三坐標測量機及其應用

1、華僑大學機電學院 2006秋季第八章第八章 三坐標測量機及其應用三坐標測量機及其應用主 要 內 容 1 概述概述 2 三坐標測量機的類型和組成三坐標測量機的類型和組成 3 三坐標測量機的測量系統(tǒng)三坐標測量機的測量系統(tǒng) 4 測量數據處理測量數據處理 5 坐標測量機的自動測量方法坐標測量機的自動測量方法 6 三坐標測量機的精度評定三坐標測量機的精度評定 7 測量機的特殊應用與發(fā)展趨勢測量機的特殊應用與發(fā)展趨勢1 概述概述機械制造、儀器制造、電子工業(yè)、航空和國防工業(yè)機械制造、儀器制造、電子工業(yè)、航空和國防工業(yè)特別適用于測量：特別適用于測量：箱體類零件的孔距和面距、模具、精密鑄件、電子箱體類零件的孔距

2、和面距、模具、精密鑄件、電子線路板、汽車外殼、發(fā)動機零件、凸輪、飛機型體線路板、汽車外殼、發(fā)動機零件、凸輪、飛機型體等帶有等帶有空間曲面空間曲面的工件。的工件。出現時間出現時間: : 2020世紀世紀6060年代后期年代后期出現條件：生產發(fā)展出現條件：生產發(fā)展需要（需要（ 檢測和加工技術檢測和加工技術）電子技術、計算機技術和精密加工技術的發(fā)展電子技術、計算機技術和精密加工技術的發(fā)展提供提供技術基礎技術基礎應用領域：應用領域：Chameleon 7107 三坐標測量機 美國布朗夏普公司制造測量范圍:6501000650青島雷頓數控測量設備有限公司（Leader NC) 三坐標測量機的主要組成部件

3、：三坐標測量機的主要組成部件： 1.主機機械系統(tǒng)（主機機械系統(tǒng)（X、Y、Z三軸三軸運動執(zhí)行機構運動執(zhí)行機構）；）； 2.測量系統(tǒng)測量系統(tǒng) 測量頭和標準器測量頭和標準器（瞄準定位、坐標測量讀數）（瞄準定位、坐標測量讀數）3.電氣控制硬件系統(tǒng)；電氣控制硬件系統(tǒng)； 運動控制機構運動控制機構； 4.測量軟件系統(tǒng)；測量軟件系統(tǒng)； 數據處理數據處理三坐標測量機的應用：三坐標測量機的應用：正向工程正向工程 產品設計產品設計-制造制造-檢驗（三坐標測量機）檢驗（三坐標測量機） 工件（模型）工件（模型）3維測量（三坐標測量機）維測量（三坐標測量機）設計、制造設計、制造 逆向工程逆向工程三坐標測量機的基本功能三坐

4、標測量機的基本功能將被測物體置于三坐標測量空間，將被測物體置于三坐標測量空間，根據測量任根據測量任務采集被測對象的若干點的三維空間坐標值務采集被測對象的若干點的三維空間坐標值，由這，由這些點的空間坐標值，通過計算求出被測物體的幾何些點的空間坐標值，通過計算求出被測物體的幾何尺寸、形狀或幾何要素的空間位置。尺寸、形狀或幾何要素的空間位置。逆向工程逆向工程是利用從實體模型采集數據信息，并反饋到是利用從實體模型采集數據信息，并反饋到CAD/CAM系統(tǒng)進行設計制造的一個過程。系統(tǒng)進行設計制造的一個過程。是將實物轉變?yōu)槭菍嵨镛D變?yōu)镃AD模型相關的數字化技術、幾何模模型相關的數字化技術、幾何模型重建技術

5、和產品制造技術的總稱。型重建技術和產品制造技術的總稱。 逆向工程是解決直接從樣件實現再造、建立那些已經逆向工程是解決直接從樣件實現再造、建立那些已經遺失設計文件的工件設計文件以及結合現有遺失設計文件的工件設計文件以及結合現有CAD模型進行模型進行設計改進的好方法。設計改進的好方法。通過利用坐標測量機，探測所要實現逆向工程設計的通過利用坐標測量機，探測所要實現逆向工程設計的零件表面，利用專業(yè)軟件對采集數據進行處理，生成該零零件表面，利用專業(yè)軟件對采集數據進行處理，生成該零件直觀的圖形化表示，進行有關設計更改，并經過性能模件直觀的圖形化表示，進行有關設計更改，并經過性能模擬測試擬測試。這樣，可大大

