三坐标测量机与其应用

三坐标测量机与其应用第一页，共59页。主要内容§1概述§2三坐标测量机的类型和组成§3三坐标测量机的测量系统§4测量数据处理§5坐标测量机的自动测量方法§6三坐标测量机的精度评定§7测量机的特殊应用与发展趋势第二页，共59页。§1概述机械制造、仪器制造、电子工业、航空和国防工业特别适用于测量：箱体类零件的孔距和面距、模具、精密铸件、电子线路板、汽车外壳、发动机零件、凸轮、飞机型体等带有空间曲面的工件。出现时间:

20世纪60年代后期出现条件：生产发展需要（检测和加工技术）电子技术、计算机技术和精密加工技术的发展提供技术基础应用领域：第三页，共59页。Chameleon7107三坐标测量机美国布朗·夏普公司制造测量范围:650×1000×650青岛雷顿数控测量设备有限公司（LeaderNC)第四页，共59页。第五页，共59页。三坐标测量机的主要组成部件：

1.主机机械系统（X、Y、Z三轴运动执行机构）；

2.测量系统－测量头和标准器（瞄准定位、坐标测量读数）

3.电气控制硬件系统；－运动控制机构；

4.测量软件系统；

－数据处理三坐标测量机的应用：正向工程

产品设计-->制造-->检验（三坐标测量机）工件（模型）－>3维测量（三坐标测量机）－>设计、制造逆向工程三坐标测量机的基本功能将被测物体置于三坐标测量空间，根据测量任务采集被测对象的若干点的三维空间坐标值，由这些点的空间坐标值，通过计算求出被测物体的几何尺寸、形状或几何要素的空间位置。第六页，共59页。

逆向工程是利用从实体模型采集数据信息，并反馈到CAD/CAM系统进行设计制造的一个过程。是将实物转变为CAD模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称。

逆向工程是解决直接从样件实现再造、建立那些已经遗失设计文件的工件设计文件以及结合现有CAD模型进行设计改进的好方法。

通过利用坐标测量机，探测所要实现逆向工程设计的零件表面，利用专业软件对采集数据进行处理，生成该零件直观的图形化表示，进行有关设计更改，并经过性能模拟测试。这样，可大大缩短了设计时间，简化了零件的调整和评估时间。三坐标测量机在现代设计制造流程中的应用第七页，共59页。逆向工程设备：

1.三坐标测量机：获得产品三维数字化数据（点云/特征）；

2.曲面/实体反求软件：对测量数据进行处理，实现曲面重构，甚至实体重构；

3.CAD/CAM软件；

4.数控机床（数控加工中心）；

逆向工程中的技术难点：

1.获得产品的数字化点云（测量扫描系统）；

2.将点云数据构建成曲面及边界，甚至是实体（反求软件）；

3.与CAD/CAM系统的集成；（通用CAD/CAM软件）

4.为快速准确地完成以上工作，需要经验丰富的专业工程师。第八页，共59页。逆向工程典型流程图

第九页，共59页。激光扫描测量及软件处理示意图扫描完成后的点云全方位的截取物体的剖面线利用三维CAD软件绘制产品图第十页，共59页。§2三坐标测量机的类型和组成三坐标测量机按技术水平可分为以下几个类型：(1)数显及打字型(N)

(2)带有小型电子计算机进行数据处理(NC)(3)计算机数字控制(CNC)测量:手动或机动数据:计算机测量:按程序自动数据:计算机测量:手动数据:人工处理第十一页，共59页。第十二页，共59页。第十三页，共59页。单位：h第十四页，共59页。结构类型和组成（主机机械系统）1、三坐标测量机构运动第十五页，共59页。三坐标测量机机架结构三坐标测量机的主体主要由以下各部分组成：底座、测量工作台、立柱、X及Y向支撑梁和导轨、Z轴部件及测量系统（感应同步器、激光干涉仪、精密光栅尺等）、计算机及软件。第十六页，共59页。悬臂式桥式龙门式卧式镗床式坐标镗床式2、结构类型(2)桥式(3)龙门式(1)悬臂式(4)镗床式第十七页，共59页。部分三坐标测量机的性能指标见表8—2所示206——207页第十八页，共59页。

