调查报告：曲面检测

1、关于复杂曲面检测调研一、 曲面测量的常用方式方法近十年来， 随着航空、航天事业的飞速发展， 对传动部件的性能要求越来越高，而传动 部件无论是齿轮还是叶片， 都是依靠复杂曲面来完成运动和动力的传输， 而对复杂曲面的进 行精度检验离不开对曲面的测量。复杂曲面测量技术历来是几何量计量检测技术中的一项重要研究课题。 传统的研究内容 主要注重于被测曲面质量指标的获取与评判， 即曲面测量的主要目的是为了获取曲面的质量 信息。近几十年来，随着逆向工程工程(Reverse Engineering以下简称RE)的兴起，复杂曲面测量技术的研究增加了新的内容， 曲面测量的目的不只是为了评定曲面质量， 而且要求获 取

2、曲面的几何形状信息。 虽然曲面的测量目的各异方法众多，但曲面t曲线t点集t测点集的分解次序始终是实现复杂曲面测量的基本思路。复杂曲面的测量与RE中的表面数据采集具有很多的共同目标，所以RE的测量手段具有很强的借鉴意义，目前采用的 RE 测量方法主要有三种，分别为接触式测量法、非接触式 测量法和逐层扫描法。其中逐层扫描法是主要针对工件内部结构的检测方法。1. 接触式测量法 :RE 传统上使用三坐标测量机法，又称探针扫描， 它主要应用于由基本的几何形体构成 的实体的数字化过程， 适用于测量实体外部的几何形状。 采用该方法可以达到很高的测量精 度(土 0.5um)，但测量速度很慢，并易于损伤探头或划

3、伤被测实体表面，而且价格较高， 对使用环境也有一定要求。 采用这种方法会使测量周期大大延长。 一般来说， CMM 有两种 不同的测量方式 :点对点测量 ( Point to Point Method )、截面扫描( Section Scanning Method )。2. 非接触式测量法 :非接触式数据采集方法有光学测量、 激光三角形法、超声波测量、 电磁测量等方式。根 据测量原理的不同，以激光作为基本光源，分为光点、单线条、多光条等结构模式，采用光 电敏感元件在另一位置接收激光的反射能量， 将其投射到被测物体表面， 通过被测物体基平 面、象点、 象距等之间的关系计算物体的信息，依据光点或光条

4、在物体上成象的偏移，非接触式数据采集方法可探测到被测机械测头难以测量到的部位，能够真实反映被测物体表面的外形。非接触测量一般具有较高的测量速度并且不会划伤被测零件。非接触式数据采集方法 由于没有力的作用， 采用非接触式探头测量， 适用于测量较柔软物体。 对易变形的零件、精 度要求不高的零件、要求海量数据的零件、不考虑测量本钱及其相关软硬件的配套情况下的 测量，适合运用非接触式数据采集方法。上述这些测量方法应用于快速成形时各有优缺点，它们之间的对比见下表。测量方法精度速度能否测内 部轮廓形状限制材料限制成本三坐标测量 机法高+0.5um慢否无无高投影光栅法较低+0.02mm快否表面变化 不能过陡

5、无低非接触式测 量（激光）较高+0.5um快否表面不能 过于光滑无较高基于对各种曲面测量方式，整体上又可将复杂曲面测量划分为以下三种模式：模式A :通过测量曲面上的一些特征线，根据对被测特征线的评定来反映曲面的质量。模式B :通过测量分布在曲面上的一系列点获取被测曲面的轮廓度误差，并以此评定曲面的质量。模式C:通过测量分布在曲面上的一系列点，提取曲面原始形状信息，通过信息重构被测曲面，实现被测曲面的数字化。从本质上看，模式A是将复杂曲面的测量简化为复杂曲线或平面曲线甚至直线的测量。如果选取复杂曲面的母线或曲面上的工作轨迹作为被测特征线，则该测量模式能将复杂曲面的设计加工和使用统一起来，因此模式

6、A主要适用于规则复杂曲面特别是回转类复杂曲面的测量。通过测量螺旋面的螺旋线和轴向截型来控制螺旋面的质量就是一个典型事例。对于模式A的研究已有很长的历史，期间产生了两种技术思想：一种以几何学为基础；另一种则基 于刚体运动学。前者的基本思想是仅仅将被测对象作为几何体借助坐标法（直角坐标或者极坐标法等）展成法（机械展成法或者电子展成法）等测量方法测量复杂曲面上的特征线；后者的基本思想则是将被测对象作为一个刚性的功能元件或者传功元件与另一个标准元件作 啮合运动，通过测量啮合运动误差来反求曲面上的特征线误差。后一种技术思想起源于七十年代初，我国在齿轮测量理论及实践上的突破，经过多年的不断完善与推广，现已

