三坐标测量机迭代法建立坐标系的方法及应用

李庆

(安徽机电职业技术学院数控工程系，安徽芜湖241000)

三坐标测量机迭代法建立坐标系的方法及应用

李庆

(安徽机电职业技术学院数控工程系，安徽芜湖241000)

三坐标测量机随着我国制造业的发展而迅速普及.以PC－DMIS软件为例，介绍了三坐标测量机迭代法建立坐标系的方法，并以实际工程案例介绍了迭代法建立坐标系的过程，对于坐标测量机工程应用具有重要的现实意义和借鉴价值.

坐标测量;坐标系;PC－DMIS

表1 现代坐标测量技术与传统测量技术的比较

2 迭代法建立零件坐标系

2.1 迭代法建立坐标系应用情况

这种建立坐标系的方法适用于测量零件坐标系的原点不在零件本身，或者不能利用3－2－1法确定所需的基准元素来确定的情况.该类零件一般以曲面类零件较多，例如汽车与飞机覆盖件的零部件.这些零部件的坐标系原点一般在机身的主体上，不在零部件本身上.

2.2 迭代法建立坐标系的原理

迭代法建立坐标系是利用“最佳拟合”条件来建立被测零件的坐标系的方法.使用迭代法建坐标系时需要有标称尺寸，或者有CAD模型文件，尤其是要包含矢量信息.

找正:利用第一组元素拟合平面特征，以平面法向来拟合特征的质心所通过的一方向，也就是确定当前工作平面的法向.第一组特征必须至少使用三个.

旋转:利用第二组特征将拟合直线特征，以便将新建坐标系的某一轴旋转到直线特征上.第二组特征至少包含两个.

原点:利用最后一组特征将零件原点平移到指定位置.

2.3 用于建坐标系的元素及相关要求

(1)如果零件上有:圆、槽、球、柱、隅角点等可测量的元素

①需要特征个数:3个;

②前提条件:要有理论值及矢量方向或CAD数字模型;

③迭代次数:1次;

④迭代原理:上述元素是三维元素(包含矢量方向)，1次迭代能够达到测量目标精度要求.

(2)如果零件上有:矢量点、边界点、曲面点等可测量的元素

①需要特征个数:6个;

②前提条件:有理论标称值及矢量方向，最好有CAD数字模型，第1、2、3个特征的法向矢量要求方向一致;第4、5个特征的法向矢量方向要求方向一致，而且方向要与前三个特征的矢量方向垂直;第6个特征的法向矢量方向与前5个特征的法向矢量方向要求能够实现两两互相垂直.

③迭代次数:需要1次或多次.

④迭代原理:PC－DMIS软件把测量获得的数据使用“最佳拟合”到标称数据.PC－DMIS软件验证每个测定特征的测量数据与标称距离.如果测定的距离大于目标半径框的量，PC－DMIS软件会重新测量该特征，重新测量后确保所有测定点都满足“公差”范围内［2］.

2.4 建立迭代法坐标系步骤(用矢量点建立坐标系作为实例)

(1)导入数模，观察方向

(2)手动模式下取得基准的理论值，在手动模式下用自动测量命令测元素

用矢量点建立坐标系为实例，自动测量矢量点.在没有CAD模型，而有理论点的情况下，在点坐标位置处输入点的理论坐标，然后输入矢量方向，不勾选测量，点击创建操作.如果有CAD模型，可把CAD模型导入到PC－DMIS软件，用鼠标在CAD模型上选用特征点，PC－DMIS软件会在图形显示区自动拟合出所点选的特征点坐标值和矢量方向，这些点的性质需要创建为“标称值”.以此类推，共创建6个特征的测量程序.

(3)选定执行这些元素，按提示手动测量这些元素，取得在机床坐标系下的实测值

在测量程序中的开始测量之前，选择手动模式，此时要注意:新建一个程序，模式就为手动模式，选中所有测量程序，点击运行程序.测量机在执行测量程序后，PC－DMIS软件得到理论数据和实测数据.

