【正文】 題 目 : 基于 CMM 的注塑零件的尺寸及幾何 誤差測量與分析 學 院： 機械電子工程學院 專 業(yè) : 機械設(shè)計制造及其自動化 班 級 ： 1103015 學 號 : 110301505 學生姓名 ： 梁冰 指導老師 ： 楊雨圖 職稱 ： 講師 二○一五 年 月 日 南京林業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） I 基于 CMM 的 注塑零件的尺寸和幾何誤差測量分析 摘 要 根據(jù) CMM的形狀誤差測量在工程應(yīng)用中有著重要的價值。然后，采用CATIA 軟件對點云文件進行降噪和過濾，獲得 注塑零件表面 的精簡點云，并經(jīng)三角網(wǎng)格化和光順處理后生成 注塑零件 模型。目前它廣泛應(yīng)用于機械，儀器，電子，國防和航空工業(yè)等各部門。 幾何誤差的研究意義 形狀和位置誤差是評定生產(chǎn)零件的重要指標之一 ,現(xiàn)代坐標測量技術(shù)是伴隨著現(xiàn)代電子、航天、機械等工業(yè)興起的新的測量技術(shù) ,基于三坐標測量機測量數(shù)據(jù)的形狀誤差評定方法的研究具有十分重要的價值與意義。 無論是什么 工件 ,只有通過對測量 的 數(shù)據(jù)進行誤差評定才能確定其形位誤差是否符合設(shè)計 的 要求 ，是否滿足生產(chǎn) 。 幾何 誤差是保證零件實現(xiàn)互換，滿足使用性能所提出的一項重要技術(shù)要求，是評定產(chǎn)品質(zhì)量的一項重要指標。將被測物體置于三坐標測量空間，自動 進行 數(shù)據(jù)采集，可獲得被測物體上各測點的坐標位置，根據(jù)這些點的空間坐標值，經(jīng)計算求出被測物體的幾何尺寸，形狀和位置。 逆向工程的應(yīng)用與發(fā)展 逆向工程 (RE)也稱逆向制造 ,即接受用戶的樣品 ,然后迅速、有效地對其 進行仿制。與早期產(chǎn)品生產(chǎn)過程相反， 因此稱為逆向制造。采用逆向工程技術(shù) ,不僅可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期 ,而且可以提高產(chǎn)品質(zhì)量 ,提高生產(chǎn)率 ,降低產(chǎn)品成本 ,從而增強企業(yè)的競爭能力 ,使企業(yè)獲得最大的經(jīng)濟效益。與長度測量、角度測量及其誤差評定相比，形位誤差測量和評定有較高的難度，我國開始著手研究的時間較短，但它已經(jīng)對我國的工業(yè)生產(chǎn)和科學技術(shù)進步起到了很大的促進作用，關(guān)于形位誤差評定的理論方法、數(shù)學模型及解算方法的研究，已達到了國際先進水平。評估算法中的最小二乘法從最初的發(fā)展到近似的最小條件評價方法 ,從簡單應(yīng)用優(yōu)化理論逐步發(fā)展到結(jié)合形式和位置誤差的特點改進現(xiàn)有算法來提高處理速度和精度 ,同時繼續(xù)提出一種具有實用價值的新的算法，在理論研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)實際生產(chǎn)需要利用計算機控制系統(tǒng)開發(fā)幾何誤差測量裝置。 國外研究現(xiàn)狀 總的來說 ,國內(nèi)對形位誤差的研究在短短二十多年里取得了 驕人 的成績 ,但與南京林業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 國際接軌還需要一段時間 。 本文的研究內(nèi)容與結(jié)構(gòu) 本課題 是基于三坐標測量機測量形狀誤差在工程中有著重要的價值與意義，對零件進行尺寸、距離等的測量，并對其平面度、垂直度等一些形狀誤差進行分析，最后利用逆向工程對其進行三維重建。 （ 3）采用 三維激光掃描儀掃描注塑零件 ，重建出精確的曲面和實體模型。