三坐標(biāo)測量儀.ppt

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,,,,綜 述,,,,,一、三坐標(biāo)測量機(jī)發(fā)展歷史,1956年，英國Ferranti公司開發(fā)了第一臺三坐標(biāo)測量機(jī),世界上第一個觸發(fā)測頭,,,,,1992年全球擁有三坐標(biāo)測量機(jī)46100臺，年銷售增長率在7%-25%左右。 發(fā)達(dá)國家擁有量高，在歐美、日韓每6-7臺機(jī)床配備一臺三坐標(biāo)測量機(jī)。,我國三坐標(biāo)測量機(jī)生產(chǎn)始于20世紀(jì)70年代，年增長率在20%以上。 目前，三坐標(biāo)測量機(jī)被廣泛應(yīng)用在汽車、家電、電子、模具等制造領(lǐng)域。,意 義,隨著人們生活水平的提高和制造業(yè)的快速發(fā)展，特別是機(jī)床、機(jī)械、汽車、航空航天和電子工業(yè)，各種復(fù)雜零件的研制和生產(chǎn)需要先進(jìn)的檢測技術(shù)；同時為應(yīng)對全球競爭，生產(chǎn)現(xiàn)場非常重視提高加工效率和降低生產(chǎn)成本，其中，最重要的便是生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品。為此，必須實行嚴(yán)格的質(zhì)量管理，只有在保證高質(zhì)量生產(chǎn)的前提下，制造業(yè)才能生存和發(fā)展。因此，為確保零件的尺寸和技術(shù)性能符合要求，必須進(jìn)行精確的測量，因而體現(xiàn)三維測量技術(shù)的三坐標(biāo)測量機(jī)應(yīng)運而生，并迅速發(fā)展和日趨完善。三維測量是基于以下的客觀要求發(fā)展起來的。,二、意義和作用,1、越來越多的工件需要進(jìn)行空間三維測量，而傳統(tǒng)的測量方法不能滿足生產(chǎn)的需要。 傳統(tǒng)的測量方法是指用傳統(tǒng)測量工具（如千分表、量塊、卡尺等）進(jìn)行的測量，屬相對測量。 測量工具本身精度不高，人為誤差較大 工具量程小、被測工件尺寸、形狀受到限制 許多形狀較復(fù)雜的測量任務(wù)(如曲面)難以實現(xiàn) 且占用機(jī)時較長,,,,,傳統(tǒng)測量工具及手段,2、由于機(jī)械加工、數(shù)控機(jī)床加工及自動加工線的發(fā)展，生產(chǎn)節(jié)拍的加快，加工一個零件僅有幾十分鐘或幾分鐘，要求加快對復(fù)雜工件的檢測。 例如：汽車和摩托車都采用流水生產(chǎn)線，每輛車上有幾千甚至上萬個零件，這些零件是由專業(yè)化廠分散生產(chǎn)，最后集中部裝和總裝，每隔幾分鐘就生產(chǎn)出一輛車。,3、在制造業(yè)中，大多數(shù)產(chǎn)品都是按照CAD數(shù)學(xué)模型在數(shù)控機(jī)床上制造完成的，它與原CAD數(shù)學(xué)模型相比，確定其在加工制造中產(chǎn)生的誤差，就需用三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行測量。 在三坐標(biāo)測量機(jī)的軟件系統(tǒng)中可以用圖形方式顯示原CAD數(shù)學(xué)模型，再按照可視化方式從圖形上確定被測點，得到被測點的X、Y、Z坐標(biāo)值及法向矢量，便可生成自動測量程序。三坐標(biāo)測量機(jī)可按法線方向?qū)ぜM(jìn)行精確測量，獲得準(zhǔn)確的坐標(biāo)測量結(jié)果，也可與原CAD數(shù)學(xué)模型進(jìn)行比較并以圖形方式顯示，生成坐標(biāo)檢測報告（包括文本報告和圖表報告），全過程直觀快捷，而用傳統(tǒng)的檢測方法則無法完成。,4、隨著生產(chǎn)規(guī)模日益擴(kuò)大，加工精度不斷提高，除了需要高精度三坐標(biāo)測量機(jī)的計量室檢測外，為了便于直接檢測工件，測量往往需要在加工車間進(jìn)行，或?qū)y量機(jī)直接串連到生產(chǎn)線上。檢驗的零件數(shù)量加大，科學(xué)化管理程度加強(qiáng)，因而需要各種精度的坐標(biāo)測量機(jī)，以滿足生產(chǎn)的需要。