三坐标测量技术.doc

南京工程学院课程名称： 三坐标测量技术所属院系： 机械工程学院班 级： 制造081姓 名： 刘涛学 号： 201080225授课老师： 蒋平三坐标测量技术（综述）1、前言三坐标测量机（Coordinate Measuring Machining，简称CMM） 是20 世纪60 年代发展起来的一种新型高效的精密测量仪器。它的出现，一方面是由于自动机床、数控机床高效率加工以及越来越多复杂形状零件加工需要有快速可靠的测量设备与之配套；另一方面是由于电子技术、计算机技术、数字控制技术以及精密加工技术的发展为三坐标测量机的产生提供了技术基础。目前，CMM已广泛用于机械制造业、汽车工业、电子工业、航空航天工业和国防工业等各部门，成为现代工业检测和质量控制不可缺少的万能测量设备。2、三坐标的工作原理任何形状都是由空间点组成的，所有的几何量测量都可以归结为空间点的测量，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。 坐标测量机的基本原理是将被测零件放入它允许的测量空间，精确的测出被测零件表面的点在空间三个坐标位置的数值，将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，经过数学计算的方法得出其形状、位置公差及其他几何量数据。 在测量技术上，光栅尺及以后的容栅、磁栅、激光干涉仪的出现，革命性的把尺寸信息数字化，不但可以进行数字显示，而且为几何量测量的计算机处理，进而用于控制打下基础。 三坐标测量仪可定义为“一种具有可作三个方向移动的探测器，可在三个相互垂直的导轨上移动，此探测器以接触或非接触等方式传送讯号，三个轴的位移测量系统 ( 如光学尺 ) 经数据处理器或计算机等计算出工件的各点坐标(X、Y、Z)及各项功能测量的仪器”。三坐标测量仪的测量功能应包括尺寸精度、定位精度、几何精度及轮廓精度等。3、直角坐标测量机的主要结构形式1.固定工作台悬臂式坐标测量机 2.移动桥式坐标测量机 3.龙门式坐标测量机 4.L型桥式坐标测量机 5.固定桥式坐标测量机 6.移动工作台悬臂式坐标测量机 7.柱式坐标测量机 8.水平悬臂坐标测量机 9.便携式三坐标测量机 移动桥式坐标测量机 龙门式坐标测量机 固定桥式坐标测量机 水平悬臂坐标测量机 移动式测量臂 4、三坐标测量技术的现状世界上第一台测量机是在1959年由英国制造的。现在，国内外的应用已相当普遍。根据国际专业咨询公司统计，三坐标测量机的销售增长率在7%25%左右。发达国家拥有量较高，但增长率逐年下降，大约为7%10%；发展中国家拥有量较低，但增长率不断提高，大约为15%25% 。目前，国内外三坐标测量机正迅速发展，世界上生产测量机的厂商已超过50家，品种规格也已达300种以上。国际上：国外三坐标测量机生产厂家较多，系列品种很多，大多数都有划线功能。著名的国外生产厂家有德国的蔡司（Zeiss）和莱茨（Leitz）、意大利的DEA、美国的布郎-夏普、日本的三丰等公司。总的来说，国外机器有以下特点：a.绝大多数机器总体布局为悬臂式，空间敞开性好，便于安装大的零件或整车.b.采用AutoCAD 和有限元法进行优化设计，结构较合理，造型优美；c.专项开发力量强，专用软件和附件较多，能满足更多用户的特殊需要；d.移动构件多数用合金铝材，移动件质量尽可能小，做到高刚性、低惯性；e. 配有21项误差补偿软件，可以廉价地提高机器精度；f.配有32位DSP 连续轨迹控制系统，它是一种性能优于CPU的数据信号处理器，是超大规模集成电路。它除了有较高的运算和控制功能外，还有内部存储的许多可供开发的高级语言程序；g.绝大多数机器采用Renishow公司（英国）的电测头，功能齐全，质量可靠；h.配有功能齐全的控制测量软件、专用和误差修正软件；i.