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CAD系统在CMM测量中的应用 蔺小军,史耀耀,汪文虎,任军学,刘维伟 西北工业大学现代设计与集成制造教育部重点实验室,陕西西安710072 摘要对CAD系统在三坐标测量机测量中的应用进行了介绍。通过CAD系统可以完善和扩大测量机的功能,实现曲 面测量时的测头半径补偿,并能对测量数据进行处理。文中对实现这些功能的方法和步骤进行了说明。 关键词 CAD系统;坐标测量机;测量机软件系统 中图分类号TP391 文献标识码 B 文章编号 1001 - 3881 2006 1 - 158 - 2 The Application of CAD System in the CoordinateM easuringMachineM easurement L I N Xiaojun,SH I Yaoyao, WANGWenhu, REN Junxue, L I U Weiwei The Key Laboratory of Contemporary Design and IntegratedManufacturing Technology of theMinistry of Education, Northwestern PolytechnicalUniversity, Xi’an Shaanxi 710072, China Abstract The application of CAD system in the coordinate measuringmachine CMM measurementwas introduced. CAD sys2 tem can perfect the function of CMM,realize the compensation of measuring head,and treat with measuring data.The and process for realizing the functionswas shown1 Keywords CAD system; Coordinate measuringmachine; CMM software system 0 引言 坐标测量机的功能是基于空间点坐标的采集和 计算,将测量得到的被测物体几何参数与相应几何形 状的数学模型参数进行比较,使其可以测量各种形状 的零件参数。坐标测量软件作为坐标测量机系统的一 个重要组成部分,对测量机的功能起着举足轻重的作 用。 早期的坐标测量机仅能在机器坐标系下输出坐标 点,计算机的发明和应用,将数字化技术引入测量机 系统,从此诞生了坐标测量软件。迄今为止,坐标测 量软件包的发展经历了三个重要阶段第一阶段是 DOS操作系统及其以前时期,测量软件包能够实现 坐标找正、简单几何要素的测量、形位公差和相关尺 寸计算。第二阶段是Windows操作系统时代,计算机 的内存容量和操作环境都有了极大的改善,测量软件 包在功能的完善和操作的友好性上有了飞跃性的改 变,大量采用图标和窗口显示,使功能调用和数据管 理变得异常简单。第三阶段是从上世纪末开始将三维 CAD模型引入到测量软件中。虽然目前主流坐标测 量软件都可以导入CAD模型,但其还不能很方便地 把坐标测量机测量的点拟合成曲面,而CAD系统则 对曲线、曲面拟合有很强的功能,测量点重建数字模 型通过CAD软件系统可以很方便地实现。 1 CAD系统为坐标测量机软件系统提供CAD模 型,完善和扩大测量机的功能 111 通过CAD系统提供数字模型完善测量机的功 能 对坐标测量机软件来说一些先进的测量技术都离 不开三维CAD模型,比如坐标测量软件PCD I MS中 的UV扫描、转台扫描等,这些功能在测量时非常方 便,尤其在测绘一些特殊零件时必须使用这些功能才 能比较理想地完成曲面重构。目前主流坐标测量机软 件都有CAD模型接口,通过接口三维数字模型可以 导入测量软件中。对于被测对象有理论数据的零件, 通过CAD系统建立数字模型;对于无理论数据的被 测零件,通过三坐标测量机测绘该零件获得建立 CAD模型所需的数据,再通过CAD系统建立被测对 象的数字模型。以某叶轮的叶片型面测绘为例,由于 叶轮有转动轴,所以叶轮叶片测绘要求等半径测量, 即转台扫描。具体步骤如下 1三坐标测量机初步测量被测对象。