,,,,,產(chǎn)品加工精度提升的趨勢,1950年至2000年 50年內(nèi)約提升兩個數(shù)量級 平均每8年加工誤差縮小一半 我國情況 平均每12年加工誤差縮小一半 一般加工精度0.01mm 超精密加工精度0.005μm 增長速度比國外低50%，約落后15～20年,,,,,產(chǎn)品加工精度提升的趨勢,加工中心精度提升歷程（刀柄 ISO40 或HSK63） 工作精度每８年提升１倍,5、實現(xiàn)逆向（反求）工程的需要，例如隨著模具生產(chǎn)的發(fā)展，往往采用按制好的工件模型去仿制模具，故需要三維掃描測量出工件輪廓曲線的數(shù)據(jù)。因此需要與“數(shù)控機(jī)床”或“加工中心”相配合的三維檢測技術(shù)。,作用 綜上所述，三坐標(biāo)測量機(jī)的出現(xiàn)是標(biāo)志計量儀器從古典的手動方式向現(xiàn)代化自動測試技術(shù)過渡的一個里程碑。三坐標(biāo)測量機(jī)在下述方面對三維測量技術(shù)有重要作用。 1、實現(xiàn)了對基本的幾何元素的高效率、高精度測量與評定，解決了復(fù)雜形狀表面輪廓尺寸的測量，例如箱體零件的孔徑與孔位、葉片與齒輪、汽車與飛機(jī)等的外廓尺寸檢測。,2、提高了三維測量的測量精度，目前高精度的坐標(biāo)測量機(jī)的單軸精度，每米長度內(nèi)可達(dá)1um以內(nèi)，三維空間精度可達(dá)1um-2um。對于車間檢測用的三坐標(biāo)測量機(jī)，每米測量精度單軸也達(dá)3um-4um。 3、由于三坐標(biāo)測量機(jī)可與數(shù)控機(jī)床和加工中心配套組成生產(chǎn)加工線或柔性制造系統(tǒng)，從而促進(jìn)了自動生產(chǎn)線的發(fā)展。,4、隨著三坐標(biāo)測量機(jī)的精度不斷提高，自動化程序不斷發(fā)展，促進(jìn)了三維測量技術(shù)的進(jìn)步，大大地提高了測量效率。尤其是電子計算機(jī)的引入，不但便于數(shù)據(jù)處理，而且可以完成CNC的控制功能，可縮短測量時間達(dá)95%以上。 5、隨著激光掃描技術(shù)的不斷成熟，同時滿足了高精度測量（質(zhì)量檢測）和激光掃描（逆向工程）多功能復(fù)合型的三坐標(biāo)測量機(jī)發(fā)展更好地滿足了用戶需求，大降低用戶投入成本，提高工作效率。,三、原理 三坐標(biāo)測量機(jī)是由三個相互垂直的運動軸X，Y，Z建立起一個直角坐標(biāo)系，測頭的一切運動都在這個坐標(biāo)系中進(jìn)行；測頭的運動軌跡由測球中心點來表示。測量時，把被測零件放在工作臺上，測頭與零件表面接觸，三坐標(biāo)測量機(jī)的檢測系統(tǒng)可以隨時給出測球中心點在坐標(biāo)系中的精確位置。當(dāng)測球沿著工件的幾何型面移動時，就可以得出被測幾何型面上各點的坐標(biāo)值。將這些數(shù)據(jù)送入計算機(jī)，通過相應(yīng)的軟件進(jìn)行處理，就可以精確地計算出被測工件的幾何尺寸、形狀和位置公差等。,如圖所示，測量孔1和2的中心距，先在孔1和2各測至少3點，計算出各自的圓心坐標(biāo)值，然后計算兩點的距離，同時可以測量外形尺寸、孔徑、孔的圓度和圓柱度、兩孔軸線的平行度、軸線與基面的垂直度、工件表面的平面度等。,輸出: X = 2.0 I = 0 D = 4 Y = 2.0 J = 0 R = 2 Z = 2.5 K = 1,四、組成、分類、結(jié)構(gòu),三坐標(biāo)測量機(jī)是精密的測量儀器，它集機(jī)、光、電等于一體。隨著電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，三坐標(biāo)測量機(jī)由手動數(shù)顯逐步發(fā)展到目前的CNC控制的高級階段。測量機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)最初是在精密機(jī)床基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。如美國Moore公司的測量機(jī)就是由坐標(biāo)鏜床——坐標(biāo)磨——坐標(biāo)測量機(jī)逐步發(fā)展起來的，又如瑞士的SIP公司的測量機(jī)就是在大型萬能工具顯微鏡——光學(xué)三坐標(biāo)測量儀基礎(chǔ)上逐步發(fā)展起來的。