量数据采集、质量评价与控制、质量综合管理。因此,一个完整的CAQ系统主要应由以下几部分构成。1)质量计划系统是根据质量目标制定产品质量计划、产品检验计划和产品制造过程监控计划的工具,将用户需求和质量目标直接反映到产品开发与制造过程中,并能够对计划执行情况进行监督与管理。2)质量信息系统实现对企业范围内的各类质量数据和信息的采集、汇总、统计、分析,实现质量数据与
4、信息的自动化处理,及时准确地向企业各部门提供产品及其制造过程的质量信息。3)过程质量控制系统对产品质量形成全过程的监控,保证产品质量和过程工作质量。4)质量评估系统提供对产品及其过程质量的质量评估工具与技术,为质量的持续性改进提供依据。7.1数控测量的基本概念在CAQ系统被提出的同时,美国的Kapoor等人提出了集成质量管理系统(Integrated Quality System,IQS)的概念。IQS系统就是把相互分离的质量保证单元、质量控制系统通过计算机网络和数据库形成有机的整体,及时采集、处理与传递质量信息,使涉及产品整个生命周期的质量活动协调进行,保证产品质量并提高对多变的质量要求的适
5、应能力。Kapoor等人认为集成质量管理系统具有以下四个特点。1)覆盖产品的整个生命周期,包括企业的各个层次。2)强调以企业长远质量目标为基础的质量计划。3)强调从质量计划和质量控制观点出发的人的资源的开发。4)通过闭环的质量控制器实现企业中与质量有关的过程和资源的控制。IQS是CAQ系统在过程和范围上的延伸,即由制造过程延伸到设计开发过程,由企业内部扩展到企业外部的其他合作方。7.1数控测量的基本概念7.1.2数控测量的基本概念和系统组成在自动化制造系统中,加工的产品一般通过测量来验证其质量,因此测量是制造过程进行质量控制的条件,也是CAQ系统获取质量信息的重要手段。同时,随着计算机辅助检测
6、技术研究与应用的深入,测量、检测的目的已从单纯解决产品精度评定问题发展到解决产品几何形状的建模、逆向制造等一系列问题上。7.1数控测量的基本概念在制造业中所使用的数控测量系统各种各样(图7-1),包括坐标测量机、关节臂测量机(Portable CMM)、激光跟踪仪(Laser Tracker)、经纬仪(Theodolites)、激光扫描(Laser Scanner)系统和数字照相(摄影)测量(Photogrammetry)系统、室内全球定位系统(Indoor GPS)等。这些数控测量系统可以从不同的角度进行分类,最常见的是按测量系统的传感器是否与被测对象接触进行分类,大体分为接触式测量系统和非
7、接触式测量系统两大类。上述测量系统中,坐标测量机、关节臂测量机(Portable CMM)、激光跟踪仪(Laser Tracker)属于接触式测量系统,而经纬仪、激光扫描系统和数字照相(摄影)测量系统属于非接触式测量系统。一般来讲,接触式测量系统精度高但效率较低,对测量现场的温度控制有较高要求,另外被测对象可能因接触力而产生变形或损伤。而非接触式测量系统效率高但精度较低,而且对被测对象的材质、表面光学特性及现场光照条件都有较高要求。7.1数控测量的基本概念常见数控测量系统7.1数控测量的基本概念数控测量系统的组成第7章 计算机辅助数控测量技术7.2 坐标测量机7.2坐标测量机坐标测量机(Coo
8、rdinate Measuring Machine,CMM)是近30年来发展起来的一种高效的新型精密测量仪器。它广泛地用于机械制造、电子、汽车和航空航天等领域中,可以进行零件和部件的尺寸、形状及相互位置的检测。例如,箱体、导轨、涡轮和叶片、缸体、凸轮、齿轮、形体等空间型面的测量。此外,还可用于划线、定中心孔、雕刻集成线路等,并可对连续曲面进行扫描及制备数控机床的加工程序等。由于它的通用性强、测量范围大、精度高、效率高、性能好、能与柔性制造系统相连接,已成为一类大型精密仪器,故有“测量中心”之称。坐标测量机作为现代精密仪器,已越来越显示出它的重要性和广阔的发展前景。它的优点是:通用性强,可实现空
