车身三坐标测量技术

第 5章 车身三坐标测量技术5.1 三坐标测量机的作用与类型5.2 接触式三坐标测量机5.3 非接触式三坐标测量机5.4 测量点的数据处理5.5 三坐标测量机在车身 CAD的应用三坐标测量机 (Coordinate Measuring Machines， CMM)是 20世纪 60年代发展起来的一种高效的精密测量设备。它广泛应用于机械制造、电子、汽车和航空航天等工业中。它可以进行零部件的尺寸、形状及相对位置的检测，例如轿车车身、箱体、导轨、涡轮、叶片、凸轮、缸体、齿轮等空间形面的测量。此外，还可以用于划线、定中心孔、光刻集成线路等，并可以对连续曲面进行扫描及制备数控机床的加工程序等。由于它的通用性强、测量范围大、精度高、效率高、性能好、能与柔性制造系统相连接，已成为一类大型的精密仪器。 越来越多的工件需要进行空间三维测量，而传统的测量方法不能满足生产的需要。 越来越多的工件需要进行空间三维测量，而传统的测量方法不能满足生产的需要。 随着生产规模日益扩大，加工精度不断提高，除了需要高精度三坐标测量机在计量室检测外，为了便于直接检测工件，测量往往需要在加工车间进行，或将测量机直接串联到生产线上。 实现逆向工程的需要，例如随着汽车工业的发展，车身改型换代加快，往往要按已有的零件模型去仿制改型，所以需要测量出零件的三维形状数据。根据这些数据建模，再编制加工程序，然后将程序输入到数控机床加工模具。因此，需要与 “数控机床 ”或 “加工中心 ”相配合的三维检测技术。5.1 三坐标测量机的作用与类型 1. 三坐标测量机的作用(1) 对复杂形状表面轮廓尺寸进行测量，例如箱体零件的孔径与孔位、叶片与齿轮、汽车与飞机等的外廓尺寸检测等。(2) 提高三维测量的测量精度。目前高精度三坐标测量机的单轴精度，每米长度在 1m以内，三维空间精度达到 1-2m 。对于车间检测用的三坐标测量机，每米测量精度单轴也达到 3-4m 。 (3) 由于三坐标测量机可与数控机床和加工中心配套组成生产加工线或柔性制造系统，而可促进自动生产线的发展。(4) 大大地提高了测量效率。尤其是电子计算机的引入，不但便于数据处理，而且可以完成CNC(Computerized Numerical Control)的控制功能，可大大缩短测量时间。2.三坐标测量机的类型(1) 按照三坐标测量机的测量范围，可将它分为小型、中型与大型。小型三坐标测量机主要用于精密的模具、刀具、工具、首饰、微刻与集成线路板等。最长的坐标方向小于 500mm 。中型三坐标测量机的测量范围在 500-2000mm。主要用于对模具类零件的测量。大型三坐标测量机的测量范围大于 2000mm，主要应用于汽车和飞机外形、发动机与推进器叶片等大型零件的测量与检测。近年来，非接触式的大型三坐标测量机应用较多。(2) 按三坐标测量机的测量精度分类，有低精度、中精度和高精度的测量机。低精度的测量机主要是具有水平臂的三坐标测量划线机，单轴的最大测量不确定度大约在 l10-4L，空间的最大测量不确定度在 (23) 10-4L之间，其中 L 为最大测量程。 中等精度的三坐标测量机的单轴最大测量不确定度大约为 l10-5L，空间的最大测量不确定度在(23) 10-5L之间。 高精度三坐标测量机多称为精密型或计量型测量机，主要在计量室使用，单轴的最大测量不确定度大约为 110-6L，空间的最大测量不确定度在 (23)10-6L之间。 (3) 按照测头是否和零部件表面接触，可以将测量机分为接触式三坐标测量机和非接触式三坐标测量机。接触式测量的基本原理是力一变形原理，它可以进行触发式或者连续的数据采集。接触式三坐标测量机又可以按自动化程度分类，分为手动型、机动型和 CNC型。按照主机的结构形式与运动关系分类，可分为桥框式、龙门式、悬臂式、立柱式、卧镗式、仪器台式和极坐标式等。 非接触式测量方法主要运用光学原理，有激光三角测量法、激光测距法、结构光学法，以及图形分析法，工业计算机断层数据测量、磁共振成像术测量法、超声波法和层去扫描怯等。5.2 接触式三坐标测量机 接触式三坐标测量机是最早发展起来的一种三坐标测量设备，在车身制造行业应用广泛。接触式三坐标测量机可对车身油泥模型、白车身总成，及前挡风玻璃、仪表板、座椅等部件进行测量，也可以配合零件检测数据进行车身焊装质量的检测。5.2.1 测量机原理与基本结构 1.