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三坐标测量基础知识三坐标测量基础知识前言三座标测量是焊装白车身几何尺寸监控的重要手段，随着公司发展，3D测量也纳入了冲压零件的质量监控范围。可以说伴随着每个工厂的开工建设，3D测量间是同步开工的。也就是说，所有的焊装车身和冲压零件几何尺寸分析都离不开3D测量数据。因此，掌握一些三座标测量原理，了解如何分析阅读3D的测量报告，如何提出测量需求，对于每一个质量分析人员是十分有必要的。学习要点1.明确三坐标测量的基础理论2.三坐标测量报告的解读和应用3.坐标系的建立方法初步的认识1.0坐标测量技术的原理坐标测量技术的原理任何形状都是由空间点组成，所有的几何测量都可以归结为空间点的测量，因此精确进行点坐标的采集，是评定任何几何形状的基础。1.1三坐标测量的分类1.按测量方式分类分接触式测量和非接触式测量（激光测量仪）2.按测量机的结构分类 可以概括为悬臂式、台式、桥式、龙门式、便携式（关节臂）悬臂式测量机龙门式测量机1.2测量工具的选择选用测量工具注意事项：精度（三座标机因为机械加工的客观因素和用途三座标机因为机械加工的客观因素和用途不一样，精度当然也是不一样的。）不一样，精度当然也是不一样的。）悬臂测量不确定度：MPEE18+20L/1000m测量行程龙门测量不确定度：MPEE8+9L/1000m测量行程测量环境测量速度和效率1.3.测量机适用范围1、大型悬臂式的手动、大型悬臂式的手动3D测量机测量机整车及其他大型零件总成的非重复批量性测量、检具的标定2、大型悬臂式的自动、大型悬臂式的自动3D测量机测量机整车及其他大型零件总成的重复批量性测量3、中型龙门式自动、中型龙门式自动3D测量机测量机中、小零件重复批量性测量4、便携式激光测量仪、便携式激光测量仪现场大型夹具、成型机的测量5、便携式手动测量仪便携式手动测量仪现场中小型夹具、检具的测量 1.4测量软件介绍测量软件介绍-目前武汉工厂全部使用目前武汉工厂全部使用Metrolog软件，整体界面如下。软件，整体界面如下。定定义义、测测量量、构构造造三三大大功功能能定义定义测量测量构造构造1.5基本测量流程基本测量流程：准备工作测量包括数模、测量基准、测量元素，料厚信息要明确，具备测量支架，明确零件装夹方式等评价包含建立基准、定义理论值和构造出报告距离、角度、形位公差等PDF、TXT或其他2什么是三坐标什么是三坐标?物体的长度测量是以点的坐标为基础的，它分为空间一维、二维、三维测量，三坐标就在X、Y、Z轴三个坐标位置的具体数值，根据这些点的数值经过计算机数据处理，从而得到被测零件的几何尺寸、形状偏差、位置偏差。1.2汽车车身坐标系的原点和方向原点在车身前桥轴线的中点上，向后为X+，向右为Y+，向上为Z+标准 PSA B180050标准 ISO 41301.4 1.4 基准和基准系的定义基准和基准系的定义标准：标准：ISO5459+A322125+出自出自“车身零件几何鉴定车身零件几何鉴定”文件的文件的E-299基准是一个使被测要素与之相关的几何组件。基准系（参照系）是数个处于精确理论位置上的几何组件的集合，被测要素与它相关。1.4一维坐标轴（基础）简称数轴坐标值为根据坐标轴上某一点对应该轴的位置测得的代数值，数值可以为正值，也可以为负值。物理意义：用来描述物体在某一方向上的长度值。同样的，二维坐标轴由同一平面两条垂直相交而来，是解析几何的基础，描述几何点在某一平面上的位置。三坐标参照系是由空间三维坐标系标准正交而来（3个矢量XYZ两两垂直）是一个计算坐标的数学系统。（是一个计算坐标的数学系统。它的所有三条轴的单位完全相同且每条轴之间的两两夹角皆为90）三坐标系用（O，X，Y，Z）表示。1.7 1.7 点点:用一个示标准正交三维坐标系(O,X,Y,Z)中的三轴坐标值（x,y,z）表示：例如:点M1的坐标为X1,Y1,Z1 1.8 矢量矢量差差(VG)实际表面与相应的理论表面之差，表示为理论表面的一个法向矢量，该矢量的方实际表面与相应的理论表面之差，表示为理论表面的一个法向矢量，该矢量的方向从理论表面指向实际表面。