《數(shù)字化檢測與質(zhì)量溯源》課件-2.2接觸式與非接觸式測量三維掃描與測量技術(shù)

精密及復(fù)雜形狀產(chǎn)品數(shù)據(jù)的獲取——接觸式及非接觸式測量技術(shù)（CoordinateMeasuringMachines—CMM）2024-12-191三維掃描技術(shù)接觸式及非接觸式測量技術(shù)主要內(nèi)容1、三坐標(biāo)測量儀的原理2、三坐標(biāo)測量儀的結(jié)構(gòu)3、三坐標(biāo)測量儀的分類4、三坐標(biāo)測量儀的測量系統(tǒng)5、三坐標(biāo)測量儀應(yīng)用2024-12-192三維掃描技術(shù)1、三坐標(biāo)測量機的原理?

在計量科學(xué)領(lǐng)域，人們根據(jù)被測對象幾何形狀的復(fù)雜程度，將工業(yè)領(lǐng)域中的測量問題分為箱體類工件測量和具有復(fù)雜幾何形狀工件測量。?

箱體類工件：指那些由基本幾何元素（點、線、面、圓、圓柱、圓錐、球）組成的幾何工件，包括齒輪箱工件，發(fā)動機箱體，機床加工部件或者是由簡單的形狀曲面組成的沖模、鑄模、薄殼工件等等。?

復(fù)雜幾何形狀工件：這類工件主要由具有明確數(shù)學(xué)定義的復(fù)雜曲線、曲面構(gòu)成，例如汽車車身曲面、螺旋槳葉片等。2024-12-193三維掃描技術(shù)1、三坐標(biāo)測量機的原理?

在測量方法上：箱體類工件的檢測——傳統(tǒng)通用的量具；復(fù)雜幾何形狀工件的測量——專用測量設(shè)備，例如三坐標(biāo)測量機。?

對于從事生產(chǎn)復(fù)雜幾何形狀工件的企業(yè)來說，完成產(chǎn)品的質(zhì)量控制，企業(yè)不僅需要配置通用測量設(shè)備，例如通用標(biāo)準(zhǔn)量具、量儀，同時還需要配置專用測量設(shè)備。2024-12-194三維掃描技術(shù)1、三坐標(biāo)測量機的原理三坐標(biāo)測量機優(yōu)點：（1）具有專用的測量軟件，擴大其應(yīng)用范圍（2）與其它系統(tǒng)通訊方便，大量生產(chǎn)時，如使用三坐標(biāo)測量機，可以瞬時進行質(zhì)量管理缺點：三坐標(biāo)測量機的系統(tǒng)復(fù)雜，需要努力做好保養(yǎng)、維修工作，且要達(dá)到正常的靈活運用還需要一定的時間和相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)知識。另外，因?qū)囟然蛘駝拥让舾校枰芾砗弥苓叚h(huán)境。2024-12-195三維掃描技術(shù)1、三坐標(biāo)測量機的原理三坐標(biāo)測量機是基于坐標(biāo)測量的通用化數(shù)字測量設(shè)備。它首先將被測幾何元素的測量轉(zhuǎn)化為對這些幾何元素上一些點集坐標(biāo)位置的測量，在測得這些點的坐標(biāo)位置后，再根據(jù)這些點的空間坐標(biāo)值，經(jīng)過數(shù)學(xué)運算求出其尺寸和形位誤差。2024-12-196三維掃描技術(shù)2、三坐標(biāo)測量機結(jié)構(gòu)2、1工作臺早期的三坐標(biāo)測量機的工作臺一般是由鑄鐵或鑄鋼制成的。但近年來，各生產(chǎn)廠家已廣泛采用花崗巖來制造工作臺，這是因為花崗巖變形小、穩(wěn)定性好、耐磨損、不生銹，且價格低廉、易于加工。有些測量機裝有可升降的工作臺，以擴大Z軸的測量范圍，還有些測量機備有旋轉(zhuǎn)工作臺，以擴大測量功能。2024-12-197三維掃描技術(shù)2、三坐標(biāo)測量機結(jié)構(gòu)2、2導(dǎo)軌導(dǎo)軌是測量機的導(dǎo)向裝置，直接影響測量機的精度，因而要求其具有較高的直線性精度。目前，多數(shù)三坐標(biāo)測量機已采用空氣靜壓導(dǎo)軌（又稱為氣浮導(dǎo)軌、氣墊導(dǎo)軌），它具有許多優(yōu)點，如制造簡單、精度高、摩擦力極小、工作平穩(wěn)等。氣浮導(dǎo)軌的進氣壓力一般為3～6個大氣壓，要求有穩(wěn)壓裝置。2024-12-198三維掃描技術(shù)2、三坐標(biāo)測量機6A-A543AA21三坐標(biāo)測量機氣浮導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)1—工作臺