测量机原理接触式三坐标测量机的原理是：将被测件置于三坐标的测量空间之内，测出接触点处的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经过计算可以求出被测件的几何尺寸、形状及位置。 2.基本结构接触式三坐标测量机的基本结构可分为主机、测头、电气系统三大部分，如图 5-5所示。 1）主机（ 1）三坐标测量机主机的构造框架结构 ；标尺系统 ；导轨 ；驱动装置 ；平衡部件 ；转台与附件 。(2) 三坐标测量机主机的结构形式与材料三坐标测量机主机的结构形式可归纳为七大类：桥框式、悬臂式和龙门式，这三类即称为三坐标测量机；由镗床演变而来的立柱式和卧镗式，通常称这两类为万能测量机(Universal Measuring Machine， UMM)；由测量显微镜演变而来的仪器台式，又称三坐标测量仪；以及根据极坐标原理制成的极坐标式等。 图 5-7是移动桥式，图 5-8是固定桥式，图 5-9是龙门式，图 5-10是水平臂式 (也是悬臂式的一种 )，图 5-11是悬臂式。 结构材料主要有：铸铁、钢、花岗石、陶瓷和铝。(3)标尺系统标尺系统，也称测量系统，是三坐标测量机的重要组成部分。按系统的性质，可分为机械式标尺系统、光学式标尺系统和电气式标尺系统 2)三维测头三维测头即是三维测量传感器，它可在 3个方向上感受瞄准信号和微小位移。三坐标测量机测头的两大基本功能是测微 (即测出与给定的标准坐标值的偏差值)和触发瞄准并过零发讯。按照结构原理，测头可分为机械式、光学式和电气式等。机械式主要用于手动测量；光学式主要由于非接触式测量；电气式多用于接触式的自动测量 。3) 电气系统 (1) 计算机硬件部分。 (2) 测量机软件，包括控制软件与数据处理软件。它可进行坐标变换与测头校正，生成探测模式与测量路径，还用于基本几何元素及其相互关系的测量、形状与位置误差测量，齿轮、螺纹与凸轮的测量、曲线与曲面的测量等。(3) 打印与绘图装置。 (4) 电气控制系统，是测量机的电气控制部分，具有单轴与多轴联动控制、外围设备控 制、通信控制和保护与逻辑控制等 。5.2.2 应用特点接触式三坐标测量机的精度的表示方法主要有 3种： 测量机本身的精度：主要是指坐标位置的点位精度。(2) 重复精度：是测量机重复测量某一尺寸时测量结果的变动范围。 (3) 示值精度：是测量机测量任何已知尺寸所得测量结果的误差范围。 接触式三坐标测量的优点：(1) 机械结构及电子系统已相当成熟，故有较高的准确性和可靠性；(2) 与被测件表面的反射特性、颜色及曲率关系不大；(3) 被测件固定在三坐标测量机上，并配合测量软件，可快速准确地测量出被测件表面的基本几何形状，如面、圆、圆柱、圆锥、圆球等。接触式三坐标测量的缺点：(1) 为了确定测量基准点需使用特殊的夹具，这会导致较高的测量费用。不同形状的产品会造成原来的夹具不适用而使成本增加。(2) 球形测头容易因接触力造成磨损，所以，为了维持一定的精度，需要经常校正球形测头的直径。(3) 不当的操作容易损害被测件某些重要部位的表面精度，也会使测头损坏。(4) 接触式触发测头是以逐点进出方式进行测量的，所以测量速度慢。(5) 检测一些内部元件有先天的限制，如测量内圆直径，触发测头的直径必定要小于被测内圆直径，被测件内部不易测量处是测量的死角。(6) 对三维曲面的测量，因传统触发式测头是感应元件，测量到的点是测头的球心位置，故欲求得物体真实外形则需要对调头半径进行补偿，因而可能会导致修正误差的问题。计算比较繁琐，同时这也是测量误差的来源之一。(7) 接触测头在测量时，测头的接触力将使测头尖端部分与被测件之间发生局部变形而影响测量值的实际读数。(8) 测量系统的支撑结构存在静态及动态误差。(9) 由于测头触发机构的惯性及时间延迟而使测头产生超越 (Overshoot)现象，趋近速度会产生动态误差。(10) 因为接触面积与被测件表面的几何形状有关，即使测量接触力保持一定，测量压力并不能保证一定。5.3 非接触式三坐标测量机5.3.1 测量原理与基本结构1常用的非接触式测量方法 三角测量法。 其工作原理是，由激光器 (通常是半导体激光器 )发出的光，经光学系统形成一个很细的平行光束，照到被测工件表面上。由工件表面反射回来的光，可能是镜面反射光，也可能是漫反射光。 (2) 光纤式测量法。 其原理是通过被测量的形面变化来调制光波，使光纤的光波参量随被测量的形面变化而变化，从而根据被测信号的大小求得被测形面的空间位置关系。 (3) 视像测量法。 