6、縮短了設計時間，簡化了零件的調。這樣，可大大縮短了設計時間，簡化了零件的調整和評估時間。整和評估時間。 三坐標測量機在現代設計制造流程中的應用三坐標測量機在現代設計制造流程中的應用逆向工程設備：逆向工程設備： 1.三坐標測量機三坐標測量機：獲得產品三維數字化數據（點云：獲得產品三維數字化數據（點云/特征）；特征）； 2.曲面曲面/實體實體反求軟件反求軟件：對測量數據進行處理，實現曲面重構，：對測量數據進行處理，實現曲面重構，甚至實體重構；甚至實體重構； 3. CAD/CAM軟件；軟件； 4.數控機床（數控加工中心）；數控機床（數控加工中心）； 逆向工程中的技術難點：逆向工程中的技術難點： 1.

7、獲得產品的數字化點云（測量掃描系統(tǒng)）；獲得產品的數字化點云（測量掃描系統(tǒng)）； 2.將點云數據構建成曲面及邊界，甚至是實體（將點云數據構建成曲面及邊界，甚至是實體（反求軟件反求軟件）；）； 3.與與CAD/CAM系統(tǒng)的集成；（通用系統(tǒng)的集成；（通用CAD/CAM軟件）軟件） 4.為快速準確地完成以上工作，需要經驗豐富的專業(yè)工程師。為快速準確地完成以上工作，需要經驗豐富的專業(yè)工程師。 逆向工程典型流程圖逆向工程典型流程圖 激光掃描測量及軟件處理示意圖激光掃描測量及軟件處理示意圖 掃描完成后的點云掃描完成后的點云 全方位的截取物體的剖面線全方位的截取物體的剖面線 利用三維利用三維CAD軟件繪制產品圖

8、軟件繪制產品圖 2 三坐標測量機的類型和組成三坐標測量機的類型和組成三坐標測量機按三坐標測量機按技術水平技術水平可分為以下幾個類型：可分為以下幾個類型：(1)數顯及打字型數顯及打字型(N) (2)帶有小型電子計算機進行數據處理帶有小型電子計算機進行數據處理(NC)(3)計算機數字控制計算機數字控制(CNC)測量測量:手動或機動手動或機動 數據數據:計算機計算機測量測量:按程序自動按程序自動 數據數據:計算機計算機測量測量:手動手動 數據數據:人工處理人工處理單位：h結構類型和組成（結構類型和組成（主機機械系統(tǒng)主機機械系統(tǒng)）1、三坐標測量機構運動、三坐標測量機構運動三坐標測量機機架結構三坐標測量

9、機機架結構三坐標測量機的主體主要由以下各部分組成：底座、測量工作臺、立柱、X及Y向支撐梁和導軌、Z軸部件及測量系統(tǒng)（感應同步器、激光干涉儀、精密光柵尺等）、計算機及軟件。懸臂式懸臂式橋式橋式龍門式龍門式臥式鏜床式臥式鏜床式 坐標鏜床式坐標鏜床式2、結構類型、結構類型(2)橋式橋式(3)龍門式龍門式(1)懸臂式懸臂式(4)鏜床式鏜床式部分三坐標測量機的性能指標見表82所示206207頁 3 三坐標測量機的測量系統(tǒng)三坐標測量機的測量系統(tǒng)三坐標測量機的測量系統(tǒng)的主要部件：三坐標測量機的測量系統(tǒng)的主要部件：測量頭：測量頭：瞄準定位瞄準定位標準器：標準器：坐標測量讀數坐標測量讀數(1)機械接觸式測頭機械

10、接觸式測頭(硬測頭硬測頭)(2)光學非接觸測頭光學非接觸測頭(3)電氣接觸式測量頭電氣接觸式測量頭電電 類：感應同步器、磁柵式、編碼器類：感應同步器、磁柵式、編碼器機械類：刻線標尺、精密絲杠、精密齒條：機械類：刻線標尺、精密絲杠、精密齒條：光學類：光柵式、激光干式；光學類：光柵式、激光干式；(1)機械接觸式測頭機械接觸式測頭點點測測頭頭V測測形頭形頭塊塊直測直測角頭角頭圓圓錐錐形形圓圓柱柱形形球球形形回回轉轉式式半半圓圓回回轉轉式式1/4柱柱面面盤盤形形內內圓圓錐錐觸發(fā)式測頭觸發(fā)式測頭 觸發(fā)式測頭觸發(fā)式測頭 當觸發(fā)式測頭的測端觸碰到被測工件時，測頭發(fā)出觸發(fā)信號。其核心是判斷接觸與否，類似電子開

