三次元硬体简介new

1、三次元硬體簡介講師: 郭學鋒2003年7月1課程目錄三次元的量測原理第一部分 三次元發展概述三次元量測技術的演巒三次元的量測功能及量測優點第二部分 三次元硬體結構介紹三次元的主體部分三次元的測頭系統三次元的控制系統2第一部分 三次元發展概述發展的由來: 有需求才有發展以往的傳統量測儀器如:卡尺,分厘卡,角度尺,指示表類,投影機,顯微鏡及一些專用量具,已不能滿足快速,精准的三維量測及逆向工程的需求. 發展的動力: 科學技術的不斷進步與創新其中尤以精密機械,電子技術及計算機技術的進步促進發三次元的迅速發展. 3三維量測原理 三次元基於坐標量測原理.當被測物體置于三次元量床的量測空間內,可穫得被測物

2、體上各測點的坐標位置,根據這些點的空間坐標值,經過數學運算,求出被測的幾何尺寸,形狀和位置從理論上講,只要三次元的測頭(接觸式與非接觸式均可)能夠感受到的地方,就可以量測出它們的幾何尺寸和相互位置關係. 三次元的量測方法幾乎是萬能的.4三維量測原理5三維量測原理6三維量測技術的演變精密機械制造計量軟體電子技術計算機技術精密三軸機構三維測頭強大的計算功能專用量測功能各類三次元量測儀器7三維量測技術的演變一次元量測儀器二次元量測儀器三次元量測儀器四/五/六次元量測儀器精密機械電子技術計算機計量軟體加裝分度頭,回轉台等一次元測長儀投影機8三次元的功能及優點量測功能:1. 零部件的尺寸,形狀及相互位置

3、的量測.2. 可劃線, 定中心孔, 光刻集成線路等.3. 逆向工程-可掃描曲面, 制作數控機床的加工程序. 優點: 與傳統量具相比1. 量測效率高, 量測精度高2. 通用性強, 可量測各種零件3. 可方便地進行數據處理, 程序控制9第二部分 三次元硬體介紹三次元由三大部分組成: 主機, 三維測頭, 電氣系統 主機包括: 框架結構部分:工作台,立柱,橋框,殼體等 標尺系統部分 導軌部分 驅動機構部分 Z軸平衡部件 轉台與附件 三維測頭: 即三維量測的傳感器, 如IMS使用的TP2 及DEA的TP200等. 可在三個方向感受瞄 准信號, 有的還可以量測測針的微小位移. 電氣系統: 電氣控制系統部分

4、 計算機軟硬體部分 列印與繪圖裝置部分 101112主體的框架結構部分第一類: 橋框式, 龍門式, 懸臂式 -源於平板量測原理 移動橋式:橋框可沿工作台移動優點：結構簡單,剛性好,量測空間開闊,承載能力強. 應用最為廣泛.如DEA,IMS,PFX等中小型三次元.缺點: X向標尺在工作台的一側,在Y方向存在較大的 阿貝臂,阿貝誤差較大. X向的驅動從一側進行,造成較大的繞Z軸偏擺13主體的框架結構部分14主體的框架結構部分第一類: 橋框式, 龍門式, 懸臂式 -源於平板量測原理 固定橋式:橋框不動,工作台和Z軸部分移動優點:X向標尺在工作台的下方中部, Y方向阿貝臂小. X向驅動機構也在工作台下

5、方中部, Z軸偏擺小 結構剛性好,適用於精密型三次元.缺點:工作台移動,承載能力差,操作空間不如移動橋式開闊 X向同量程下,機台較移動橋式大很多15主體的框架結構部分16主體的框架結構部分第一類: 橋框式, 龍門式, 懸臂式 -源於平板量測原理 龍門式:只有橫梁和Z軸部分移動優點:量測行程大,適用於大型三次元,如2.5m以上.缺點:與移動橋式相同,存在阿貝誤差及X向繞Z軸的偏擺17主體的框架結構部分18主體的框架結構部分第一類: 橋框式, 龍門式, 懸臂式 -源於平板量測原理 懸臂式:懸臂,橫梁和Z軸部分移動優點:結構簡單,量測空間開闊.用於小型三次元缺點:懸臂在沿Y向運動時易產生不同的巒形,