2—氣墊

3—滾輪

4—壓縮彈簧

5—導(dǎo)向塊

6—橋架2024-12-199三維掃描技術(shù)2、三坐標(biāo)測量機結(jié)構(gòu)2、3測量系統(tǒng)由回轉(zhuǎn)體、測頭和探針2

組成。3回轉(zhuǎn)體2測頭1探針測頭探針2024-12-1910三維掃描技術(shù)3、三坐標(biāo)測量機分類3、1按測頭是否與工件接觸（1）接觸式（2）非接觸式2024-12-19接觸式11非接觸式三維掃描技術(shù)3、三坐標(biāo)測量機分類傳統(tǒng)三坐標(biāo)坐標(biāo)測量機（接觸式）是測量和獲得高精度尺寸數(shù)據(jù)的最有效方法之一，它可以代替多種表面測量工具及昂貴的組合量規(guī)，也可以作為精度指標(biāo)檢測非接觸式測量的數(shù)據(jù)。生產(chǎn)節(jié)奏的加快和科學(xué)研究的需要，要求大幅度提高測量效率，而傳統(tǒng)三坐標(biāo)測量機采用點位測量方式，多數(shù)情況下仍然采用接觸測頭，存在速度慢、可能損傷被測件、發(fā)生碰撞等缺點。2024-12-1912三維掃描技術(shù)3、三坐標(biāo)測量機分類3、2按測量過程的自動化，可分為（1）手動型（2）機動型（3）CNC控制型CNC控制型測量機除自動瞄準(zhǔn)定位的功能外﹐還能按照預(yù)先編制好的程序自動完成全部測量和計算過程。2024-12-1913三維掃描技術(shù)3、三坐標(biāo)測量機分類3、3按CMM的測量范圍分類：（1）小型坐標(biāo)測量機這類CMM在其最長一個坐標(biāo)軸方向（一般為X軸方向）上的測量范圍小于500mm，主要用于小型精密模具、工具和刀具等的測量。（2）中型坐標(biāo)測量機這類CMM在其最長一個坐標(biāo)軸方向上的測量范圍為500～2000mm，是應(yīng)用最多的機型，主要用于箱體、模具類零件的測量。（3）大型坐標(biāo)測量機這類CMM在其最長一個坐標(biāo)軸方向上的測量范圍大于2000mm，主要用于汽車與發(fā)動機外殼、航空發(fā)動機葉片等大型零件的測量。2024-12-1914三維掃描技術(shù)3、三坐標(biāo)測量機分類3、4按CMM的精度分類（1）精密型CMM其單軸最大測量精度小于1×10－6

L（L為最大量程，單位為mm），空間最大測量精度小于（2～3）×10－6

L，一般放在具有恒溫條件的計量室內(nèi)，用于精密測量。（2）中、低精度CMM低精度CMM的單軸最大測量精度在1×10－4

L左右，空間最大測量精度為（2～3）×10－4

L；中等精度CMM的單軸最大測量精度約為1×10

5

L，空間最大測量精度為（2～3）×10

5

L。這類CMM一般放在－－生產(chǎn)車間內(nèi)，用于生產(chǎn)過程檢測。2024-12-1915三維掃描技術(shù)3、三坐標(biāo)測量機分類3、5根據(jù)測量機主軸與工作臺的位置分類目前有三種基本類型：l

