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1、第八章 三坐标测量机及其应用,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,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：,Chameleon 7107 三坐标测量机 美国布朗夏普公司制造测量
2、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：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。,逆向工程是利用
3、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,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
4、/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。,逆向工程典型流程图,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,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
5、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,单位：h,结构类型和组成（主机机械系统）,1、三坐标测量机构运动,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。,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,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
6、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,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,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,(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
7、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,光学非接触测头,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
8、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86 光学点位测量头,测量精度13um，测量表面可倾斜70度。,适合于测量不规则空间型面(蜗轮叶片、软质表面等)。,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
9、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,(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。,三向电感测量头星形测头,三层片簧导轨机构,每层片簧导轨机构中间测头部件,传感器部件,零位锁紧部件,阻尼装置,坐
10、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,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,3、夹具系统,为检测薄壁件提供了柔性装夹方案，
11、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。,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：,三坐标测量机中测量系统的特性综合比较,见210页表8-3,4 测量数据处理,数据处理的主要内容：,10、其他数据处理内容,由测量软
12、件完成,1、x、y平面内工件倾斜的修正,机器坐标系,零件坐标系,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：,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,l,7、圆的内、外径及圆心的测量,需考虑测头半径补偿,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,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
13、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.,一、点位测量法,二、连续扫描法,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。,按状态,按性质,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,y 轴导轨直线度对 x向的影响,y 轴对 x 轴垂直度的
14、影响,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56次。,反映测量中的随机误差。,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。,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,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。,以一定长度(或全程上)的误差大小评定测量机的精度高低。,7 测量机的特殊应用与发展趋势,一、实物程序编制,二、设计一体化,测量机的特殊应用,一、实物程序编制,二、设计一体化,测绘,三坐标测量机的发展趋势,5、发展软件技术，发展智能测量机,8、加强量值传递、误差与补偿的研究,