在利用相關(guān)軟件（如 CATIA） 畫出注塑零件的三維圖導入 CAD 中，將其數(shù)據(jù)導入計算機測量軟件，計算機測量軟件會對 CAD 模型進行自動測量。 南京林業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 圖 論文組織結(jié)構(gòu)圖 第一章，作為全文的緒論，主要介紹課題研究的背景與研究意義，包括 形狀誤差的研究意義 、 三坐標測量機的運用 、 逆向工程的運用 ；另外，對國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀進行了介紹與概述；對本文的研究內(nèi)容、思路和布局做了大體的說明。 第五章，主要是逆向工程技術(shù) ，首先利用三維激光掃描儀對零件實體進行三維掃描，并在電腦中出現(xiàn)不完整的三維模型，通過多次不同角度的掃描獲得多個三維模型，通過拼合獲得近乎完整的三維模型，最后導入 CATIA 中進行三維重建。逆向工程技術(shù)是從實物原型到三維數(shù)字模型的轉(zhuǎn)換 , 是反求工程技術(shù)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù) , 它包括數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)處理、三維重建和模型評價四部分。控制系統(tǒng)是三坐標測量機的中樞，要詳細了解其工作原理，方便我們使用。根據(jù)零件的的幾何特征以及精度要求選擇合適的結(jié)構(gòu)形式。 圖 基本組成 結(jié)構(gòu)形式 三坐標測量機有活動橋式、固定橋式、和單邊高架橋式三種結(jié)構(gòu)形式。而且精度高運動速度快。在工作臺上大零件可墊等高塊，小零件可以放在方箱上固定后測量 即可 。 光柵系統(tǒng)（光柵、讀數(shù)頭、零位片），是測量基準； 零位片的作用是使測量機找到機器零點。 南京林業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 控制系統(tǒng)的功能 圖 控制系統(tǒng) 圖 ，主要功能： 控制 和 驅(qū)動測量機的運動 ， 三軸同 步、速度、加速度控制； 計算機指令通過系統(tǒng)控制單元， 根據(jù)事先 設(shè)置好的速度、加速度，驅(qū)動直流伺服電機轉(zhuǎn)動，并通過光柵和電機的反饋電路 來控制 運行速度和電機的轉(zhuǎn)速，使三軸同步平穩(wěn)的按指定軌跡運動。 采集溫度數(shù)據(jù)，進行溫度補償； 測座、測頭系統(tǒng) 測座、測頭系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集的傳感器系統(tǒng)，測座分為手動和自動兩種，主要功能： 圖 （ 1） 測座 測頭 系統(tǒng) 南京林業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 測座旋轉(zhuǎn)到指定角度； 本研究采用手動控制， 只能由人工手動方式旋轉(zhuǎn)測座 調(diào)整到指定角度 。以操縱盒的“ LOW”鍵進行控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換，即低速運動時是測頭的靈敏狀態(tài)。此外，還可以 進行測 頭 半徑補償，并把不同測頭角度 所測點 的坐標都轉(zhuǎn)換到基準測頭位置上。 測量機的工作環(huán)境 本次研究是在學校的實驗室 7D103， 坐標測量機 工作時所 需要環(huán)境要求 基本滿足 。 10V 50HZ； 要求有穩(wěn)壓裝置。運動速度快，精度比較高，可使產(chǎn)品精度大大提高。只有熟練的掌握了測量機的基礎(chǔ)知識才能為動手實踐奠定好的基礎(chǔ)。