机械三坐标测量毕业设计论文

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1、 三坐标测量机测量回转体零件分析 系 部： 机 电 工 程 系 学生姓名： 专业班级： 数 控 09C4 班 学 号： 指导教师： 2012年 3 月20日- 22 -声 明 本人所呈交的三坐标测量机测量盘形零件分析，是我在指导教师的指导和查阅相关著作下独立进行分析研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。作者签名： 日期： 2012.3.20 【摘要】三坐标测量机是“一种具有可在三个相互垂直的导轨上移动的探测器，此探测器以接触或非接触等方式传递讯号，三个轴的位移测量系统

2、（如光栅尺）经数据处理器或计算机等计算出工件的点的三维坐标（x，y，z）及各项功能测量的仪器”。三坐标测量机也称为三坐标测量仪，它综合利用精密机械、微电子、光栅和激光干涉仪等先进技术，目前广泛应用于机械制造、电子工业、航空和国防工业各部门，特别适用于测量箱体类零件和孔距、面距以及模具、精密铸件、电子线路板、汽车外壳、发动机零件、凸轮和飞机型体等带有空间曲面的零件。【关键词】：三坐标测量机；测量系统；精密机械目录引言1一、三坐标测量机测量原理、测量系统及测头介绍2（一）三坐标测量机测量原理2（2） 测量系统介绍2（3） 测头介绍2二、三坐标测量机的应用2（一）主要技术指标2（二）三坐标测量机的功

3、能2三、机型的介绍与示例零件相关内容叙述3（一）软件与硬件介绍3（二）零件的选取5（三）准备工作5（4） 零件的装夹6四、测量内容的分析6（一）尺寸的测量6（二）齿形齿向的测量7五、程序的编写7（一）编写程序注意事项7（二）坐标系的建立9（三）元素列表的编写10（四）评价列表的编写12（五）细节修改13（六）程序运行13六、报告的输出与分析13（一）报告的输出13（二）齿形、齿向分析15总结17参考文献18谢辞19引言三坐标测量机按测量精度和功能的不同，通常可分为计量型、生产型和专用型三大类。专用型三坐标测量机在特定场合使用；计量型三坐标测量机的测量精度较高，测量功能较多，运动速度较低，价格较

4、高，对环境条件的要求较严格；而生产型三坐标测量机的测量精度较低，测量功能较少 ，运动速度较高，价格较低，对环境条件的要求不高。 三坐标测量机有多种结构形式。如图1-1所示为一种固定桥式三坐标测量机的外观结构。图0-1 三坐标结构图随着机械行业的发展，三坐标测量机在测量行业和品质保证方面得到广泛的应用，而零件的特征是多种多样的。本篇论文是对于盘形零件的测量做一个剖析。讲述从识图、准备工作、选择测头文件的校准、是否建立坐标、获取工件表面特征、对获取的特征做出评价、根据需要保存出图纸或文本报告、数据分析（缺陷分析，统计不良情况）的测量过程以及注意事项。对拓展知识面和提高学生在品质方面的认识有着深远的

5、影响。一、三坐标测量机测量原理、测量系统及测头介绍（一）三坐标测量机测量原理三坐标测量机所采用的标准器是光栅尺。反射式金属光栅尺固定在导轨上，读数头（指示光栅）与其保持一定的间隙安装在滑架上，当读数头随滑架沿着导轨连续运动时，由于光栅产生的莫尔条纹的明暗变化，经光电元件接收，把测量位移所得的光信号转换成周期变化的电信号，经电路放大、整形、细分处理成计数脉冲，最后显示成数字量。当读数头移动到空间某个点位置时，计算机屏幕上立即显示出其三维坐标值。对表面进行几次测量，即可求得其空间坐标方程，确定工件的形状和尺寸。（2） 测量系统介绍1.机械式测量系统。典型的机械式测量系统是传统的精密丝杠和微分鼓读数