9、间坐标点位的测量,方便地测量出各种零件的三维轮廓尺寸和位置精度;测量精确可靠;可方便地进行数据处理与程序控制。因而它可纳入自动化生产和柔性加工线中,并成为一个重要的组成部分。7.2坐标测量机7.2.1坐标测量机的工作原理及方法坐标测量机的工作原理一般是建立在直角坐标系上,通过检测机械零件轮廓上各被测点的坐标值,并对其数据进行处理,求得零件各几何元素的形状、位置和尺寸精度的信息。所依据的理论基础是任何形状都是由空间点组成的,所有的几何量测量都可以归结为空间点的测量,因此精确进行空间点坐标的采集是评定任何几何形状的基础。坐标测量数据处理流程如图7-3所示。7.2坐标测量机坐标测量数据处理流程框图7
10、.2坐标测量机1.测量坐标系当坐标测量机的绝对坐标系是基准坐标系时,该绝对坐标系由坐标测量机本身构成,测量的测端和被测件都在此坐标系(也称测量空间)内。绝对坐标系是在坐标测量机3个轴的某一行程终点处设置一个绝对零点作为原点,以3个轴的方向作为坐标轴的方向所建立的空间直角坐标系,如图7-4所示。在测量程序重复使用时,或停电、停机后恢复运行时,均以此坐标系为基准自动寻找(数控测量机)测量空间内固定位置上的被测零件。测量零件时,由于被测件的尺寸标准及安装位置等各不相同,因此测量时还要对零件进行找正,建立零件坐标系。现代坐标测量机的测量软件能够建立多个坐标系,并自动进行坐标系之间的变换。测量坐标系示意
11、图7.2坐标测量机2.测头球径校准一般的坐标测量机都使用接触式测头检测零件轮廓的坐标值。直接接触被测零件表面的测头部分一般为球形测端,数据处理时必须进行补偿。由于球形测端的实际球径会有所不同,每台坐标测量机都需对测头球径作校准测量,常用的方法如图7-5所示,在坐标测量机上用标准方块或标准球(都是已知尺寸的高精度校准量块)作为假想零件进行测量,通过测量数据与标准量块的值进行比较,从而反求出测头球径的实际补偿值,即d=L-A式中,d是测头球径的实际补偿值;L是测量值;A是标准量块的标准尺寸值。测头球径校准测量7.2坐标测量机3.机械几何精度补偿坐标测量机在坐标测量时有运动误差,这就会直接影响测量的
12、精确度和稳定性。对于机械几何误差,可采用直接测量或间接测量的方法获得误差值,然后建立补偿数学模型,利用此模型对坐标测量的原始数据进行补偿,可获得正确的坐标测量值。这种误差补偿方法可使坐标测量误差(由几何误差引起)降低40%70%。4.坐标检测的数据处理几何元素数据处理主要是对单个几何元素项目进行数据处理,如平面、孔、圆等。形状公差测量项目数据处理过程与一般几何元素数据处理过程类似。但在几何元素上采集到的坐标点很多,所以在算法上有差异(如用最小二乘法回归计算等)。位置公差测量项目数据处理过程是以一个已知的几何元素为基准,在被测元素的坐标点数值采集后,再作与两个几何元素相关的计算。空间曲面测量时,
13、一般是固定一个坐标系,然后按截面测量曲线。例如,若固定X坐标,Y轴方向作进给(按等距或不等距),Z轴方向即可采集轮廓表面坐标值。这些数据处理可用测量机提供的专门的测量软件包实现。7.2坐标测量机7.2.2坐标测量机的组成坐标测量机的组成7.2坐标测量机1.主机(机械系统)坐标测量机的主机包括框架、标尺系统、导轨、驱动装置、平衡部件和转台及其附件。框架是指主机的主体机械结构架子,它是工作台、立柱、桥框和壳体等机械结构的集合体。标尺系统是主机的重要组成部分,是决定仪器精度的一个重要环节。导轨是主机实现三维运动的重要部件,测量机多采用滑动导轨、滚动轴承导轨和气浮导轨等多种形式,现以气浮静压导轨居多。
14、驱动装置是主机的重要运动机构,可实现机动和程序控制伺服运动的功能。平衡部件主要用于Z轴框架结构中,其功能是平衡Z轴的重量,以使Z轴上下运动时无偏重干扰,使检测时Z向测力稳定。转台增加了主机的一个转动运动的自由度,便于某些种类零件的测量。主机的附件很多,一般有基准平尺、角尺、步距规、标准球体、测微仪及用于自检的精度检测样板等。7.2坐标测量机主机的结构形式7.2坐标测量机典型结构形式的主机产品7.2坐标测量机2.测头系统测头系统是坐标测量机的关键部件,其精度的高低很大程度决定了坐标测量机的测量重复性及精度。不同的零件需要选择不同功能的测头系统进行测量。测头系统主要由测头、测头座及附件三部分组成。