本次测 量不是零件的最终测量,只是为进一步的测量提供建 图1 测量数据点 立CAD模型的数据,所以 测量时测量步距可以大一 点,而且这次测量误差不 影响最终测量结果。测量 时只要求测量点覆盖整个 被测区域。 2把测量数据输入 CAD软件系统,如图1所示。 图2 拟合的曲面 3通过CAD软件系统的 功能把测量数据点拟合成曲面, 如图2所示。 4把拟合的曲面CAD模 型导入三坐标测量机软件系统, 根据转台扫描功能实现等半径 测量,测量时取消刀具半径补 偿设置。这次测量结果是叶轮 测绘的最终结果。 5把测量数据输入CAD软件系统,拟合成曲 面,如图3所示。由于在测量时取消了刀具半径补 偿,测量得到的数据是测量头球心点的坐标,因此, 拟合的曲面是测量头球心点曲面。 851 机床与液压 20061No11 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 6通过CAD软件系统的功能做距球心点曲面 距离为测头半径的等距面,即为被测曲面,如图4所 示深色的面。 7通过CAD系统功能对曲面进行光顺、延伸 等处理最终获得理想的数字模型。 112 通过CAD系统补充扩大测量机的功能 虽然目前坐标测量机增加了不少扫描功能,但还 满足不了一些零件特殊测量路径的要求,只有把测量 软件和CAD软件系统结合起来,才能完成这些具有 特殊要求的测量。图5所示的扇形零件,要求是放射 状测量路径,有两种处理方法,一种是要求每条路线 都经过某一固定点,而且每条线的夹角相等;另一种 是要求测量路径线段把曲面的两弧形边界等分。如果 仅仅依靠测量机软件是很难实现这两种测量的。但是 通过CAD软件系统进行预处理,计算出一些关键点, 再结合测量机软件扫描功能,这些对测量路径有特殊 要求的测量都能实现。以扇形零件放射性路径测量为 例,步骤如下 1在CAD软件系统中做出被测曲面的CAD模 型。如果无理论数据,可以通过上述方法作出数字模 型。 2根据测量路径要求,在模型中做出测量路 径线段,如图5中的线段。求出线段与边界的交点, 作为开曲线扫描的起点和终点,再在线段上求一点作 为扫描的方向点。 图5 扇形曲面测量路径 3然后把求得的 扫描起点、终点及方向 点输入到测量软件扫描 功能所需的相应位置开 始扫描测量,就可以实 现一条放射路径扫描测 量。 4依次扫描其余路径,完成测量。 2 利用CAD系统实现测头半径补偿,可以对测量 数据进行处理 211 测头半径补偿 目前三坐标测量机的测头半径补偿功能还不完 善,测量曲面时还不能精确得出测头与接触点的坐 标。测头半径补偿的目的是为了得到测头与实际被测 曲面接触点的准确坐标。根据测量曲面的目的把测量 分为两种模式,检测误差模式和重构曲面模式,检测 误差模式的目的是为了判定该曲面是否合格,而重构 模式的目的是逆向制造,通过测量该曲面得到其数字 模型,然后加工制造出被测曲面。本文针对不同的测 量模式采取不同的处理方法达到测头补偿的目的,但 是无论何种方法都需将CAD软件系统作为其处理的 工具。 21111 检测误差模式测头半径补偿 检测误差模式的目的是判断被测曲面的误差是否 符合设计要求。这种模式有理论数据或数字模型,如 果仅有理论数据,通过CAD系统可以做出其数字模 型。有了数字模型后,把测量曲面得到的测头球心点 的坐标值输入CAD系统。然后查询得到测头球心点 到理论曲面的距离d,比较d与测头半径r来判断曲 面是否合格。 假设被测曲面允许误差是 δ,当|d-r| r时,说明被测曲面相对理论曲面偏厚, 从加工的角度来说,该被测曲面还有加工余量;当d r时,说明被测曲面相对理论曲面偏薄,从加工的 角度来说,该被测曲面已过切。 21112 重构模式测头半径补偿 在重构模式下采用等距面法对测头半径进行补 偿,这些操作都在CAD系统中进行。具体步骤如下 1把三坐标测量机测量的点输入到CAD系统 中,通过观察分析去除坏点。 2拟合样条曲线和曲面并光顺,如图3所示。 3做等距面,如图4所示,浅色面是测头球 心点曲面,深色面是求得的被测曲面。 212 通过CAD系统对测量数据进行处理 对于检测误差模式,测量的目的就是为了得到被 测对象的误差,对于尺寸误差,测量机软件系统很容 易计算,而对于形位误差虽然三坐标测量软件系统可 以计算,但都是以最小二乘法计算的误差,不符合国 家标准。如果要得到符合最小条件的形位误差,就可 以借助CAD系统进行计算和分析,文献[2]对之有 详细介绍。 对于重构模式,由于测量的目的就是为了得到 CAD模型,把测量数据输入CAD系统通过其功能对 测量对象进行重构是必不可少的。 