6、系统，也可以把微分鼓的示值通过机电转换，用数字方式显示。示值一般为15m。2.光学式测量系统。最常用的是光栅测量系统，利用光栅的莫尔条纹来检测坐标的移动值。由于光栅体积小，精度高，信号容易细分，因此是目前三坐标测量机特别是计量型测量机使用最普遍的测量系统，但使用光栅测量系统需要清洁的工作环境。除光栅测量系统外，其他的光学测量系统还有光学读数刻度尺、光电显微镜和金属刻度尺、光学编码器、激光干涉仪等测量系统。3.电学式测量系统。最常见的是感应同步器测量系统和磁尺测量系统两种。前者的特点是成本低，对环境的适应性强，不怕灰尘和油污，精度在1m内可以达到10m，因而常应用于生产型三坐标测量机。后者也有容

7、易生产、成本低、易安装得优点，其精度略低于感应同步器，在600mm长度以内约为±10m，在三坐标测量机上应用较少。（3） 测头介绍1.非接触式测量头。分为光学测量头和激光测量头，主要用于软材料表面、难于接触到的表面以及窄小的棱面等的非接触测量。2.接触式测量头。分为硬测量头与软测量头两种。硬测量头多为机械测量头，主要用于手动测量与精度要求不高的场合。现代的三坐标测量机较少采用这种测量头。而软测量头是目前三坐标测量机普遍使用的测量头。软测量头主要有触发式测量头和电感式三维模拟测量头两种，前者多用于生产型三坐标测量机，后者多用于计量型三坐标测量机。2、 三坐标测量机的应用（一）主要技术指

8、标三坐标测量机的主要技术指标包括测量范围、测量精度、运动速度、分辨率和测量力等五项。（二）三坐标测量机的功能现代的三坐标测量机都配有不同的计算机。因此三坐标测量机的功能很大程度上取决于所配计算机软件的功能。计量型和生产型三坐标测量机的基本测量功能相仿，但计量型三坐标测量机往往有许多特殊的测量功能。1.基本测量功能。包括对一般几何元素的确定（如直线、圆、椭圆、平面、圆柱、球、圆锥等），对一般几何元素的几何误差测量以及对曲线的点到点的测量和对一般几何元素的联接、坐标转换、相应误差的统计分析，必要的打印输出和绘图输出等。2.特殊测量处理功能。包括对曲线的连续扫描，圆柱与圆锥齿轮的齿形、齿向和齿距测量

9、，各种凸轮和凸轮轴的测定以及各种螺纹参数的测量等。3.计量型三坐标测量机还可以用于机械产品计算机的辅助设计与辅助制造。如汽车车身设计从泥模的测量到主模型的测量；冲模从数控加工到加工后的检验，直至投产使用后的定期磨损检验等，都可以用三坐标测量机完成。三、机型的介绍与示例零件相关内容叙述（一）软件与硬件介绍 三坐标测量机又为三坐标测量仪，在目前市场上由于产地与商家的不同，其相应 的品牌与软件都是不同的。而目前我从事的工作是ZEISS三坐标测量员，这更好的将我在学校所学习的专业课程应用到了实际操作中，下面就对目前我所工作的机型以及软件等做一个介绍：1.软件我所使用的是CLYPSO5.2的版本，这款软

10、件的作用在于可以与ZEISS硬件配合使用完成产品测量工作，对于同一产品可以对程序进行二次使用，亦可以导入数模进行脱机编程，其精度达到0.1。Calypso自动识别所测量的几何元素并自动生成测量路径、策略、回退运动以及元素间的运行路径。与传统软件相比，探针的校准是由CNC 程序自动完成的。在程序中你只需在参考球上手动测量一点即可， Calypso 会继续完成其它的工作。在Calypso 中，你要输出的参数必须依据预定义的结构，这意味着不会遗漏任何东西。例如，你会发现在需输入参数的地方提供了缺省值。只有很少的地方需要手动输入数据，它们会高亮显示以引起你的注意。逻辑顺序，指示器，确认提示，匹配特性的