11、關的工作性質，故又稱開關測頭。實現此功能的方法有電子機械開關的通斷、壓電晶體的壓電效應和應變片的形變等。1.機械觸發(fā)機構2.感應接觸形變的應變片3.壓電傳感器( 2)光學非接觸測頭光學非接觸測頭通過對大量采集數據的平均處理功能而獲得較高的精度。通過對大量采集數據的平均處理功能而獲得較高的精度。操作者可將檢測工件表面放大操作者可將檢測工件表面放大50倍以上，采用標準的或倍以上，采用標準的或可變換的鏡頭實現對細小工件的測量。可變換的鏡頭實現對細小工件的測量。 主要用于實現較軟材料或一些特征表面進行非接觸測量。主要用于實現較軟材料或一些特征表面進行非接觸測量。測頭在距離檢測工件一定距離測頭在距離檢測

12、工件一定距離(比如比如50mm)，在其聚焦點，在其聚焦點一定范圍內進行測量，采點速率在一定范圍內進行測量，采點速率在200點點/秒以上。秒以上。視頻測頭視頻測頭進一步提高了測量機的應用，使得許多過去采用進一步提高了測量機的應用，使得許多過去采用非接觸測量無法完成的任務得以完成。非接觸測量無法完成的任務得以完成。例如：印刷線路板、觸發(fā)器、墊片或直徑小于例如：印刷線路板、觸發(fā)器、墊片或直徑小于0.1mm的孔。的孔。激光掃描測頭激光掃描測頭 視頻測頭視頻測頭光學點位測量頭光學點位測量頭光學非接觸測頭光學非接觸測頭 光學點位測量頭光學點位測量頭 在成像光路中插入一遮光片，其位置正好擋住激光器光束的半個

13、光斑，此時，若被測面仍位于物平面A處，則光電檢測器的差動輸出仍然為零，而當被測面離焦位于A1位置時，在光電檢測器上的像為半圓形光斑，如圖1中的B1所示，而當被測面離焦位于A2位置時，在光電檢測器上的像如圖1中的B2所示。由圖可知，離焦方向不同時，光電檢測器上的光斑或位于光軸的上方或下方，半光斑的直徑隨離焦量的增大而增大，此時光電檢測器的差動輸出不再為零，輸出信號的極性決定于離焦的方向，輸信號的大小決定于離焦量的大小。由此可見，可根據光電檢測器的差動輸出判斷被測表面的位置，光電檢測器差動輸出的過零點即為測量瞄準位置。圖圖86 光學點位測量頭光學點位測量頭測量精度測量精度13um，測量表面可傾斜，

14、測量表面可傾斜70度。度。物鏡反射鏡光源物鏡十字分劃板目鏡分劃板直角屋脊棱鏡物鏡棱鏡適合于測量不規(guī)則空間型面適合于測量不規(guī)則空間型面(蝸輪葉片、軟質表面等蝸輪葉片、軟質表面等)。WIZProbe激光掃描測頭激光掃描測頭 LC系列光學掃描測頭系列光學掃描測頭 能夠以每秒鐘數以百計的點進行工件表面點數據的采集。測量軟件可憑借能夠以每秒鐘數以百計的點進行工件表面點數據的采集。測量軟件可憑借這些點進行特征形狀的評價，同時計算出其尺寸和位置。掃描測頭還可以用類這些點進行特征形狀的評價，同時計算出其尺寸和位置。掃描測頭還可以用類似觸發(fā)式測頭的方法進行分離點數據的采集。似觸發(fā)式測頭的方法進行分離點數據的采集

