《数字化检测与质量溯源》课件-2.1检测技术及设备在机械制造业中的应用

l

1、l

3、l

4、l

第一台三坐标测量机出现于60年代中期。它是手动的RapidCheck型号,制造商可能是意大利的DEA公司或者Hansford公司，这些早期型号今天看来十分简单，同时也不配有计算机。l

早期的测头的测头是刚性的锥型测头，也叫硬测头，测量数据需要手写在检查报告上l

引入计算机–

下一个里程碑是计算机的引入，当初引入的计算机软件是为了应用简单的数学公式来计算零件与测量机轴线的平行程度，这样大大减少了操作者用来把零件与测量机轴线机械找正的时间。l

引入电子测头–

与引入计算机的同时，第一个电子测头也被应用，这是RENISHAW

公司的TP1测头，这种测头用来替代了锥型测头。电子测头的引进，要求计算机的软件增加相应的功能，即对电子测头和光栅尺传来的信号和数据进行处理。l

三坐标测量机成为机动型–

下一步改进是在测量机的每一轴上加上驱动电机及相应的电子控制系统，这样软件又需要加上关于运动数学模型的部分和基本的元素自动测量功能。l

数学模型–

那时的数学模型只对元素采最少数量的测点，例如三点来测平面，三点测圆，两点测直线。为了改进测量机的测量重复性，优化（最佳拟合）的数学模型方法应用于软件，这样许多元素可以应用多点测量，用平均值来评价位置及尺寸，当多点计算的方法解决以后，加上了关于平面度，圆度及直线度计算的软件。l

更高的速度–

由于测量机越来越多的放在生产的环境中，速度因素被越来越多的考虑。能让速度更快，而同时保持其精度，意味着对机械结构必须选用新的材料。花岗岩取代了铸铁用来作基础平台，花岗石有良好的吸振性能及热稳定性，即花岗石不会由于温度变化而产生较大的变形，这与铸铁一样。–

早期的桥架和主轴用铝结构的材料，但铝被替代。现时在寻找更轻更稳定的材料，最终选用了碳矸维或陶瓷。受温度影响越少的材料，对测量机精度的受益越大。l

最大的变化–

软件–

探测系统三坐标测量仪基本结构l

高精度机械结构l

数据处理和控制系统l

CMM软件l

传感器l

因为任何形状都是由空间点组成，所有的几何量测量都可以归结为空间几何点的测量，因此精确进行空间点坐标的采集，是评定任何几何形状的基础。l

坐标测量技术是以点的坐标位置为基础的，它分为一维、二维和三维测量。l

三维测量，又称三维扫描（俗称抄数），就是测量实物表面的三维坐标点集，得到的大量坐标点的集合称为点云（PointCloud)。坐标测量机是一种几何量测量仪器，它的基本原理是将被测零件放入它容许的测量空间，精密地测出被测零件表面的点在X,

Y,

Z三个坐标位置的数值，根据这些点的坐标数值经过计算机数据处理，拟合形成测量元素，如圆、球、圆柱、圆锥、曲面等，经过数学计算得出形状、位置公差及其它几何量数据。l

三维测量除了用于产品检测之外，还可以用于以下领域：–

CAD/CAM/逆向工程(RE)/快速成型(RP)l

扫描实物，建立CAD数据；或是扫描模型，建立用于检测部件表面的三维数据l

模具设计l

对于不能使用三维CAD数据的部件，建立数据l

使用由RP创建的真实模型，建立和完善产品设计–

个性化设计，如服装CAD–

有限元分析的数据捕捉l

检测(CAT)/CAE–

生产线质量控制和曲面零件的形状检测l

科学研究–

计算机视觉–

计算几何–

考古研究l

其他应用–

文物、艺术品的录入和电子展示–

动画造型–

牙齿及畸齿矫正–

整容及上颌面手术l在机械制造业，CMM、激光扫描仪是应用最为广泛的测量设备l

1.按功能分：测量型和划线型l

2.按操作方式分：手动型、机动型和CNC自动型l

3.按精度分：l

A类：空间测量不确定度不大于（1.5+L/300）μml

B类：空间测量不确定度不大于（3+L/200）μml

C类：空间测量不确定度不大于（5+L/125）μml

D类：空间测量不确定度大于（5+L/125）μm4.按结构归纳约有以下8种l

这种结构目前已经很少采用，最初主要应用在手动控制的CMM上。对操作者要求较高，且加速和减速时，主轴有扰动。l

这种结构在CMM中应用最为广泛。移动桥式的优势可测量的范围大（0.1dm3~8m3）工件的可接近性好，动态性能好（速度、加速度高）结构简单、紧凑、均衡承载能力大高精度、高性能和高稳定性。l

这种结构主要用来生产巨型CMM，测量范围可以超过100m3。l

高精度CMM通常采用这种结构，这种结构可以最小化CMM由于重心移动造成的虚假移动，测量范围通常不超过3m3l

该结构的特点是主轴处于水平位置。可以用来制造巨型CMM，也可以采用多个水平臂，具有很好的生产率。l

这种结构类似于机械手，主要用于手动CMM，其突出优点是可便携性和操作方便。3、激光扫描仪的应用l

传统的CMM多采用机械探针等触发式测头，由于是接触式测量，往往测一个点需要数秒钟，因此测量速度慢；l

对于复杂内部形腔、几何特征尺寸少、具有大面积自由曲面的零部件，CMM将不能适应；l

由于测量力的存在，无法对软质材料进行测量；l

CMM价格昂贵，对测量环境要求较高，测速慢，数据密度低，还需要对测量结果进行触头损伤及触头半径补偿，这些不足限制了CMM在反求工程领域中的应用。采用非接触式测量则可以较好的解决上述问题。l

非接触式测量根据测量原理的不同，主要有光学测量法、工业CT测量法，核磁共振（MRI）测量法、超声波测量法、电磁测量法、层析法等。其中，较为成熟的是光学测量法，光学测量法又分为三角形法、结构光法、激光干涉法、计算机视觉法等。其中结构光法被认为是目前对三维形状进行测量的最好方法之一。l

结构光测量技术是基于三角测量原理的非接触测量技术。由于光源出射点、投射点和接受点呈几何三角关系，故此得名。l

其基本原理是利用具有规则几何形状的光源（如：点光源、线光源），即结构光，投影到具有一定距离的被测样件表面上，三维样件面型对光束产生空间调制，改变了成像光束的角度，形成漫反射光点（或光带）。而与结构光成一定角度的位置传感器（如CCD摄像机、PSD等）摄取经物体表面形状调制的变形图像信息，经由信号转换电路（如图像采集卡等）把图像模拟信号转化为数字图像信号输入计算机进行一系列数据处理，解调图像即将位置传感器上的图像位移量转换到被测物体表面的物理坐标值，以获取物体的三维数字化轮廓信息。X—未知量b、f、L、α，δ－已知量f

Lf

LX

btg(

)

bl

结构光法的主要优点:l

测量范围大、稳定、速度快、成本低、设备携带方便、受环境影响小、易于操作；l

可以有效避免在高精度测量中测量力带来的系统误差和随机误差；l

可方便实现对软质和超薄型物体表面形状的测量；ll

其缺点是：l

由于测量原理的局限性，结构光测量容易受到被测表面的粗糙度及漫反射的影响，当被测量表面粗糙度值较低或光泽比较明亮时，会使激光束在产生漫反射的同时发生较强的镜面反射，反射光强常会造成较大的测量误差；l

另外被测物体表面的颜色及倾斜度也会给测量结果带来不同程度的误差，对于表面变化剧烈的物体，在陡峭处往往会发生相位突变，