三坐标测量机与其应用课件.ppt

1、华侨大学机电学院 2006秋季第八章第八章 三坐标测量机及其应用三坐标测量机及其应用主 要 内 容 1 概述概述 2 三坐标测量机的类型和组成三坐标测量机的类型和组成 3 三坐标测量机的测量系统三坐标测量机的测量系统 4 测量数据处理测量数据处理 5 坐标测量机的自动测量方法坐标测量机的自动测量方法 6 三坐标测量机的精度评定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测量机的特殊应用与发展趋势1 概述概述机械制造、仪器制造、电子工业、航空和国防工业机械制造、仪器制造、电子工业、航空和国防工业特别适用于测量：特别适用于测量：箱体类零件的孔距和面距、模具、精密铸件、电子箱体类零件的孔距

2、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、飞机型体线路板、汽车外壳、发动机零件、凸轮、飞机型体等带有等带有空间曲面空间曲面的工件。的工件。出现时间出现时间: : 2020世纪世纪6060年代后期年代后期出现条件：生产发展出现条件：生产发展需要（需要（ 检测和加工技术检测和加工技术）电子技术、计算机技术和精密加工技术的发展电子技术、计算机技术和精密加工技术的发展提供提供技术基础技术基础应用领域：应用领域：Chameleon 7107 三坐标测量机 美国布朗夏普公司制造测量范围:6501000650青岛雷顿数控测量设备有限公司（Leader NC) 三坐标测量机的主要组成部件

3、：三坐标测量机的主要组成部件： 1.主机机械系统（主机机械系统（X、Y、Z三轴三轴运动执行机构运动执行机构）；）； 2.测量系统测量系统 测量头和标准器测量头和标准器（瞄准定位、坐标测量读数）（瞄准定位、坐标测量读数）3.电气控制硬件系统；电气控制硬件系统； 运动控制机构运动控制机构； 4.测量软件系统；测量软件系统； 数据处理数据处理三坐标测量机的应用：三坐标测量机的应用：正向工程正向工程 产品设计产品设计-制造制造-检验（三坐标测量机）检验（三坐标测量机） 工件（模型）工件（模型）3维测量（三坐标测量机）维测量（三坐标测量机）设计、制造设计、制造 逆向工程逆向工程三坐标测量机的基本功能三坐

4、标测量机的基本功能将被测物体置于三坐标测量空间，将被测物体置于三坐标测量空间，根据测量任根据测量任务采集被测对象的若干点的三维空间坐标值务采集被测对象的若干点的三维空间坐标值，由这，由这些点的空间坐标值，通过计算求出被测物体的几何些点的空间坐标值，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。尺寸、形状或几何要素的空间位置。逆向工程逆向工程是利用从实体模型采集数据信息，并反馈到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。系统进行设计制造的一个过程。是将实物转变为是将实物转变为CAD模型相关的数字化技术、几何模模型相关的数字化技术、几何模型重建技术

5、和产品制造技术的总称。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遗失设计文件的工件设计文件以及结合现有CAD模型进行模型进行设计改进的好方法。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拟测试。这样，可大大

6、缩短了设计时间，简化了零件的调。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。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三坐标测量机在现代设计制造流程中的应用逆向工程设备：逆向工程设备： 1.三坐标测量机三坐标测量机：获得产品三维数字化数据（点云：获得产品三维数字化数据（点云/特征）；特征）； 2.曲面曲面/实体实体反求软件反求软件：对测量数据进行处理，实现曲面重构，：对测量数据进行处理，实现曲面重构，甚至实体重构；甚至实体重构； 3. CAD/CAM软件；软件； 4.数控机床（数控加工中心）；数控机床（数控加工中心）； 逆向工程中的技术难点：逆向工程中的技术难点： 1.