11、合理性检查都是用来确保你不会遗漏任何要素，以使测量尽可能顺利进行。所见即所测：Calypso 在任何都提供了一个清晰的视图。 屏幕上的CAD 模型是正确的，你可以在整个测量过程中得到每个细节。 当然，你也可以直接输入CAD 数据，从而生成无错误的测量程序。多种测量报告可以保证你将及时得到全部的测量结果，然后你依然需要Calypso 的帮助。你可以定义测量记录以适合你的需要，例如你可以指定超差的颜色或选择全图模式显示结果。如果你要将结果输入到其它Windows 应用程序中去， Calypso 可以为你输出结果文件，这样你就能用图形格式或文本格式，或用客户定义的格式输出数据。2、硬件本论文介绍的三

12、坐标机型属于移动桥式三坐标200*120，由气浮驱动，其三坐标精度高的原因之一在于它的针库是固定不动的，而测针由吸盘吸取，这样就减少了气浮旋转带来的误差。对于硬件部分的详细介绍如下图3-1：库位架转台操纵盒 图3-1三坐标测量机库位架(如图3-2所示)就是用来放置测量探针的地方，放置探针需注意的是：复杂探针摆放于下层。图3-2库位架操纵盒(如下图3-3所示)是在手动模式下用来控制XYZ方向的。图3-3 操纵盒转台(如图3-4所示)作为三次元的第四轴，有着可以对于齿轮，回转体零件进行精确测量的功能。Calypso 容许你在转台上测量工件，当旋转测量对称工件（杆，大齿轮）和棱镜形状工件时就会体现出

13、优势：更加简单测头系统；用相同的测头就可以测量工件所有的边；当校准测头时很省力；更加缩短了移动路径；扩展了CMM 机的测量范围；既然使用者可以编程则编程变得更加简单。注意：对CMM 来说转台是第四个轴，因此有考虑测量的不确定度。在使用转台测量元素精度估计要考虑到CMM 容许第四轴的偏差，转台轴的校准精度会强烈影响到所获精度，因此有特别注意转台轴的校准。图3-4 转台（二）零件的选取我所选取的零件名称为worm gear如下图3-5所示：图3-2 PSA WORM GEAR选取此零件测量的是其跨棒距以及割断直径与位置度等形位公差，外加齿形齿向的分析图3-5 PSA WORM GEAR（三）准备工

14、作1.开机，完成5S工作；2.根据检测方的要求与提供的尺寸，我们将选取测针，进行校验；3.由于是回转体零件，为了方便分析其各部分的结构以及加工情况，需选择其中一个点作为标志性判断；4.整理测量方案，为高效率编程做铺垫。（4） 零件的装夹对于该类零件，通常为了测量的准确性，我们选取在转台上进行测量，其装夹方式如下图3-6所示：图3-6转台装夹测针则为图中所示的psa worm gear。该装夹方法便于批量测量且装夹简单牢固。四、测量内容的分析（一）尺寸的测量 尺寸的测量包括：由点线面组成的各种元素，但其中不包括齿相关类容的测量，对于尺寸的测量做如下相关分析:Calypso 使用了参数化原理，所以

15、，和使用单一的测量程序测量工件是类似的，但不完全相同。这一原理是建立在一个前提基础上的，这个前提是Calypso 测量程序中，两个工件相同的数据作为常量，而不同的数据作为变量。图4-1圆孔对比图同一个测量程序可以用来测量和检测不同的工件。如图4-1所示，有一个或两个圆孔的平面。即使孔径不同，几何形状不同，元素数量不同以及有无元素- 所有这些都可以进行参数化设置。建立可变测量程序的高级方法是使用参数文件，这个参数文件包含测量程序中变量的设置值。当你参数化确定工件的定义项目时，就可以用单一的测量程序测量不同的工件。你需要做的全部工作是在Calypso 中直接输入不同的参数，或者指定并调用一个参数文

16、件。可以为特定的测量程序创建不同的参数文件，对于给定的工件并测量所需项目时，可以调用任何一个相应的参数文件。每一个工件需要有一个独立的参数文件，如图4-2所示：图4-2 独立文件理解（二）齿形齿向的测量需要注意的是齿形齿向的测量需根据要求选择相应的探球大小五、程序的编写（一）编写程序注意事项1.测量程序基础第一步：打开一个新的测量程序并命名第二步：完成测量必须的准备工作第三步：定义要测量零件的元素第四步：定义要检查元素的特性第五步：运行测量程序2.准备工作列表红色是在你继续创建测量程序之前，必须完成准备工作。然而手动测量不需要准备工作全都满足。黄色是准备工作仍未完成, 然而，可以继续创建测量程

