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1典型零件数字化设计及测量实验指导书徐红兵2007.4.一、实验目的1．掌握零件的测绘过程，熟悉零件的表达方法；2．熟悉通用量具的使用；3．熟悉CAD（PRO/E、UG、CATIA等）软件；4．学会手动式三坐标测量机的使用；5．熟悉Global三坐标测量机的使用。二、实验内容1．箱体零件测绘，画草图；2．用CAD软件（PRO/E、UG、CATIA等）绘制箱体三维图；3．在CAD软件中生成箱体的二维零件图；4．对箱体零件进行尺寸和形位误差的传统精度测量等；5．应用手动式三坐标测量机，测量箱体零件中的部分尺寸和精度；6．应用CAD模型在Global三坐标测量机上，进行自动检测。三、主要实验设备及技术规格1．HC2000手动式三坐标测量机：HC2000手动式三坐标测量机由HC系列数显系统和YH2000测量软件组成。测量范围为2000×1200×1500mm；单轴精度X=±0.0075mm，Y=±0.0075mm，Z=±0.0075mm，测量范围超过1500mm时，测量精度为±0.025mm+0.03L（L为测量长度，单位为米）。2．Global三坐标测量机GLOBALSTATUSHAWK777活动桥式三坐标测量机由PCDMIS接触式测量系统、HAWK激光扫描非接触测量系统、控制箱、操纵盒、气源等部分组成。接触式测量的行程为700×700×660mm；测量精度：TP20测头的测量精度可达2.5+4L/1000um（L为测量长度，单位为米）；被测工件最大重量可达900kg；HAWK非接触测量最大扫描速度为100mm/s，采点速度为40点/s，扫描景深±5mm，测头焦距50mm，重复性2um。四、仪器简介1．手动式三坐标测量机2（1）HC系列数显系统磁栅数显表的基本原理：磁栅数显表由磁信号传感器和信号处理器两部分组成。磁信号传感器包括磁尺和磁头，在磁尺上均匀地录有磁信号，当磁头与磁尺有相对运动时，通过磁头的磁通发生变化，使磁头线圈感应出来的电动势也随之相应的变化。感应的信号被送到信号处理器进行信号放大、数模转换、数据运算，得到磁头与磁尺相对位置的数据，在数显表上进行数据显示或通过串行口将数据传送给上位计算机进行高级数学运算。磁栅数显表的组成：磁栅数显表的前后面板如图1中（a）（b）所示。开机后应首先按一下复位键，确认机器正常启动。图1磁栅数显表的面板1-X轴数据显示窗口2-Y轴数据显示窗口3-Z轴数据显示窗口4-N值数据显示窗口5-状态显示灯6-键盘7-串行通讯口8-传感器接口9-打印机接口10-电源插座11-电源开关12-复位键13-保险丝磁栅数显表的功能与操作：①坐标轴清零:直接按“C”键，可将三轴数据同时清零。单轴清零，可按某轴符号键，再按“C”键；②坐标轴置数：按某轴符号键，输入预定值，再按“E”键进行确认；③N值置数：按“N”键，输入预定值，再按“E”键进行确认；④采点值重显：按“D”键可将上一次采点值显示出来；⑤重现时间设定：按“N”键，输入0~7个数字，再按“S”键队重显时间进行修正，开机时重显时间是上一次关机的重显时间，N0S采点速度最快，N7S采点速度最慢；⑥分辨率切换：按“F”键，再按“D”键，可实现0.01mm和0.05mm分辨率的切换；⑦坐标轴极性变换：按某轴符号键，再按“F”键；⑧找基准点：基准点可按置数方法进行输入，然后按“F”键再按“N”键；⑨打印功能：按“P”键，可将上一次采点的数据由打印机输出，按“F”键，再按“P”键，可设置采3点自动打印输出；⑩通讯功能:按“T”键，可将上一次采点的数据通过串行口向上位计算机发送，如果按“F”键后再按“T”键，可设置自动通讯模式。○11终止计数功能：按“B”键，三轴停止坐标数据的变化，再按“B”键，将恢复正常计数；○12存储功能：存储量为256个点，存储的计数值用N值表示，按“F”键后再按“S”键可设置机器为自动存储状态。