3 结束语 三坐标测量软件系统在不断发展,但在曲面处理 功能上还不能完全替代CAD系统。三坐标测量机在 测量过程中与CAD系统结合使用,可以扩展测量机 的功能和满足一些特殊测量的需要。 参考文献 下转第169页 951 机床与液压 20061No11 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. Y713型齿轮磨床改进设计 陈功振 福州大学机械工程及自动化学院,福建福州350002 摘要针对Y713型齿轮磨床的缺点,从电磁计数和机械传动箱两个角度开展研究并作出改进方案。同时,也详细分 析和说明了改进后的工作原理。 关键词电磁计数器;机械传动箱;展成运动 中图分类号TG58012 文献标识码 B 文章编号 1001 - 3881 2006 1 - 169 - 1 1 问题之提出 Y7l3齿轮磨床是一种高精度机床,原设计结构 复杂,加工精度又不易稳定。这成为机械加工生产中 的难题,如何改进其结构是摆在企业的现实问题。 11电磁铁 21杠杆 31拨 爪 41棘轮 图1 电磁计数器 2 结构设计之改进 改进后的新结构大大 改善了工艺性及降低了复 杂程度,改进设计分为两 个部分 1电磁计数器图 1 采用了电磁铁1、杠杆 2、拨爪3及棘轮4等元 件组成,结构简单。这有 效地代替了原来复杂的齿 轮传动机构。 51直流发动机61正齿轮71正齿轮81锥齿轮 91锥齿 轮 101锥齿轮 111锥齿轮 121锥齿轮 131锥齿轮 141 正齿轮 151正齿轮 161正齿轮 171正齿轮181单齿离合 器 191单齿离合器 201正齿轮 211正齿轮 221台面蜗 轮 231长丝杠241台面螺母251蜗杆 图2 机构传动箱 2机构传动箱图 2 采用了直流电机5无级 变速、快速反换向,这一改进代替了原来复杂的机械 结构。 以上改进设计在性能上均能达到并超过原来机床 的技术要求,例如传动箱在采用先进的电气传动方式 后无论在精度及操作方面均比原设计科学得多。 3 工作原理剖析 电磁计数器中电磁铁1在接到机床信号后拉动杠 杆2使拨爪3拨动棘轮4,即计出一个数,传动箱中 直流电动机5通过正齿轮6、7,锥齿轮8、9、10、 11、12、13,再通过正齿轮14、15、16、17,然后分 为二路一路通过单齿离合器19及模数挂轮A、B、 C、D和正齿轮20、21达到长丝杆23及台面螺母24; 另一路通过单齿离合器18及齿数挂轮a、b、c、d达 到蜗杆25及台面蜗轮22。当分度时,单齿离合器18 在电磁铁及杠杆系统作用下脱开一次,圆台面即相对 地转过一齿。不同的模数和齿数的工件可改变两组挂 轮,即改变模数挂轮A、B、C、D及齿数挂轮a、b、 c、d来满足。在磨削行程时,台面由于丝杆对蜗轮 副的作用获得了渐开线展成运动。变速、快速及换向 全部由电气系统控制直流电机来得到,由于直流电机 具有无级变速的特点,所以,操作性能大大提高,机 械的加工精度由于传动链简单也比原来有所提高。 4 结论 经改进后的本机床总的来说是先进的,利用电气 操纵来简化和代替旧有的机械操纵是合乎现代机床的 发展要求的。改进后无论从工艺性、效率、操作、精 度等角度来看,都比原来机床有所提高。此外在制造 方面也可节省近二百个机械零件,减少了加工和装配 周期,为企业生产节约大量的资金。这是一成功的改 进设计。 作者简介陈功振,男, 1966年3月生。湖北大冶 人,机械专业副教授。主要从事机械设计与制造专业模 具专业方向的教学与科研工作。 收稿时间 2004 - 08 - 24 上接第159页 【1】王普 1坐标测量机软件的技术发展[J ]1中国计量, 2004 2 13 - 151 【2】蔺小军,等 1基于UG的形位误差分析与计算[J ]1 计量技术, 2003 11 28 - 301 作者简介蔺小军196815 , 硕士,工程师,主 要研究方向数控加工、精密测量、CAD /CAM,发表论文 10余篇,电话 029 - 88460426, E - maillinxj518 sohu. com。 收稿时间 2004 - 09 - 09 961 机床与液压 20061No11 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. 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