实验六 三坐标测量技术
一、实验目地
1. 掌握三坐标测量技术的基本原理；
2. 学习三坐标测量机的结构原理及使用方法；
3. 了解用三坐标测量机测量零件的基本方法。
二、三坐标测量机的组成及工作原理
三坐标测量机的概念：三坐标测量机(Coordinate Measuring Machining，简称CMM) 是一种高效、新颖的精密测量仪器。现代CMM 不仅能在计算机控制下完成各种复杂测量，而且可以通过与数控机床交换信息，实现对加工的控制，并且还可以根据测量数据，实现反求工程。
目前，CMM 已广泛用于机械制造业、汽车工业、电子工业、航空航天工业和国防工业等各部门，成为现代工业检测和质量控制不可缺少的万能测量设备。
应用三坐标测量机可对直线坐标、平面坐标以及空间三维尺寸进行测量，可以测量球体直径、球心坐标、曲线曲面轮廓、各种角度关系以及凸轮、叶片等复杂零件的几何尺寸和形状位置误差。
6
Y 3
2
4 Z
X
5
1
图9-1 三坐标测量机的组成
1—工作台 2—移动桥架 3—中央滑架 4—Z 轴 5—测头 6—电子系统 三坐标测量机测量精度高，速度快，软件功能强大，是测量行业不可或缺的高级仪器。
1. CMM的组成
三坐标测量机是典型的机电一体化设备，它由机械系统和电子系统两大部分组成。
（1）机械系统：一般由三个正交的直线运动轴构成。如图9-1所示结构中，X 向导轨系统装在工作台上，移动桥架横梁是Y 向导轨系统，Z 向导轨系统装在中央滑架内。三个方向轴上均装有光栅尺用以度量各轴位移值。人工驱动的手轮及机动、数控驱动的电机一般都在各轴附近。用来触测被检测零件表面的测头装在Z 轴端部。
标点数据，并对数据进行处理。
2. CMM的工作原理
三坐标测量机是基于坐标测量的通用化数字测量设备。它首先将各被测几何元素的测量转化为对这些几何元素上一些点集坐标位置的测量，在测得这些点的坐标位置后，再根据这些点的空间坐标值，经过数学运算求出其尺寸和形位误差。如图9-2所示，要测量零件上一圆柱孔的直径，可以在垂直于孔轴线的截面I 内，触测内孔壁上三个点（点1、2、
3），则根据这三点的坐标值就可计算出孔的直径及圆心坐标O I ；如果在该截面内触测更多的点（点1，2，…，n ，n 为测点数），则可根据最小二乘法或最小条件法计算出该截面圆的圆度误差；如果对多个垂直于孔轴线的截面圆（I ，II ，…，m ，m 为测量的截面圆数）进行测量，则根据测得点的坐标值可计算出孔的圆柱度误差以及各截面圆的圆心坐标，再根据各圆心坐标值又可计算出孔轴线位置；如果再在孔端面A 上触测三点，则可计算出孔轴线对端面的位置度误差。由此可见，CMM 的这一工作原理使得其具有很大的通用性与柔性。从原理上说，它可以测量任何零件的任何几何元素的任何参数。
Z
A
1 I
O I
2
O
Y 3
X
图9-2 坐标测量原理
三、仪器设备
主要仪器设备：三坐标测量机（如图9-3所示），数量一台；
技术配置清单
GLOBAL CLASSIC是标准配置的工作型测量机，完成通常
的车间测量和检测应用，如首件和最终件检测、夹具验证和过程
控制等。可配备各种触发测头，能满足通常的测量检测应用。
PC-DMIS 的主要技术特征包括:
* 模块化配置，满足客户的特定需要
* 可定制的、直观的图形用户界面（GUI ）
* 全中文界面、在线帮助和用户手册；多达8种语言支持
* 完善的测头管理、零件坐标系管理和零件找正功能
* 符合国际和国家标准规定的形位公差评定功能
* PTB认证的软件计算方法
* 具有强大CAD 功能的通用测量软件
* 预留基于用户需要的二次开发接口
* 具有各种智能化扫描模式，完成复杂型面的扫描
* 强大的薄壁件特征测量程序库
* 便捷的逆向设计测量功能
图9-3 Global Classic C 9. 12. 8三坐标测量机
* 互动式超级图形报告功能，增加了报告格式和数据处理的灵活性
* 各种统计分析功能，满足生产控制的需要
四、实验步骤
1．测头及标准球的标定
⑴ 目的：
当使用测量机进行零件检测时，跟零件直接接触的是测头的红宝石球的球面，测量机在数据处理时