7、获得产品的数字化点云（测量扫描系统）；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（将点云数据构建成曲面及边界，甚至是实体（反求软件反求软件）；）； 3.与与CAD/CAM系统的集成；（通用系统的集成；（通用CAD/CAM软件）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。为快速准确地完成以上工作，需要经验丰富的专业工程师。 逆向工程典型流程图逆向工程典型流程图 激光扫描测量及软件处理示意图激光扫描测量及软件处理示意图 扫描完成后的点云扫描完成后的点云 全方位的截取物体的剖面线全方位的截取物体的剖面线 利用三维利用三维CAD软件绘制产品图

8、软件绘制产品图 2 三坐标测量机的类型和组成三坐标测量机的类型和组成三坐标测量机按三坐标测量机按技术水平技术水平可分为以下几个类型：可分为以下几个类型：(1)数显及打字型数显及打字型(N) (2)带有小型电子计算机进行数据处理带有小型电子计算机进行数据处理(NC)(3)计算机数字控制计算机数字控制(CNC)测量测量:手动或机动手动或机动 数据数据:计算机计算机测量测量:按程序自动按程序自动 数据数据:计算机计算机测量测量:手动手动 数据数据:人工处理人工处理单位：h结构类型和组成（结构类型和组成（主机机械系统主机机械系统）1、三坐标测量机构运动、三坐标测量机构运动三坐标测量机机架结构三坐标测量

9、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。悬臂式悬臂式桥式桥式龙门式龙门式卧式镗床式卧式镗床式 坐标镗床式坐标镗床式2、结构类型、结构类型(2)桥式桥式(3)龙门式龙门式(1)悬臂式悬臂式(4)镗床式镗床式部分三坐标测量机的性能指标见表82所示206207页 3 三坐标测量机的测量系统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：三坐标测量机的测量系统的主要部件：测量头：测量头：瞄准定位瞄准定位标准器：标准器：坐标测量读数坐标测量读数(1)机械接触式测头机械

10、接触式测头(硬测头硬测头)(2)光学非接触测头光学非接触测头(3)电气接触式测量头电气接触式测量头电电 类：感应同步器、磁栅式、编码器类：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：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；光学类：光栅式、激光干式；(1)机械接触式测头机械接触式测头点点测测头头V测测形头形头块块直测直测角头角头圆圆锥锥形形圆圆柱柱形形球球形形回回转转式式半半圆圆回回转转式式1/4柱柱面面盘盘形形内内圆圆锥锥触发式测头触发式测头 触发式测头触发式测头 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

11、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( 2)光学非接触测头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。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操作者可将检测工件表面放大50倍以上，采用标准的或倍以上，采用标准的或可变换的镜头实现对细小工件的测量。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。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测头在距离检测

12、工件一定距离(比如比如50mm)，在其聚焦点，在其聚焦点一定范围内进行测量，采点速率在一定范围内进行测量，采点速率在200点点/秒以上。秒以上。视频测头视频测头进一步提高了测量机的应用，使得许多过去采用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。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、垫片或直径小于例如：印刷线路板、触发器、垫片或直径小于0.1mm的孔。的孔。激光扫描测头激光扫描测头 视频测头视频测头光学点位测量头光学点位测量头光学非接触测头光学非接触测头 光学点位测量头光学点位测量头 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

13、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。图图86 光学点位测量头光学点位测量头测量精度测量精度13um，测量表面可倾斜，

14、测量表面可倾斜70度。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适合于测量不规则空间型面(蜗轮叶片、软质表面等蜗轮叶片、软质表面等)。WIZProbe激光扫描测头激光扫描测头 LC系列光学扫描测头系列光学扫描测头 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。似触发式测头的方法进行分离点数据的采集

15、。 三坐标测量机配三坐标测量机配激光扫描测头激光扫描测头构成一台三维激光扫构成一台三维激光扫描测量机，描测量机，可以进行高速高精度可以进行高速高精度激光扫描与测量激光扫描与测量 激光激光扫描测头扫描测头(3)电气接触式测量头电感位移传感器电气接触式测量头电感位移传感器可用于可用于箱体类箱体类和和复杂形状复杂形状工件工件高速轮廓数据采集高速轮廓数据采集(扫描扫描)。 对工件表面进行对工件表面进行离散点数据的采集离散点数据的采集，扫描系统能够连续采集大量表面点，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。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