垂直式：主軸與工作臺垂直移動橋式、固定橋式、L-型橋式、龍門式、懸臂式、單立柱式等l

水平式：主軸與工作臺平行水平臂立柱式、水平臂工作臺移動式等l

便攜式2024-12-1916三維掃描技術(shù)水平式坐標(biāo)測量機便攜式測量機垂直式坐標(biāo)測量機2024-12-1917三維掃描技術(shù)垂直式坐標(biāo)測量機2024-12-1918三維掃描技術(shù)移動橋式結(jié)構(gòu)，它是目前應(yīng)用最廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)簡單，敞開性好，承載能力強。工件安裝在固定工作臺上。但這種結(jié)構(gòu)的X向驅(qū)動位于橋框一側(cè)，橋框移動時易產(chǎn)生繞Z軸偏擺，會在X、Y向存在較大的阿貝臂，這種偏擺會引起較大的阿貝誤差，因而該結(jié)構(gòu)主要用于中等精度的中小機型。2024-12-1919三維掃描技術(shù)橋框固定不動，X向標(biāo)尺和驅(qū)動機構(gòu)可安裝在工作臺下方中部，阿貝臂及工作臺繞Z軸偏擺小，其主要部件的運動穩(wěn)定性好，運動誤差小，適用于高精度測量，但工作臺負(fù)載能力小，結(jié)構(gòu)敞開性不好，主要用于高精度的中小機型。2024-12-1920三維掃描技術(shù)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，敞開性一般，兼具移動橋式結(jié)構(gòu)承載能力強和固定橋式結(jié)構(gòu)精度高的優(yōu)點，適用于高精度、中型尺寸以下機型。X軸導(dǎo)軌采用半橋式結(jié)構(gòu)以減輕運動部件的重量，重量輕，精度高，是同類型號中具有最高性能價格比的測量機。2024-12-1921三維掃描技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單，具有很好的敞開性，但當(dāng)滑架在懸臂上作Y向運動時，會使懸臂的變形發(fā)生變化，故測量精度不高，一般用于測量精度要求不太高的小型測量機。2024-12-1922三維掃描技術(shù)與移動橋式結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別是它的移動部分只是橫梁，移動部分質(zhì)量小，整個結(jié)構(gòu)剛性好?？杀ＷC測量精度，具有高精度、高剛性、高穩(wěn)定性,十分適用于大型工件的精密測量，是航空、航天、汽車和大型模具業(yè)界的必備檢測設(shè)備。2024-12-1923三維掃描技術(shù)也稱為儀器臺式結(jié)構(gòu)，它是在工具顯微鏡的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。其優(yōu)點是操作方便、測量精度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測量范圍小，適用于高精度的小型零件。2024-12-1924三維掃描技術(shù)2024-12-1925三維掃描技術(shù)水平臂立柱式結(jié)構(gòu)在汽車工業(yè)中有廣泛應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)簡單、敞開性好，尺寸也可以較大，但因水平臂前后伸出時會產(chǎn)生較大變形，故測量精度不高，用于中、大型機型。一般采用三軸氣浮且全封閉結(jié)構(gòu),具備較高的運行速度、加速度和極佳的防塵性能,尤其適合在車間和生產(chǎn)現(xiàn)場使用。2024-12-1926三維掃描技術(shù)水平臂工作臺移動式結(jié)構(gòu)其敞開性較好，水平臂部件質(zhì)量較小，但工作臺承載有限，在兩個方向上運動范圍較小，適用于中等精度的中小零件。2024-12-1927三維掃描技術(shù)2024-12-1928三維掃描技術(shù)（3）關(guān)節(jié)式測量機?