但在生產(chǎn)實踐中 , 經(jīng)常會因制品尺寸偏差給裝配造成困難 , 導致資源浪費。 圖 注塑件的三維圖 系統(tǒng)啟動 測頭校驗 測量特征 /構(gòu)造特征 建立坐標系 尺寸測量和幾何誤差分析 自動測量 南京林業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 系統(tǒng)啟動 測量機啟動前的準備 測量機 啟動前有以下幾項準備工作： 檢查機器的外觀及機器導軌是否有障礙物，電纜及氣路是否連接正常； 對導軌及工作臺面進行清潔； 檢查溫度、氣壓、電壓、地線等是否符合要求，對前置過濾器、儲氣罐、除水機進行放水檢查； 接通 電源系統(tǒng) 、除水機電源，打開氣源開關(guān)。 進入 PCDMIS 測量軟件 啟動 PCDMIS 軟件，建立零件程序名。 如果要調(diào)用以前的程序，在程序啟動時選擇相應(yīng)已存在的文件名 ，之后 程序進入工作狀態(tài)。方 式就是根據(jù)測頭校驗得出 不同測頭位置之間的關(guān)系，以方便軟件系統(tǒng)能夠進行換算。測針、測頭、測座等南京林業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 包括標準球都要固 定牢固，不能有絲毫間隙。 測頭校驗的步驟 在測量零件時，進入 PCDMIS 軟件后，軟件會自動彈出測頭功能的窗口。文件名在測頭功能窗口選擇以前已使用過的測頭文件進行測頭校驗。 南京林業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 圖 （二） 選擇 測座型號 三、定義測座與測頭的轉(zhuǎn)接 測座定義后，繼續(xù)從下拉菜單中選擇測座與測頭之間的轉(zhuǎn)接件。如果在測頭與測針間有加長桿，則要先定義加長桿后再定義測針。 圖 （四 )定義測針 六、添加測頭角度 如需要添加測頭角度，在測頭功能窗口中點擊添加角 度 的按鍵，即出現(xiàn)添加新角 度 的窗口。在使用這些測頭位置時，只要按照其角度值選擇調(diào)用即可。 逼近 /回退距離 ：測頭觸測或回退時速度轉(zhuǎn)換點的位置，可以根據(jù)情況設(shè)置，一般為 2～ 5mm，本次設(shè)定值為 。 操作類型 ：選擇 “ 校驗測尖 ” 。 柱測尖標定 ：對柱測針校驗時設(shè)置的參數(shù)，偏置是指在測量時使用的柱測針的位置。在工具標識窗口添加“標識”，在支撐矢量窗口輸入標準球的支撐矢量（指向標準球，如： 0， 0， 1），在直徑長度窗口輸入標準球檢定證書上標注的實際直徑值，按下確定鍵 后，就可準備測頭校驗。 圖 a PCDMIS 在操作者選擇了要校驗的測針后，彈出提示窗口，警告操作者將測座旋轉(zhuǎn)到 A0、 B0 角度，這時操作者應(yīng)檢查測頭旋轉(zhuǎn)后是否與 零件 或其它物體相干涉， 如有請 及時采取措施。 圖 b 如果點擊 “是”， PCDMIS 會彈出另 一窗口，提示操作者如果校驗的測針與前面校驗的測針相關(guān)，應(yīng)該用前面標準球位置校驗過的一號測針 T1A0B0 ，以使它們互相關(guān)聯(lián)。 觀查校驗結(jié)果 測頭校驗后，點擊測頭功能 —— 結(jié)果鍵，會彈出校驗結(jié)果窗口。“ StdDev”是本次校驗的形狀誤差，從某種意義上反 映了校驗的精度，這個誤差應(yīng)越小越好。 測點時的方向要盡量沿著測量點的法向，避免測頭“打滑”。 (面最少測 3 個點 ) 南京林業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 使用手操盒驅(qū)動測頭緩慢移動到要采集點的位置上方，盡量保持測點的方向垂直于工件表面。為使測量的結(jié)果真實反映零件的形狀和位置，應(yīng)選取適當?shù)狞c數(shù) ，并盡量使 測點位置分布均勻 ，點數(shù)和位置分布對面的 形位 誤差都有影響。