三维量测技术讲义(张涛)

,DIMENSIONLAB,講師:張濤,三維量測技術,DIMENSIONLAB,主要內容,一.概論二.坐標測量机主体三.測頭系統四.控制系統五.三坐標測量机軟体六.三坐標測量机的發展趨勢,DIMENSIONLAB,一概論,体現三維量測技術的三坐標量測机是進30年發展起來的一种高效率的新型精密量測儀器,它廣泛地用于机械制造電子汽車和航空航天等工業中,它可以進行零部件的幾何尺寸,形狀及相互位置的檢測.例如:PC機箱導軌渦輪和葉片缸體凸輪齒輪等空間型面的測量.,DIMENSIONLAB,其优點為:1.通用性強,可實現空間坐標點位置的測量,方便地測量出各種零件的三維輪廓尺寸和位置度.2.測量精確可靠3.可方便地進行數據處理和程序控制,因而它可納入自動化生產和柔性加工線中,並成為一個重要的組成部分,故有“測量中心”之稱.,DIMENSIONLAB,國外:ZeissLeitzDEA(Brown-Sharpe)Giddings昆明機床廠新天光學儀器廠.,三坐標生產廠家,DIMENSIONLAB,三維測量的需求與意義三維測量是基於以下的客觀需求而發展起來的1.越來越多的工件需要進行空間三維測量.2.由于機械加工,數控機床加工及自動加工線的發展,生產節拍的加快,加工一個零件僅有幾分鍾,甚至0.1秒鍾,要求加快對復雜工件的檢測.3.需要在加工車間中進行檢測.4.反求工程需求.,DIMENSIONLAB,1.解決了復雜形狀表面輪廓尺寸的測量.2.提高了三維測量的測量精度.3.CMMNC組成生產加工線或柔性制造系統.4.隨著CMM精度不斷提高,自動化程度不斷發展,促進了三維測量技術的進步.,CMM對三維測量技術之重要作用,DIMENSIONLAB,三維測量技術的演變,三維尺寸的傳統量測方法,1.高度尺正弦尺平台.2.坐標鏜床鏜床上安裝測微儀.3.對於復雜輪廓或型面,需設計專用儀器(如轉子發動機,缸體需要形成次擺體運動,凸輪升程,齒輪漸開線.其缺點是通用性差,DIMENSIONLAB,三坐標測量機基于坐標測量原理,坐標測量機的發展與其它事物一樣,是由簡單到復雜逐步形成的.1.單坐標測量機(測長機)2.雙坐標測量機(工具顯微鏡,投影機)3.三坐標測量機(三次元),三維量測技術的發展歷程,DIMENSIONLAB,三維測量的原理將被測物體置于三坐標測量機的測量空間,可獲得被測物體上各測點的坐標位置,根據這些點的空間坐標值,經過數學運算,求出被測的幾何尺寸,形狀和位置.此量測原理亦稱“點位量測原理”,DIMENSIONLAB,例一:求孔1、孔2之距離及孔徑,DIMENSIONLAB,該測量方法雖說簡單,但實現起來不容易,主要有下列原因:1.很難制造出精密的坐標機構.2.大量的數學計算也很困難.3.各種三維測頭制造也很困難.,實現三維量測之技術瓶頸,DIMENSIONLAB,到了60年代初,隨著精密機械,電子技術和電子計算的發展解決了精密導軌的設計與加工及大位移測量裝置(如感應同器步器光柵等)制作,並加入了電子計算機及軟件,才使坐標測量機得到迅速發展.總之當代三維量測技術是在坐標測量機的基礎上發展起來的,而三次元的發展又豐富,完善了三維測量技術.,三維量測技術目前之現狀,DIMENSIONLAB,1.研制出了高精密,快速檢測的坐標測量機.2.拓寬了程序與自動化檢測的功能.3.開發研制新型軟件,以適應各式各樣測件之要求.4.開發各種用途的可轉位高靈敏度高精密的測頭,以完成復雜零件內外形及於難於檢測部位的測量任務.5.裝置分度頭回轉台,除采用直角坐標系測量外,可以采用極坐標(柱坐標)系測量,因而擴大了測量範圍,具有XYZC四軸的坐標測量機稱為坐標測量機.6.按照回轉軸的數目,也可有五坐標六坐標,DIMENSIONLAB,二坐標測量機的主機,三坐標測量機是精密的測量儀器,它集機光電算於一體,CMM逐步由手動數顯發展到CNC控制的高級階段.其機械結構最初是在精密機床基礎上發展起來的,如美國Moore公司的測量機是由坐標鏜-坐標磨-坐標測量機逐步發展而來,瑞士S/P公司的測量機是由大型萬能工具顯微鏡,光學三坐標測量儀器逐步發展起來.,DIMENSIONLAB,1.鑄鐵2.低碳鋼焊接結构3.花崗石導軌結构4.鋁制构件5.碳素纖維6.陶瓷材料,坐標測量機的結構材料,DIMENSIONLAB,坐標測量機的框架結構,1.移動橋式,2.固定橋式,3.龍門式,4.儀器台式,DIMENSIONLAB,5.懸臂式,6.水平臂式,DIMENSIONLAB,7.立柱式,8.臥鏜式,DIMENSIONLAB,標尺系統,1.