是以红宝石球的球心来计算的，必须对测球的半径和位置进行补偿。因此，在测量零
件之前，首先要进行测头校正，从而得到测头的准确数值，校正完毕，坐标机会自动补偿校正后的数据。这样，可以消除由于测头而带给零件测量的误差。
⑵ 功能：
可分别用”手动模式”或”自动模式”校验、定义测头。
⑶ 方法：
① 定义测头直径：用鼠标单击”测头”图标，再单击”定义测头”图标，在相应图标中输入定义值及测头直径的理论值，用鼠标单击上图”确认键”，即完成定义测头功能。计算机自动提示下一个新测头的标号。
②校验测头：用鼠标单击”测头”图标，再单击”校验测头”图标，在”测头标号”处选择要校验的测头标号，再键盘输入”标准球的直径”，然后选择”手动模式”校验所需的测头。当第一次校验完毕，可看到标准球的球心坐标已自动显示出来。此时用户可根据测头类型去分别用”手动模式”或”自动模式”校验每一被定义的测头。
得到测头的准确值，在以后的测量中即可自动进行测头补偿。测量时，应使所有定义的测头都使用统一的基准，这样在测量过程中使用多个测头完成整个测量过程，就不必考虑测头数据的不一致性问题。
2．基本元素的测量
⑴ 目的：
基本元素测量是所有测量和其它工作的基础。所有零件的检测都要通过对基本几何元素的测量来实现。通过测量得到指定被测基本元素的有关参数值。
⑵ 功能：
通过此功能可测量指定点、线、面、圆、弧、椭圆、圆柱、圆锥、球、键槽、曲线、曲面等基本元素。
⑶ 方法：
用鼠标单击”测量”图标，然后单击”被测元素”图标。工作区将显示该测量元素的标号及测量点数，可根据工作区的提示对测量元素进行删除点、增加点等修改，然后进行测量，即可得到被测基本元素的实际值。
3．”3－2－1”坐标系的建立：
⑴ 目的：
将坐标系的三个轴的方向和坐标原点建立在零件上，用于一些同类零件的程序控制自动测量。
⑵ 功能：
此功能可建立一个完整的零件坐标系。3-2-1的含义是：3（测量第一平面上的三点，软件自动将此平面的法矢作为零件坐标系的第一轴的方向）；2（测量第二平面上的两点直线，再将其投影到第一平面作为第二轴的方向）；1（再测量或通过构造产生一点作为零件坐标系的原点）。
⑶ 方法：
用鼠标单击零件坐标系的主菜单图标，再单击3-2-1坐标系图标，工作区会显示零件坐标系的每一项信息，可根据需要输入相应的元素作为新的坐标轴和原点。
以上面为例，选择坐标轴的名称，定义二坐标轴的方向及原点的坐标，方法如下： 在工作区的中部有五个小方框，首先用鼠标单击”第一轴”处，此处应变为蓝色，然后
用户可根据需要，到工作区最右边显示”坐标轴改变区”处，选择要建立的坐标轴的名称和方向并单击鼠标左键， ，蓝色小窗口即显示所选择的坐标轴。从工作区最左边选择要建立”第一轴”的元素类型，并用鼠标单击，此类元素的所有元素标号便全部显示在工作区，从中选中所需元素的标号，用鼠标双击，此元素的标号便显示在”第一轴”的方框中，此时，”第一轴”的方向便建立了。建立”第二轴”（工作区中，中间第二个小窗口），用户可用鼠标单击此窗口，使之变为蓝色后，可用同样的方法（建立第一轴）处理。建立”原点X 值”。如果要改变原点的X 坐标，只要在第三个小窗口上单击鼠标左键， 该小窗口即变为蓝色。在工作区最左边，查找所需元素类型，且按下该按钮，该类型所有元素标号都显示在工作区，选择所需要的元素标号，且双击鼠标左键，选择的元素标号，即出现在蓝色小窗口的右边。此时，零件坐标系的原点的X 坐标即确立了。”原点Y 值”、”原点Z 值”的方法都参照建立”原点X 值”方法。选择”确认键” 按钮，确认已建立的坐标系。此时，”Coord”窗口显示坐标系的标号，便是此零件坐标系的名称。
4．激光扫描测量
逆向工程是基于已有产品设计新产品的技术手段。与一般”由设计思路→产品”的设计过程不同，逆向工程是”由产品→设计思路”的过程。在制造领域中，逆向工程是在没有设计图纸或CAD 模型的情况下，利用各种数字化技术、CG/CAD技术，根据实物测量数据重构计算机模型，运用现代设计理论、方法对模型进行再设计，并与现代快速制造技术有机结合，最终制造出产品的过程。在有图纸和CAD 模型的情况下，逆向工程还可以应用于模具、样机的检测。逆向工程作为一种现代产品开发手段，与快速成形、快速模具以及各种数控加工技术相结合，能够大幅度缩短现代产品的开发周期，使企业适应小批量、多品种的生产要求。
