三坐标论文

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1、三坐标测量机综述学科专业：机械制造及其自动化学生：徐康民指导教师：蒋平南京工程学院机械工程学院二零一零年11月摘要数字化测量技术是数字化制造技术中的关键技术。高速高效、高精度、高可靠性、多 功能的现金数字化测量技术和仪器仪表，装备、服务、推动着数字化制造技术和装备的发展。 近年来机械制造业中的现金数字化精密测量技术和量具量仪，得到了快速的发展，取得了很 多新的成果。如：采用光学/激光式非接触测量系统，三坐标测量机和便携式多关节测量仪， 实现了对汽车大型覆盖件、反求工程被测件的非接触高效测量；采用新型测量原理的高性能 数显卡尺、千分尺，满足了在冷却液喷淋的恶劣工况下对加工件进行可靠检测的需要；基

2、于 体对角线的机床三维空间位置误差激光测量新技术，探索了数控机床空间精度快速测量和补 偿的新途径。提高我国机床工具行业的技术水平，增强竞争力的根本途径就是提高自主创新能力， 发展具有自主知识产权的产品和技术。近年来，随着我国精密量具仪制造行业创新意识的加 强和创新能力的提高，在先进数字化测量技术和数字化量具量仪的研究开发上，不断取得新 的成就，展示了我国精密测量仪器制造行业的良好展示势头，提高了我国精密测量技术和制 造水平。由成都工具研究所开发的齿轮测量分选机，采用全新测量原理和机构，能对批量生产 汽车、摩托车齿轮实现100%全数字的高速高精度测量和分选，填补了国内空白；由桂林广 陆数字测控股

3、份有限公司和上海交通大学联合开发的新型防水电子数显卡尺，采用了电涡流 传感原理，防护等级达到了 IP67规定，赶上国际先进水平；北京标普公司的0.1nm分辨力 的杠杆测长仪，哈尔滨量具刃具集团有限责任公司齿轮测量中心的系列化和弧锥齿轮测量技 术的创新标志我国齿轮测量技术进一步向国内先进水平靠拢;北京航空精密机械研究所成功 开发龙门式大型三坐标测量机，表明国产三坐标测量机的自主研制开发能力有了进一步提 高。目录第一章绪论11.1三坐标测量机简介11.1.1三坐标测量机的意义.11.1.2三坐标测量机的研究现状.11.1.3 三 维 测 量 技 术 演变21.1.4三坐标测量机的组成及发展趋势及困

4、难21.1.5主要生产厂家5第二章三坐标测量机的应用72.1基于CAD的三坐标测量机检测规划系统72.2 CAD系统与CAIP系统的对应支持关系.82.3基于网络数据库技术的三坐标测量机应用92.4数字成像式三坐标测量机技术.112. 5三坐标测量机联机检测系统的设计与应用.122.6实用型三坐标测量系统的设计132.7三坐标测量机测量数据的降噪.132.8三维测量与三坐标测量13参考文献14第一章绪论三坐标测量机作为现代大型精密测量仪器已有40多年的历史，20世纪60年代以来， 随着机床、机械，汽车、航空航天和电子工业的兴起，各种复杂零件的研制急需先进的检测 仪器对其检测；同时，随着产品更新

5、节奏的加快，对产品检测速度的要求也越来越高，三坐 标测量机正是集合了这两个优点，得以在测量领域得到广泛的应用。随着计算机技术和计量 软件技术的引入，三坐标测量机的应用领域愈加宽广，己经越来越显示出它的重要性和广阔 的发展前景。1.1三坐标测量机简介1.1.1三坐标测量机的意义三坐标测量机出现以前，空间三维尺寸的测量多采用高度尺和量规等通用量具进行测 量；或者采用专用的量规、心轴、验棒等测量工具测量孔轴及其相互位置和精度，这些测量 方法劳动强度大，效率低，精度上也不易保证。20世纪60年代以来，随着工业生产的发展，特别是机床、机械、汽车、航空航天和 电子工业的兴起，研制的各种复杂零件急需先进的检

6、测技术和仪器对其进行检测，因而体现 三维测量的三坐标测量机应运而生，并得以迅速发展和广泛应用。三维测量正是基于以下客 观需求而发展起来的1。1）越来越多的工件需要进行空间的测量，传统的测量方法不能满足生产需要。2）由于机械加工、数控机床加工及自动加工线的发展，生产节拍的加快，加工零件的时间越 来越短，要求加快对复杂工件的检测。3）随着生产规模的扩大，加工精度不断提高，测量除了需要在计量室进行外，还需要在加工 车间中进行，或将测量机直接串接到生产线；检测的零件数量大，需要各种精度的测量机， 以满足生产的需要。4）反向工程的需要，随着模具生产的发展，往往按制好的工件模型去仿制模具，故需要三维 扫描