15、。 三坐標測量機配三坐標測量機配激光掃描測頭激光掃描測頭構成一臺三維激光掃構成一臺三維激光掃描測量機，描測量機，可以進行高速高精度可以進行高速高精度激光掃描與測量激光掃描與測量 激光激光掃描測頭掃描測頭(3)電氣接觸式測量頭電感位移傳感器電氣接觸式測量頭電感位移傳感器可用于可用于箱體類箱體類和和復雜形狀復雜形狀工件工件高速輪廓數據采集高速輪廓數據采集(掃描掃描)。 對工件表面進行對工件表面進行離散點數據的采集離散點數據的采集，掃描系統(tǒng)能夠連續(xù)采集大量表面點，掃描系統(tǒng)能夠連續(xù)采集大量表面點的數據，從而給出關于工件表面形狀清晰描述。的數據，從而給出關于工件表面形狀清晰描述。在掃描測量時應使測頭與工

16、件保持可靠接觸，并由在掃描測量時應使測頭與工件保持可靠接觸，并由電感測量頭確定被測點的三維坐標。電感測量頭確定被測點的三維坐標。三向電感測量頭星形測頭z向x向y向可調彈簧螺旋升降機構三層片簧導軌機構每層片簧導軌機構中間測頭部件預置測力各向位移機構傳感器部件零位鎖緊部件阻尼裝置定位塊鎖緊杠桿圓錐頭拔銷電機磁芯線圈支架上板下板固定片毛細間隙充粘性硅油坐標測量機其它部件1 1、測座、測座 PH10M是功能強大的分度機動測座，能夠攜帶長加長桿和各種測是功能強大的分度機動測座，能夠攜帶長加長桿和各種測頭。具備高度可重復性的動態(tài)連接，允許頭。具備高度可重復性的動態(tài)連接，允許測頭或加長桿的測頭或加長桿的快速

17、更快速更換而不需要重新校正。換而不需要重新校正。 PH10M特點：特點：- 自動關節(jié)固定，可重復測頭定位自動關節(jié)固定，可重復測頭定位- 對于手動輸入可自動轉換對于手動輸入可自動轉換- 7.5度進位度進位- 具有具有720個可重復定位個可重復定位- 能夠攜帶長達能夠攜帶長達300mm的加長桿的加長桿 手動分度測座，如手動分度測座，如MIH 可分度機動測座可分度機動測座，如，如 PH10M探針：探針：為完成各種形狀工件的測量，有各種形狀探針適應不同的測量需求。為完成各種形狀工件的測量，有各種形狀探針適應不同的測量需求。加長桿：加長桿：加長桿允許測頭進行加長，從而完成一些難以觸及特征的檢測，加長桿允

18、許測頭進行加長，從而完成一些難以觸及特征的檢測，而不會有損精度。而不會有損精度。探針更換支架：探針更換支架：探針更換支架允許自動使用各種探針配置，而不需要對探針更換支架允許自動使用各種探針配置，而不需要對探針進行重新修正。探針進行重新修正。 2 2、測頭附件、測頭附件3 3、夾具系統(tǒng)、夾具系統(tǒng) 為檢測為檢測薄壁件薄壁件提供了提供了柔性裝夾柔性裝夾方案，例如：汽車車身蓋板的裝夾。方案，例如：汽車車身蓋板的裝夾。自動夾具系統(tǒng)，采用自動夾具系統(tǒng)，采用模塊化夾具組件模塊化夾具組件，并由與系統(tǒng)聯機坐標測量機控，并由與系統(tǒng)聯機坐標測量機控制，自動生成夾具組合。制，自動生成夾具組合。 工件工件由位于坐標測量

19、機基面上，由位于坐標測量機基面上，氣動可調氣動可調節(jié)高度節(jié)高度的一組立柱支撐組成。的一組立柱支撐組成。 4 4、測量軟件、測量軟件PC-DMIS通用測量軟件通用測量軟件 利用其一體化的圖形功能，能夠將檢利用其一體化的圖形功能，能夠將檢測數據生成可視化的圖形報告；測數據生成可視化的圖形報告；具備強大具備強大CAD功能的通用測量軟件；功能的通用測量軟件；測量對象：從簡單的箱體類工件測量對象：從簡單的箱體類工件 一直到復雜的輪廓和曲面；一直到復雜的輪廓和曲面；實現高速、高效率和高精度測量。實現高速、高效率和高精度測量。簡捷用戶界面，引導使用者進行簡捷用戶界面，引導使用者進行零件編程、參數設置和工件檢