便攜式測量單元?

6個旋轉(zhuǎn)軸，具有最大的自由度；?

有效行程：1500

~

4000

mm2024-12-1929三維掃描技術(shù)便攜式激光測量系統(tǒng)

實時顯示和輸出2024-12-1930三維掃描技術(shù)4、1測頭三坐標(biāo)測量機是用測頭來拾取信號的，它是測量機接觸被測零件的發(fā)訊開關(guān)，也是坐標(biāo)測量機的關(guān)鍵部件。不同零件需要選擇不同功能的測頭進行測量。測頭的性能直接影響測量精度和測量效率，沒有先進的測頭就無法充分發(fā)揮測量機的功能。三坐標(biāo)測量機上使用的測頭，按結(jié)構(gòu)原理可分為機械式（基本淘汰）、電氣式和光學(xué)式等；按測量方法又可分為接觸式和非接觸式兩類。2024-12-1931三維掃描技術(shù)4、1接觸式測頭電氣接觸式測頭又可分為：l動態(tài)發(fā)訊式(觸發(fā)式或開關(guān)式)l靜態(tài)發(fā)訊式(掃描式或比例式)兩大類2024-12-192三維掃描技術(shù)動態(tài)測頭結(jié)構(gòu)簡單、成本低，可用于高速測量，但精度稍低，而且動態(tài)測頭不能以接觸狀態(tài)停留在工件表面，因而只能對工件表面作離散的逐點測量，不能作連續(xù)的掃描測量。目前，絕大多數(shù)生產(chǎn)廠選用英國RENISHAW公司生產(chǎn)的觸發(fā)式測頭。2024-12-1933三維掃描技術(shù)1)觸發(fā)式測頭典型RENISHAW(英國雷尼紹公司)觸發(fā)式測頭：l

TP20觸發(fā)式測頭l

TP200高精度觸發(fā)式測頭l

TP7M高精度觸發(fā)式測頭l

TP6/6A觸發(fā)式測頭2024-12-1934三維掃描技術(shù)觸發(fā)式?

TP20由測頭本體和可分離測頭吸盤兩部分組成。TP20特點：-動態(tài)觸發(fā)測頭，五方向自由度測量2024-12-1935三維掃描技術(shù)?

TP200測頭，包含有微力傳感器，具備優(yōu)異的測量重復(fù)性和精確的空間形狀測量精度。TP200測頭具備超微觸發(fā)技術(shù)，避免了傳統(tǒng)測頭常會出現(xiàn)的拖動情況，保證了上百萬次的可靠操作。?

TP200的特點：-

優(yōu)異的重復(fù)性-

精確的三維形狀測量-

吸盤的壽命達(dá)到上百萬次2024-12-1936三維掃描技術(shù)?

產(chǎn)品綜述：

TP7M采用應(yīng)變片技術(shù)，較傳統(tǒng)的觸發(fā)式測頭具有更高的精度。采用自動連接，從而為數(shù)控測量機提供了自動更換功能。?

TP7M測頭的特點：-

良好的精度和重復(fù)性-

探針長度可達(dá)到150mm-

六方向感應(yīng)-

自動更換功能2024-12-1937三維掃描技術(shù)?