這些測量機(jī)的結(jié)構(gòu)都沒有脫離精密機(jī)床及傳統(tǒng)精密測試儀器的結(jié)構(gòu)。,從測量機(jī)應(yīng)用的機(jī)械材料種類來看，由原來的鑄鐵結(jié)構(gòu)發(fā)展到低碳鋼焊接結(jié)構(gòu)及花崗石導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。有的大型汽車測量（立柱工作臺或地軌式測量機(jī)）采用了鋁制構(gòu)件作為精密導(dǎo)軌。為了減輕自身重量，有些重要零件還用用了碳素纖維及陶瓷材料。以下是坐標(biāo)測量機(jī)主機(jī)的各種結(jié)構(gòu)。,1、三坐標(biāo)測量機(jī)的基本組成 測量機(jī)一般由主機(jī)（包括光柵尺），電氣系統(tǒng)及測頭所組成，如下圖所示： 圖1.1三坐標(biāo)測量機(jī)基本組成 除硬件以外，軟件也是測量機(jī)的重要組成部分。,2、按機(jī)械結(jié)構(gòu)分類 按照機(jī)械結(jié)構(gòu)分類，測量機(jī)的主要結(jié)構(gòu)形式可分為： 2.1、移動橋式 2.2、固定橋式 2.3、固定工作臺懸臂式 2.4、龍門式（高架橋式測量機(jī)） 2.5、L型橋式 2.6、移動工作臺懸臂式 2.7、水平懸臂式 2.8、柱式,2 .1、移動橋式 移動橋式是當(dāng)前三坐標(biāo)測量機(jī)的主流結(jié)構(gòu)。有沿著相互正交的導(dǎo)軌而運行的三個組成部分，裝有探測系統(tǒng)的第一部分裝在第二部分上，并相對其作垂直運動，第一和第二部分的總成相對第三部分作水平運動，第三部分被架在機(jī)座的對應(yīng)兩側(cè)的支柱支承上，并相對機(jī)座作水平運動，機(jī)座承載工件。 移動橋式坐標(biāo)測量機(jī)是目前中小型測量機(jī)的主要結(jié)構(gòu)型式，承載能力較大，本身具有臺面，受地基影響相對較小，開敞性好，精密比固定橋式稍低。,圖2 .1移動橋式BQC系列坐標(biāo)測量機(jī) 優(yōu)點： （1）結(jié)構(gòu)簡單，結(jié)構(gòu)剛性好，承重能力大； （2）工件重量對測量機(jī)的動態(tài)性能沒有影響。 缺點： （1）X向的驅(qū)動在一側(cè)進(jìn)行，單邊驅(qū)動，扭擺大，容易 產(chǎn)生扭擺誤差； （2）光柵是偏置在工作臺一邊的，產(chǎn)生的阿貝臂誤差較 大，對測量機(jī)的精度有一定影響； （3）測量空間受框架影響。,2.2、固定橋式 這類測量機(jī)有沿著相互正交的導(dǎo)軌而運動的三個組成部分，裝有探測系統(tǒng)的第一部分裝在第二部分上并相對其作垂直運動，第一和第二部分的總成沿著牢固裝在機(jī)座兩側(cè)的橋架上端作水平運動，在第三部分上安裝工件。 高精度測量機(jī)通常采用固定橋式結(jié)構(gòu)，經(jīng)過改進(jìn)這類測量機(jī)速度可達(dá)400mm/S,加速度達(dá)到3000mm/S2，承重達(dá)2000KG，典型的固定橋式有目前世界上精度最好的出自德國LEITZ公司的PMM-C測量機(jī)。,優(yōu)點： （1）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，整機(jī)剛性 強(qiáng)，中央驅(qū)動，偏擺?。?（2）光柵在工作臺的中央， 阿貝誤差小； （3）X、Y方向運動相互獨立， 相互影響小。 缺點： （1）被測量對象由于放置在 移動工作臺上，降低了 機(jī)動的移動速度，承載 能力較?。?（2）基座長度大于2倍的量程， 所以占據(jù)空間較大； （3）操作空間不如移動橋式 開闊。,圖2.2 PMM-C固定橋式測量機(jī),2.3、固定工作臺懸臂式 這類坐標(biāo)測量機(jī)有沿著相互正交的導(dǎo)軌而運動的三個組成部分，裝有探測系統(tǒng)的第一部分裝在第二部分上并相對第三部分作水平運動，第三部分以懸臂狀被支撐在一端，并相對機(jī)座作水平運動，機(jī)座承載工件。,圖2.3固定工作臺懸臂式坐標(biāo)測量機(jī) 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，測量空間開闊。 缺點：懸臂沿Y向運動時受力點的位置隨時變化，從而產(chǎn)生不同的變形，造成測量的誤差較大，因此，懸臂式測量機(jī)只能用于精度要求不太高的測量中，一般用于小型測量機(jī)。