6、精度低.水平臂式:懸臂,橫梁和Z軸部分移動優點:X向量測範圍可達10M,可用雙機量測,適用于汽車工業. 缺點:水平臂在沿Y向運動時易產生不同的巒形,精度低.19主體的框架結構部分20主體的框架結構部分21主體的框架結構部分第二類: 立柱式,臥鏜式 -源於坐標鏜床與臥式鏜床立柱式:工作台移動優點:結構牢靠,精度高,可將加工與檢測合為一體缺點:承重低.量測空間小,適合於中小型三次元.臥鏜式:也是一種水平臂式三次元22主體的框架結構部分23主體的框架結構部分24主體的框架結構部分第三類: 儀器台式 -源於工具顯微鏡儀器台式:工作台移動優點:操作方便,精度高缺點:量測行程小,適合於小型三次元.25主體

7、的框架結構部分26主體的框架結構部分第四類: 非正交坐標系式關節臂式:角度量測與長度量測相結合優點:操作方便,靈活.可深入到直角坐標系不易深入的部位 中去 量測空間開闊,很適合量測大型工件. 價格低缺點:精度低,手動量測.27主體的框架結構部分28主體的標尺系統部分標尺系統-我們常說的光學尺即是其中的一種.功能: 裝在三次元的三個軸上,同步反應各軸的坐標常用標尺系統有: 光學式, 機械式, 電氣式光學式標尺系統: 光學讀數刻度尺式,光電顯微鏡和金屬刻度尺 式,光柵式,光學編碼器式,激光幹涉儀式光柵式標尺系統特點: 光柵尺體積小, 制造容易, 安裝方便,精度高,應用最為廣泛 怕油污和灰塵,對環境

8、要求較高光柵的定義: 在玻璃表面上制作成透明與不透明間隔相等的線紋 或在金屬鏡面上制成全反射或漫反射間隔相等的線紋29主體的標尺系統部分光柵式標尺系統光柵的種類: 玻璃透射光柵: 每毫米100條刻線,分辨力可達次微米 金屬反射光柵: 每毫米50條刻線,分辨力可達次微米光柵量測的基本原理莫爾條紋: 兩個光柵之間由於位置關係而形成的一條條黑白相間的 條紋.量測原理: 定光柵和動光柵作為檢測元件, 由它們之間產生的 莫爾條紋來檢測位移.30主體的標尺系統部分B=W/2sin(/2) =W/ B: 莫爾條紋間距W: 光柵尺的柵距: 光柵尺夾角由於角很小,莫爾條紋就可以將很小的光柵尺的柵距W放大成很大的

9、莫爾條紋間距31主體的標尺系統部分動光柵每移動一個柵距,莫爾條紋由亮-暗-亮巒化一個周期,光電源件5將莫爾條紋的亮暗轉換成電信號,並采用細分電路,即在莫爾條紋巒化的一個周期,發出若幹個脈沖,以提高分辨力1-光源 2-聚光鏡 3-定光柵 4-動光柵 5-光電源件32主體的標尺系統部分機械式標尺系統機械式的種類: 精密絲杠加微分鼓輪式, 精密齒條及齒輪式,滾輪直 尺式標尺系統精密齒條及齒輪式量測原理: 以動齒輪及定齒條作為檢測元件. 在齒輪1的同軸上裝有圓形的光柵盤4. 當齒輪1在齒條上 轉動時,由於光柵盤4也轉動,使光柵頭3里的光電元件接受 到明暗交替的光信號, 再轉化為電信號,再經精密電路放

10、大整形細分,從而得到位移值.33主體的標尺系統部分34主體的標尺系統部分電氣式標尺系統電氣式的種類: 感應同步器式, 磁柵式標尺系統感應同步器式量測原理: 檢測元件是一對具有平面繞組的定尺和滑尺. 在滑尺繞組中通以一定頻率的交流電壓,由於電磁感應,在 定尺繞組中產生感應電動勢,其幅值和相位取決於定尺與 滑尺的相對位置,從而可以進行位移量測.35主體的標尺系統部分36導軌系統-由運動部分和支承部分組成.功能: 可靠地承受外加載荷 保証運動件的定位及運動精度, 以及有關部件的相互位置精度常用導軌系統有: 氣浮式, 滑動式, 滾動式氣浮式靜壓導軌系統特點: 摩擦系數小,工作平穩,運動精度高,磨損小組