（2）YH2000测量软件YH2000测量软件是北京丰台宇航新技术研究所最新研究开发的，运行在Windows平台环境下的，HC系列三坐标划线测量机的测量软件。该软件使用VisualC++6.0编写，具备各种几何元素测量功能、文件（数据）存储与打印、实时数显（实时显示测头空间坐标值）、联机文档帮助、支持鼠标右键以及良好的Windows用户界面。①测头半径补偿：使用三维测头与星型测头测量工件时，实际测量结果与理论测量值之间存在一个测头半径误差D/2（D为测头直径，具体如图2所示）。为修正该误差使之不影响测量结果的准确性，用户在测量工件之前需要根据被测物体的几何特征与所用测量方式确定测头半径的补偿方法。YH2000测量软件中定义有3种测量方式分别为内侧测量、外侧测量和同向测量（具体方式如图3所示：），相应的误差补偿方式分别为：（a）内侧补偿（b）外侧补偿（c）同向补偿。图2测头直径图3测头补偿的3种方式内测补偿用于补偿测量内圆（孔）时的误差，即用所得的结果加上测头直径。外测补偿用于补偿测量外圆、圆球时的误差，即用所得的结果减去测头直径。同向补偿主要用于测量台阶高度与台阶深度，该测量方法没有测头半径补偿问题。②几何元素测量：YH2000测量软件的测量元素共分为形体测量、相交测量、投影测量、距离测量、公差测量五个部分。4i形体测量用来计算几何元素的特征值与特征向量。主要包括：点、线（空间）、面、圆（空间）、球、圆柱、圆键槽。ii相交测量用来计算几何元素间的交点与夹角。主要包括：线夹角、线面夹角、面夹角、面交点、连心线夹角、圆圆相交。iii投影测量用来计算投影元素的特征值与特征向量。主要包括：点到直线、点到平面、直线到平面、圆到平面、基准线到平面。iv距离测量用来计算几何元素间的距离。主要包括：点到点、点到直线、点到平面、圆心距、球心距、圆到直线、圆到连心线、量块。v公差测量用来计算几何元素的公差值。主要包括：直线度、圆度、同轴度、键槽偏差。③平面测量、球面测量和圆柱测量的步骤：i平面测量：在形体测量栏中选择平面测量按钮，在测头标定中选择适当的测头半径补偿方式，打开串行口开关，按下编辑栏中的串行口加入按钮，从串行口输入3点得到图4（a）结果，从面栈中选中一条基准测量面，作为该面的代号，如图4（b），在工具栏中按下保存按钮，此时测量结果存入面栈中，程序同时显示如图4（c）。（a）输入3点后的结果（b）选择平面代号（c）程序显示结果图4平面测量结果ii球体测量：在形体测量栏中选择球体测量按钮，在测头标定中选择适当的测头半径补偿方式（当测量一个内球时使用内侧补偿，当测量一个外球时使用外侧补偿。），打开串行口开关，检查串行口加入按钮当前状态是否为按下，从串行口输入4点得到图5（a）结果，从基准测量栏的点栈中选择基准测量点2（任意选定），如图5（b），从工具栏中选择保存按钮，此时测量结果5存入点栈中，程序同时显示如图5（c）。（a）输入4点后的结果（b）选择球心代号（c）程序显示结果图5球面测量结果iii圆柱测量：在形体测量栏中选择圆柱测量按钮，在测头标定中选择适当的测头半径补偿方式（内补、外补），从面栈中选择基准测量平面5（任意选定），从工具条中选择取面按钮，得到如图6（a）显示，打开串行口开关，检查串行口加入按钮当前状态是否为按下，从串行口输入6点得到以下结果，如图6（b），从线栈中选择一条基准测量线，从工具栏中选择保存按钮，此时测量结果存入线栈中，程序同时显示如图6（c）。（a）基准测量面下取面的结果（b）输入6点后的结果（c）程序显示结果图6圆柱测量结果（注：图6（b）显示测量结果框中（L、M、N、Xo、Yo、Zo、D、α）的L、M、N为轴线法向量,Xo、Yo、Zo为轴线上一点，此点位于基准平面上，D为圆柱的直径，α为轴线法向量与基准平面法向量夹角。）62．Global三坐标测量机（1）GLOBAL三坐标测量机简介GLOBAL三坐标测量机是一种集光、机、电、算为一体的精密光学测量仪器，可用于各种几何元素——点、线、面、圆、圆锥、圆柱、阶梯轴和球，形位公差——直线度、平面度、平行度、垂直度、位置度、倾斜度、跳动度、配合公差等方面的三维测量，也可以进行计算机数控(CNC)测量，所以在国外称为测量中心。