(4)迭代，找正、旋转、原点

点击主菜单“插入”标签，选择“坐标系”，进入“新建坐标系”，进入“迭代法”建坐标系对话框(图1).

(5)进行自动迭代操作

先选择前三个点，要求矢量方向一致，点击“选择”按钮，用于找正.选择第4、5点，要求前三点矢量方向垂直，点击“选择”按钮，用二者矢量方向确定X轴或Y轴方向.选择最后1点，点击“选择”按钮，以确定原点.点选“一次全部测量”.填写设定点目标半径:一般要求不小于0.5 mm.点击“确定”按钮.PC－DMIS软件自动将实际测得的数据“最佳拟合”到CAD数模的标称数据，并出现“是否立即测量所有迭代法建坐标系的特征”对话框.点击“是”标签后，PC－DMIS软件将对每测量一点进行确认.PC－DMIS软件检查和验证每个测定特征的测量数据与标称数据.如果测定的距离大于目标半径框的量(0.5 mm)，PC－DMIS软件会重新测量该特征，重新测量后确保所有测定点都满足“公差”范围内.

图1 迭代法建坐标系对话框

3 工程案例

运用迭代法在钣金件上建立如图2所示坐标系的方法.

分析:对于此零件坐标系是由三个点、二个圆作为特征元素建立的.

3.1 由理论值创建程序

新建零件程序，输入程序名;在软件中设置测头系统，根据实际测量需要进行测头配置;导入CAD模型，确保测量数据的准确性.对程序段前部已经默认为“手动”模式进行确认;选择“自动特征”中的“矢量点”标签;对当前为“曲面模式”进行确认;在CAD模型中图示的“点1”位置附近单击鼠标，此时要注意观察点的法线矢量方向，如果有必要需根据工件实物或工程图纸的要求，在“自动测量”界面中对该点的坐标值进行相应的更改.点击“创建”，注意不要点击“测量”的标签，同时要注意:设置“移动”距离的数值.PC－DMIS软件将会自动创建测量1点的坐标测量程序段.这时在视图窗口中能够看到相应位置标记为“点1”;同样的方法，创建其余2个点的测量程序.

图2 PC－DMIS中的钣金件CAD图

打开自动测量圆标签进行自动测量设置，根据有CAD模型的测量办法和操作步骤设置相关测量参数，在创建测量程序时先不要选中“测量”标签选项，此时生成自动测量圆的测量程序，在视图窗口中可以看到圆1的标记;一般在参与迭代操作的圆特征元素的测量时，要在圆所在平面打样例点，以校验圆所在平面)，图3所示.

按此方法创建另外一个圆的坐标测量机测量程序.

3.2 手动操纵坐标测量机，获得各元素的实测值

在软件程序视图中将创建的测量程序中，选中所有程序段，按下“F3”运行键.运行刚刚生成的三个矢量点、两个圆等特征元素手动采集特征元素的测量程序，以获得实际测量值.

3.3 自动迭代操作

在软件的程序视图中将光标移至测量程序最后.打开菜单栏中的新建坐标系对话框，选择“迭代法”(图4).选择“迭代法”后，以获得“迭代法建立零件坐标系”的对话框，如图5所示.

图3 自动测量圆图对话框

图4 建立坐标系功能对话框

图5 迭代法建立坐标系对话框1

在对话框特征列表中选择相应的特征元素，利用“Ctrl+单击”，选中“点1”、“点2”、“点3”，选中“找正”，单击“选择”按钮.这样就可以确定测量零件坐标系的一个轴向.之后激活“旋转”选项，用同样的多选方法，选中“圆1”和“圆2”，如图6所示.

单选特征元素“圆2”，点击“原点”.至此，PCS建立确定完毕.