如圖（ 3）所示。下圖為所測量的特征。為后續(xù)測平面度和距離做好準備。零件在檢驗前必須要有正確的裝夾 固 定住 、足夠的檢測空間。 下面詳細介紹。一般情況下，均選擇測量平面比較好的平面，使測點能夠均勻分布到整個平面上，這樣精度較高，測量一個平面至少要測三個點，測得的平面在計算中顯示出的是一個三角形。 圖 （一） a Z軸找正框圖 PCDMIS 軟件 將用在零件上測量出的平面 1 的曲面矢量方向作為 Z 軸 的 正 方向。 針對注塑零件，用平面 8 的 方 向矢量來確定第二軸向，在軟件中，利用這條線進行旋轉(zhuǎn)，這將引起測量機坐標軸的旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到平面 7，與零件坐標系的方向一致。也就沒有必要再確定第三個軸線了。 在計算機中 原點處于紅色標記處，它的坐標值為 X = 0， Y = 0 和 Z = 0。 尺寸 的 測量和形狀誤差的分析 距離 測量機 中 最為常用的一項功能 就是 測量元素之間的距離 ，可以快速的知道零件的尺寸 。 圖 (1) 距離框圖 二維距離的方向總是平行于工作平面 ， 三維距離是元素間的空間距離 ，所以距離的測量不是那么直觀，因而也容易出現(xiàn)明顯的錯誤。 二、距離的公差 公差區(qū)域允許操作者沿著正負方向輸入正負公差帶。 圖 a 距離公差框圖 一、 距離類型 如果一個元素是平面而另一個元素是點， PCDMIS 將提供點和平面之間的最短距離；如果兩個元素都是平面， PCDMIS 將提供第一個平面的特征點到第二個平面的最短距離。 例如在列表中僅僅選擇了二個特征， PCDMIS 計算的是特征 1 和特征 2 之間的平行于或垂直于的關(guān)系，基準為特征 2。 ? 測量第一個元素特征和第二個元素特征之間平行或垂直于特定軸的距離。 圖 (2) 各距離報告 七、圓弧半徑 該注塑零件的四周圓角太小，測針移動范圍小，如前面所述，采用構(gòu)造特征，可計算出圓的直徑。 平面度的評價 計算一個平面的平面度， 測針 至少應(yīng)測 3 點或者更多，點數(shù)越 多越能反映其真實的平面度。 選擇輸出設(shè)備。 下 圖 （二） 是所測的平面 4 的平面度的報告。(2)模具分析面的制造缺陷 。 平行度評價選項計算兩個平面的平行情況，必須有一個平面作為基準。 圖 平行度報告 報告顯示平面 5 和平面 6 的平 行度誤差在公差范圍內(nèi)，說明在產(chǎn)品制造過程中所造成的誤差較小，滿足加工精度，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，滿足裝配的互換性。 本章節(jié)主要研究面和面的垂直度。 圖 （二） 計算機顯示報告圖 本章小結(jié) 本章詳細的簡述了三坐標測量機的測量步驟，包括系統(tǒng)啟動前后應(yīng)注意的事項、測座測針的選擇、控制系統(tǒng)的功能、特征測量、構(gòu)造特征、建立坐標系和誤差分析的過程。 南京林業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 38 4 逆向工程技術(shù) 引言 逆向工程也稱逆 向制造，是在沒有設(shè)計圖紙以及沒有 CAD 的情況下對現(xiàn)有零件實體進行迅速、有效的仿制。 逆向工程技術(shù)近年來發(fā)展 非常迅速，它是 消化 ,吸收和提高先進技術(shù)的一系列分析方法及應(yīng)用技術(shù)的組合， 它的出現(xiàn) 改善 了 技術(shù)水平，提高 了 生產(chǎn)率 進而提高了經(jīng)濟效益， 增強 了在國際上的地位 。 三維激光掃描儀的簡介 隨著數(shù)字化技術(shù)的迅速發(fā)展，各種不同領(lǐng)域?qū)τ讷@取原始數(shù)據(jù)信息的需求也日益增多。 南京林業(yè)大學