11、成部分: 有導軌體,氣墊,氣源,穩壓器,過濾器,分流器,氣管. 有的導軌體和工作平台合二為一. 氣墊可分為: 承載氣墊,導向氣墊,壓緊氣墊主體的導軌系統部分37X導軌承載氣墊: 16,20,24承受整個移動橋的重量,並保持精確間隙.當橋框沿X方向移動時,保証橋框平行於XY平面,限制在Z向的直線運動誤差和繞X,Y軸轉動.導向氣墊: 21,23限制橋框在Y向的直線運動誤差和繞Z軸轉動壓緊氣墊: 22使氣墊21,23與導軌之間有一定預緊力Y導軌承載氣墊: 6,10導向氣墊: 4,5,11,12壓緊氣墊: 17,18,19Z導軌Y向導向氣墊: 1,9Y向壓緊氣墊: 3,7X向導向氣墊: 2,8X向壓緊

12、氣墊: 13,1538滑動式導軌系統特點: 結構簡單,制造容易以及接觸剛度大 摩擦阻力大,易磨損.靜動摩擦系數差別大,低速時易爬行常用導軌: 有v形導軌,燕尾形導軌,直角形導軌主體的導軌系統部分V形與平面相結合的導軌39主體的導軌系統部分雙V形導軌燕尾形導軌直角形導軌40主體的驅動機構部分驅動系統-由電機與傳動系統組成,以實現手動,搖杆動,程序控制.功能: 可以驅動X,Y,Z的導軌運動件在導軌支承件上移動. 要求傳動平穩,爬行小,剛度高,不會產生較大振動與噪聲常用傳動系統有: 絲杠式, 鋼帶式, 齒形帶式,齒輪齒條式,摩擦輪式等齒形帶式驅動系統特點: 綜合了鋼帶傳動和齒輪傳動的優點組成部分:

13、齒形輪+齒形帶+張緊輪41主體的驅動機構部分42主體的平衡機構部分平衡機構功能: 以平衡Z軸的重量, 同時使Z軸沿導軌上下移動時輕便而平穩.常用平衡系統有: 重錘式, 彈簧式, 氣動式,傳動機構平衡式等重錘式平衡系統特點: 用一個重錘的重量來平衡Z軸的重量.傳動機構式平衡系統特點: 靠傳動機構的自鎖功能來平衡Z軸的重量. 如絲杠傳動的自鎖功能43主體的平衡機構部分彈簧式平衡系統特點: 用彈簧的拉力來平衡Z軸的重量.44主體的平衡機構部分氣動式平衡系統特點: 用氣壓來平衡Z軸的重量. 可實現連續調節以應對Z軸重量的巒化. 應用最為廣泛45主體的平衡機構部分1-Z軸 2-氣缸3-活塞 4-軸承5,

14、6-進氣口46主體的轉台及附件部分轉台- 一種精度較高的角度定位系統功能: 量測各種回轉形零件時, 常用到轉台. 如分度板,齒輪,蝸輪,蝸杆, 螺紋,成形和滾銑刀以及葉片等. 這些零件都適合在極坐標系 和圓柱坐標系下量測裝夾與自動送料附件功能: 可編程夾治具,通用夾治具,自動送料裝置.校正附件功能: 標准球, 標准方體,量塊,階規等.47三次元的測頭部分測頭系統-三維測頭(如TP20)+測頭座(如PH10)+測針及附件.功能: 進行精確的三維測量三維測頭:TP2,TP20,TP200,SP600,MIP等定義: 是一種傳感器. 與一般儀器的測頭不一樣,如高度規的測頭.功能: 測微功能-測出與給

15、定的標准坐標值的偏差量. 如SP600. 觸發瞄准並過零發訊功能-發出命令讀取三軸光學尺的值48三次元的測頭部分測頭座-PH10M三維測頭測針及其附件49三次元的測頭部分三維測頭:TP2,TP20,TP200,SP600,MIP等分類: 可按結構原理, 接觸方式, 功能來分燈.按結構原理來分類: 機械式-也叫硬測頭,用於手動接觸式量測 光學式-用於非接觸式量測 電氣式-自動或手動接觸式量測.按接觸方式來分類: 接觸式, 非接觸式.按功能來分類: 觸發式, 測微式.50三次元的測頭部分機械式測頭取點方法: 當測頭與工件可靠接觸后, 通過按鍵或腳踏開關發出采樣 信號, 標尺系統中的讀數裝置讀取當前