机器的性能高度稳定可靠，使用寿命长；j.三坐标测量机与计算机工作站和数控机床联网；k.三坐标测量机技术近十多年来突飞猛进发展，特别是数控系统和测量软件每二三年便更新一代； l.系列品种齐全，“三化”（即标准化、通用化、系列化）程度高。国内：经过几十年来，特别是近十年来的建设与发展，我国仪器仪表已经初步形成产品门类品种比较齐全，具有一定生产规模和开发能力的产业体系，成为亚洲除日本以外第二大仪器仪表生产国。但是我们应当清醒地看到，虽然我国仪器仪表产业有了较大的发展，但还远远不能满足国民经济、科学研究、国防建设以及社会发展等各个方面日益增长的迫切需求。我国仪器仪表产品大部分属于中低端产品，技术水平相当于20世纪90年代初中期国际水平，像三坐标这些高端大型仪器几乎全部依赖进口，这种现状却是严峻的。我国像三坐标这些高端大型仪器仪表落后于国际先进水平，差距是全方位的，包括产品技术方面的差距和企业综合实力上的差距。产品技术方面的差距主要表现在： 产品的可靠性较差。对基础技术和制造工艺的研究不够，一些影响可靠性的关键技术，如精密加工技术、密封技术、焊接技术等至今还没有得到很好的解决，导致产品性能不够稳定和可靠。现有国内产品与国外产品的寿命大致要相差12个数量级。 产品的性能、功能落后。现有国内产品测量精度上要与外国产品相差1个数量级。在功能上，目前外国产品智能化程度相当高，通过对原始信息的数字处理，更好地排除了外部干扰对信息影响，提高了产品的耐环境性和测量真实性。而国内现有产品普遍智能化程度较低。另外，产品的网络化在国外已经进入实用阶段，而我国基本上处在摸索阶段。 产品技术更新的周期慢。当今国外仪器仪表产品的更新周期大约在23年，新技术的储备往往可以提前十年。而我国企业往往通过引进外国技术来实现一代产品的更新，引进后又不能很好消化吸收，在新产品开发方面原创性成果很少。一些采用新原理的产品，在我国还处于空白状态。科研院所在跟踪新技术方面虽然有成果，但与企业结合产业化相当艰难。 缺乏针对使用对象而开发专用解决方案。国外近年仪器仪表的发展趋势是开发仪器仪表与应用对象紧密结合的软件产品，最终向用户提供个性化的解决方案。企业综合实力上的差距不小，主要是： 行业规模小，仪器仪表行业的总产值较低。不仅是绝对量小，在经济总量中的比例也很小，现有仪器仪表工业的产值仅为工业总产值1.79%，国民经济总值0.8%。仪器仪表行业的企业绝大多数是中小企业。全行业有规模以上企业1887个，年销售额超过10亿元的不足15个。科学仪器最大的企业上海精密科学仪器公司2003年销售额2.8亿元。仪器仪表行业缺乏综合实力强的“旗舰”企业。而美国贝克曼等九家科学仪器公司全球销售额都在10亿美圆以上，2003年在中国的销售额都超过3000万美圆。国内企业的单项产品市场动作能力较强，但缺乏综合实力。在人力、财力上都不能在市场上与外国跨国集团抗衡。因此，在市场竞争方面处于弱势。企业缺乏大型工程的系统集成配套能力。 企业劳动生产率低。由于仪器仪表属于高科技产业，低劳动力成本的作用不明显。国内企业管理水平普遍低于外国企业，因此，制造高技术含量产品的企业，劳动生产率远低于外国企业。 企业技术开发投入普遍不足。由于国内企业几乎全部是中、小型企业，在人力、财力方面都不能支持足够的、长期的技术创新投入。以科学仪器为例，一般国外公司的开发投入占销售额的10%，而我国仅占3%，投入差额是非常巨大的。造成以上差距的主要原因是： 运行机制不能适应市场经济的要求，在发展的过程中，一批国家投资的骨干企业面临产品老化、技术人员流失的严峻局面，生产与经营困难；一批机制创新、运行灵活的企业正在逐步成为新的亮点，但多半尚未能掌握先进核心技术，创新成果少，还不能与外国大公司抗衡。 产、学、研、政、经、用有机结合的体制和政策没有形成。