精密絲杆加微分鼓輪式測量系統2.精密齒輪及齒輪式測量系統3.光學讀數刻度尺式測量系統4.光電顯鏡和金屬刻尺式測量系統光柵測量系統,DIMENSIONLAB,導軌,1.滑動磨擦導軌2.滾動導軌3.氣浮導軌,DIMENSIONLAB,驅動機構,1.步進電機,能直接將數碼形式表示的位移指令換為電機的轉角或線位移.2.直流伺服電機,能在較大過載轉矩下工作,能直接與絲杠相連而不需中心中間傳動裝置可在低速下動轉,良好調速特性.,DIMENSIONLAB,平衡部件,1.重錘平衡機構2.氣壓平衡機構3.彈簧平衡機構,DIMENSIONLAB,附件,1.轉台2.裝夾:螺杆壓板支撐塊卡盤氣吸附可編程夾具轉盤式送料裝置.3.標定及性能檢測附件標準球量塊階規球棒.,DIMENSIONLAB,三坐標測頭,CMM測量頭可視為一種傳感器,其功能為:1.測微(即測出與給定的標準坐標的偏差量)2.觸發瞄准並過零發迅,測頭的功用和類型,CMM測量頭按結構可分為:1.機械式2.光學式3.電氣式,CMM測量頭按測量方法可分為:1.接觸式2.非接觸式,DIMENSIONLAB,三坐標測頭發展的主要方向,1.研究開發新型,高精密三維測頭,測頭探測誤差,在三維量測中占有很大的份額,特別是重復性誤差很大一部分來自測頭2.提高探測速度,在CMM整個測量時間內,探測時間占有較大比重,研究CMM測頭的動態性能,改進探測方法,包括掃描與飛躍測量,對提高探測速度有重要意義.,DIMENSIONLAB,3.發展測頭附件,測頭附件對擴大CMM功能有重要意義,包括各種探針接長杆測頭回轉體測頭自動更換裝置.,4.發展非接触測頭,非接触量測是測頭發展的一個重要方向,DIMENSIONLAB,四控制系統,1.讀取空間坐標值2.控制測量瞄準系統對測頭信號進行實時響應與處理,3.控制機械系統實現測量所必需的運動5.實時監控坐標測量機的狀態以保障整個系統的安全性和可靠性.6.對CMM進行幾何誤差與溫度誤差補償,以提高坐標測量機的測量精度等.,控制系統是坐標測量機的關鍵組成部分,其功能為:,DIMENSIONLAB,CMM控制系統的組成,1.手動型與機動型控制系統2.空間測量控制3.測頭系統及其控制4.控制系統的通信5.坐標測量機的安全保證系統6.控制系統的軟件,DIMENSIONLAB,五三坐標測量機軟件,對三坐標測量機的主要要求是精度高功能強操作方便.1.CMM精密與速度:機械結構控制系統和測頭.2.CMM功能操作方便:軟體和測頭.CMM依其功能可分為:1.基本測量軟件.2.專用測量軟件.3.附加功能軟件.,DIMENSIONLAB,CMM軟体依其作用可分為1.控制軟件.2.數據處理軟件.探針校正1.正确确定探針的實際位置2.補償測端球徑与探針擾曲變形誤差,DIMENSIONLAB,探針校正的模式1.一維模式假定測端沒有誤差,探針在空間任意方向的變形量均相等,其變形体為一球体.2.二維模式假定測端在XYZ的直角中沿某一方向的變形為零而沿其它兩個方向有變形但是不一定相等.3.三維模式假定探針沿空間任意方向均可能產生變形,且變形量可能不相等,三維校正的數學模型較為複雜适用模擬測頭于高精度或复雜空間曲面的零件量測.,DIMENSIONLAB,坐標系和坐標變換,坐標系的類型1.直角坐標系.2.柱坐標系3.球坐標系坐標系的功用三坐標量測的高效性源于:1.數据自動處理程序2.可建立工件坐標系,實現數學找正,DIMENSIONLAB,坐標變換公式坐標平移和旋轉P=M(P-S)柱坐標系与直角坐標系.球坐標系与直角坐標系的關系到,Z=Z,DIMENSIONLAB,探測模式,1.靜態探測模式,2.動態探測模式,DIMENSIONLAB,編程模式,1.在線編程,2.離線編程,DIMENSIONLAB,量測路徑,1.探測點,2.探測點法矢量,3.拐點,DIMENSIONLAB,基本几何要素的數據處理,坐標机通過量測程序得到的只是一系列离散測量點的空間坐標,而不是需要的尺寸位置和形位誤差的結果必須經過數据處理才能得到量測結果當實際測量點數大于最少點數時可能形成Cnm個不同要素在理論上一般用的是最小區域法來确定唯一的被測要素而實際中采用最多的是最小二乘法,DIMENSIONLAB,最小區域法的缺點1不能用數學解析式表達2計算困難需借用最优化方法求解3耗時長效益低,最小二乘法的優點1能唯一确定被測要素2能用數學表達式描述适于計算机求解,最小區域法評定的形狀誤差与最小二乘法評定的形狀誤差值的比值通常在0851之間,DIMENSIONLAB,六三坐標測量机的發展趨勢:1.提高量測精度提高標尺精度-使用激光幹