工厂生产及质量培训——三维量测技术标准课件

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1、,DIMENSION LAB,講師:張濤,三維量測技術,DIMENSION LAB,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,DIMENSION LAB,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.,DIMENSION LAB,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

2、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.,DIMENSION LAB,國外: Zeiss Leitz DEA (Brown-Sharpe) Giddings 昆明機床廠 新天光學儀器廠.,三坐標生產廠家,DIMENSION LAB,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

3、工車間中進行檢測. 4.反求工程需求.,DIMENSION LAB,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,DIMENSION LAB,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,DIMENSION LAB,三坐標測量機基于坐標測

4、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,DIMENSION LAB,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”,DIMENSION LAB,例一:求孔1、孔2之距離及孔徑,DIMENSION LAB,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

5、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,DIMENSION LAB,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,DIMENSION LAB,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

6、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,DIMENSION LAB,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

7、逐步發展起來.,DIMENSION LAB,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,DIMENSION LAB,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,DIMENSION LAB,5.懸臂式,6.水平臂式,DIMENSION LAB,7.立柱式,8.臥鏜式,DIMENSION LAB,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,DIMENSION LAB,導軌,1.滑動磨擦導軌

8、2.滾動導軌 3.氣浮導軌,DIMENSION LAB,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.,DIMENSION LAB,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,DIMENSION LAB,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.,DIMENSION LAB,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

9、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,DIMENSION LAB,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.,DIMENSION LAB,3.發展測頭附件,測頭附件對擴大CMM功能有重要 意義,

10、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,DIMENSION LAB,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:,DIMENSION LAB,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

11、安全保證系統 6.控制系統的軟件,DIMENSION LAB,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.,DIMENSION LAB,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,DIMENSION LAB,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

12、.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.,DIMENSION LAB,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,DIMENSION LAB,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,DIMENSIO

13、N LAB,探測模式,1.靜態探測模式,2.動態探測模式,DIMENSION LAB,編程模式,1.在線編程,2.離線編程,DIMENSION LAB,量測路徑,1.探測點,2.探測點法矢量,3.拐點,DIMENSION LAB,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,DIMENSION LAB,最小區域法的缺點 1不能用數學解析式表達 2計算困

14、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,DIMENSION LAB,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-使用激光幹涉標尺系統 提高結構精度-提高重復精度 提升軟件補償技術減少系統誤差 要努力減小熱變形力變形或其它環境影響 采用适當的采樣策略,DIMENSION LAB,2.提高量測效率 改進測量机的結構設計,減輕運動部件的 質量提高控制系統性能 3發展探測技術完善測量机配置 發展非接觸式測頭 4.發展軟件技術,發展智能測量机 發展虛擬三次元測量技術 發展智能三坐標測量机 5.進入製造系統,成為製造系統組成部份 6.發展非正交坐標系測量系統,