7、形成A模式下的运动几何测量法。在过去二十年，与A模式相关的测量技术得到了较快的发展，各种CNC式的专用测量机，齿轮测量中心，多维测量中心以及坐标测量机已成为生产实际中的 主要检测手段。B模式下的复杂曲面精密测量过去一直是精密检测领域中经常遇到而不易解决的技术 难题。传统的轮廓度误差测量方法有轮廓样板法， 仿形测量法， 轮廓投影法和光学跟踪法等。 近几十年来，随着精密数控和软件工程等相关技术的快速发展，使B模式下的复杂曲面精密测量成为可能，其主要检测手段为 CNC 式坐标测量机。C模式主要针对数学模型未知的复杂曲面测量。C模式下的复杂曲面测量是反求工程的关键技术之一。虽然 C模式的研究历史并不长

8、，但其发展却十分迅速，目前经常使用的方法 有激光扫描三角测量技术，光栅投影法， 莫尔条纹技术， 三坐标测量机，层析三维数学化技 术，CT和MRI等。其中，将线结构光三维视觉与三坐标测量机信息集成而成的集成式测量 技术以测量精度高，速度快等优点而成为一种很有前途的新型测量方法。虽然A,B,C三种测量模式彼此的测量目的不尽相同，各自的技术侧重点存在差异，其发 展历史也有长有短， 但三种测量模式所涉及的基本技术问题是相通的。 目前， 三中测量模式 相比较，C模式的测量精度要求一般低于 B模式，而A模式仍然是控制规则曲面质量的主要 模式。二、 目前的曲面测量产品（1）、克林贝格P40齿轮测量中心（探针

9、测量接触式）克林贝格P40齿轮测量中心，由德国克林贝格集团制造，是世界上最先进的齿轮检测中 心之一，可以检测各种不同结构设计的直齿和斜齿圆柱齿轮以及各种齿轮刀具，如插齿刀、 剃齿刀和滚刀。也可以检测蜗轮、蜗杆、直齿锥齿轮和螺旋锥齿轮。此外，还可检测旋转对 称工件（轴类）的尺寸和形位误差，以及凸轮和平面凸轮的运转轨迹。技术特点：采用 4轴测量技术的高精度系统及软件支持的精度最优化高性能计算机控制器 （Power PC）按人机工程学设计的具有集成的工业计算机的操作系统LDT 直线电机驱动技术全自动检测过程自动探针定位新一代的克林贝格专利 K3D 多轴三维数字式测量系统， 数字传感测量值， 带有严密

10、的 防撞保护技术采用高精度温度 -中性光栅（陶瓷玻璃）及温度补偿 , 使机床结构适合使用在生产区域 近旁 .立式工件安装工件由顶尖夹紧 ,有自动滑动识别功能 .高精度顶尖支承优化 , 操作简单 .机床结构新颖紧凑 , 符合功能化设计 .综合的，模块化的检测软件（选购）克林贝格评估软件主要技术参数：模数范围：（ 0.2） 0.5-15mm展长测量范围：± 115mm垂直测量范围： 550mm最大工件外径： 400mm可测量螺旋角： 0-90度顶尖距离： 15-800mm机器精度：一级 Class I最大允许工件重量： 300kg压缩空气： 6bar/60l/h净重： 1900kg2）、

11、 MC027-3903A 型齿轮测量中心（投影光栅式）MC027-3903A型齿轮测量中心，上海研润光机科技有限公司生产，采用X、Y、Z、$四坐标测量系统， 德国进口长光栅、 圆光栅传感器， 密珠滚动导轨。 可测量齿轮的齿廓偏差， 螺旋线偏差，齿距偏差，径向跳动等，并且还可测量滚刀、插齿刀、剃齿刀、径向剃齿刀、 蜗轮、蜗杆、直齿锥齿轮、斜齿锥齿轮、凸轮等工件的相应参数。在被测齿轮一次装夹中， 自动完成齿轮齿廓、螺旋线、齿距、径跳测量项目的检测，微机控制全自动完成测量循环， 速度快。此外， 还可以根据被测工件，选择被测项目。圆柱齿轮被测结果按国际齿轮精度标 准自动进行评值。对于特殊要求，齿廓有K