15、测头是测头系统的主体,它是坐标测量机探测时发送信号的装置,其种类繁多、形式各异。测头按照结构原理不同可分为机械式测头、电气式测头和光学式测头等。机械式测头又称“刚性测头”或“硬测头”,常用的有球形测头、盘形测头、锥形测头和回转1/4柱面测头,主要用于手动测量。由于手动测量操作时测量力不易控制,如测量力过大会引起测头和被测件变形,而测量力过小又不能保持测头与被测件的正常接触,因此机械式测头目前已很少应用。电气式测头多用于接触式的自动测量,是目前使用最多、应用范围最广的测头。电气式测头多采用电触、电感、电容、压电晶体、应变片等作为传感器来接收测量信号,可以达到很高的测量精度,其中最常用的是电感式测
16、头。光学式测头(如激光测头)多用于非接触式测量。由于光学测头无需接触被测零件,故不存在测量力,更不会划伤被测零件,同时可以测量软质介质的表面形貌。但该类测头受外界影响因素较多,如被测物体的形貌特征、辐射特性以及表面反射情况都会影响测量结果。到目前为止,非接触式测头的测量精度还不是很高,还无法取代接触式测头在精密量仪中的位置。由于坐标测量机的自动化要求,新型测头主要采用电学与光学原理进行信号转换。7.2坐标测量机测头按照功能应用的不同分为触发式测头(Trigger Probe)和扫描式测头(Scanning Probe)。触发式测头又称为开关测头,主要任务是探测零件并发出锁存(瞄准)信号,实时锁
17、存被测表面坐标点的三维坐标值。扫描式测头又称为比例测头或模拟测头,它既可以作触发式测头使用,也能输出与测杆的偏转成比例的信号(模拟电压或数字信号)。该类测头的测量原理是测头测端在接触被测零件后,连续测得接触位移,测头的转换装置输出与测杆微小偏移成正比的信号,该信号和精密量仪的相应坐标值叠加便可得到被测零件上点的精确坐标。由于取点时没有坐标测量机的机械往复运动,因此采点率大大提高。扫描式测头用于离散点测量时,由于探针的三维运动可以确定该点所在表面的法向矢量方向,因此更适于曲面的测量。单测尖测头和多测尖测头7.2坐标测量机测头座是一种可分度的旋转头,又称分度测头座,能使测头改变姿态,以扩展从各个方
18、向接近零件的能力。把测头座和具有可重复性的测头集成起来,就可以对复杂零件进行自动测量。测头座主要有三种,即手动旋转测头座、手动分度测头座和自动分度测头座。测头座7.2坐标测量机测头更换架及存放的多种测头7.2坐标测量机测头座上的测头/加长杆/探针组合进行快速、可重复的更换,从而使得在同一个测量系统下对不同的零件能够进行完全自动化的检测。图7-11所示为测头更换架及存放的多种测头。加长杆和探针也是大多数测量所需要的附件,能够确保测头不受限制的对零件所有特征元素进行测量,且具有测量较深位置特征(如深孔)的能力。考虑到精度要求和经济性,测头选用的一般原则如下:在可以应用接触式测头的情况下,慎选非接触
19、式测头。在只测尺寸、位置要素的情况下,尽量选接触式触发测头。对形状及轮廓精度要求较高的情况下,选用扫描式触发测头。易变形零件、精度不高零件、要求超大量数据零件的测量,可以考虑采用非接触式测头。要考虑软件和附加硬件(如测头控制器、电缆等)的配套。7.2坐标测量机3.控制系统控制系统是坐标测量机的四大组成部分之一。其主要功能是读取空间坐标值,对测头信号进行实时响应与处理,控制机械系统实现测量所必需的运动,实时监测坐标测量机的状态以保证整个系统的安全性和可靠性。有的还包括对坐标测量机进行几何误差与温度误差补偿,以提高坐标测量机的测量精度。控制系统可分为手动型、机动型及CNC数控型三种模式。早期的坐标
20、测量机以手动型和通过操纵杆控制机械运动的机动型为主,当时的控制系统主要完成空间坐标值的监控与实时采样。随着计算机技术及数控技术的发展,CNC型控制系统变得日益普及,高精度、高速度、智能化成为坐标测量机发展的主要趋势。7.2坐标测量机手动型控制系统框图7.2坐标测量机(1)手动型控制系统手动型控制系统没有驱动器,操作人员沿着坐标测量机的三个坐标轴手工移动测头,计算机记录测量数据。手动型控制系统如图7-12所示,主要由控制器、测头控制器、细分器等组成。X、Y、Z三个方向的光栅读数头输出的四路模拟信号(+sin、-sin、+cos、-cos)经过细分器处理后,送入控制器中的计数器,CPU读取计数器中
