分享 | 三坐标测量技术规范

1 测量准备

1.1 基本原则

产品测量遵循以下基本原则：

所有零部件应尽可能在装配状态下测量，在装配状态下无法测量的部分可分两种情况处理：一是零件之间互相遮挡的部分，可采取逐层拆卸逐层测量的方法进行。二是零件的反面，应采用重定位的方法进行。

在拆卸任何零件之前均应测量其重定位基准（重定位基准点或边界线），并注意在拆卸过程中保证产品上的所有零件不发生变形。

1.2 测量准备

为了方便测量，提高测量速度，在测量前应对零件上不明显的轮廓（倒圆）进行描点。点应描在轮廓的中心线上，并尽可能光顺。可通过观察平行光（日光或日光灯）在轮廓上反射光线形成的条纹来辅助描点。

2 工件装夹

2.1 产品形状的保持

确保装配体及其每个零件在测量状态下的形状与使用状态下一致，不得使产品在装夹时发生变形。

对于刚性较好的装配体，应在装夹时自然放置在支架上，然后进行加固。而对于柔性或已经产生变形的工件，则应用强行约束使其形状恢复至使用状态，然后再安装到支架上固定。

应利用支架、垫块等辅助工具保证每一个零件的各部分以及整个装配体的刚性。特别注意在对装配体逐层拆卸、逐层测量时，应确保每一零件不发生变形。

2.2 装夹方位

将工件放置在三坐标测量机的测量范围内，如不能在一次装夹位置下完成测量，则可进行多次定位，称为重定位。重定位应注意以下原则：

（1）使每次定位所能达到的测量范围最大化，以减少重定位次数。

（2）每次定位应与之前的某次定位有尽可能大的重合测量区域，以保证定位基准的设置和重定位变换的精度。

（3）应尽可能减少重定位变换（即每次定位向第一次定位进行坐标位变换）的中间环节尽可能少（详见数据处理部分有关“重定位”的叙述），以减少累积误差。

工件的放置应便于测量人员的操作，将复杂部位放置在易于测量的位置。

重要的测量面应尽可能放置成水平或垂直状态，工件的对称面应尽可能平行于测量机的坐标平面。

2.3 装夹技巧

（1）采用棉花堆积并浇502的方法可完成点接触的加固。

（2）大变形产品在拆卸前可用麻线绷紧并固定在易于变形的位置，产品拆下后将其恢复至麻线绷紧的状态即可作为对装配状态的近似模拟。

3 测量

3.1 测量的内容和次序

测量的内容包括基准点、分型（边界）线、轮廓线、面、结构等。测量的次序按如下原则制订：

（1）先难后易：即先测量难度较大的部分。

（2）先重后轻：即先测量重要的部分。如基准点、分型线等。

（3）先配合后个体：即先测量装配结合部分。

（4）先整体后细节：即先完成主体的形位测量，再补充细节。

当然，在安排次序时，还要结合下面的具体情况灵活处理：

（1）造型进度的需要。

（2）在同一次定位下完成尽可能多的数据测量。

（3）测量器具的局限。如探针在同一方位下可测量尽可能多的数据，以减少探针的换位次数。

3.2 基准点组的测量

基准点组由三个基准点组成，是进行重定位变换的依据。基准点的生成及测量要求如下：

（1）基准点必须设定在重复定位后可以测量到的范围内，最好能用于多次重复定位。用针尖在产品表面（可贴纸）点出，要求点径微小（直径0.2mm以内）并且醒目。

（2）重复测量可靠性和精度要求高，两次定位下的测量重复误差（指三点之间的间距测量重复误差）不超过0.2mm。为此可以采取多次测量取平均值的方法提高可靠性。

（3）基准点所形成的三角形面积要尽可能大，边长应有明显差异（大于5mm）。

3.3 线的测量

当测量人员直接对边界线进行测量时，由于难以将探针尖对准边界线，因此常常造成较大的测量误差，效率也较低。为此，可采用如下方法改进：

在边界线某一侧的面（面1）上、并且在距边界线不远处（1mm以内）采点（称为边界附近测量点），然后测量边界线另一侧面（面2）的完整数据。在造型时，先完成面2的制作，然后直接将边界附近测量点投影在面2上即可作为边界线测量结果。图1中是两个典型情况的示意。