逆向工程应用于产品设计时，其首要的步骤是物体表面形状的测量，常用的测量方法有三坐标测量、工业CT, 、层析、光学测量等，其中三坐标测量机是最早商品化的测量设备，光学测量是近几年逐渐成熟的测量方法，具有非接触性、速度快、精度高、易于自动控制、造价相对低廉的特点。
经过激光线扫描得到物体表面的离散点集，由离散点集重构物体表面的一般分为去噪、生成点集边界、网格化、曲面生成、数据输出等步骤。
选择正确的测量机硬件的关键因素在于其效率。根据不同的应用，测量机可配备触发或扫描测头。尽管触发测头通用性强，但扫描技术能够在同样的时间内采集到更多的点，从而适合于需要采集大量点以确定其形状的复杂零件的逆向设计中。一般的系统配置包括采用SP600模拟扫描测头，能够对未知三维自由型面进行连续扫描，连续、非接触激光测头（如WIZPROBE ），能够快速精确地完成复杂型面尤其是软材料工件的扫描，触发式测头（如TP20和TP200），能够实现对于空间几何量的精确接触测量。
具有强大CAD 功能的PC-DMIS 通用测量软件，能够根据具体应用需要，采用接触式点触发测头或采用连续扫描测头，进行工件表面点的数据采集，并可采用多种方式实现采集点数据的输出，这包括利用通用的IGES 格式和/或VDA 格式进行测量数据的导出，以及与CAD/CAM系统的直接连接进行快速输出。
五、思考题
1. 测量机系统主要包含哪几部分？
2. 为何要进行测头补偿？如何补偿？画出示意图。
3. 测头校验的目的是什么？怎样实现的？
4. “PC-DMIS 3.5MR2 CAD++”这个字符串中每部分是什么含义？
5. 简述Hark 软件的使用步骤？
6. 结合专业和实验实际，谈谈学习三坐标测量技术的体会？
实验六 三坐标测量技术
一、实验目地
1. 掌握三坐标测量技术的基本原理；
2. 学习三坐标测量机的结构原理及使用方法；
3. 了解用三坐标测量机测量零件的基本方法。
二、三坐标测量机的组成及工作原理
三坐标测量机的概念：三坐标测量机(Coordinate Measuring Machining，简称CMM) 是一种高效、新颖的精密测量仪器。现代CMM 不仅能在计算机控制下完成各种复杂测量，而且可以通过与数控机床交换信息，实现对加工的控制，并且还可以根据测量数据，实现反求工程。
目前，CMM 已广泛用于机械制造业、汽车工业、电子工业、航空航天工业和国防工业等各部门，成为现代工业检测和质量控制不可缺少的万能测量设备。
应用三坐标测量机可对直线坐标、平面坐标以及空间三维尺寸进行测量，可以测量球体直径、球心坐标、曲线曲面轮廓、各种角度关系以及凸轮、叶片等复杂零件的几何尺寸和形状位置误差。
6
Y 3
2
4 Z
X
5
1
图9-1 三坐标测量机的组成
1—工作台 2—移动桥架 3—中央滑架 4—Z 轴 5—测头 6—电子系统 三坐标测量机测量精度高，速度快，软件功能强大，是测量行业不可或缺的高级仪器。
1. CMM的组成
三坐标测量机是典型的机电一体化设备，它由机械系统和电子系统两大部分组成。
（1）机械系统：一般由三个正交的直线运动轴构成。如图9-1所示结构中，X 向导轨系统装在工作台上，移动桥架横梁是Y 向导轨系统，Z 向导轨系统装在中央滑架内。三个方向轴上均装有光栅尺用以度量各轴位移值。人工驱动的手轮及机动、数控驱动的电机一般都在各轴附近。用来触测被检测零件表面的测头装在Z 轴端部。
标点数据，并对数据进行处理。
2. CMM的工作原理
三坐标测量机是基于坐标测量的通用化数字测量设备。它首先将各被测几何元素的测量转化为对这些几何元素上一些点集坐标位置的测量，在测得这些点的坐标位置后，再根据这些点的空间坐标值，经过数学运算求出其尺寸和形位误差。如图9-2所示，要测量零件上一圆柱孔的直径，可以在垂直于孔轴线的截面I 内，触测内孔壁上三个点（点1、2、