仪器仪表是典型知识密集、技术密集型产品，敏感于高科技发展，是多种高新技术融合的综合体，因此，产、学、研、经、用有机结合就显得十分重要。条块分割，各自为战，低水平重复，难以形成合力，缺乏有效的指导与引导，科研成果产业化率低的问题仍然十分突出。 缺乏国家强有力的研究支援体制。仪器仪表产业品种多、批量少，需要长期的支持、不懈的投入。但目前投资总量不足且投资效益不佳。投资途径分散，难以集中重点。课题的选定和研究成果的公正且透明的评价体制尚不完善。企业既不能像外国那样完全按照市场经济规则参与竞争，又缺乏关于包括研究资源的战略投资的进行方式、新技术市场化所需要的市场环境的整理等国家战略。国际上仪器仪表行业技术发展十分迅速，我们如果不能在一些关键技术和产品上有所突破，对我国国民经济发展的独立性、完整性和安全都会产生深远的影响。5、生产厂家国际上具有影响力的生产厂家有： 瑞典海克斯康 英国雷尼绍公司(Renishaw) 美国FARO科技公司 英国LK有限公司 德国温泽 德国马尔集团 德国托米精密技术公司 德国蔡司 日本东京精密 日本三丰国内的生产厂家有: 贵阳新天光电科技有限公司 西安力德 西安爱德华 思瑞测量技术（深圳）有限公司 壹兴佰精密机械有限公司 广东万濠精密仪器股份有限公司 苏州怡信光电科技有限公司 昆山三友新天机电科技有限公司 青岛佛迪 济南德仁 青岛麦科三维测控技术有限公司 青岛雷顿数控测量设备有限公司 上海量具 智泰集团 哈量集团 北京303所|北京航空精密机械研究所 北京光电汇龙科技 南航立科机械有限公司 蓝色威申：扬帆在测量仪的海洋 香港中天集团（上海协亚精密仪器制造厂） 东莞市博鑫精密机械有限公司 金偉國際（香港）有限公司 苏州拓新测量仪器有限公司6、发展趋势以及存在问题：三坐标测量机是近几十年来发展起来的一种高效率的精密测量仪器。它的通用性强, 测量范围大、精度高、效率高、性能好, 具有十分广阔的发展前景。三坐标测量机自1959 年问世以来, 经过 近30 年的发展, 已广泛地应用于三维复杂零件的尺寸、形状和相互位置的高准确度测量, 以及实物模型数字化和在线质量控制等领域。目前许多厂家都对三坐标测量机的研制非常重视, 使得三坐标测量机技术不断完善和发展。近年来, 工业技术飞速发展, 外观设计、反求工程、数控加工等多种新技术的引入和运用推广, 需要有一个可以快速且精确的测量技术做为依靠。工业的需求也推动了三维几何量测量技术的发展。技术先进的检测设备为产品三维数据的获取提供了硬件条件。在空间测量技术上较为普遍使用的三坐标测量机在国内发展迅速, 测量的精度成倍提高, 操作方式也从单一有手动发展到电动、CNC 全自动等多种方式。随着传感技术、控制技术、图像处理和计算机视觉等相关技术的发展, 出现了各种各样的物体表面几何数据获取方法, 除了传统的接触式测头, 还先后出现了激光扫描、全息法、成像雷达、CT 扫描、超声波探测以核磁共振等, 但这些方法都不同程度地存在一些缺陷和局限。例如传统的接触式测头虽然精度很高, 但测量速度慢、效率低; 对软体对象难以做精密测量; 而且对测头表面有损伤, 还要对测头半径进行补偿等。对于大形物体离散点的测量很不方便, 只能测量复杂曲面上有限的点, 不能完整反映出曲面的形状。测量数据的特点是高精度低密度。激光扫描三角法的技术尽管比较成熟, 可由于激光本身的散斑效应所造成的影响促使其在精密度方面要求比较高的领域受到很大限制,并且探测头发出的激光光束对操作者的眼睛有一定的伤害。采用对实体进行光学式投影光栅的数字化数字成像方式, 实践证明收到了比较好的效果, 他具有采集数据快, 测量范围大, 携带方便等优点。例如, 德国GOM公司的ATOS 光学扫描仪。但普通的光学扫描仪需要在被测物体上粘贴标志点, 通过标志点来对每一幅测量的数据进行拼接, 这种方式速度较慢, 拼接方式和拼接精度受到影响, 也不利于工件的在线测量。