采用这一方法时有两点需要特别注意：一是边界附近测量点一定要在离边界足够近，以保证投影的准确性；二是面2的测量数据一定要完整，否则一旦面2无法制作，则边界线无法求出。

本方法将边界线的测量转化为边界线附近的面内点的测量，避开了对边界线的直接测量，不仅保证的测量精度，还有效提高了测量效率。

3.4 面的测量

平面的测量应使测量点形成的多边形面积尽可能大，以保证测量精度。

曲面的测量应注意使扫描方向与曲面的长度方向垂直如图2（a）。

当曲面长度与宽度基本相同时，

当然，一些简单曲面如直纹面只需要测量上、下两条边界线即可。对于特殊曲面的测量需要与造型人员协商确定。

3.5 对称部分的测量

对称的曲面一般只需要测量一半。

轮廓线和结构除了完整测量其中一半之外，还需要对另外一半进行部分测量，以取得足以进行对称基准重建的数据。

在选择另一半用于对称基准重建的轮廓线进行测量时，应注意以下几点：

（1）轮廓线的范围要足够大，最好在对称部分的全范围内分布。

（2）要选择足够清晰、变形小、重要的轮廓线进行测量，一般采用分型线。

（3）轮廓线可以分段测量，测量密度也可适当减小。

3.6 测量密度

测量密度应掌握两个基本原则：

（1）最少增半：即按需要的最小测量密度的1.5倍进行测量，以确保数据的完备性。如圆弧线的测量至少需要三点，实际测量4到5个点。

（2）急密缓疏/疏密有致：在曲率较大处测量密度高，曲率较小处测量密度低。在多个面的交会处、变化较多的细节部分等需要增加密度，以确保测量的完备性。

3.7 测量可靠性

确保测量数据准确、数据保存可靠的几个措施：

（1）为防止测量设备精度飘移，必须在一定的时间间隔内（建议为半小时）进行零点复校。如出现零点超差（一般为0.2mm），则该时间间隔内的测量数据全部报废。

（2）同一次零点校验的操作应做两次，并进行对比以防止操作失误。

（3）在多名测量人员进行配合测量时，应按零件、测量属性进行明确的分工，以防止漏测及重复测量。即使增加了零点校验的次数，总体上还是提高 了效率。

（4）重要的工件应制作并测量重定位基准，以备补测数据。

4 测量数据管理

4.1 数据转换

数据转换的任务和要求：

（1）将测量数据格式转化为CAD软件可识别的IGES格式，合并后以产品名称或用户指定的名称分类保存。

（2）不同产品、不同属性、不同定位、易于混淆的数据应存放在不同的文件中，并在IGES文件中分层分色。

数据转换使用《三坐标测量数据处理系统》完成，操作方法见软件用户手册。

4.2 重定位整合

  4.2.1 应用背景

在产品的测绘过程中，往往不能在同一坐标系将产品的几何数据一次测出。其原因一是产品尺寸超出测量机的行程，二是测量探头不能触及产品的反面，三是在工件拆下后发现数据缺失，需要补测。这时就需要在不同的定位状态（即不同的坐标系）下测量产品的各个部分，称为产品的重定位测量。而在造型时则应将这些不同坐标系下的重定位数据变换到同一坐标系中，这个过程称为重定位数据的整合。

对于复杂或较大的模型，测量过程中常需要多次定位测量，最终的测量数据就必需依据一定的转换路径进行多次重定位整合，把各次定位中测得的数据转换成一个公共定位基准下的测量数据。