17、序( 系统将使用缺省设置。绿色是准备工作已完成。 3.测量机回零无论测量机什么时候返回原点( 在Calypso 启动时回原点或从Calypso 上选择回原点命令), 都需要再次确定参考球的位置。4.安装及校准探针当创建一个测量程序时，必须确保已经安装和校准了正确的探针组。校准探针，必须指定要校的探针，然后运行校准程序。如果探针按钮是绿色的，表明已经校准了探针组。校准探针必须遵守以下准则：（1）定义和校准探针组及探针必须在一个测量程序内进行，一旦已经定义了一个探针组，就要校准它的探针，已校准的探针可以在其它测量程序中调用。（2）每次运行程序时使用的探针组，必须与编制测量程序时使用的探针组相同。C

18、alypso 储存这些探针组，如果在运行时使用了不同的探针组Calypso 将会发现这种不恰当的配合。5、设置基本/ 初始坐标系工件坐标系是为测量程序定义的参考坐标系，基本坐标系是一个特殊的工件坐标系。基本坐标系实质是通过 Calypso 中CAD 的几何零点，将测量机台面上的零件位置与机器的物理原点关联起来。6、转台的准备工作 测量机的第四轴，因而会影响测量机的测量不确定度，用转台测量元素时的精度评定，必须考虑测量机第四轴允许的偏差。校准的精确度对测量机的测量精度有很大的影响，所以校准转台轴应该非常小心。7、定义安全平面安全平面的名字首先是由安全立方体的缩写SE组成，后面是保护方向。例如，S

19、E+X。当使用转台时，将会有附加的部分以及保护方向组成安全平面的名字，例如， RTSE+X。安全平面不要太大，因为有些情况下可能会导致不合理的路径甚至碰撞。 8、温度补偿你可以配置Calypso，以便在测量时考虑工件随温度变化的热胀冷缩，及CMM 的X、Y、Z 轴光栅尺温度，另外，也可以设定一个温度界限，当自动运行程序时，超出或低于这个温度界限时进行报警。温度补偿对于测量的精度非常重要，一般来说工件的名义值是基于环境温度为20度，且不同材料的热膨胀系数是不同的。因此，如果工件不满足参考温度，不同材料的膨胀/ 收缩必须进行温度补偿，如下表5-1所示。表5-1 膨胀系数一览表材料膨胀系数（/）铝（

20、2024-T3）22.7铝（6061-T6）24.3铝（7079-T6）24.7铸铁11.7铜16.6镁（NK31A-H24）25.2钢（AISI C1020）15.1钢（AISI 304）17.8碳钢11.3钛（B 120VCA）9.4（二）坐标系的建立转台测量零件时，零件坐标系的建立一般为回转体中心轴，先粗建坐标再进行精建。当初始坐标系作为临时基本坐标系使用时，工件坐标系将参考到初始坐标系。它只能通过手动探测产生，在测量程序中只允许调用一次。在某些情况下，产生基本坐标系需要许多元素。例如，基本坐标系包含由几个元素建构的新元素，在这种情况下，通过手动探测的方式产生基本坐标系是繁琐的，当然，如

21、果用于产生基本坐标系的元素不易探测时，也可以用这种方式。在这些情况下，建议使用初始坐标系。创建初始坐标系相对比较简单，通过3-2-1的方式找正，也可以是单独一个点。在CNC 运行时手动探测这些点或元素，然后， Calypso 就知道了工件的大概位置，并在CNC 运行过程中自动创建基本坐标系。图5-3如图5-3所示1、 机床坐标系2、 工件坐标系21图5-1 坐标系如图5-1坐标系所示：1.机床坐标系 2.工件坐标系（三）元素列表的编写蓝色区域为工作界面坐标系及五项修改评价列表元素列表图5-2工作界面元素的编写区域如上图5-2工作界面所示。以圆孔为例，其测量策略如下图5-3策略编辑： 图5-3策

