【正文】 學(xué) 號 : 110301505 學(xué)生姓名 ： 梁冰 指導(dǎo)老師 ： 楊雨圖 職稱 ： 講師 二○一五 年 月 日 南京林業(yè)大學(xué)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。本次設(shè)計在利用 CMM獲取測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)中形狀誤差的定義和評定標(biāo)準(zhǔn)，充分分析了注塑零件的平面度、垂直度等一些形狀誤差，然后結(jié)合逆向工程技術(shù)，對注塑零件的三維 重建進(jìn)行了深入研究。最后采用逆向工程技術(shù) 處理對 注塑零件的上表面以及側(cè)面 進(jìn)行閾值分割，并表面重建后生成點云文件。結(jié)果表明，基于 三坐標(biāo)測量機(jī) 的 零件的形狀誤差分析 更精 準(zhǔn) 、更快速 ，在工程應(yīng)用中占有重要的地位。 CMM是高效率的精密測量儀器，它是順應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展的需要和電子技術(shù)的發(fā)展而崛起的。 20世紀(jì) 60 年代以來，隨著電子工業(yè)、航空航天業(yè)、機(jī)床、機(jī)械、汽車等的興起，各種復(fù)雜零件的生產(chǎn)急需先進(jìn)科學(xué)的儀器進(jìn)行檢測，并且隨著產(chǎn)品更新節(jié)奏的加快，生產(chǎn)率低下，生產(chǎn)成本高，對產(chǎn)品的檢測速度需求也提高，三坐標(biāo)測量機(jī)正是集中了上述多種優(yōu)點，從而在測量領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并發(fā)揮了其重要性。逆向工程技術(shù)在生產(chǎn)制造中發(fā)揮了極大的作用，克服了早期生產(chǎn)中生產(chǎn)率低、成本高等缺陷。根據(jù)國標(biāo) GB118389 的規(guī)定，形狀誤差包括 :直線度、平面度、圓度、圓 柱度，單一的形狀誤差測量已經(jīng)滿足不了生產(chǎn)中檢測零件的精度要求，而形狀誤差評定又是位置誤差評定的基礎(chǔ)，所以必須把形狀誤差與位置誤差結(jié)合起來。二是由產(chǎn)品檢測 所 引起的。因此 ,只有 對 工件 形位誤差 進(jìn)行 準(zhǔn)確評定 ,才能 為產(chǎn)品驗收 提供 依據(jù) ,而且可以提高零件的加工精度和裝配精度。因次 ,研究南京林業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 開發(fā)適合 產(chǎn)品 檢測的 幾何 誤差測量 與分析 方法是 制造產(chǎn)品 的 需求 ,這不僅提高 產(chǎn)品質(zhì)量 ，而且 降低 了 測量成本、提高 了 測量效率 。 三坐標(biāo)測量機(jī)的應(yīng)用 三坐標(biāo)測量機(jī)（ Coordinate Measuring Machining，簡稱 CMM）是一種測量 零件 三維尺寸的精密測量儀器，主要用于 檢測 零 件的 尺寸、形狀和相互位置。三坐標(biāo)測量機(jī)的功能是快速準(zhǔn)確地評價尺寸數(shù)據(jù) 和分析形位誤差 ，為操作者提供關(guān)于 產(chǎn)品生產(chǎn) 狀況的有用信息，這與所有的手動測量設(shè)備有很大的區(qū)別。 三坐標(biāo)測量機(jī)以 通用性強(qiáng)、測量范圍大、精度 高、效率好、能與柔性制造系統(tǒng)相連接 的優(yōu)點 ， 被稱為 “測量中心”。 它是一種設(shè)計開發(fā)、檢測、統(tǒng)計分析的現(xiàn)代化的智能工具。一件產(chǎn)品傳統(tǒng)的制造過程主要經(jīng)過 設(shè)計 加工 檢測 ,產(chǎn)品形成后對其進(jìn)行檢驗 ,檢測是整個過程的最后一步 也是最重要的一步，就如上述的三坐標(biāo)測量機(jī) 。整個過程 為測量 設(shè)計 制造。 目前的模具制造、樣品復(fù)制、以及復(fù)雜零件的加工幾乎都采用逆向工程技術(shù)，因為其快速、精確、無 圖紙的優(yōu)點，提高了效益?？焖匍_發(fā)及制造高質(zhì)量、低成本的產(chǎn)品是提高企業(yè)競爭力的重要手段。