  4.2.2 重定位整合原理

工件移动（重定位）后的测量数据与移动前的测量数据存在着移动错位，如果我们在工件上确定一个在重定位前后都能测到的形体（称为重定位基准），那么只要在测量结束后，通过一系列变换使重定位后对该形体的测量结果与重定位前的测量结果重合，即可将重定位后的测量数据整合到重合前的数据中。重定位基准在重定位整合中起到了纽带的作用，如图4所示。

图5给出了因被测量物体的尺寸超出了测量范围而必须进行两次定位的示意。其中，图5(a)和图5(b)分别为第一次定位和第二次定位的情况。

在被测物体上选取不共线且在两次定位状态下均可测量的三个点A、B和C，称为重定位基准点。设在第一次定位状态下测得A、B、C的坐标值分别为(x1,y1,z1) 、(x2,y2,z2)和(x3,y3,z3)。在第二次定位状态下测得的坐标值分别为(X1,Y1,Z1)、(X2,Y2,Z2)和(X3,Y3,Z3)。

由于工件发生过移动，如果不进行重定位整合，直接将两次定位下的测量数据合并， 就会产生如图5（c）的结果。

如果我们利用一系列变换，将第二次定位下测量得到的A、B、C三点“拖动”至与第一次定位下的测量结果重合，同时第二次定位下的其它测量数据也跟着进行同样的变换，则可将第二次定位下的测量数据转换到第一次定位下的坐标系中，从而完成两次定位下的数据整合，如图5（d）。

除了利用基准点外，还常常采用基准线进行重定位整合，即在两次定位中分别测量产品上的同一条边界线或轮廓线（称为重定位基准线，如图5中标出的两条粗线段），然后将第二次定位下的测量数据进行一系列变换，使两次定位下的重定位基准线重合，即可将第二次定位测量数据整合到第一次定位中。

(a)第一次定位

(b) 第二次定位

（c）直接合并的结果

(d) 重定位整合的结果

  4.2.3 重定位整合操作

首先，重定位基准（无论是基准点还是基准线）必须设置在两次定位下都能进行精确测量的位置。

当需要进行两次以上的重定位时，应将所有重定位下的测量数据整合到第一次定位中。如果在第N次定位与第一次定位之间不能设置重定位基准，则它不能直接与第一次定位进行整合，需要通过另外的定位间接地整合到第一次定位中。例如，在某次测量中做了5次定位，其中第5次定位与第3次定位之间设置了重定位基准，而第3次定位与第一次定位之间存在重定位基准，则可先将第5次定位下的测量数据整合到第3次定位中，然后再与第3次定位一起整合到第一次定位中。这一整合过程称为重定位整合路径，简写为5-3-1。

显然，重定位整合路径必须以1为结束，即最终整合到第一次定位中。而且该路径越短越好，以减少中间过程的累积误差。这就要求测量人员合理地规划重定位，使每次定位都能以最短的路径整合到第一次定位中。

三个重定位基准点构成一个重定位基准，称为一个重定位基准点组（简称基准点组），并以组号区分不同的基准点组。在测量文件的命名规则中，基准点的属性以字母b表示，其后的数字表示基准点组号。例如3-2b1和3-3b1分别表示在第2、3次定位下测得的零件3上的第1组基准点，即在两次定位下对同一组基准点的测量结果。这一组基准点也就是第2次和第3次定位之间的重定位基准。

中以组号要求三点形成的三角形面积尽可能大。同样，重定位基准线要求最大限度地覆盖测量范围，以减少重定位误差。

利用基准点进行重定位整合可通过《三坐标测量辅助处理系统》自动完成（操作方法见软件用户手册）。而利用基准线进行重定位整合则需要手工完成。在实际应用中，往往将两种重定位基准结合使用，即先用重定位点进行快速的初步整合，然后再利用基准线进行更细致的调整。