16、件保持可靠接触，并由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。电感测量头确定被测点的三维坐标。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坐标测量机其它部件1 1、测座、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，允许头。具备高度可重复性的动态连接，允许测头或加长杆的测头或加长杆的快速

17、更快速更换而不需要重新校正。换而不需要重新校正。 PH10M特点：特点：- 自动关节固定，可重复测头定位自动关节固定，可重复测头定位- 对于手动输入可自动转换对于手动输入可自动转换- 7.5度进位度进位- 具有具有720个可重复定位个可重复定位- 能够携带长达能够携带长达300mm的加长杆的加长杆 手动分度测座，如手动分度测座，如MIH 可分度机动测座可分度机动测座，如，如 PH10M探针：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。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：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，加长杆允

18、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。而不会有损精度。探针更换支架：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。探针进行重新修正。 2 2、测头附件、测头附件3 3、夹具系统、夹具系统 为检测为检测薄壁件薄壁件提供了提供了柔性装夹柔性装夹方案，例如：汽车车身盖板的装夹。方案，例如：汽车车身盖板的装夹。自动夹具系统，采用自动夹具系统，采用模块化夹具组件模块化夹具组件，并由与系统联机坐标测量机控，并由与系统联机坐标测量机控制，自动生成夹具组合。制，自动生成夹具组合。 工件工件由位于坐标测量

19、机基面上，由位于坐标测量机基面上，气动可调气动可调节高度节高度的一组立柱支撑组成。的一组立柱支撑组成。 4 4、测量软件、测量软件PC-DMIS通用测量软件通用测量软件 利用其一体化的图形功能，能够将检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；测数据生成可视化的图形报告；具备强大具备强大CAD功能的通用测量软件；功能的通用测量软件；测量对象：从简单的箱体类工件测量对象：从简单的箱体类工件 一直到复杂的轮廓和曲面；一直到复杂的轮廓和曲面；实现高速、高效率和高精度测量。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

20、测；零件编程、参数设置和工件检测；特点：特点：三坐标测量机中测量系统的特性综合比较见见210页表页表8-34 测量数据处理测量数据处理数据处理的主要内容：数据处理的主要内容：1、x、y平面内工件倾斜的修正平面内工件倾斜的修正2、原点的偏移、原点的偏移3、坐标系的平移和回转、坐标系的平移和回转4、直角坐标转换成圆柱坐标、直角坐标转换成圆柱坐标5、直角坐标转换成球坐标、直角坐标转换成球坐标6、两点间距离的测量、两点间距离的测量7、圆的内、外径及圆心的测量、圆的内、外径及圆心的测量 8、求直线方向、求直线方向9、求两直线交点、求两直线交点 和夹角和夹角 10、其他数据处理内容、其他数据处理内容由测量

21、软件完成由测量软件完成1、x、y平面内工件倾斜的修正平面内工件倾斜的修正2222sincosaaaaaayxyyxx机器坐标系零件坐标系cossinsincosaanaanyxyyxxnnaa，yx，yx2、原点的偏移、原点的偏移1)、工件上没有基准点，或者、工件上没有基准点，或者 基准点处在测量范围以外基准点处在测量范围以外2)、原点处于工件不便测量的、原点处于工件不便测量的 部位部位出现偏移的情况：出现偏移的情况：方法方法：axaybxby,bbaabbaayxyxlbyxyx，3、坐标系的平移和回转、坐标系的平移和回转4、直角坐标直角坐标转换成转换成圆柱坐标圆柱坐标zzryrxsinco

22、szzxyyxrarctan225、直角坐标直角坐标转换成转换成球坐标球坐标cossinsincossinrzryrxzyxxyzyxr22222arctanarctan6、两点间距离的测量、两点间距离的测量loxyaxbxbyay22babayyxxl7、圆的内、外径及圆心的测量、圆的内、外径及圆心的测量22ccyyxxR需要测需要测3点点需考虑测头需考虑测头半径补偿半径补偿8、求直线、求直线方向方向1212arctanxxyy12212212arctanzzyyxx9、求两直线交点和夹角、求两直线交点和夹角 10、其他数据处理内容、其他数据处理内容5 坐标测量机的自动测量方法坐标测量机的自