21、的脉冲数,从而计算出相应的空间位移量。由于光栅的栅距为10100m,这样的坐标分辨力不能满足坐标测量机的精度要求,因此需要对此信号进行细分处理。细分器的作用是将光栅读数头输出的模拟信号光经放大、移相、比较,产生细分倍数为5的倍数(如20倍、40倍、100倍等)的脉冲信号。测头控制器的作用是当手动移动测头并接触零件时,测头发出的信号用作控制器中计数器的锁存信号和CPU的中断信号。锁存信号将X、Y、Z三轴的当前光栅数值记录下来,CPU执行中断服务程序时,读取计数器中的锁存值,这样就完成了一个坐标点的采集。计算机对这些坐标点数据分析计算出零件的尺寸、形状和位置误差。手动型控制系统结构简单、成本低,适
22、合于对精度和效率要求不是太高,而且要求低价格的坐标测量机。7.2坐标测量机(2)机动型控制系统与手动型控制系统相比,机动型控制系统增加了电动机、驱动器和操纵盒。测头的移动不再需要手动,而是用操纵盒通过电动机来驱动。电动机运转的速度和方向都通过操纵盒上手操杆偏摆的角度和方向来控制。机动型控制系统主要是减轻了操作人员的体力劳动强度,是一种过渡型,随着CNC系统成本的降低,机动型控制系统目前采用得很少。(3)CNC数控型控制系统CNC数控型控制系统的测量过程是由计算机控制的。它不仅可以实现自动测量、自学习测量、扫描测量,也可通过操纵杆进行机动测量。CNC数控型控制系统如图7-13所示,主要由控制器、
23、测头控制器、细分器、驱动器、电动机等几部分组成。与手动型控制系统相比,主要增加了驱动器和电动机,而控制器的功能也更加强大和完善。控制器由控制卡和控制软件组成,是整个控制系统的核心。现代先进的控制卡大多采用数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)代替以前的CPU。DSP所具有的高速运算功能,使得控制周期缩短,大大提高了系统的轨迹控制能力,测量动作更快、测量效率更高。控制软件与控制卡的硬件结构和功能密切相关,主要功能包括精确、实时地读取空间坐标值、运动轨迹控制、坐标测量机状态监控、测头系统管理、系统参数初始化与管理、与测量软件进行通信等。7.2坐标测量机CNC数控
24、型控制系统框图7.2坐标测量机4.测量软件测量软件是坐标测量机的一个重要组成部分,是用于操作坐标测量机及相关装置的一组程序。随着几何量测试技术和计算技术研究的不断深入,先进的数学模型和算法不断涌现,完善和充实坐标测量机的测量软件是坐标测量技术的一个重要努力方向。迄今为止,测量软件的发展经历了三个重要阶段:第一阶段是DOS操作系统及其以前的时期,测量软件能够实现坐标找正、简单几何要素的测量、几何公差和相关尺寸的计算;第二阶段是在Windows操作系统时代,这一时期计算机的配置都有了极大的改善,测量软件在功能的完善和界面的友好性上有了飞跃性的改变;第三阶段从20世纪末开始,它以将CAD技术引入到测
25、量软件为标志,这是一次革命性的改变。以三维CAD环境为中心的新一代测量软件包具有以下特点。(1)数模脱机编程(2)图形操作环境(3)图形报告7.2坐标测量机目前,比较著名的测量软件有PC-DMIS、RationalDMIS、PowerINSPECT、QUINDOS、TUTOR等。虽然测量软件形式多样,但从功能上可以分成以下几类或几组。1)核心或通用测量软件。它实现整个测量系统的最基本的功能,通常包括测头校准、坐标系建立、几何特征测量、几何公差分析与评价等。其中,测头校准用于定义/设定测头的参数(如测尖半径、多向测头的位置等),以便测尖接触零件表面时坐标测量机能够对测头尺寸自动进行补偿。校准通常
26、通过测头测量已知尺寸的标准量块或标准球来完成。坐标系建立与转换软件使得零件测量过程中不需要费时地在测量工作台上找正零件,方便零件坐标系的建立。基本几何特征包括平面、圆柱、孔、槽等,要测得这些几何特征的几何参数,需要采集多个测量点并进行拟合(如采用最小二乘算法)计算。几何公差分析与评价能够完成测量结果与图样或数模中规定的尺寸和公差规范值的分析比较。2)专用测量软件。它是指在核心测量软件基础上开发的针对某种具有特殊用途的零、部件测量与评价软件,主要包括齿轮检测、叶片检测、螺纹检测、凸轮检测、汽车车体检测等软件,以代替一些专用的测量仪器,拓展了坐标测量机的应用领域。7.2坐标测量机3)统计分析软件。