4.3 对称基准重建

对称的产品在造型前必须确定其对称面（对称基准），称为对称基准重建。具体方法是对产品进行一系列变换，使XZ坐标平面成为其对称基准。在变换的过程中，不断将产品关于XZ平面作镜像，判断其在XZ平面的左右两部分在镜像后是否重合，若重合则表面产品所处的位置已经关于XZ平面对称，于是完成对称基准重建。

在造型时，只需要完成XZ平面一侧的建模，然后关于XZ平面镜像即得到另一侧的造型结果，从而保证产品的对称特征，并提高了效率。

对称基准重建可利用《三坐标测量辅助处理系统》快速完成，操作方法见软件用户手册。

4.4 变形处理

在产品发生变形的情况下，可采取以下措施减少变形的影响：

（1）重定位必须采用基准线整合，由于产品的变形，两次定位下的基准线无法完全重合。但是，对于一个范围很小的区域，我们可以近似地认为没有变形，因此可利用该范围内的基准线对其附近的测量数据进行整合。因此，我们可以将整个产品分割为若干小区域，分别进行整合即可。

（2）可将产品分割为若干小区域，对每一个区域的数据根据产品整体变形的情况进行位置调整，使整体变形得到修正。这一方法会使各个区域在衔接处发生错位，区域分割越细，错位越小。

5 数据处理

5.1 数据分类与分割

测量数据按属性可分为：基准点、轮廓线、扫描线、边界线、平面、结构等。测量数据应按测量属性、测量区域分割为不同的数据文件。分割基本原则为：

（1）不同属性的测量数据应分为不同的文件。

（2）需要单独处理的数据（如用于对称基准重建的边界线、用于重定位整合的基准点或线等等）应单独存放在文件中。

（3）重要的数据应单独存放。

（4）容易混淆的测量数据（如两条相近的线）应分开存放。

5.2数据文件命名

标准的测量文件命名由五个部分组成，总共不允许超过8个字符。

零件号用于在装配体中区分不同的零件。

定位序号表示该文件所包含的测量数据是在第几次定位下的测量结果。

测量属性符标明了测量数据的属性，其中字母B表示定位基准，L表示轮廓线，M表示扫描线，E表示边界线，P表示平面，O表示结构线。

一般情况下，文件序号用于区分对同一零件、在同一次定位下、具有相同测量属性的不同区域的测量数据。显然，在不同的定位下，即使相同的测量属性和相同的文件序号也往往意味着不同的测量区域。例如，3-2m1和3-3m1分别表示在第2次定位下对一个区域的扫描数据和在第3次定位下对另一个区域的扫描数据。

然而，当测量属性为基准点时，文件序号有特殊的意义。它代表的是基准点的组号，在测量文件名中，定位序号不同而基准点组号相同意味着对产品上的同一组基准点在不同定位下的测量结果（详细说明可参阅数据处理中有关“重定位”的叙述），例如3-2b1和3-3b1分别表示在第2、3次定位下测得的零件3上的第1组基准点，即在两次定位下对同一组基准点的测量结果。

对基准点测量文件的命名直接关系到重定位整合的正确性，应在完全理解重定位整合原理的基础上掌握命名方法，防止出错。

图3示例中的文件名含义是：在第2次定位下对零件3进行的第4组扫描数据。而3-3B1和3-2B1分别是在第3次定位状态下和第2次定位状态下对零件3上的第1组定位基准点的测量数据。

5.3 填写测量报告

每天测量后应即时填写测量报表，格式模板见附1。

5.4 数据保存

所有产品的测量数据在交付造型后应作完整的备份，由测量负责人保存至项目完成后的第四个月。重要的项目测量数据应交CAD负责人进行长期备份。数据备份应以产品名作为数据存放的文件夹。

6 设备维护

每一项目完成后，应即时对测量设备进行整理。测量臂应复位，工作台面应清理干净并涂防锈油，移动式测量设备应拆下装箱。工具应整理入箱，摆放整齐后锁好。

定期（一般为一年）安排对测量设备的测试和维护。

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