向从理论表面指向实际表面。该矢量差依据协定，在从公差表面指向材料外表面时为正值，从公差表该矢量差依据协定，在从公差表面指向材料外表面时为正值，从公差表面指向材料内表面时为负值。面指向材料内表面时为负值。1.9 距离:连接两个点间的线段的长度。它总是正值.例如:点M1和点M2之间的距离d等于:d=(x2-x1)2+(y2-y1)2+(z2-z1)22.1 测量报告的类型Process工序尺寸Produit产品尺寸Mixtes混合尺寸混合尺寸2.2检具的检定报告检具的测量和夹具的测量原理相同，先测检具的测量和夹具的测量原理相同，先测量检具或夹具的基准，根据图纸提供的条量检具或夹具的基准，根据图纸提供的条件建立检具或夹具的坐标系，然后对检具件建立检具或夹具的坐标系，然后对检具或夹具的定位销和定位面进行测量。或夹具的定位销和定位面进行测量。根据图纸或验收要求对比测量结果判断是根据图纸或验收要求对比测量结果判断是否满足使用要求。否满足使用要求。3.1为什么创建参考系为什么创建参考系?果不查参考系，那么只有机器的坐标系。例如，测量一个下面的零件：在机器坐标系中圆的坐标是Xc,Yc,Zc；这些点与图纸中的定义尺寸A和B完全无关。MetrologII可以让你用这些点创建一个新的三维系统，并使其对应于图纸的标称值。在这个例子中，按零件建立的坐标系用坐标直接给出了A和B的尺寸。3.2 3.2 夹具和检具基准夹具和检具基准3.2.1通过垫块通过垫块3.2.2通过参考垫块通过参考垫块凸凸台台或或加加工工基基准准缩缩进进5mm，以以避避免免基基准损坏准损坏3.2.3通过小球通过小球:作基准用的小球通过使用钻套放置在检作基准用的小球通过使用钻套放置在检验平台上验平台上3.3 3.3 建立参考系几种方法建立参考系几种方法3-2-13-2-1建立参考系建立参考系几何法建立参考系几何法建立参考系三个中心点建立参考系三个中心点建立参考系六个曲面点建立参考系六个曲面点建立参考系基准元素建立参考系基准元素建立参考系最佳拟合建立参考系最佳拟合建立参考系3.3.1 3-2-13.3.1 3-2-1建立参考系建立参考系这种建立参考系方法的原则是，通过在基准表面上采集六个点，从而创建参考系。上图的例子中，点1,2,3设定了X方向，这些点的坐标位置是X=-100，点4,5设定了Y方向坐标是Y=45，点6设定了Z方向是Z=50.选择3-2-1构建坐标系构建坐标系时，显示右侧右侧的对话框：照窗口中的顺序采集六个点，并确认。参考系显示出来。按钮设定表面的法向矢量方向，如果采集点表面的法向矢量方向与参考系轴的方向一致，则符号为+。如果采集点表面的法向矢量方与参考系轴的方向相反，则符号为-。3.3.2几何法建立参考系几何法建立参考系MetrologII使用已经测量的元素计算出几何方法的参考系。使用已经测量的元素计算出几何方法的参考系。例如使用下面的元素：例如使用下面的元素：测量平面测量平面Plan1，直线直线line2测量测量并投影在并投影在Plan1上，上，直线直线line3测量测量并投影在并投影在Plan1上，上，点点poin4line2与与line3相交的构造点。相交的构造点。选择此功能时，显示下面的对话框：输入参考系的名称。输入参考系的名称。建立参考系的基准元素建立参考系的基准元素坐标系的平移坐标系的平移坐标系的旋转坐标系的旋转圆柱和圆锥可以被认为是轴，用于指定方向。球和圆可以被认为是圆柱和圆锥可以被认为是轴，用于指定方向。球和圆可以被认为是点，用于定义位置。平面的方向由其法向矢量决定。点，用于定义位置。平面的方向由其法向矢量决定。一般情况下，如果设计图上没有特别指定构建坐标系的方法，而且一般情况下，如果设计图上没有特别指定构建坐标系的方法，而且几何公差和尺寸也没有参照物，那么就用最好的工作表面作为主要几何公差和尺寸也没有参照物，那么就用最好的工作表面作为主要的基准方向，该面应该尽可能的大，或者使用一个圆柱转轴，如果的基准方向，该面应该尽可能的大，或者使用一个圆柱转轴，如果它作为基准足够长。