3），则根据这三点的坐标值就可计算出孔的直径及圆心坐标O I ；如果在该截面内触测更多的点（点1，2，…，n ，n 为测点数），则可根据最小二乘法或最小条件法计算出该截面圆的圆度误差；如果对多个垂直于孔轴线的截面圆（I ，II ，…，m ，m 为测量的截面圆数）进行测量，则根据测得点的坐标值可计算出孔的圆柱度误差以及各截面圆的圆心坐标，再根据各圆心坐标值又可计算出孔轴线位置；如果再在孔端面A 上触测三点，则可计算出孔轴线对端面的位置度误差。由此可见，CMM 的这一工作原理使得其具有很大的通用性与柔性。从原理上说，它可以测量任何零件的任何几何元素的任何参数。
Z
A
1 I
O I
2
O
Y 3
X
图9-2 坐标测量原理
三、仪器设备
主要仪器设备：三坐标测量机（如图9-3所示），数量一台；
技术配置清单
GLOBAL CLASSIC是标准配置的工作型测量机，完成通常
的车间测量和检测应用，如首件和最终件检测、夹具验证和过程
控制等。可配备各种触发测头，能满足通常的测量检测应用。
PC-DMIS 的主要技术特征包括:
* 模块化配置，满足客户的特定需要
* 可定制的、直观的图形用户界面（GUI ）
* 全中文界面、在线帮助和用户手册；多达8种语言支持
* 完善的测头管理、零件坐标系管理和零件找正功能
* 符合国际和国家标准规定的形位公差评定功能
* PTB认证的软件计算方法
* 具有强大CAD 功能的通用测量软件
* 预留基于用户需要的二次开发接口
* 具有各种智能化扫描模式，完成复杂型面的扫描
* 强大的薄壁件特征测量程序库
* 便捷的逆向设计测量功能
图9-3 Global Classic C 9. 12. 8三坐标测量机
* 互动式超级图形报告功能，增加了报告格式和数据处理的灵活性
* 各种统计分析功能，满足生产控制的需要
四、实验步骤
1．测头及标准球的标定
⑴ 目的：
当使用测量机进行零件检测时，跟零件直接接触的是测头的红宝石球的球面，测量机在数据处理时
是以红宝石球的球心来计算的，必须对测球的半径和位置进行补偿。因此，在测量零
件之前，首先要进行测头校正，从而得到测头的准确数值，校正完毕，坐标机会自动补偿校正后的数据。这样，可以消除由于测头而带给零件测量的误差。
⑵ 功能：
可分别用”手动模式”或”自动模式”校验、定义测头。
⑶ 方法：
① 定义测头直径：用鼠标单击”测头”图标，再单击”定义测头”图标，在相应图标中输入定义值及测头直径的理论值，用鼠标单击上图”确认键”，即完成定义测头功能。计算机自动提示下一个新测头的标号。
②校验测头：用鼠标单击”测头”图标，再单击”校验测头”图标，在”测头标号”处选择要校验的测头标号，再键盘输入”标准球的直径”，然后选择”手动模式”校验所需的测头。当第一次校验完毕，可看到标准球的球心坐标已自动显示出来。此时用户可根据测头类型去分别用”手动模式”或”自动模式”校验每一被定义的测头。
得到测头的准确值，在以后的测量中即可自动进行测头补偿。测量时，应使所有定义的测头都使用统一的基准，这样在测量过程中使用多个测头完成整个测量过程，就不必考虑测头数据的不一致性问题。
2．基本元素的测量
⑴ 目的：
基本元素测量是所有测量和其它工作的基础。所有零件的检测都要通过对基本几何元素的测量来实现。通过测量得到指定被测基本元素的有关参数值。
⑵ 功能：
通过此功能可测量指定点、线、面、圆、弧、椭圆、圆柱、圆锥、球、键槽、曲线、曲面等基本元素。
⑶ 方法：
用鼠标单击”测量”图标，然后单击”被测元素”图标。工作区将显示该测量元素的标号及测量点数，可根据工作区的提示对测量元素进行删除点、增加点等修改，然后进行测量，即可得到被测基本元素的实际值。
3．”3－2－1”坐标系的建立：
⑴ 目的：
将坐标系的三个轴的方向和坐标原点建立在零件上，用于一些同类零件的程序控制自动测量。
⑵ 功能：