作為新技術(shù) ,逆向工程必將在未來的制造中發(fā)揮重要作用。 一直以來 有關(guān)形位誤差的評定理論、評定方法等 都 備受國內(nèi)外 廣泛的關(guān)注。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 中國從 1970 年代末和 1980 年代初開始對形狀和位置誤差進(jìn)行更系統(tǒng)的研究。理論上 ,一個對象的數(shù)學(xué)模型逐步發(fā)展到多個對象的數(shù)學(xué)模型 ,建立一個線性模型的發(fā)展到建立一個非線性模型 。 雖然國內(nèi)三坐標(biāo)測量機(jī)發(fā)展迅速 ,但是 仍有不足 ,主要有以下幾個方面 :系列品種少；產(chǎn)品生產(chǎn)周期長 ,主要原因是元素和材料匹配困難導(dǎo)致加工周期長。此外 ,軟件功能也相對較少 ,尤其是專有軟件 ,和計算機(jī)工作站和數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)存在問題 ,只有少數(shù)測量機(jī)得以應(yīng)用 ,因此這項工作的大部分機(jī)器 ,都需要進(jìn)一步發(fā)展。 在中國還沒有特別關(guān)注形位誤差時，國外一些國家就已經(jīng)對其進(jìn)行研究了，已有一百 年的歷史了， 從 最初的 直線度誤差 ,到對平面度、圓度、圓柱度、圓錐度、球度等 越來越復(fù)雜的 形位誤差的測量評定 ,都卓有成績 。國外三坐標(biāo)測量機(jī) 制造商 較多， 因此 系列品種 也較多 ，大多數(shù)都有劃線功能。 本課題以 注塑零件 為例， 對其進(jìn)行基于三 坐標(biāo)測量機(jī)的特征測量與分析 ， 然后利用三維激光掃描儀對其進(jìn)行三維掃描， 為 工件的質(zhì)量檢測奠定了基礎(chǔ)。 （ 2）根據(jù) CMM 測量的 數(shù)據(jù)利用 CATIA 軟件 畫出三維實體圖并導(dǎo)入 CAD 進(jìn)行幾何尺寸的標(biāo)注，三坐標(biāo)測量機(jī)會對其進(jìn)行自動測量。 （ 4） 導(dǎo)入 CATIA 進(jìn)行三維實體重建 。三坐標(biāo)測量機(jī)對零件進(jìn)行尺寸及幾何誤差的測量，根據(jù)報告中每一欄顯示出的顏色可以判斷出哪些形狀誤差在精度范圍內(nèi)，哪些不在，并對其原因進(jìn)行分析。本研究將逆向工程技術(shù)與之相結(jié)合，通過三維激光掃描儀對零件進(jìn)行掃描并在電腦中顯示出不完整的三維實體圖，并通過多次拼合獲得尺寸較完整的三維圖，最后再導(dǎo)入 CATIA 中對其不完整的地方進(jìn)行修補。 依據(jù)上述研究內(nèi)容，本文組織結(jié)構(gòu)安排如圖 所示。 第二章，主要介紹 三坐標(biāo)測量機(jī)的基本組成及結(jié)構(gòu) 、 活動橋式測量機(jī)的構(gòu)成及功能、控制系統(tǒng)的功能、測坐測頭系統(tǒng)、計算機(jī)和 測量軟件、測量機(jī)的工作環(huán)境以及操作盒的使用， 主要涉及到在 三坐標(biāo)測量機(jī) 中的一些具體 介紹 ， 以便于更快速的掌握其使用方法 。 第四章，主要是根據(jù)第三章的講解，針對注塑零件實體進(jìn)行尺寸及幾何誤差測量與分析的實例測量與分析。 第五章 總結(jié)與展望 第一章 第二章 第四章 逆向工程技術(shù) 第三章 基于三坐標(biāo)測量機(jī)的測量步驟 第三章 第二章 坐標(biāo)測量機(jī)的介紹 第四章 第五章 第一章 緒論 第六章 第七章 南京林業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 第六章，對全文進(jìn)行總結(jié)，并對進(jìn)一步研究作出展望。形位誤差的測量在幾何量精密測量中占有十分重要的地位，坐標(biāo)測量機(jī)測量就是基于此而誕生的一種高精密測量儀器，在工程質(zhì)量 檢測中發(fā)揮了極大的作用，使生產(chǎn)的零件誤差更小，精度更高，使產(chǎn)品在國際上更具競爭力。逆向工程可以迅速、精確、方便地獲得實物的三維數(shù)據(jù)及模型 , 為產(chǎn)品提供先進(jìn)的開發(fā)、設(shè)計及制造的技術(shù)支撐。