,2.4、龍門式（高架橋式測量機(jī)） 這類測量機(jī)有沿著相互正交的導(dǎo)軌而運動的三個組成部分，裝有探測系統(tǒng)的第一部分裝在第二部分上并相對其作垂直運動，第三部分在機(jī)座兩側(cè)的導(dǎo)軌上作水平運動，機(jī)座或地面承載工件。 龍門式坐標(biāo)測量機(jī)一般為大中型測量機(jī)，要求較好的地基，立柱影響操作的開闊性，但減少了移動部分重量，有利于精度及動態(tài)性能的提高，正因為此，近來亦發(fā)展了一些小型帶工作臺的龍門式測量機(jī)，龍門式測量機(jī)最長可到數(shù)十米，由于其剛性要比水平臂好，因而對大尺寸而言可具有足夠的精度。 典型的龍門式測量機(jī)如來自意大利DEA公司的ALPHA及DELTA和LAMBA系列測量機(jī)。,圖2.4 龍門式坐標(biāo)測量機(jī) 優(yōu)點： （1）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，剛性好，測量范圍較大； （2）裝卸工件時，龍門可移到一端，操作方便，承載能力強(qiáng)。 缺點： 因驅(qū)動和光柵尺集中在一側(cè)，造成的阿貝誤差較大，驅(qū)動不夠平穩(wěn)。,2.5、L型橋式 這類坐標(biāo)測量機(jī)有沿著相互正交的導(dǎo)軌而運動的三個組成部分，裝有探測系統(tǒng)的第一部分，裝在第二部分上并相對其作垂直運動，第一和第二部分的總成相對第三部分作水平運動，第三部分在機(jī)座平面或低于平面上的一條導(dǎo)軌和在機(jī)座上另一條導(dǎo)軌的兩條導(dǎo)軌上作水平運動，機(jī)座承載工件。 L型橋式坐標(biāo)測量機(jī)是綜合移動橋式和龍門式測量機(jī)優(yōu)缺點的測量機(jī)，有移動橋式的平臺，工作開敞性較好，又像龍門式減少移動的重量，運動速度、加速度可以較大，但要注意輔腿的設(shè)計。 圖2.5 L型橋式坐標(biāo)測量機(jī),2.6、移動工作臺懸臂式 這類坐標(biāo)測量機(jī)有沿著相互正交的導(dǎo)軌而運動的三個組成部分，裝有探測系統(tǒng)的第一部分裝在第二部分上并相對其作垂直運動。第三部分以懸臂被支承在一端，并相對機(jī)座作水平運動。第三部分相對機(jī)座作水平運動并在其上安裝工件。 此類測量機(jī)載力不高，應(yīng)用較少。 圖2.6 移動工作臺懸臂式坐標(biāo)測量機(jī)模型,2.7、水平懸臂式 這類坐標(biāo)測量機(jī)有沿著相互正交的導(dǎo)軌而運動的三個組成部分，裝有探測系統(tǒng)的第一部分裝在第二部分上并相對其作水平運動。第一和第二部分的總成相對第三部分作垂直運動。第三部分相對機(jī)座作水平運動，并在機(jī)座上安裝工件。如果進(jìn)行細(xì)分，可以為水平懸臂移動式坐標(biāo)測量機(jī)，固定工作臺水平懸臂式坐標(biāo)測量機(jī)，移動工作臺水平懸臂坐標(biāo)測量機(jī)。 水平臂測量機(jī)在X方向很長，Z向較高，整機(jī)開敞性比較好，是測量汽車各種分總成、車身時最常用的測量機(jī)。 圖2.7 水平懸臂式坐標(biāo)測量機(jī),2.8、柱式 這類坐標(biāo)測量機(jī)有兩個可移動組成部分，裝有探測系統(tǒng)的第一部分相對機(jī)座作垂直運動。第二部分裝在機(jī)座上并相對其沿水平方向運動，在該部分上安裝工件。 柱式坐標(biāo)測量機(jī)精度比固定工作臺懸臂測量機(jī)為高，一般只用于小型高精度測量機(jī)，適于要求前方開闊的工作環(huán)境。 圖2.8 柱式坐標(biāo)測量機(jī)模型,3、按驅(qū)動方式分 3.1手動型：由操作員手工使其三軸運動來實現(xiàn)采點，其結(jié)構(gòu)簡單，無電機(jī)驅(qū)動，價格低廉。缺點是測量精度在一定程度上受人的操作影響，多用于小尺寸或測量精度不很高的零件檢測； 3.2機(jī)動型：與手動型相似，只是運動采點通過電機(jī)驅(qū)動來實現(xiàn)，這種測量機(jī)不能實現(xiàn)編程自動測量； 3.3自動型：也稱CNC型，由計算機(jī)控制測量機(jī)自動采點（當(dāng)然也可實現(xiàn)上述兩種一樣的操作），通過編程實現(xiàn)零件自動測量，且精度高。,本章節(jié)完,