关于三坐标测量机坐标系的建立

论文导读：坐标测量机（CoordinateMeasuringMachining。成为现代工业检测和质量控制不可缺少的万能测量设备。系统采用ZCR-CAD和Industry3DCam软件。提供有三种建坐标系方法。
关键词：三坐标测量机，坐标系，检测，ZCR-CAD
 

三坐标测量机（CoordinateMeasuring Machining，简称CMM）是20世纪60年代发展起来的一种新型高效的精密测量仪器。它的出现，一方面是由于自动机床、数控机床高效率加工以及越来越多复杂形状零件加工需要有快速可靠的测量设备与之配套；另一方面是由于电子技术、计算机技术、数字控制技术以及精密加工技术的发展为三坐标测量机的产生提供了技术基础。目前，CMM在生产测试中得到了广泛应用，它几乎可以对生产中的所有三维复杂零件尺寸、形状和相互位置进行高准确度测量，成为现代工业检测和质量控制不可缺少的万能测量设备。

CMM在检测批量产品或单件产品时，通过编程可以提高测量速度，降低劳动强度。然而，在编程中坐标系的建立是后续测量的基础，建立了错误的坐标系将致测量错误的尺寸，因此建立一个正确的参考方向即坐标系是非常的关键和重要的，它直接影响测量速度和数据精度。1 测量系统的组成

本文所用的数据化采集系统为CHXY-30-17-15CTJ型三坐标测量仪及相关软件，系统结构包括三坐标测量机、电气控制硬件系统、计算机以及测量软件等，有X、Y、Z三个运动方向。电气控制装置包括主控制单元、电机驱动电路、数据传送接口、电源和电源保护电路等。它与测量机和计算机连接，接收测量机的位置检测信号后传送给计算机。系统采用ZCR-CAD和Industry3DCam软件，完成各种三维空间曲面的数据测量和造型设计工作。

2 坐标系的建立

ZCR-CAD 提供有三种建坐标系方法，我们可以按照设计和加工基准来建立严格准确的工件坐标系，在工件坐标系下直接测量，与工件在测量台上的位置、方位完全无关。

2．1 3-2-1法

3-2-1法是最基本的建坐标方式，以平面元素为主要基准，适用于箱体类机加零件; 按照此方法确定一个坐标系，需要若干基准元素。典型的情况是：1、需要两个方向矢量作为工件坐标系的两个轴，第三个轴按右手法则自动算出。2、需要1-3个坐标点，确定工件坐标系的原点（3个分量）。在建坐标系的对话框上（图1），相应地用第一轴、第二轴、原点(X，Y，Z) 对应于各个基准元素的选择操作。

典型的建坐标系的过程分如下两个阶段：

第一阶段：为了在零件上建立三轴垂直的坐标系，测量机软件首先利用面元素确定第一轴，因为面元素的方向矢量始终是垂直于该平面的，当我们利用投影到该平面上的一条线来建立第二轴时，第一轴和第二轴就保证绝对是垂直的，这样测量机软件就建立了互相垂直的、符合直角坐标系原理的零件坐标系。具体方法如下：使第一轴选择框为选中态；从元素列表框或图形窗口选择元素，使其索引名自动填入到对应的编辑框中。硕士论文，检测。方法一：在对话框上选择。用鼠标双击列表框内的元素索引名，该元素即被填入到第一轴的编辑框内，表示该元素已被选上。方法二：CAD图形选取。将光标焦点从测量对话框移到CAD图形窗口；框选测量元素，看到表示选中的蓝色小框出现；光标焦点移回到测量对话框，点击选取“CAD”，即可看到元素索引名自动填入到第一轴编辑框内的结果。

第二阶段：确定第二轴和原点X、Y、Z，方法同上，填入坐标原点的理论值并计算即可。

将3-2-1建坐标系可用的元素归纳如下表。

我们在用此方法确定坐标轴时，因注意以下几个方面：第一、只有具有方向特征的元素才能选作为坐标轴，也就是，单点和球面是不能作为第一轴和第二轴的。硕士论文，检测。第二、要注意所选元素的方向矢量的正负号，因为用它的方向来定义的坐标轴的方向也有正负问题。硕士论文，检测。因此，在元素测量时除点和球之外，要遵循正确的采点顺序规定。为防止建坐标的方向错误，建议在事前先查看元素参数。第三、在建坐标系的过程中，程序要严格遵守坐标轴的正交性原则，第一轴参数，是完全不折不扣照搬的，第二轴，程序就要进行审查修正了，第三轴则是完全自己确定的。显然在实际测量时，哪个基准做第一轴就要仔细考虑了。第四、并不是每建一个坐标系都需要两个基准，比如轴类零件只要一个端面或轴线基准就够了。这只要选定第一轴就可以了，程序自动确定另外两坐标轴。第五、如果第一轴和第二轴均无指定方向，仅选择园点，则相当于平移机器坐标系。第六、采集特征元素时，要注意保证最大范围包容所测元素并均匀分布。

2．2 三点找正法

三点法以三个点坐标为基准，适用于曲面类零件的找正。多点找正，又叫“Best Fit”是基于CAD数模的多测点找正方法。已知工件上的三个点的理论坐标值， 则可以在测量后快速建立工件坐标系。 对三点基本要求是： 1、必须是可测量的， 例如点，园，球，园锥； 或可通过测量计算的，例如，各种交点等，三点不能位于一条直线上。2、在工件上的分布越大，精度越高。3、一个典型的应用，是当一个工件无法在一个装夹工位下完成测量时，例如需要反转后测量，但需保持坐标系不变。可在工件上布置三个附助参考球， 则可以实现坐标系的统一。硕士论文，检测。具体方法如下：

（1）在测头与坐标系菜单条目下打开建坐标系(3点)对话框（图2），测量元素列表区内列出了当前文件中所有的元素，例如这里是4个测量元素。第一点先用光标在列表栏内选中第一个元素，再按该按钮，将把该元素名填入点元素组的第一个文本框内。用同样方法选出第二点和第三点。 例如，这里的园8、园6和园3。

（2）将三个测量点对应的理论坐标填入到对应的文本框内。要注意的是从左至右，第一列对应第一点，以此类推，不要混淆次序。

（3）完成计算。硕士论文，检测。硕士论文，检测。

2．3 旋转与平移法

通过坐标系的旋转和平移也可以创建新的坐标系，这就大大增加了建坐标系的灵活性。从菜单上选择建坐标系（旋转与平移），启动后的命令行显示（图3）：平移输入区将三个移动分量填入对应文本框。旋转输入区选中旋转轴（X，Y，或Z），将角度填入对应文本框并执行。在此我们要注意的是，移动分量和旋转轴都是基于当前坐标系。

3 检查坐标系的建立是否正确

如何确定零件坐标系的建立是否正确，可以观察软件中的坐标值来判断。方法是：将软件显示坐标置于“零件坐标系”方式，用操纵杆控制测量机运动，使宝石球尽量接近零件坐标系零点，观察坐标显示，然后按照设想的方向运动测量机的某个轴，观察坐标值是否有相应的变化，如果偏离比较大或方向相反，那就要找出原因，重新建立坐标系。

4 结束语

建立零件坐标系是非常灵活的，在测量过程中我们可以根据具体情况和测量的需要多次建立和反复调用零件坐标系，使利用三坐标检测工件可以达到准确、快速、高效的目的。

参考文献：
[1]于馨芝,王宁,闻济世.机械设计、制造工艺、质量检测与标准规范全书[M].北京：金版电子出版社,2003
[2]谭庆永.长度计量技术问答[M].北京：中国计量出版社,1990