此功能可建立一个完整的零件坐标系。3-2-1的含义是：3（测量第一平面上的三点，软件自动将此平面的法矢作为零件坐标系的第一轴的方向）；2（测量第二平面上的两点直线，再将其投影到第一平面作为第二轴的方向）；1（再测量或通过构造产生一点作为零件坐标系的原点）。
⑶ 方法：
用鼠标单击零件坐标系的主菜单图标，再单击3-2-1坐标系图标，工作区会显示零件坐标系的每一项信息，可根据需要输入相应的元素作为新的坐标轴和原点。
以上面为例，选择坐标轴的名称，定义二坐标轴的方向及原点的坐标，方法如下： 在工作区的中部有五个小方框，首先用鼠标单击”第一轴”处，此处应变为蓝色，然后
用户可根据需要，到工作区最右边显示”坐标轴改变区”处，选择要建立的坐标轴的名称和方向并单击鼠标左键， ，蓝色小窗口即显示所选择的坐标轴。从工作区最左边选择要建立”第一轴”的元素类型，并用鼠标单击，此类元素的所有元素标号便全部显示在工作区，从中选中所需元素的标号，用鼠标双击，此元素的标号便显示在”第一轴”的方框中，此时，”第一轴”的方向便建立了。建立”第二轴”（工作区中，中间第二个小窗口），用户可用鼠标单击此窗口，使之变为蓝色后，可用同样的方法（建立第一轴）处理。建立”原点X 值”。如果要改变原点的X 坐标，只要在第三个小窗口上单击鼠标左键， 该小窗口即变为蓝色。在工作区最左边，查找所需元素类型，且按下该按钮，该类型所有元素标号都显示在工作区，选择所需要的元素标号，且双击鼠标左键，选择的元素标号，即出现在蓝色小窗口的右边。此时，零件坐标系的原点的X 坐标即确立了。”原点Y 值”、”原点Z 值”的方法都参照建立”原点X 值”方法。选择”确认键” 按钮，确认已建立的坐标系。此时，”Coord”窗口显示坐标系的标号，便是此零件坐标系的名称。
4．激光扫描测量
逆向工程是基于已有产品设计新产品的技术手段。与一般”由设计思路→产品”的设计过程不同，逆向工程是”由产品→设计思路”的过程。在制造领域中，逆向工程是在没有设计图纸或CAD 模型的情况下，利用各种数字化技术、CG/CAD技术，根据实物测量数据重构计算机模型，运用现代设计理论、方法对模型进行再设计，并与现代快速制造技术有机结合，最终制造出产品的过程。在有图纸和CAD 模型的情况下，逆向工程还可以应用于模具、样机的检测。逆向工程作为一种现代产品开发手段，与快速成形、快速模具以及各种数控加工技术相结合，能够大幅度缩短现代产品的开发周期，使企业适应小批量、多品种的生产要求。
逆向工程应用于产品设计时，其首要的步骤是物体表面形状的测量，常用的测量方法有三坐标测量、工业CT, 、层析、光学测量等，其中三坐标测量机是最早商品化的测量设备，光学测量是近几年逐渐成熟的测量方法，具有非接触性、速度快、精度高、易于自动控制、造价相对低廉的特点。
经过激光线扫描得到物体表面的离散点集，由离散点集重构物体表面的一般分为去噪、生成点集边界、网格化、曲面生成、数据输出等步骤。
选择正确的测量机硬件的关键因素在于其效率。根据不同的应用，测量机可配备触发或扫描测头。尽管触发测头通用性强，但扫描技术能够在同样的时间内采集到更多的点，从而适合于需要采集大量点以确定其形状的复杂零件的逆向设计中。一般的系统配置包括采用SP600模拟扫描测头，能够对未知三维自由型面进行连续扫描，连续、非接触激光测头（如WIZPROBE ），能够快速精确地完成复杂型面尤其是软材料工件的扫描，触发式测头（如TP20和TP200），能够实现对于空间几何量的精确接触测量。
具有强大CAD 功能的PC-DMIS 通用测量软件，能够根据具体应用需要，采用接触式点触发测头或采用连续扫描测头，进行工件表面点的数据采集，并可采用多种方式实现采集点数据的输出，这包括利用通用的IGES 格式和/或VDA 格式进行测量数据的导出，以及与CAD/CAM系统的直接连接进行快速输出。
五、思考题
1. 测量机系统主要包含哪几部分？
2. 为何要进行测头补偿？如何补偿？画出示意图。
3. 测头校验的目的是什么？怎样实现的？
4. “PC-DMIS 3.5MR2 CAD++”这个字符串中每部分是什么含义？
5. 简述Hark 软件的使用步骤？
6. 结合专业和实验实际，谈谈学习三坐标测量技术的体会？