20、測；零件編程、參數設置和工件檢測；特點：特點：三坐標測量機中測量系統(tǒng)的特性綜合比較見見210頁表頁表8-34 測量數據處理測量數據處理數據處理的主要內容：數據處理的主要內容：1、x、y平面內工件傾斜的修正平面內工件傾斜的修正2、原點的偏移、原點的偏移3、坐標系的平移和回轉、坐標系的平移和回轉4、直角坐標轉換成圓柱坐標、直角坐標轉換成圓柱坐標5、直角坐標轉換成球坐標、直角坐標轉換成球坐標6、兩點間距離的測量、兩點間距離的測量7、圓的內、外徑及圓心的測量、圓的內、外徑及圓心的測量 8、求直線方向、求直線方向9、求兩直線交點、求兩直線交點 和夾角和夾角 10、其他數據處理內容、其他數據處理內容由測量

21、軟件完成由測量軟件完成1、x、y平面內工件傾斜的修正平面內工件傾斜的修正2222sincosaaaaaayxyyxx機器坐標系零件坐標系cossinsincosaanaanyxyyxxnnaa，yx，yx2、原點的偏移、原點的偏移1)、工件上沒有基準點，或者、工件上沒有基準點，或者 基準點處在測量范圍以外基準點處在測量范圍以外2)、原點處于工件不便測量的、原點處于工件不便測量的 部位部位出現偏移的情況：出現偏移的情況：方法方法：axaybxby,bbaabbaayxyxlbyxyx，3、坐標系的平移和回轉、坐標系的平移和回轉4、直角坐標直角坐標轉換成轉換成圓柱坐標圓柱坐標zzryrxsinco

22、szzxyyxrarctan225、直角坐標直角坐標轉換成轉換成球坐標球坐標cossinsincossinrzryrxzyxxyzyxr22222arctanarctan6、兩點間距離的測量、兩點間距離的測量loxyaxbxbyay22babayyxxl7、圓的內、外徑及圓心的測量、圓的內、外徑及圓心的測量22ccyyxxR需要測需要測3點點需考慮測頭需考慮測頭半徑補償半徑補償8、求直線、求直線方向方向1212arctanxxyy12212212arctanzzyyxx9、求兩直線交點和夾角、求兩直線交點和夾角 10、其他數據處理內容、其他數據處理內容5 坐標測量機的自動測量方法坐標測量機的自

23、動測量方法自動測量的過程一般由自動測量的過程一般由3個階段組成，即準備階段、實際個階段組成，即準備階段、實際測量階段和計值階段。通常，后兩個階段是同時進行的。測量階段和計值階段。通常，后兩個階段是同時進行的。 一、點位測量法一、點位測量法二、連續(xù)掃描法二、連續(xù)掃描法點位測量法是從點到點的重復測量方法。點位測量法是從點到點的重復測量方法。多用于孔的中心位置、孔心距、加工面多用于孔的中心位置、孔心距、加工面的位置以及曲線、曲面輪廓上基準點的的位置以及曲線、曲面輪廓上基準點的坐標檢驗和測量。坐標檢驗和測量。測量頭在被測工件的外形輪廓上進行掃描測量測量頭在被測工件的外形輪廓上進行掃描測量.一、點位測量

24、法一、點位測量法二、連續(xù)掃描法二、連續(xù)掃描法xyzo6 三坐標測量機的精度評定三坐標測量機的精度評定指測量值與真值之差。指測量值與真值之差。包括所選用的測量方法、測量頭、工件狀態(tài)包括所選用的測量方法、測量頭、工件狀態(tài)(測量測量定位面、測量表面等定位面、測量表面等)以及溫度影響等因素。以及溫度影響等因素。指測量機本身的精度，即測量頭中心在測量空間內指測量機本身的精度，即測量頭中心在測量空間內任意位置的任意位置的位置精度位置精度。主要為。主要為點點位精度位精度。靜態(tài)精度靜態(tài)精度動態(tài)精度動態(tài)精度系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差隨機誤差隨機誤差機器精度機器精度測量精度測量精度按狀態(tài)按狀態(tài)按性質按性質一、三坐標測量機的分向誤差一、三坐標測量機的分向誤差222zyx1、標尺誤差、溫度誤差；、標尺誤差、溫度誤差；影響因素：影響因素：2、三軸導軌直線度誤差；、三軸導軌直線度誤差；3、三軸導軌垂直度誤差；、三軸導軌垂直度誤差；)()()()(xzQxzsxyQxysslxxxxxxx例如：點誤差空間矢量型點誤差空間矢量型y 軸導軌直線度對 x向的影響1)(xysx2)(xysx4)(xysx3)(x