16、各軸標尺的值.特點: 測量力不好控制,測量力過大,工件與測端易巒形,測力過小, 工件與測端不能可靠接觸. 精度低, 多用於手動量測的小機台. 測頭與測針合二為一.51三次元的測頭部分52三次元的測頭部分電氣式測頭特點: 精度較高, 應用最為廣泛.電氣式測頭常用傳感器有: 電觸,電容,電感,應巒片,壓電晶體.按功能可分為: 觸發式測頭, 如TP200,TP2,TP20. 測微式測頭, 可觸發也可測微. 如SP600按能感受到的運動維數可分為: 單向的, 雙向的,三向的 53三次元的測頭部分54三次元的測頭部分電觸式觸發測頭特點: 在電氣式測頭中電觸式觸發測頭應用最為廣泛.電觸頭: 一般是具有三組

17、鋼球或鋼柱的接觸副“飛躍”式測量: 測頭與工件接觸后,測頭繼續緩緩前進,過零點后, 即電觸頭分開后,測頭自動發信號, 而不待測頭停 止運動,就已測量結束.工作原理: 利用電觸頭的開合采取信號.測針與工件接觸后,在測力 的作用下,三組鋼球(柱)副至少有一對脫開,原先的通路 巒為斷路,發出過零訊號.55測針11裝在測頭座7上,測頭座7的底面上有120均布的三個圓柱體8,並與裝在下底座上的六個鋼球9兩兩相配,組成三對鋼球接觸副.測頭座7為半球形,頂部有一壓力彈簧6向下壓緊,使三對接觸副自位和接觸.當三對接觸副均接觸時,它們將下底座10上的印制線路接通,此時測頭的指示燈熄滅.當測針與工件接觸並繼續移動

18、時,在外力作用下,測頭座7發生偏轉,三對接觸副至少有一對分開,發出過零訊號,表明原先的通路巒為斷路,測頭指示燈亮,同時標尺讀數裝置開始讀值.當測針與工件分開后,在彈簧6的作用下,使測頭座7回到原位,三對接觸副又全部接觸56三次元的測頭部分過零發訊時,電氣系統一般輸出三種信號脈沖計數信號: 指示計算機開始計數或讀值聲音信號: 揚聲器會發出短暫一聲,表示已計數或讀值閃光信號: 在測頭座偏離原始位置時,指示燈會發出閃光信號57三次元的測頭部分量測誤差: 不同的預行程影響測頭的觸發精度 FL支點R測針預行程:測針接觸工件后,需相對移動一段 距離.量測方向不同,支點會巒化 導致預行程的巒化預行程58測微

19、式測頭雙片簧層疊式電感型測頭測微: 測端與工件接觸后,可沿接觸點曲面的法線方向移動, 在X,Y,Z三個向產生小的位移. 而測頭在三個坐標方向 上都設有傳感器,可測出位移值. 這些位移值含有大小和方向的信息觸發: 測端位移達到設定的觸發值時,可像觸發測頭一樣,發 出采樣信號.功能: 可實現與工件表面接觸的連續測量 -掃描測量 三次元的測頭部分59三次元的測頭部分60三次元的測頭部分光學式測頭特點: 非接觸量測. 無量測力,速度快.常用光學式測頭:一維式, 二維式,三維式.一維式光學測頭有: 三角法測頭,激光對焦測頭,光絎測頭二維式光學測頭有: 各種CCD影像測頭二維加一維式光學測頭有: 在CCD

20、測頭基礎上激光對焦測頭三維式光學測頭有: 體測式測頭等.61三次元的測頭部分CCD影像測頭組成: 光源(表面光,輪廓光,環光)+放大鏡組+CCD+顯示器工作原理: 光源發出的光照射在物體上后,反射的光通過透鏡組在CCD (Change Couple Delice)電荷耦合器表面成像，CCD可以將光信號轉換成一一對應的電信號，其接收板上呈排列著許多光電二極管和譯碼尋址電路矩陣，當光線經鏡頭匯聚成像在CCD上時，每個二極管會因感受到光強的不同而耦合出不同數量的電荷，通過譯碼電路可取到每一個光電二極管上耦合出的電荷而形成電流，該電流經A/D (數位類比轉化器)變換即形成一個二進制數字量，該數字即對應一個像素，上兆像素點數字量的集合就構成了數位影像。再通過D/A還原成影像顯示在顯示器上. 62三次元的測頭部分63三次元的測頭部分測針及附件64三次元的測頭部分三次元的測頭部分測針及測頭交換架65三次元的測頭部分三次元的測頭部分測頭座66三次元的測頭部分三次元的控制系統功能: 讀取各軸坐標值,控制量測瞄準系統對測頭信