23、动测量方法自动测量的过程一般由自动测量的过程一般由3个阶段组成，即准备阶段、实际个阶段组成，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。测量阶段和计值阶段。通常，后两个阶段是同时进行的。 一、点位测量法一、点位测量法二、连续扫描法二、连续扫描法点位测量法是从点到点的重复测量方法。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的位置以及曲线、曲面轮廓上基准点的坐标检验和测量。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测量头在被测工件的外形轮廓上进行扫描测量.一、点位测量

24、法一、点位测量法二、连续扫描法二、连续扫描法xyzo6 三坐标测量机的精度评定三坐标测量机的精度评定指测量值与真值之差。指测量值与真值之差。包括所选用的测量方法、测量头、工件状态包括所选用的测量方法、测量头、工件状态(测量测量定位面、测量表面等定位面、测量表面等)以及温度影响等因素。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任意位置的位置精度位置精度。主要为。主要为点点位精度位精度。静态精度静态精度动态精度动态精度系统误差系统误差随机误差随机误差机器精度机器精度测量精度测量精度按状态按状态按性质按性质一、三坐标测量机的

25、分向误差一、三坐标测量机的分向误差222zyx1、标尺误差、温度误差；、标尺误差、温度误差；影响因素：影响因素：2、三轴导轨直线度误差；、三轴导轨直线度误差；3、三轴导轨垂直度误差；、三轴导轨垂直度误差；)()()()(xzQxzsxyQxysslxxxxxxx例如：点误差空间矢量型点误差空间矢量型y 轴导轨直线度对 x向的影响1)(xysx2)(xysx4)(xysx3)(xysx),(aayxA的测量值ax y 轴对轴对 x 轴垂直度的影响轴垂直度的影响)(xyQxix二、重复性精度二、重复性精度重复测量某一尺寸时，测量结果的变动范围。重复测量某一尺寸时，测量结果的变动范围。一般测一般测5

26、6次。次。反映测量中的随机误差。反映测量中的随机误差。三、动态误差三、动态误差动态误差主要来源于测量部件运动过程中由于动态误差主要来源于测量部件运动过程中由于加速度加速度造成的变形。造成的变形。将动态误差控制到比静态误差大将动态误差控制到比静态误差大l0一一30之内。之内。四、测量精度四、测量精度影响测量精度的因素：?五、三坐标机的精度评定及检定方法五、三坐标机的精度评定及检定方法1、单轴、单轴示值精度示值精度评定评定2、采用两坐标精度评定、采用两坐标精度评定3、采用三坐标精度评定、采用三坐标精度评定采用采用标准模板标准模板来检定测量机平面上的来检定测量机平面上的坐标精度。坐标精度。采用采用空

27、间球模型空间球模型直接评定三坐标精度。直接评定三坐标精度。以一定长度以一定长度(或全程上或全程上)的误差大小评定的误差大小评定测量机的精度高低。测量机的精度高低。2508 . 0L7 测量机的特殊应用与发展趋势测量机的特殊应用与发展趋势一、实物程序编制一、实物程序编制二、设计一体化二、设计一体化测量机的特殊应用测量机的特殊应用一、实物程序编制一、实物程序编制二、设计一体化二、设计一体化测绘三坐标测量机的发展趋势三坐标测量机的发展趋势1、提高测量精度、提高测量精度2、提高测量效率、提高测量效率3、发展新型测头技术、发展新型测头技术4、采用新材料，运用新技术、采用新材料，运用新技术5、发展软件技术，发展智能测量机、发展软件技术，发展智能测量机 6、控制系统更开放、控制系统更开放7、进入制造系统，成为制造系统组成部分、进入制造系统，成为制造系统组成部分8、加强量值传递、误差与补偿的研究、加强量值传递、误差与补偿的研究