12、 图、凸度、螺旋线有鼓度特定公差带进行评估。主要技术参数：模数范围： 1-12mm展长测量范围：± 100mm垂直测量范围：400mm最大工件外径：300mm可测量螺旋角：0-90度上下顶尖距离：15-800mm测头距下顶尖距离： 10-300mm最大允许工件重量： 80kg净重： 1200kg（3）、 GMX 275 齿轮测量仪（非接触 3D 传感器）GMX 275 齿轮测量仪是德国马尔公司生产的最新一代全自动齿轮测量仪，能够自动检 测直齿齿轮及斜齿圆柱齿轮，弧齿锥齿轮及准双曲面锥齿轮，圆柱蜗杆，锥形圆柱齿轮，扇形齿轮，剃齿刀，齿轮滚刀，插齿刀，同步齿轮，带中心定位及倾斜工作台的外

13、形测量，凸 轮轴、曲轴及活塞等多种零件各种参数。技术特点：带自动顶针座的 4轴测量系统高精度 3-D 扫描测量头 使用计算机控制的超高速测量，实现极短的测量周期 柱齿轮和锥齿轮测量与分析功能 齿轮工具测量 , 如剃齿刀和滚齿刀 通过角度调整补偿软件，实现校正误差全自动修正 单圆周和多齿轮轴测量分析 .集成全自动 Gleason Gage4Win 界面用于闭环测量 专用分析模块，用于伞齿轮和其他特殊类型齿轮 支持多种评定标准 , 如 DIN, ISO, JIS, AGMA 标准等 . 集成远程诊断系统主要技术参数：模数范围：（0.2) 0.5-15mm展长测量范围：± 70mm垂直测量

14、范围：300mm最大工件外径：225mm可测量螺旋角：0-90度顶尖距离： 15-500mm机器精度：一级 Class I最大允许工件重量： 250kg净重： 1000kg(4)、ZBJE型激光扫描坐标测量机(非接触激光测量)ZBJE型激光扫描坐标测量机是在三维坐标空间中，被测量对象任意安放，采用激光扫描，快速完成各类几何形体的特征点、线、面，自由两面的扫描探测，主要用于逆向工程设 计、复杂曲面的快速扫描、抄数以及工件的三维测量。配置触发测头，可以对各类几何实际轮廓和虚拟的点、线、面的各类坐标点进行探测和完成尺寸、角度及形位公差的测量， 还可以配置不同规格精度等级的光栅尺系统、传感器测头系统，

15、可实现开环、闭环式运动控制， 实现扫描、检验测量多种扩展功能，此外，悬挂触发式测头可实现三坐标测量功能。主要技术参数：量程： X: 300 1000mmY : 2001200mmZ： 200 800mm运动方式： 手动、机动、自动 的开环、闭环多种方式激光扫描测头：Nxse nsor激光扫描传感器激光扫描测头分辨率： 0.005mm激光扫描测头精度： 0.025mm激光扫描精度 ： (0.03+L/20) mm采样速度 ：最大每秒钟 6400点激光扫描软件 ： Nxclone laser scanning software触发测头系统 ： Renishaw 触发式测头触发测头测量分辨率： 0.

16、001mm触发测头测量系统精度 ： (0.005+L/200)mm触发测头测量系统软件：DELCAM PIN LITE、 DELCAM INSPECT X-DMIS( 5)、 Leitz Infinity 型三坐标测量机(非接触高精度光学测量)Leitz Infinity 型三坐标测量机是由Leitz 公司生产的业界最高精度水准三坐标测量机，采用动态单点探测技术或高速扫描技术（HSS）,实现了对已知和未知轮廓的高效率测量与扫描。同时， 通过配备超高性能和低探测力的 LSP-S4 探测系统， Leitz Infinity 能够完成超高精度的 光学镜头以及曲面测量任务。技术特点：封闭框架设计，具有固定框架和活动工作台，确保长期精密性能 优质陶瓷光栅，热膨胀系数接近于零，具有超高分辨率 整体采用花岗石和铸钢材料，确保系统长期稳定性 基于独特的封闭框架和移