视像测头是用显微镜和投影的方法进行瞄准的发展。测头通常由照明、放大镜、 CCD摄像头与监视器组成。通过一定方式的照明，将物体的几何轮廓变为光学轮廓。(4) 计算机断层扫描 (Computed Tomography， CT)技术最具代表的是基于 X射线的 CT扫描机。它以测量物体对 X射线的衰减系数为基础，用数学方法经过计算机处理而重建断层图像。(5) 磁共振成像 (Magnetic Resonance Imaging，MRI)也称为核磁共振，该技术的理论基础是核物理学的磁共振理论，是 20世纪 70年代末以后发展的一种新式影像技术。 (6) 超声波测量法 采用的是超声波的数字化方法，其原理是当超声波脉冲到达被测物体时，在被测物体的两种介质边界表面会发生回波反射，通过测量回波与零点脉冲的时间间隔，即可计算出各面到零点的距离。 (7) 层去扫描法 是破坏性测量方法，层去扫描法适用于测量物体截面轮廓的几何尺寸。2光学测头(1) 一维测头，如三角法测头、光纤测头等；(2) 二维测头，主要是各种视像测头，如利用 CCD摄像机测量平面轮廓的测头；(3) 二维加一维测头，是在二维测头基础上，再增加对焦功能，使它能实现三维测量；(4) 三维测头，如用莫尔条纹技术形成等高线进行条纹计数的测头、体视式测头；(5) 接触式测头。它首先利用测端拾取工件表面位置信息，然后用光学原理进行转换。根据测量方法，光学测头可分为三角法测头、光纤式测头、视像测头等。3 ATOS三坐标测量机ATOS三坐标测量机是德国 GOM公司开发的产品， ATOS三坐标测量机主要包括光学测头、支架、控制器、标尺、 Tritop数码相机测量定位系统和相应的计算机软件及硬件等，如图 5-16所示。图5-17是 ATOS光学三坐标测量机的测头。 ATOS三坐标测量机的整个测量过程是基于光学三角形原理的。测量过程中，系统投射一束光带条纹到被测量件，以这些投射到被测件上的条纹为基础，由两个摄像镜头完成接收和测量，其原理如图 5-18所示。根据光学的变形原理，计算机能够从接收到的精确像素信息自动计算出被测件的三维位置坐标。按照这种摄像解决方法，每一次单独的扫描测量可以得到被测曲面的多达数百万个点的信息。5.3.2 应用特点采用非接触式三坐标测量，有如下突出的优点：(1) 能够快速收集到测量曲面的计算机建模信息，用于 CAD、FEM分析等；(2) 测量点云能够实现与 CAD数据、工程图或样本的对比；(3) 能够对零件进行快速复制，快速成型或数控加工；(4) 能够应用数字化样机；(5) 能够测量体积小、形状复杂和体积很大的被测零件；(6) 测量点云的噪声点数量小，并且可以经过调整而进一步减少噪声点；(7) 接触式测量设备不能测量的结构，如内部结构，各种柔软的、易变形的物体和不可接触的高精密被测件等；(8) 能够装在机器人上实现自动测量；(9) 重量轻、结构紧凑、操作简单；(10) 带有先进的计算和渲染测量点云的功能。 非接触式三坐标测量的主要缺点：(1) 因为非接触式测头大多是接收被测件表面的反射光或散射光，容易受到被测件表面的反射特性的影响，如颜色、斜率等；(2) 测头容易受到环境光线及杂散光影响；(3) 非接触式测量只做被测件轮廓坐标点的大量取样，不能进行面上指定点的测量，对边线及凹孔等的处理比较困难；(4) 使用光学测头测量时，测量镜头的焦距调整会影响测量精度；(5) 被测件表面的粗糙度会影响测量结果；(6) 光学阴影处及光学焦距变化处是测量死角 。5.4 测量点的数据处理5.4.1 应用接触式三生林测量机得到的测量点的数据处理 测量数据中的异常点的剔除判断异常点的方法有：(1) 直接观察法：用肉眼直接将与截面数据点偏离较大的、与测量顺序连线有突然变化或相差较大的和存在于屏幕上的孤点剔除；(2) 曲线检查法：对截面数据点拟和得到一条曲线。根据曲线的光顺情况，剔出曲线上的偏差较大点；(3) 弦高差方法：连接检查点的前后两点，计算弦高，若大于给定的允差，则剔除该点。2测量数据的球形测头半径补偿 当反求模型的精度要求较高时，应对测量数据进行测头补偿，否则重建的模型将在尺寸上与被测有偏差。图 5-20所示是球形测头的半径补偿示意图。 3测量点云数据的编辑对测量数据的编辑主要是对测量点云的分割、复制、删改、分块、对齐和定位等。4测量点云数据的标准格式转换 常用的数据交换标准有 IGES标准、 STEP标准，以及DXF、 ASCII等。5.4.2 非