產(chǎn)品綜述：TP6測頭較TP20測頭系列精度更好。同時，TP6采用M8螺紋固定，TP6A可自動連接，從而使得測頭的更換速度更快。TP6/6A的特點：-自動連接或采用M8螺紋連接-牢固可靠-探測力可調(diào)2024-12-1938三維掃描技術(shù)靜態(tài)測頭除具備觸發(fā)式測頭的觸發(fā)采樣功能外，測頭中還有三維幾何量傳感器，在測頭與工件表面接觸時，在X、Y、Z三個方向均有相應(yīng)的位移量輸出，從而驅(qū)動伺服系統(tǒng)進行自動調(diào)整，使測頭停在規(guī)定的位移量上，在測頭接近靜止的狀態(tài)下采集三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，故稱為靜態(tài)測頭。2024-12-1939三維掃描技術(shù)2)掃描式測頭靜態(tài)測頭沿工件表面移動時，可始終保持接觸狀態(tài)，進行掃描測量，因而也稱為掃描測頭。其主要特點是精度高，可以作連續(xù)掃描，但掃描速度低，且制造技術(shù)難度大，價格昂貴，適合于高精度測量機使用。目前由LEITZ、ZEISS等廠家生產(chǎn)的靜態(tài)測頭均采用電感式位移傳感器，故也將靜態(tài)測頭稱為三向電感測頭。2024-12-1940三維掃描技術(shù)2)掃描式測頭典型RENISHAW掃描式測頭：l

SP80掃描式測頭l

SP600M掃描式測頭lSP600Q掃描式測頭lSP25M掃描式測頭2024-12-1941三維掃描技術(shù)接觸式測頭選擇原則：l

測量目標(biāo)主要放在零件的尺寸和位置精度，而不強調(diào)其形狀誤差時，選用觸發(fā)測量是合適的；l

對離散點需快速測量時，觸發(fā)測頭速度比掃描測頭快；l

觸發(fā)測頭體積小，當(dāng)測量空間狹窄時，觸發(fā)測頭更易接近工件，所以窄小空間通常應(yīng)用觸發(fā)測頭；另外，觸發(fā)測頭使用維修成本較低，所以目前市場上的大部分測量機，特別是中等精度測量機，仍然使用接觸式觸發(fā)測頭

。2024-12-1942三維掃描技術(shù)接觸式測頭選擇原則：l

測量目標(biāo)是形狀、輪廓有嚴(yán)格要求的零件，該零件形狀直接影響零件的性能(如葉片、橢圓活塞等)時選用掃描式測頭;l

也適用于不能確信所用的加工設(shè)備能加工出形狀足夠好的零件，而形狀誤差成為主要問題時。l

高密度采點時，重復(fù)性好、精度高。2024-12-1943三維掃描技術(shù)4、2

探針2024-12-1944三維掃描技術(shù)探針Probe測針安裝在測頭上，是測量系統(tǒng)中直接接觸工件的部分。如何選用合適的測針類型和規(guī)格取決于被測工件的特征，但是在任何情況下，測針的剛性和測球的球度都是不可或缺的。測球選用工業(yè)用紅寶石，紅寶石測球是高硬度的陶瓷材料，具有很好的球度。測針針桿一般用非磁性的不銹鋼針桿或碳鎢纖維針桿，以保證測針的剛性。使用前的重要步驟：標(biāo)定2024-12-1945三維掃描技術(shù)4、3非接觸式測頭在多數(shù)情況下，非接觸式測頭（光學(xué)測量）與被測物體沒有機械接觸，這種非接觸式測量具有一些突出優(yōu)點，主要體現(xiàn)在：1）由于不存在測量力，因而適合于測量各種軟的和薄的工件；2）由于是非接觸測量，可以對工件表面進行快速掃描測量；3）多數(shù)光學(xué)測頭具有比較大的量程，這是一般接觸式測頭難以達(dá)到的；4）可以探測工件上一般機械測頭難以探測到的部位。2024-12-1946三維掃描技術(shù)非接觸式測頭非接觸測頭主要分為激光掃描測頭和視頻測頭兩種激光掃描測頭主要用于實現(xiàn)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(比如50mm)，在其聚焦點一定范圍內(nèi)進行測量，采點速率在200點/秒以上。通過對大量采集數(shù)據(jù)的平均處理功能而獲得較高的精度。2024-12-1947三維掃描技術(shù)非接觸式測頭視頻測頭進一步提高了測量機的應(yīng)用，使得許多過去采用非接觸測量無法完成的任務(wù)得以完成。一些諸如印刷線路板、觸發(fā)器、墊片或直徑小于0.1mm的孔，可采用視頻測頭進行測量。操作者可將檢測工件表面放大50倍以上，采用標(biāo)準(zhǔn)的或可變換的鏡頭實現(xiàn)對細(xì)小工件的測量。2024-12-1948三維掃描技術(shù)選擇接觸/非接觸式測頭的幾點考慮：（1）在可以應(yīng)用接觸式測頭的情況下，慎選非接觸式測頭；（2）在只測尺寸、位置要素的情況下盡量選接觸式觸發(fā)測頭；（3）考慮成本又能滿足要求的情況下，盡量選接觸式觸發(fā)測頭；（4）易變形零件、精度不高零件、要求超大量數(shù)據(jù)零件的測量，可以考慮采用非接觸式測頭;（5）要考慮軟件、附加硬件（如測頭控制器、電纜）的配套。2024-12-1949三維掃描技術(shù)4、4