另外，由于微纳米的发展, 使得产品的尺寸趋于微小化, 传统的三坐标测量机已经不能满足多种需求, 因此, 近几年国内外一些研究单位已在研制纳米级的三坐标测量机。根据生产需求以及测量中存在的问题，可将三坐标测量技术的发展趋势总结为以下几点：(1)提高测量精度(2)提高效率(3)发展探测技术，完善测量机配置(4)采用新材料，运用新技术(5)发展软件技术，发展智能测量机(6)控制系统更开放(7)成为制造系统的组成部分(8)发展非正交坐标系测量系统(9)加强环境问题的研究(10)加强量值传递、误差检定与补偿研究7、应用情况现代三坐标测量机是集光学、机械、数控技术为一体的大型精密智能化仪器, 可以对任何复杂形状的空间尺寸进行测量。可以在制造过程中进行测量, 数控机床或柔性生产线在线测量, 尤其是可将CAD /CAM技术应用到坐标测量机和加工中心的联机系统,使坐标测量机- 计算机工作站- 数控机床的联机系统得到进一步推广, 对提高产品质量和促进新产品开发起保证作用。三坐标测量机已成为现代工业检测和质量控制不可缺少的大型万能测量仪，在许多行业中得到应用，下面从几个行业的应用进行分析：三坐标测量机在制造业中的应用 零部件的制造和生产，具有批量大、尺寸形状各异的特点，需要灵活性强、测量效率高的测量系统与之配套 坐标测量机是通过测头系统与工件的相对移动，探测工件表面点三维坐标的测量系统。通过将被测物体置于三坐标测量机的测量空间，利用接触或非接触探测系统获得被测物体上各测点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，由软件进行数学运算，求出待测的几何尺寸和形状、位置。因此，坐标测量机具备高精度、高效率和万能性的特点，是完成各种零部件几何量测量与品质控制的理想解决方案。 零部件具有品质要求高、批量大、形状各异的特点。在选择适合的测量系统时，需要根据零部件测量精度要求、测量系统所需要使用的环境、测量效率等方面进行考虑。根据零部件类型和精度要求：桥式测量机是完成零部件测量的主力军。这其中，在全球安装超过7500台的GLOBAL系列测量机在零部件检测领域发挥着重要作用。目前Global根据技术配置的不同，分为三个系列，机器的行程范围从最小的500 x 700 x 500 mm一直到最大的2000 x 4000 x 1500 mm，从而为高品质的零部件的制造提供了保障。而精度要求比较严格的如各种高精度的箱体或复杂形状零部件的测量，一般需要超高精度的测量机，如固定桥式或超高精度活动桥式测量机。对于精度要求不高，同时不便于移动或需要在现场实现测量的零部件，也选择便携式的关节臂测量机，提供方便、快捷的解决方案。 根据所使用的环境： 一般情况下，测量机要工作在标准计量室环境条件下，温度变化范围设定在18 - 22C。但在实际工作条件下，要求测量系统能够在车间环境下进行工作。这样，面向车间现场使用的测量机，配备温度补偿系统和适合车间条件的测量系统，如车间型测量机应运而生。同时，标准型的测量机，也可配备温度补偿系统，能够适合宽温带工作的测量系统，如在16 - 26C或者15 - 35C温度变化情况高精度工作。 根据测量效率： 零部件制造具有大批量、高效率的特点，要求测量系统能够适应生产效率的要求，除了手动测量机，高效率的数控测量机正被广泛采用，同时，通过机器、控制系统和软件的优化，能够显著改善和优化测量的速度、加速度以及测量、分析与采点的效率，从而满足用户对测量效率的要求。三坐标测量机在机床行业的应用 金属切削机床包括车床、铣床、镗床、磨床、拉床等，一般由床身、箱体、工作台等组成。涉及的测量部件类型主要包括箱体类部件(主轴箱、变速箱)、导轨与基础件类(涉及平直度和直线度的测量)、轴类(如曲轴)、盘类零件、齿轮类零件。