了解 三坐標(biāo)測量機(jī)的三種結(jié)構(gòu)形式及每個結(jié)構(gòu)形式的構(gòu)成和功能，能幫助我們快速決策針對某一零件采取哪種結(jié)構(gòu)形式可以滿足零件的精度。計算機(jī)和測量軟件是數(shù)據(jù)處理中心，主要功能是控制系統(tǒng)參數(shù)、進(jìn)行測頭定義和校正、零件找正核對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和統(tǒng)計。 三坐標(biāo)測量機(jī)的基本組成及結(jié)構(gòu) 了解三坐標(biāo)測量機(jī)的基本組成及結(jié)構(gòu)形式是掌握其工作原理和動手實踐的基礎(chǔ)。本節(jié)著 重介紹目前被廣泛應(yīng)用的活動橋式測量機(jī)。如圖 所示。其中南京林業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 應(yīng)用最多的就是活動橋式。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、視野開闊、開敞性好、上下零件方便。如上圖 。要求零件 擺放要穩(wěn)固 ，不受外力變形 而導(dǎo)致坐標(biāo)系移動，影響測量精度 。 橋架 ， 支撐 Z 滑架，形成互相垂直的三軸； 滑架，使橫梁與有平衡裝置的 Z 軸連接； 導(dǎo)軌，具有精度要求的運動導(dǎo)向軌道，是測量基準(zhǔn)； 導(dǎo)軌是氣浮塊運動的軌道，是測量機(jī)的基準(zhǔn)之一。 因此要定期對導(dǎo)軌清潔，可采用工業(yè)酒精擦拭導(dǎo)軌。機(jī)器零點 也就是 機(jī)器坐標(biāo)系的原點，既 是測量機(jī)誤差補償 的基準(zhǔn)，也是 測量機(jī)行程終控制的基準(zhǔn)。 空氣軸承氣路系統(tǒng) ，由 過濾器、開關(guān)、傳感器、氣浮塊、氣管 組成 ； 支承（架）、隨動帶。 在有觸發(fā)信號時采集數(shù)據(jù)，對光柵讀數(shù)進(jìn)行處理； 當(dāng)通過操縱盒控制運動的測頭與被測零件接觸時，測頭就會發(fā)出被觸發(fā)的信號 ,隨后 傳送到控制單元， 根據(jù) 測頭保護(hù)功能立即令測量機(jī)停止運動，同時鎖存此刻的光柵讀數(shù)。 根據(jù)補償文件，對測量機(jī)進(jìn)行 21 項誤差補償； 測量機(jī)在制造組裝完成后，都要使用 相關(guān) 檢測工具對 21項系統(tǒng)誤差 如 各軸的兩個直線度、兩個角擺誤差、自轉(zhuǎn)誤差、位置誤差，三軸之間的垂直度誤差 等 進(jìn)行檢測， 并 用軟件進(jìn)行補償，以保證測量機(jī)精度符合 產(chǎn)品加工 要求。 本研究在程序運行過程中沒有更換過測針，只是在測量開始前選定合適的測針即可。 測頭工作方式轉(zhuǎn)換； 測頭轉(zhuǎn)換工作方式是靠測頭控制器來實現(xiàn)的，測頭在測量機(jī)高速運動時處于不靈敏狀態(tài)，只有觸發(fā)時才能進(jìn)入靈敏狀態(tài)。 測頭傳感器在探針接觸被測點時發(fā)出觸發(fā)信號； 測頭根據(jù)其功能有：觸發(fā)式、掃描式、非接觸式等。 圖 （ 2） 測頭 計算機(jī)和測量軟件 計算機(jī)和測量軟件是數(shù)據(jù)處理中心，主要功能： 對控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置； 進(jìn)行測頭定義和測頭校正； 不同的測頭角度所測得坐標(biāo)值是不一樣的，而零件的尺寸是固定不動的，因此在測量前必須進(jìn)行測頭校正，以使無論什么型號的測頭都能獲得相同的結(jié)果 。 建立零件坐標(biāo)系； 為使測量能更方便的進(jìn)行， 測量軟件 要 以零件的基準(zhǔn)建 立坐標(biāo)系， 即零件找正，稱為零件坐標(biāo)系。 輸出測量報告； 在測量軟件中，操作員可以按照自己需要的格式設(shè)置模板，并生成檢測報告輸出。 下面對此進(jìn)行簡單介紹： 環(huán)境溫度 環(huán)境溫度： 20℃177。 電源 除使用機(jī)型特殊要求，一般測 量機(jī)使用電源為 220V177。 單獨接地線 要求有單獨接地線，接地電阻≤ 5Ω； 要求周圍沒有強(qiáng)電磁干擾。 