27、统计分析在生产过程及工艺设备的状况和能力分析中有着重要作用。此类软件可以根据坐标测量机收集的数据进行各种统计分析。例如,通过测量得到零件的尺寸数据,可用来评价工艺过程的工序能力(以工序能力指数Cp表征)或进行统计过程控制。常用的统计分析指标有平均值、标准差、变化趋势、分散范围、概率分布、工序能力指数等,还可以对各种因素进行相关性分析。4)图形报告输出软件。它以图形或图画方式显示测量数据,为用户提供直观、可视化的误差展示和报告输出功能。5)补偿、驱动软件。为了增强坐标测量机的功能,利用软件补偿的方法提高坐标测量机的精度,坐标测量机生产厂还提供了附加功能软件,如误差补偿软件、激光测头驱动软件以及驱
28、动其他厂家坐标测量机的驱动软件。第7章 计算机辅助数控测量技术7.3 数控测量编程7.3数控测量编程7.3.1测量编程模式要使坐标测量机实现自动测量,必须要有相应的自动测量程序。测量程序可以通过三种模式编制,即联机编程、脱机编程和自动编程或CAD数模编程。1.联机编程联机编程又叫“自学习编程”,现代的坐标测量机软件一般都具备“自学习”功能。所谓“自学习”,指的是为了精确测量某一零件或是为了能自动测量相同的一批零件,计算机把操作者手动操作的过程及相关信息记录下来,并存储在文件中的一种功能。重复测量时,只需调用该文件,便可自动完成记录的全部测量过程。联机编程模式适合于多个几何特征的综合测量及批量检
29、测,其优点是简单易学,缺点是编程时会占用太多的坐标测量机时间。7.3数控测量编程2.脱机编程脱机编程是在与坐标测量机分离的任意一台计算机上,使用其他编辑工具或配套的测量软件,根据零件图样,按照坐标测量机的专用语言的指令编制零件测量程序。所编制的测量程序包括运动指令、测量指令和报告生成指令等。运动指令定位测头到指定位置,测量指令控制坐标测量机的触测。为了降低操作者对专用语言熟练程度的要求,测量软件往往采用提示指令菜单及用于计算机辅助编程的多级菜单。脱机编程的优点是编程不占用坐标测量机的时间,缺点是编程员必须精通测量编程语言,否则容易出错,故必须试运行和多次修改。7.3数控测量编程3.CAD数模编
30、程脱机编程的进一步发展就产生了CAD数模编程,有的称为自动编程,是测量行业追求的目标。顾名思义,它基于待测零、部件的CAD模型,自动或半自动地进行检测规划并生成测量程序,并通过尺寸测量接口标准(Dimensional Measurement Interface Standard,DMIS)格式文件传输到坐标测量机系统的计算机上。CAD数模编程可以在独立的测量软件(如PC-DMIS、PowerINSPECT)中进行,首先读取CAD模型数据文件,自动构建虚拟零件,并根据虚拟零件自动建立检测工艺过程,自动生成测量路径,自动完成检测,并将实际零件的检测结果反馈给主控计算机。CAD数模编程也可以直接在集
31、成的CAD/CAM系统(如CATIA,Pro/E等)中进行,但无需读取和转换CAD模型。CAD数模编程的优点有:可仿真模拟测量过程,事先验证测量程序正确性;无需坐标测量机和实际零件就可进行,极大提高坐标测量机效率和利用率。因此CAD数模编程是当前最流行的编程方法。7.3数控测量编程7.3.2测量规划与编程一个完整的测量活动包括产品信息定义/获取、测量过程定义、测量过程执行和测量结果分析四大环节。核心环节是测量过程定义,就是在获取产品几何、特征、尺寸和公差等信息的基础上,完成测量过程规划和编程,生成相应的测量程序。过去常采用脱机编程和联机编程模式编制测量程序。也就是说,在测量软件支持下,针对二维
32、零件图样要求编写,或是由人按照测量规划控制测头运动,边测量边生成测量程序。这些人工编程方法的效率低并且主要依赖二维零件图样,在实际应用中目前多采用CAD数模编程的方法,由坐标测量机软件半自动或自动生成测量程序。测量规划与编程的一般流程如图7-14所示,主要包括选择坐标测量机、确定零件定位及装夹方案、选择测头及组件、设置坐标系和零件找正、规划测量点及路径、碰撞检查及规避、测量过程仿真及输出测量程序和检测工艺规程。7.3数控测量编程测量规划与编程的一般流程7.3数控测量编程1.选择坐标测量机坐标测量机的选择主要考虑两个方面的内容,一个是测量范围,另一个是测量精度,要使得所选择的坐标测量机的X、Y、