从机床行业的技术发展来看，呈现出网络化、高速化和精密化的特点。 高精度的测量系统保证机床的高精度：机床的高精度要求组成机床的相关零部件都满足严格的公差要求，加之以满足机床精密高速运动的各种曲轴、齿轮，都具备复杂的形状，因此，要满足机床行业的测量需求，高精度、高性能、具有各种复杂形状评价与分析能力的超高精度测量机是满足机床行业测量需求的理想选择。来自Leitz的超高精度测量机PMM-C产品系列，在世界范围内的机床行业享有极高的声誉。长度测量的最大允许示值误差可达到0.4 + L/1000 ?m?，配备具有完善测量功能的QUINDOS软件，具备30多个选项测量模块，不仅可以完成各种标准的箱体类零件的测量，如齿轮箱，可实现各种复杂形状工件的评价与分析，如各种蜗轮蜗杆、凸轮、凸轮轴，还可作为齿轮测量中心，完成不同类别齿轮的评价和分析。Leitz超高精度产品系列，还包括完成大尺寸测量的PMM-G系列，行程范围从3000 x 2000 x 2000 mm一直到7000 x 4000 x 4000 mm，实现对于超大型机床的精密测量工作。在线测量提升了制造的效率：通过在加工中心上配备测量头，能够完成工件加工尺寸的简单测量，从而协助进行机床设置，并可减少不必要的返工。尤其对于一些大尺寸的工件加工来说，通过在线测量，能够显著提升制造的效率和加工精度。PC-DMIS NC软件将完善的测量功能带到加工中心，通过简明直观的用户界面，使得加工中心的用户能够非常方便的实现现场测量，完成数据的收集和分析，并可以快速提供测量结果到需要的地方。三坐标测量机在汽车行业的应用 坐标测量机是通过测头系统与工件的相对移动，探测工件表面点三维坐标的测量系统。通过将被测物体置于三坐标测量机的测量空间，利用接触或非接触探测系统获得被测物体上各测点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，由软件进行数学运算，求出待测的几何尺寸和形状、位置。因此，坐标测量机具备高精度、高效率和万能性的特点，是完成各种汽车零部件几何量测量与品质控制的理想解决方案。汽车零部件具有品质要求高、批量大、形状各异的特点。根据不同的零部件测量类型，主要分为箱体、复杂形状和曲线曲面三类，每一类相对测量系统的配置是不尽相同的，需要从测量系统的主机、探测系统和软件方面进行相互的配套与选择。测量系统的主机： 桥式测量机是实现汽车零部件测量的主力军。这其中，在全球安装超过7500台的GLOBAL系列测量机汽车零部件领域发挥着重要作用。目前Global根据技术配置的不同，分为三个系列，机器的行程范围从最小的500 x 700 x 500 mm一直到最大的2000 x 4000 x 1500 mm，这还不包括专为汽车钣金件而开发的Global eXtra系列。Global的空间测量精度达到了1.5 + 3L/1000 1500 mm，从而为高品质的汽车零部件的制造提供了保障。针对汽车零部件制造过程中提出的现场测量请求，便携式的关节臂测量机提供了方便、快捷的解决方案。探测系统：测量机是探测工件表面点三维坐标的测量系统，因此能够以适当的方式进行空间点坐标的采集，是坐标测量系统完成被测工件测量与分析的关键。目前，除了应用最多的触发式测头完成箱体类零部件的测量任务外，各种接触式扫描测头、非接触光学测头和激光扫描测头也在更多的被汽车零部件业界的用户所采用，完成复杂形状零部件的测量，功能更强，效率更高。 软件系统：软件正成为反映测量系统忧劣的重要指标，软件的易用性、对于尺寸和形状的评价能力、以及强大的CAD功能、可定制的报告输出和系统的扩充性能，能够大大提升对汽车零部件供应商的产品质量，以及作为优秀供应商的能力，需要重点了解和考虑。8、总结 通过三坐标测量机这门课程的学习和查阅三座标有关文献，我对三测量技术的一