§3三坐标测量机的测量系统三坐标测量机的测量系统的主要部件：测量头：瞄准定位标准器：坐标测量读数(1)机械接触式测头(硬测头)(2)光学非接触测头(3)电气接触式测量头电类：感应同步器、磁栅式、编码器机械类：刻线标尺、精密丝杠、精密齿条：光学类：光栅式、激光干式；第十九页，共59页。(1)机械接触式测头点测头V测形头块直测角头圆锥形圆柱形球形回转式半圆回转式1/4柱面盘形内圆锥触发式测头

第二十页，共59页。触发式测头当触发式测头的测端触碰到被测工件时，测头发出触发信号。其核心是判断接触与否，类似电子开关的工作性质，故又称开关测头。实现此功能的方法有电子机械开关的通断、压电晶体的压电效应和应变片的形变等。1.机械触发机构2.感应接触形变的应变片3.压电传感器第二十一页，共59页。(2)光学非接触测头通过对大量采集数据的平均处理功能而获得较高的精度。操作者可将检测工件表面放大50倍以上，采用标准的或可变换的镜头实现对细小工件的测量。

主要用于实现较软材料或一些特征表面进行非接触测量。测头在距离检测工件一定距离(比如50mm)，在其聚焦点一定范围内进行测量，采点速率在200点/秒以上。视频测头进一步提高了测量机的应用，使得许多过去采用非接触测量无法完成的任务得以完成。例如：印刷线路板、触发器、垫片或直径小于0.1mm的孔。激光扫描测头

视频测头光学点位测量头第二十二页，共59页。光学非接触测头第二十三页，共59页。光学点位测量头

在成像光路中插入一遮光片，其位置正好挡住激光器光束的半个光斑，此时，若被测面仍位于物平面A处，则光电检测器的差动输出仍然为零，而当被测面离焦位于A1位置时，在光电检测器上的像为半圆形光斑，如图1中的B1所示，而当被测面离焦位于A2位置时，在光电检测器上的像如图1中的B2所示。由图可知，离焦方向不同时，光电检测器上的光斑或位于光轴的上方或下方，半光斑的直径随离焦量的增大而增大，此时光电检测器的差动输出不再为零，输出信号的极性决定于离焦的方向，输信号的大小决定于离焦量的大小。由此可见，可根据光电检测器的差动输出判断被测表面的位置，光电检测器差动输出的过零点即为测量瞄准位置。第二十四页，共59页。图8—6光学点位测量头测量精度±1~3um，测量表面可倾斜70度。物镜反射镜光源物镜十字分划板目镜分划板直角屋脊棱镜物镜棱镜适合于测量不规则空间型面(蜗轮叶片、软质表面等)。第二十五页，共59页。WIZProbe激光扫描测头

LC系列光学扫描测头

能够以每秒钟数以百计的点进行工件表面点数据的采集。测量软件可凭借这些点进行特征形状的评价，同时计算出其尺寸和位置。扫描测头还可以用类似触发式测头的方法进行分离点数据的采集。三坐标测量机配激光扫描测头构成一台三维激光扫描测量机，可以进行高速高精度激光扫描与测量激光扫描测头第二十六页，共59页。(3)电气接触式测量头电感位移传感器可用于箱体类和复杂形状工件高速轮廓数据采集(扫描)。

对工件表面进行离散点数据的采集，扫描系统能够连续采集大量表面点的数据，从而给出关于工件表面形状清晰描述。在扫描测量时应使测头与工件保持可靠接触，并由电感测量头确定被测点的三维坐标。第二十七页，共59页。三向电感测量头星形测头z向x向y向可调弹簧螺旋升降机构三层片簧导轨机构每层片簧导轨机构中间测头部件预置测力各向位移机构传感器部件零位锁紧部件阻尼装置定位块锁紧杠杆圆锥头拔销电机磁芯线圈支架上板下板固定片毛细间隙充粘性硅油第二十八页，共59页。坐标测量机其它部件1、测座

PH10M是功能强大的分度机动测座，能够携带长加长杆和各种测头。具备高度可重复性的动态连接，允许测头或加长杆的快速更换而不需要重新校正。

PH10M特点：

-自动关节固定，可重复测头定位

-对于手动输入可自动转换

-7.5度进位

-具有720个可重复定位

-能够携带长达300mm的加长杆

手动分度测座，如MIH可分度机动测座，如

PH10M第二十九页，共59页。探针：为完成各种形状工件的测量，有各种形状探针适应不同的测量需求。加长杆：加长杆允许测头进行加长，从而完成一些难以触及特征的检测，而不会有损精度。探针更换支架：探针更换支架允许自动使用各种探针配置，而不需要对探针进行重新修正。