22、略编辑通过转台的实体编程，在元素列表（如图5-4 元素列表）中出现的元素为测量程序，但测量的目的在于得出评价结果，因此下面来介绍一下评价如何进行。图5-4元素列表（四）评价列表的编写理论参数以及基准的选择以位置度为例：从菜单栏中选中位置度，并对其中的理论参数以及基准做选择：如下图5-5位置度对话框所示： 图5-5 位置度对话框图5-6评价列表如图5-6评价列表所示红色框内为经过评价所得的内容，但在元素、评价都完成之后，为了确保程序能够正常运行，我们需对重要的五项进行修改（五）细节修改图5-7五项修改如图5-7所示五项修改分别是：探针参数、工作平面、逼近距离、回退距离，运行速度。（六）程序运行每

23、一个程序都是在不断调试与路径优化中达到最佳状态，大大提高工作效率。待一切工作就绪后，点击如图5-8图标运行图5-8六、报告的输出与分析（一）报告的输出尺寸报告与图形如下图6-1、6-2所示：图6-1 尺寸报告图6-2 图形报告红色区域为公差带，中间线为理论值，蓝色波动线则为测量实际值（二）齿形、齿向分析图6-3 齿形图6-4 齿向图6-3为齿形图，图6-4为齿向图总结随着毕业的临近，毕业设计也接近了尾声。在老师的精心指导下，我的毕业设计终于完成了。回首这段时光，我收获了很多。经历了一段有笑有累的光阴，在此要感谢我的指导老师，是因为你的悉心指导和帮助让我不断成长。本次设计，从分析开始，再进行设计

24、，最后到作品实现，每一步都让我将理论学习的知识应用到实践中去。在设计过程中，我通过查阅相关资料，与同学交流经验，向老师请教等方式，让自己学到了不少知识，培养了我独立工作的能力和动手能力，相信会对我以后的学习和工作有非常重要的影响。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计我明白了自己原来知识还比较欠缺。要学习的东西还很多。现在我明白了学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己的知识和综合素质。毕业设计结束了，但我学到了很多，我知道这只是一个开始而已。我要对自己有更高的要求，才能作为动力不断的取得更好的成绩。学会创新，

25、培养自学能力，学以致用，才能达到做此次毕业设计的目的。三年的大学生活就要结束了,感谢院系老师对我大学三年来的照顾, 在此也感谢本次毕业设计精心指导的许老师从百忙之中抽出宝贵时间为我辅导。参考文献1Carl Zeiss, Industrial Metrology Division2公差测量与技术谢辞毕业设计很快就结束了，而我的大学生活也画上了圆满的句号。回想起大学里的点点滴滴，让我感慨万千。首先，我要感谢指导我毕业设计的 老师，是他在这段时间里对我的悉心指导和帮助，并且锻炼了我坚忍不拔、知难而上的精神，使我能够充分利用了所学的专业知识。其次，要向精密制造工程系的全体老师表示感谢,感谢他们这三年来

26、对我学习生活上的照顾,没有他们的谆谆教诲,我就不可能拥有扎实的专业基础知识,更不能顺利毕业。同时我要特别向在我实习期间来探望我们的几位老师表示由衷的感谢,谢谢他们的关怀,谢谢他们的探望，谢谢他们的嘘寒问暖。虽然对他们来说可能不值一提,但对我们来说却是终生难忘,再次向他们表示感谢。最后,我要感谢的是与我同窗三载的同学,三年来我们互帮互助,学习生活中的点点滴滴建立了我们伟大而深厚的友谊,同学,毕业了,大家一路走好！由于时间仓促,再加上个人知识,经验和能力的有限,毕业设计肯定还有好多不足之处,在此恳请各位评审老师提出宝贵意见并给予指正。感谢老师们对我设计的评审,我会在以后的工作学习中更加严格要求自己,努力提高专业知识技能,决不辜负老师对我的一片期望。