33、Z行程范围和测量精度能够满足零件的最大轮廓尺寸和最高精度要求。2.确定零件定位及装夹方案当零件被放在测量工作台上后,它的定位也就确定了。由于测头具有一定的体积,且它在空间的位置不是任意的,故在某种定位方式下,可能只有一部分特征能被测量,而其他一些特征则需通过改换测头或对零件进行重定位来测量。为了减少测头改换或零件重定位的次数,提高检验效率,零件定位时在首先满足基准面可测的情况下,应尽可能照顾到其他被测面。通常做法是对所有特征的可测性(即可达性)进行检查,然后以测头的定位和零件的装夹为基础,将零件的特征进行分组检测,每一组检测构成一道检测工序。7.3数控测量编程3.选择测头及组件测量规划与编程过
34、程中的一个重要的内容就是根据被测件特征类型和尺寸选择合适的测头类型及其组件(如测杆和加长杆等)。选择测头时应考虑被测件精度要求、可测量性和经济性。测头精度的选择并不是越高越好,对于一般等级的公差,选择精度很高的测头,会造成不必要的浪费,增加测量成本,而且对于测头的维护和保养不利。同时,使用高精度的测头,在测量时间上也会相应增加。由于接触式测头的“可达即可测”,故实际中利用可达性分析确定可测量性要求。可达性(Accessibility)是指在特定的被测件定位和测头方位下,测头能够接触到待测特征,并且不与被测件其他部分发生碰撞干涉。对被测件的可达性分析,即是确定测头接近零件表面被测特征的方向。可达
35、性分析是测量规划中的重要问题,是判断测量方案是否可行或是否优化的基础工作。7.3数控测量编程4.设置坐标系和零件找正在坐标测量机上对零件进行测量时,有两种坐标系,即坐标测量机的绝对坐标系和零件坐标系,默认为绝对坐标系。在实际测量过程中,一般以零件坐标系应用为主。所以在测量中需要将坐标测量机的绝对坐标系转换为零件坐标系。该坐标系随零件的位置改变而变化,始终与零件位置相对应,故称为柔性坐标系。建立零件坐标系的方法有很多种,常用的有由三个平面建立坐标系,由一个平面、两条轴线建立坐标系及由三条正交轴线建立坐标系等方法。零件测点及其路径的生成通常是在CAD中的零件坐标系(数控加工中称为工件坐标系)进行的
36、,但在实际测量过程中,对零件进行装夹固定后,应首先对被测件进行找正,即确定零件坐标系在坐标测量机的绝对坐标系中的位置。因此设置的坐标系要便于测量时测头对零件找正,而且每个测量工序都要进行坐标系设置。7.3数控测量编程5.规划测量点及路径不同的测量点数量和分布往往会产生不同的测量结果。测量点数量的确定主要权衡测量精度和成本。测量点越多,分析所依据的信息就越多,同时测量可信度也就越高。因此,对于精度要求较高、需要重点关注和曲率较大的表面特征应当安排较多的测量点。但是,测量点越多相应地增加了测量时间和操作成本,而且当测量点数量增加到一定程度后,再增加更多的测量点对进一步提高测量精度的贡献很有限,而测
37、量成本却大大提高。测量点的分布主要是由被测特征表面的几何类型和形状决定的,同时不同的检测项(即几何公差类型)要求也对测量点的分布有着不同的要求,最后还必须注意测量点的可达性。表7-1给出了不同几何公差类型对平面和圆柱面基本测量点的要求。在实际测量点规划中虽然有多种测量点分布方法,但均匀分布仍不失为一种简单有效的测量点布置方式。图7-15所示为平面、圆柱面以及球面测量点均匀分布的典型情况。7.3数控测量编程7.3数控测量编程平面、圆柱面以及球面测量点均匀分布的典型情况7.3数控测量编程平面测量路径内孔柱面测量路径7.3数控测量编程6.碰撞检查及规避在测量规划过程中要严格防止测头与零件的碰撞。对于
38、简单的零件,可以较容易发现碰撞情况的发生。而对于复杂的零件,则有时很难检查出来。当前主要有两类方法用于碰撞检查。第一类方法是将测头运动轨迹划分为很多时间步,在测头移动过程中的每一个时间步都进行静态干涉检测,来判定测头与零件之间是否发生碰撞,称为“单步检查”的方法。对于这种检查方法,时间步的个数将影响到检测结果的正确性和算法的效率。如果利用过多的时间步,将会耗费大量的计算时间;如果时间步过少,则会发生漏判或错判现象。第二类方法是基于产生称为“扫描实体”的空间占位实体。产生的空间占位实体代表测头按给定轨迹移动过程中所占有的全部空间体积,如果空间占位实体与零件发生干涉,则测头即会与零件发生碰撞。这种