4 保存新建坐标系

保存新建的坐标系，以供其它零件程序回调.保存坐标系的操作方法:

路径:点击菜单栏中的“插入”标签中“坐标系”菜单栏中的“保存”按钮.在对话框的文件名框中键入坐标系名称.选择单位选项保存坐标系，一般以英寸或毫米为单位.此时要注意，为创建坐标系的测量程序用的测量单位与坐标系默认测量单位一致.默认坐标系保存格式为:*.aln.［2］一般情况下，坐标系可以任意保存在电脑文件夹中，如果要求在软件的图形区域内显示出新建坐标系，必须将坐标系文件保存到零件程序所在的文件夹里.［2］

图6 迭代法建立坐标系对话框2

5 结语

三坐标测量机建立坐标系有三个步骤，一定要严格按照步骤顺序执行:首先要找正平面，确定第一坐标轴方向，通常为X轴或Y轴;其次旋转到轴线，以确定第二轴方向，也就是相应的Y轴或X轴方向，Z轴方向根据笛卡尔坐标系原理自动生成;最后设置原点，以确定坐标系最终位置.三坐标测量机建立坐标系以右手螺旋定则为基本原则.建立零件坐标系的思路是根据实际测量零件和测量现场情况的需要进行综合考虑的，当然也可以建立多个零件坐标系，以便于对零件局部的精确测量，也可以在批量检测时反复调用坐标系.在实际规划测量方案时，要根据实际情况作出认真分析，以确定哪种建立零件坐标系的方法更方便、快捷、合理.合理的建立坐标系是提高测量效率和测量精度的必要途径.

［1］ 李贤义，傅建中，陈俊龙，等.三坐标测量机对零件形位误差的测量［J］.广西轻工业，2010(5):28－32.

［2］ 祖文明.逆向工程测量规划与扫描技术的应用［D］.昆明理工大学硕士论文，2011.

［3］ 刘培，黄玲，石小明，等.基于三坐标测量机的白车身质量控制［J］.汽车零部件，2013(5):96－100.

［责任编辑 王新奇］

The M ethod and Application of Establishing Coordinate System by M eans of Three-Coordinate M easuring M achine Iteration

LIQing

(Department of Numerical Control Engineering，Anhui Technical College of Mechanical and Electrical Engineering，Wuhu 241000，China)

With the development ofmanufacturing industry in China，three－coordinate measuringmachine has experienced a rapid prevalence.With software PC－DMIS as an example，the method of constructing coordinate system bymeans of three－coordinatemeasuringmachine is introduced.The construction of coordinate system by iterativemethod is elaborated by the example of a project.The approach is of practical significance and referential value for coordinatemeasuringmachine engineering.

coordinatemeasuring;coordinate system;PC－DMIS

1008－5564(2015)01－0056－04

TH164

A

1 三坐标测量机的概况

坐标测量机，简称CMM(Coordinate Measuring Machining)，其特点是精度高(主流设备均达到μm级)、效率高(是传统测量手段的数十倍、数百倍)、柔性高(多种长度计量仪器的高精度替代工具).三坐标测量机主要依靠测头接触或扫描到的零部件的检测部位，根据检测方式不同可分为接触测量和非接触测量，测量出检测对象的几何尺寸以及测量对象相互间位置关系，依靠计算机PC－DMIS软件进行数据处理获得测量数据.三坐标测量机经常用于产品测量、零件测绘、工装夹具的检测、产品开发过程中间测量、模具以及检具的复杂曲面检测、数控机床以及柔性生产单元或生产线在线测量等方面.坐标测量机的三维坐标测量方法具有极大的柔性，能够便捷地进行数据处理与过程控制，三坐标测量机在现代制造业中的产品质量精密检测和产品质量控制上发挥着重要作用.三坐标测量机还在新产品设计开发、生产过程控制、检具检测和模具制造与调试等方面起到越来越重要的作用.目前，三坐标测量机在汽车工业、机床工具、电子产业、模具工业、航空航天和国防科技等领域得到广泛应用［1］.从表1的对比中可得出，相对于传统人工操作的测量技术，数字化的坐标测量技术提高了测量精度和测量效率，也为批量生产的质量控制与工艺改进工作提供了技术支撑.

2014－09－25

李 庆(1981—)，男，山东菏泽人，安徽机电职业技术学院数控工程系讲师，工程硕士，主要从事计算机辅助设计与制造、数控技术应用研究.