12. PART：此按鍵燈亮?xí)r，測量機(jī)按工件坐標(biāo)系移動； 13. JOY：激活操縱盒搖桿，燈亮，搖 桿可以使用； 2 分鐘不用，此指示燈自動熄滅； 14. AUTO：自動測量模式鍵，測量機(jī)由軟件程序來控制； 本章小結(jié) （ 1）本節(jié)介紹了三坐標(biāo)測量機(jī)的基本組成和三種常見結(jié)構(gòu)形式，并且分別介紹了活動橋式、固定橋式和單邊高架橋式的各自的特點， 其中活動橋式測量機(jī)是使用最廣泛的，結(jié)構(gòu)簡單，開敞性比較好，視野開闊，上下零件方便。 （ 2）本節(jié)主要介紹了控制系統(tǒng)的三種主要功能： ?控制、驅(qū)動測量機(jī)的運動，三軸同步、速度、加速度控制； ?在有觸發(fā)信號時采集數(shù)據(jù)，對光柵讀數(shù)進(jìn)行處 理；?根據(jù)補償文件，對測量機(jī)進(jìn)行 21 項誤差補償； ?采集溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)行溫度補償。 （ 4）本章了解到測量機(jī)的工作環(huán)境要求，以及操作盒的使用。 南京林業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 3 基于三坐標(biāo)測量機(jī)的 注塑零件的 測量步驟 引言 在上一章節(jié)主要介紹了三坐標(biāo)測量機(jī)的組成及結(jié)構(gòu)和各部分功能，主要是理論知識，沒有結(jié)合實際測量，本章主要講解三坐標(biāo)測量機(jī)的測量步驟，并詳細(xì)講解每一步驟的具體內(nèi)容及注意 事項。 圖 測量流程 注塑零件的介紹 隨著注塑成型技術(shù)的不斷發(fā)展 , 對制品的尺寸精度要求越來越高。如何提高注塑制品的尺寸精度 , 是成型加工領(lǐng)域中非常重要的課題之一。其三維圖如圖 。 測量機(jī)系統(tǒng)啟動 打開計算機(jī)電源，啟動計算機(jī)； 打開控制系統(tǒng)電源，操縱盒所有指示燈全亮 ， 系統(tǒng)進(jìn)入自檢狀態(tài)； 啟動 PCDMIS 軟件系統(tǒng)； 進(jìn)行回機(jī)器零點的操作。 測量機(jī)系統(tǒng)關(guān)閉 關(guān)閉系統(tǒng)時，首先將 Z 軸運動到安全的位置和高度，避免造成意外碰撞； 退出 PCDMIS 軟件，關(guān)閉控制系統(tǒng)電源和測座控制器電源； 關(guān)閉計算機(jī)電源，除水機(jī)電源，關(guān)閉氣源開關(guān)。如圖 所示。根據(jù)文件名就可方便的尋找到自己 所測得零件。 測頭校驗 測頭校驗的必要性 三 坐標(biāo)測量機(jī)在測量零件時，是用測針 前端 的 紅 寶石球與被測零件表面 輕輕接觸 ， 盡管紅寶石很小，但是 接觸點 坐標(biāo)與紅 寶石球中心點的坐標(biāo) 還是 相差一個 紅 寶石球的半徑。 不同測頭角度、長度和直徑不同的測針 測量零件得到的坐標(biāo)值是不同的，因此必須經(jīng)過測頭校驗來保證在不同型號的不同角度下的測量結(jié)果都是相同的。 圖 測針測量零件 測頭校驗的原理 由上述介紹可知，測頭校驗是測量過程的第一個環(huán)節(jié)，也是必經(jīng)的環(huán)節(jié)，它影響之后的測量精度，因此必須高度重視。 此外， 校驗時測針和標(biāo)準(zhǔn)球 都 要保持清潔 以避免誤差 。測頭校驗的速度要與測量時的速度保持一致。 并定期進(jìn)行檢查以 減少環(huán)境變化對測頭的影響 。 在進(jìn)行測頭定義前，首先要 根據(jù)零件外形特征以及測量特征要求選擇好 配置測頭、測針，并規(guī)劃好測座的所有使用角度。 一、 定義測頭文件名 PCDMIS 的測頭以文件的形式管理，每進(jìn)行一次測頭配置，都要用一個測 頭文件來區(qū)別。 本次測頭文件名為 TEASTAR1。 本次研究選用測座型號如下圖所示。 四、定義加長桿和測頭 如果在轉(zhuǎn)接件 后面有加長桿，則要在下拉菜單中選擇相應(yīng)長度和型號后，再選擇相應(yīng)測頭。 圖 （三） 定義測座與測頭的轉(zhuǎn)接 五、定義測針 在下拉菜單中按照測針的 紅 寶石球直徑和測針長度選擇相應(yīng)的測針。 提示：配置測針和加長桿，要根據(jù)測頭的承載能力。 南京林業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 測針定義后，會在測頭角度窗口中自動顯示 A0，