39、检查方法的处理效率更高。7.3数控测量编程7.测量过程仿真当测量规划工作全部完成后,就可以对整个过程进行模拟仿真。通过模拟进行仿真测量,可以预知实际测量过程,及时发现当前存在的问题,修改测量规划,提高规划效率和质量。8.后置处理与输出当所有被测特征都在检测工步中定义并进行碰撞检查及仿真确认无误后,就可以将测量规划结果进行后置处理,输出供坐标测量机执行的测量程序,也可以输出相应的检测工艺规程7.3数控测量编程7.3.3测量程序标准与协议测量规划完成以后,通过后置处理产生坐标测量机可以执行的测量程序,把测量程序输入到坐标测量机之后即可进行实际测量。目前通用的测量程序是DMIS程序,各厂家生产的坐标
40、测量机基本都支持DMIS标准。测量程序的执行还有一种方式,就是通过在测量软件系统和坐标测量机的控制系统之间建立一种通信协议I+DME,通过该协议可以把测量程序实时地传输到坐标测量机上进行实际测量。7.3数控测量编程(1)DMIS的应用环境测量。1.DMIS标准DMIS是制造检测中尺寸测量程序和数据通信的定义性标准,可以作为CAD系统与CMM内部检测语言,也可以作为CMM直接控制的内部编程语言。DMIS标准是一个解决设备间尺寸测量数据双向通信的标准,其目的是规范测量设备间数据和格式的统一。DMIS既是一个标准,也是一种计算机语言,还是一种数据格式。标准是其内涵,语言是其实现方式,数据格式是其统一
41、的外在形式。7.3数控测量编程DMIS标准的应用环境7.3数控测量编程(2)DMIS的程序格式DMIS程序由ASCII码组成,除在文本串内部之外,其余位置字母不区分大小写。DMIS词法体系主要由关键字、标识符名称、文本串、变量、表达式、分界符等组成。DMIS语句类别由DMIS主关键字确定。主关键字、次关键字、参数、标识符、变量、表达式、分界符等构成了DMIS语句。DMIS语句按功能分为命令语句和定义语句两类。命令语句指挥DME和接收系统执行某些功能。通常,命令语句包含一条预先的定义语句。此时,命令语句执行过程中使用定义语句。主关键字指出了命令语句的类型。定义语句用来描述专门的几何意义、公差、机
42、床特性和其他的关于检测零件程序条件的细节信息。除了主关键字的前面有一个主关键字和一个等号,定义语句的基本结构和命令语句相同。定义语句描述了一组条件,给标识符名称赋一个简单的基准,然后标识符名称用于另一个语句来指出已定义的对象。7.3数控测量编程2.I+DME协议I+DME(Inspection Plus Plus;Dimensional Measurement Equipment Interface)是由I+工作组于2001年提出的针对尺寸测量设备的通用接口标准。该工作组主要由欧洲的汽车制造协会的汽车生产商(奥迪、宝马、戴姆勒-克莱斯勒、通用、保时捷、大众和沃尔沃)联合发起,目的是在测量软件和
43、测量设备之间建立一套统一的标准,以解决公司内部众多尺寸测量设备的兼容问题。I+DME适用于坐标测量机、形状检测仪、凸轮轴测量仪等尺寸测量设备。由于是由用户直接发起的,因而得到了比较好的推广,得到了包括ZEISS、HEXGAON、RENISHAW等行业著名测量技术公司的支持,目前已经发展到1.7版本。7.3数控测量编程I+DME系统的物理布局(1)I+DME系统的物理布局7.3数控测量编程(2)I+DME系统的逻辑布局I+DME系统的逻辑布局7.3数控测量编程(3)I+DME系统的通信第7章 计算机辅助数控测量技术7.4 大尺寸测量系统7.4大尺寸测量系统7.4.1大尺寸测量系统的产生及其特点随
44、着科学技术的不断发展,工业生产的不断变革,使得工业测量的内容和手段也发生了很大的变化。尤其是进入20世纪90年代以来,工业发达国家对大尺寸测量的需求越来越多,特别是在汽车、船舶、航空、航天、核工业、能源及水力电力工业中,大型部件的测量比比皆是。“大尺寸测量”一词源于“大尺寸工程测量”。早在1961年英国的D.W.Berry就给了有关“大尺寸测量”的描述。他认为大尺寸测量是一种关于几何量的测量,它将大测量技术与工程测量技术结合起来,以解决工程中大型装备的测量问题。大尺寸测量已经演变成一种精密的工程测量,使用激光跟踪仪测量点到点距离的不确定度能达到270m,测量要素也从单一的角度、长度测量扩展到坐