2、测头附件第三十页，共59页。3、夹具系统

为检测薄壁件提供了柔性装夹方案，例如：汽车车身盖板的装夹。自动夹具系统，采用模块化夹具组件，并由与系统联机坐标测量机控制，自动生成夹具组合。

工件由位于坐标测量机基面上，气动可调节高度的一组立柱支撑组成。

第三十一页，共59页。4、测量软件PC-DMIS通用测量软件

利用其一体化的图形功能，能够将检测数据生成可视化的图形报告；具备强大CAD功能的通用测量软件；测量对象：从简单的箱体类工件一直到复杂的轮廓和曲面；实现高速、高效率和高精度测量。简捷用户界面，引导使用者进行零件编程、参数设置和工件检测；特点：第三十二页，共59页。三坐标测量机中测量系统的特性综合比较见210页表8-3第三十三页，共59页。§4测量数据处理数据处理的主要内容：1、x、y平面内工件倾斜的修正2、原点的偏移3、坐标系的平移和回转4、直角坐标转换成圆柱坐标5、直角坐标转换成球坐标6、两点间距离的测量7、圆的内、外径及圆心的测量8、求直线方向9、求两直线交点和夹角10、其他数据处理内容由测量软件完成第三十四页，共59页。1、x、y平面内工件倾斜的修正机器坐标系零件坐标系第三十五页，共59页。2、原点的偏移1)、工件上没有基准点，或者基准点处在测量范围以外2)、原点处于工件不便测量的部位出现偏移的情况：方法：Ｏ第三十六页，共59页。3、坐标系的平移和回转第三十七页，共59页。4、直角坐标转换成圆柱坐标第三十八页，共59页。5、直角坐标转换成球坐标第三十九页，共59页。6、两点间距离的测量loxy第四十页，共59页。7、圆的内、外径及圆心的测量需要测3点需考虑测头半径补偿第四十一页，共59页。8、求直线方向第四十二页，共59页。9、求两直线交点Ｐ和夹角10、其他数据处理内容第四十三页，共59页。§5坐标测量机的自动测量方法自动测量的过程一般由3个阶段组成，即准备阶段、实际测量阶段和计值阶段。通常，后两个阶段是同时进行的。一、点位测量法二、连续扫描法点位测量法是从点到点的重复测量方法。多用于孔的中心位置、孔心距、加工面的位置以及曲线、曲面轮廓上基准点的坐标检验和测量。测量头在被测工件的外形轮廓上进行扫描测量.第四十四页，共59页。一、点位测量法第四十五页，共59页。二、连续扫描法xyzo第四十六页，共59页。§6三坐标测量机的精度评定指测量值与真值之差。包括所选用的测量方法、测量头、工件状态(测量定位面、测量表面等)以及温度影响等因素。指测量机本身的精度，即测量头中心在测量空间内任意位置的位置精度。主要为点位精度。静态精度动态精度系统误差随机误差机器精度测量精度按状态按性质第四十七页，共59页。一、三坐标测量机的分向误差1、标尺误差、温度误差；影响因素：2、三轴导轨直线度误差；3、三轴导轨垂直度误差；点误差－空间矢量型第四十八页，共59页。y轴导轨直线度对x向的影响第四十九页，共59页。y轴对x轴垂直度的影响第五十页，共59页。二、重复性精度重复测量某一尺寸时，测量结果的变动范围。一般测5—6次。反映测量中的随机误差。第五十一页，共59页。三、动态误差动态误差主要来源于测量部件运动过程中由于加速度造成的变形。将动态误差控制到比静态误差大l0％一30％之内。第五十二页，共59页。四、测量精度影响测量精度的因素：?第五十三页，共59页。五、三坐标机的精度评定及检定方法1、单轴示值精度评定2、采用两坐标精度评定3、采用三坐标精度评定采用标准模板来检定测量机平面上的坐标精度。采用空间球模型直接评定三坐标精度。以