它作为基准足够长。3.3.3三个中心点建立参考系三个中心点建立参考系这种类型的参考系，也称谓三点参考系法，通过测量三个元素对应于三个点(可以是球、圆或点)，在即将创建的参考系中它们的理论坐标值是已知的。注意：这种类型的参考系完全是计算的结果，如果理论坐标值符号或小数点出现错误，参考系就完全无意义了。1：三个元素不能成直线状态，否则建立的参考系精度会很差。2：如果用点元素构建参考系，这些点元素最好是构造的，因为测量点的精度是不足以用于建立参考系的。指定三个元素，在每个元素名的上面的图标显示元素的类型。给出每个元素的理论坐标值。3.3.4六个曲面点建立参考系六个曲面点建立参考系这种类型的参考系必须在屏幕上有CAD模型是才能建立。通过联结CAD模型上的定义点和零件上相似位置的测量点，找正零件。如果可能，这些参考点应该定义出一个坐标系。下面的例子，点1-2-3,4-5,6.最上面的区域输入参考系的名称然后选取建立参考系的六个点。使用鼠标点击CAD模型上预想的点。定义定义正确的理论值。正确的理论值。六个点定义完成后，用测量机按照顺序测六个点定义完成后，用测量机按照顺序测量所有的点。量所有的点。最后点击创建，构建出坐标系。最后点击创建，构建出坐标系。3.3.5基准元素建立参考系基准元素建立参考系此功能利用基准元素对应于一个或几个坐标轴的方法建立参考系。Metrolog 找正参考元素的实际测量坐标与理论坐标。（坐标系直观）参考系的名称；基准元素；必须是测量 的元素并可以被认为是 一个点（点、圆及球）；基准元素设定的坐标轴；如果遵守了坐标系建立 的法则，Create按钮变 为可使用。3.3.6最佳拟合建立参考系最佳拟合建立参考系执行此功能时，参照工作任务中现有的参考系的理论值，得到优化的参考系。调整参考系只是提供了几何变化，即参考系按照坐标轴进行平移和旋转。另一方面，参考系的优化也就是调整零件表现出的偏差，对偏差进行优化。在Best fit 对话框中选择 Calculate Best fit，结果 的数字值是参考系旋转和平 移的值，这些值使得优化的 参考系得到最小的偏差。点击 Accept，通过对源参考 系的转换，优化参考系PCS1 后创建了参考系PCS2。注意注意：对于一个优化值，比 如如一个平移值，并不是将源 参考系对应于优化参考系的 平移值。实际上，是将两个 参考系的相关坐标和方向都 参与了计算的结果。3.4自动测量的实现及优点自动测量具有测量速度快，劳动强度低，人为因素干扰小，重复性好等优点，适合大批量复杂零件的测量。实现自动测量要具备以下几个条件：1、测量设备可以自动测量。2、编好了测量程序。3、零件装夹位置固定。4、测头校准球位置固定。其中1、2两点便于理解，3、4两点作用是让零件在机器坐标系（MCS）下位置固定。下面详细解释3、4两点。3.4.1装夹位置的固定为了让零件在机器坐标系下具有固定的位置，必须让零件的装夹位置固定。我们通过测量支架来实现这一功能。零件在支架上的装配位置固定，支架在三坐标设备平台上的装配位置固定。从而使零件相对与测量设备是固定的。3.4.2测头校准球位置固定为了让测量设备在机器坐标系（MCS）下能够准确找到固定好的零件，我们需要将MCS也固定下来。这可以通过固定校准球的位置来实现。2.5测头校准原理与实际意义在自动测量中，测头可以进行旋转，而具有多种姿态。不同姿态时测量同一个位置得到的光栅读数是不一样的。因为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，因此坐标轴的方向不需要校准。故而实际上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测量需求应避免的问题测量需求应避免以下常见问题：1、缺少基准元素列表，或者基准与实际想考察的状态不符。2、形位公差表达错误。3、数模不全、料厚方向不清楚。2.7测量报告的分析拿到一份测量报告，应按以下顺序解读：1、检查基准元素是否符合要求。2、边缘点等特殊元素测量是否正确。3、曲面点的投影面是否正确。