回轉(zhuǎn)附件2測頭回轉(zhuǎn)體1測頭2B1A(a)(b)繞垂直軸的轉(zhuǎn)動范圍為360o，共48個位置，可實現(xiàn)7.5o為步距的轉(zhuǎn)位。繞水平軸的轉(zhuǎn)動范圍為0o～105o，共15個位置。測端在空間一共可有48×14＋1＝673個位置

。2024-12-1950三維掃描技術(shù)4、4

測頭座4532671星形測頭座示意圖1—星形測頭座

2—測頭

3—回轉(zhuǎn)接頭座

4—測頭5—星形探針連接器

6—測頭

7—測頭2024-12-1951三維掃描技術(shù)2024-12-1952三維掃描技術(shù)Hawk

544Hawk

764Hawk

1064Hawk

775Hawk

1075Hawk

1275Hawk

14752024-12-1953三維掃描技術(shù)wizprobe激光掃描系統(tǒng)的參數(shù)?

測量精度6

微米?

測量重復(fù)性

2

微米?

測量分辨率

1微米?

采樣速率500

點/秒?

激光光斑直徑

30微米?

適用材料

從黑色材料到光亮金屬?

輸出功率?

重量<1毫瓦，二類激光產(chǎn)品650克2024-12-1954三維掃描技術(shù)遙控操作盒控制柜2024-12-1955三維掃描技術(shù)?多語言支持，并有中文版；?軟件計算精度經(jīng)PTB(德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究所)權(quán)威認(rèn)證；?內(nèi)含點到點掃描功能，輕松實現(xiàn)曲線曲面掃描；?軟件開放性好，方便與其它CAD或SPC軟件交換數(shù)據(jù)和程序；?編程語言豐富，包括元素測量，數(shù)據(jù)輸出，文件操作，算術(shù)計算和邏輯運算。2024-12-1956三維掃描技術(shù)（1）汽車工業(yè)(Automotiveindustries)汽車工業(yè)是三坐標(biāo)測量機目前最廣泛應(yīng)用的領(lǐng)域。l

汽車外觀測量:主要用龍門式的大型三坐標(biāo)測量機，l

汽車發(fā)動機和汽車內(nèi)部零件測量：主要用精度高的橋式三坐標(biāo)測量機。除此以外在汽車的玻璃，排氣口（Pipe,Muffler)的測量中也逐漸地使用三坐標(biāo)測量機。2024-12-1957三維掃描技術(shù)（2）

航空工業(yè)(Aerospaceindustries)主要用于航空器部件如葉輪(Impeller)、葉片(Blade)之類的航空要素產(chǎn)品的測量。在葉輪或葉片之類的特殊形狀的產(chǎn)品測量中使用的測量軟件有一些特殊要求。此類專用軟件主要在曲線/曲面的測量和分析上使用。航空工業(yè)和汽車工業(yè)一樣，可以說是測量機需要最多的領(lǐng)域中的一處。2024-12-1958三維掃描技術(shù)（3）半導(dǎo)體部件工業(yè)(Semi