45、标测量和形状测量。7.4大尺寸测量系统传统的模拟直角坐标的框架式坐标测量机具有精度高、功能完善等优势,因而在中小尺寸工业零件的几何量检测中至今占有绝对统治地位。但是不便于携带和框架尺寸的限制(目前世界最长的框架式坐标测量机行程为40m,最宽为6m),对于大尺寸的测量、现场的零件测量、较隐蔽部位的测量,以及大型飞机、航天飞机、火箭的测量,建筑和山川的测量等,它的应用受到了限制。因此在坐标测量概念的基础上,人们力争有所突破。大尺寸测量系统的出现,就迎合了这种需求。它有如下特点:1)在结构上突破直角框架的形式。2)在坐标系的建立上更多地应用矢量坐标系或球坐标系。3)在探测系统方面除了传统的接触式探测
46、系统,更多地采用非接触式探测系统(光学或激光甚至雷达系统)。4)由于计时系统的精确性大大提高,现在常常把距离的测量转化为时间间隔的测量。5)重量轻且便于携带。7.4大尺寸测量系统7.4.2关节臂测量机1.关节臂测量机的定义及结构形式关节臂测量机是由几根固定长度的臂通过绕互相垂直轴线转动的关节(分别称为肩、肘和腕关节)互相连接,在最后的转轴上装有探测系统的坐标测量装置,如图7-21所示。很明显,关节臂测量机不是一个直角坐标测量系统,每个臂的转动轴或者与臂轴线垂直,或者绕臂自身轴线转动(自转),一般用三个“-”隔开的数来表示肩、肘和腕的转动自由度。例如,图7-21、图7-22分别所示为2-1-2,
47、2-2-3配置,可以有ao-b o-d o-e o-f o和a o-b o-c o-d o-e o-f o-g o角度转动的关节臂测量机。为了适应当前情况,关节数一般小于7,目前一般为手动测量机。7.4大尺寸测量系统7.4大尺寸测量系统3.关节臂测量机的典型应用图7-23所示为关节臂测量机的几种常见的典型应用。7.4大尺寸测量系统7.4.3激光跟踪仪1.激光跟踪仪的产生和定义由于激光的发散性很小,测距精度高,人们在几十年前就开始用激光干涉仪来测距离,进而用它测直线度和角度,特别在较长距离(60m左右)的测量中发挥了它的优势。但是激光干涉仪使用时要求找好准直,如果干涉镜或反射镜偏离了激光光轴,那
48、么就会出错而且不能断光再续,必须重新再来,甚至中间有东西挡一下光也是如此。这些限制了它在空间坐标测量中的应用。另一方面激光终究是一个测长工具,要用来进行空间测量则必须寻求其他定位装置。7.4大尺寸测量系统激光跟踪仪7.4大尺寸测量系统2.激光跟踪仪的工作原理和工作特点激光跟踪仪是典型的球坐标系的坐标测量系统,它的靶标或测头与主体无机械的联系,可以工作在40m的甚至更大的测量半径范围内。由于应用了角度编码器、断光再续和激光跟踪技术,因而可以在工业环境下动态跟踪靶标进行空间坐标测量。由于空间坐标点对应于一定的矢径及确定的两个极角,保证了它的唯一性,相对于关节臂测量机对空间点有任意多的组合而言,跟踪
49、仪的精度及误差补偿比关节臂更好。P点在空间的坐标由矢径d及极角hz及vt决定,如图7-25所示,通过数学变换也可以进行直角坐标系运算。7.4大尺寸测量系统激光跟踪仪的原理7.4大尺寸测量系统3.使用激光跟踪仪时要注意的问题1)在应用时要保持前述的环境条件,其中温度始终是影响测量设备精度的一个主要问题。激光管是激光跟踪仪的主要器件,其周围环境温度的稳定性对激光跟踪仪的精度有着很大的影响。2)由于激光跟踪仪是大尺寸的测量设备,而且角度编码器是影响设备精度的主要器件,所以要尽可能在大尺寸范围内进行检测。3)根据实际的应用情况,必要时进行转站检测(目标不动,移动激光跟踪仪进行对比检测)。4)由于激光跟
50、踪仪是动态检测仪器,必要时需进行动态检测(以一定速度旋转装在球棒上的靶标)。5)注意激光跟踪仪的补偿软件是否在全空间有效。6)在使用时要防止反射镜跌落,以免丧失精度。7)镜头及发射发光二极管等光学器件最好用气囊吹及细毛刷清洁,必要时可用浸有异丙醇的棉球去污。8)要定期更换空气过滤纸。7.4大尺寸测量系统4.典型激光跟踪仪的性能指标表7-3给出了典型激光跟踪仪的性能指标。7.4大尺寸测量系统5.激光跟踪仪的应用激光跟踪仪在汽车、航空航天和通用制造领域工装设置、检测和机床控制与校准应用中得到普遍认可。空中客车公司使用Leica激光跟踪仪来辅助进行巨型夹具中机翼的装配,40m范围内误差不超过0.25