GLOBALSTATUS系列三坐标测量机是美国Brown&Sharpe集团最新一代高性能活动桥式测量机。独特的TRICISIONTM式（精密三角梁）横梁设计，提供了良好的刚性质量比。可以配置多种测头、测座，提高了检测效率、测量精度，增加了操作的可靠性，降低了维修保养费用。GLOBALSTATUS测量机可广泛用于工业中的首件检测、最终检验，过程和夹具检验，过程控制以及逆向工程应用。（2）PC-DMIS通用测量软件PC-DMIS是功能强大的CAD功能的通用测量软件，为几何量测量的需要提供了完美的解决方案。从简单的箱体类工件一直到复杂的轮廓和曲面，PC-DMIS软件使测量过程始终以高速、高效率和高精度进行。PC-DMIS功能介绍：①几何量及形位误差测量与评价；②智能测量，该软件能自动识别测量特征，减少人机交互操作；③通过标准协议（如IGES、DXF、DES、VDA-FS、ASCII等），与CAD系统实现双向连接；④可对轮廓类，薄壁类等特殊工件进行测量与分析；⑤可直接读入理论数模，不需中间转换，不损失精度；⑥可输出强大文字，图形分析报告；⑦多视图显示功能；⑧用不同的颜色显示误差曲线的分布；⑨脱机编程，节省测量时间；⑩仿真运行，保证编制程序的正确性，避免碰撞，减少损失。（3）GLOBAL三坐标测量机的组成及操纵盒按键说明GLOBAL三坐标测量机的组成由机械主体、电器控制柜、计算机、测头和控制软件。操纵盒按键说明，如图7所示。7（4）测头校验测头校正是三坐标测量机进行零件测量时必不可少的一个重要步骤，目的是要正确得到被测零件的测量参数。即是为了精确测头的半径值，便于测量机延矢量方向延长一个半径补偿，也是为了建立各角度之间的关系。因此使用三坐标测量机检测零件时，首先要校正所用测头系统。测头系统常有测座、适配器、传感器及不同类型的测杆组成。测杆类型常根据检测零件的不同而改变，如有球形测杆、柱形测杆、盘形测杆和星形测杆等。实验时选用测座PH10MQ、适配器PAA1、传感器TP20和球形测杆(测杆直径φ4测杆长度20mm)。测头定义及校验步骤：①从“插入”下拉菜单中选“硬件定义”，进入“测头”选项如图8所示；123456789101112131415161．操纵杆手柄，需与ENABLE键3同时用；2．运行速度百分比显示；3．ENABLE键与操纵杆手柄1同时用有效；4．DONE确认键；5．调节运行速度键；6．JOGMODE操纵杆工作模式键；7．PRINT加移动点；8．SLOW键；9．X、Y、Z轴指示灯；10．SHIFT键；11．PROBEENABLE键，正常工作时，应确保此灯亮；12．LOCK/UNLOCK轴锁定键；13．紧急停按键；14．MACHSTART测量机加电按键；15．DELPNT删除确认前的测点；16．RUN/HODE程序运行键。图7操纵盒按键说明8图8测头选项②在加亮当前的“测头文件”方框中，键入新的文件名；③在测头说明窗口加亮“没有测头定义”选项，然后点击下拉菜单的箭头；④按测量机现有配置情况，在描述窗口中按“测座至测杆”依次选择相应的配置。即PROBEPH10MQ、CONVERT30MMTOM8THRD(PAA1转接头)、PROBETP20、TIP4BY20MM(TIP指测杆,4指测杆直径,BY指球型测杆,20MM指测杆长度)。⑤选择添加角度，打开添加角度所需要的A、B角度(A角绕X轴旋转，范围0～105°，每格7.5°；B角绕Z轴旋转，范围-180°～+180°，每格7.5°，逆时针为正)，然后确定；⑥选择测量，打开测量测头对话框如图33所示，进行测头效验；设定测头参数：测量点数5，逼近/回退距离2～5mm，运动速度20%～50%，测量速度2%～5%，校验方式DCC(自动)方式，操作类型测尖校验，校验模式选取默认模式(触发测头)；定义标准球参数：按“添加工具