7、测量工件的轮廓曲线和数据。根据这些数据编制加工的程序。综上所述，三坐标测量机的出现是计量仪器从古典的手动方式向现代化的自 动测试技术过渡的里程碑，三坐标测量机对三维测量起着重要的作用。1.1.2三坐标测量机的研究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%。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。（1）国外概况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

8、）、意大利的DEA、美国的 布朗-夏普（Brown&Sharpe）、日本的三丰（Mitutoyo）等公司。总的来说，国外机器有以下特点：1.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；2.采用AutoCAD和有限元法进行优化设计，结构较合理，造型优 美；3.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；4.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；5.配有21项误差补偿软件， 可以廉价地提高机器精度；6.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

9、，还有内部存储 的许多可供开发的高级语言程序；7.绝大多数机器采用Renishaw公司（英国）的电测头， 功能齐全，质量可靠；8.配有功能齐全的控制测量软件、专用和误差修正软件；9.机器的性 能高度稳定可靠，使用寿命长；10.三坐标测量机与计算机工作站和数控机床联网；11.三坐 标测量及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； 12.系列品种齐全，“三化”（即标准化、通用化、系列化）程度高。（2）国内概况 我国自20世纪70年代开始引进、研制三坐标测量机以来，也有了 很大发展。国内引进较多的是Zeiss、Brown&Sharpe、Leitz、EDA等公司的产品。

10、而国内的 生产单位也已经有了很大的发展，主要的生产厂家中有中国航空精密机械研究所、青岛前哨 英柯发测量设备有限公司、上海机床厂、北京机床研究所、哈尔滨量具刃具厂、昆明机床厂 和新天光仪器厂等。现在，我国具有年产几百台各种型号三坐标测量机的能力。国内三坐标测量及近十年来发展也较快，但同国外相比还有一定差距，主要有以下几 方面：系列品种较少，“三化”程度低；新产品开发周期长，主要原因是原件和材料配套难； 机加工周期长等；产品的稳定性较差，特别是电控系统，可靠性较差，故障率较高，寿命相 对低，此外软件功能相对少些，特别是专用软件更少，与计算机工作站和数控机床联网问题， 仅有极少数测量机刚刚起步，多数

11、机器还没开始这项工作，有待进一步开发研究。1.1.3三维测量技术演变三坐标测量机基于坐标测量原理进行测量的，将被测集合元素转换为点集进行测量。坐标测量原理2:将被测物体置于三坐标测量机的测量空间，将被测物体几何元素 的测量转化为几何元素上点集的坐标测量，根据这些测得点的坐标，计算出被测的几何元素 的尺寸、形状和相对位置等。基于以上工作原理，三坐标测量机具有很大的通用性和柔性，从原理上说，它可以测 量工件的所有几何元素的任何参数；任何复杂的几何表面与形状，只要是测量机的测头能够 感受到，就可以测出它们的几何尺寸和相互位置关系。但实际中实现起来并不容易。首先精 密的三坐标机构不易实现，其次大量的数

12、学计算不易处理，再加上各式各样的三维测头的需 要，这些使的三坐标测量机在很长一段时间内难以得到快速的发展。随着精密机械、电子技术和计算机的发展，精密导轨的设计和加工得以实现；计算机 的应用，使得复杂的数值计算成为可能；再加上各种新型、高灵敏度的测头的开发，使得三 坐标测量机迅速发展。1.1.4三坐标测量机的组成及发展趋势及困难三坐标测量机种类繁多，形式各异，性能多样，大体可分为：主机、测头、电气系统 三大部分。主机包括框架结构、标尺系统、导轨、驱动装置、平衡部件和转台与附件。测头 主要实现感受三个方向上瞄准和微小位移，测量机的测头主要有硬测头、电气测头、光学测 头等。电器系统包括电器控制系统、

13、计算机硬件系统、测量机软件和打印与绘图装置。先进制造技术、各种工程项目与科学实验的需要也对三坐标测量机不断提出新的、更 高的要求。从目前国内外三坐标测量机发展情况和科技、生产对三坐标测量机提出的要求看， 在今后一段时期内，它的主要发展趋势可以概括为以下几方面。（1）普及高速测量质量与效率一直是衡量各种机器性能、生产过程优劣的两项主要指标。传统的概念是为了保证测量精度，测量速度不宜过高。随着生产节奏不断加快，用 户在要求测量及保证测量精度的同时，会对CMM的测量速度（Measuring Speed）提出越来 越高的要求。而提高测量机测量速度这一目的，会为CMM带来以下几个方面的革新。1.测 量机

14、的结构设计改进及材料的变化，结构优化以提高刚性，减轻运动部件的质量；使用轻质 材料来降低运动惯性，即有普通使用的花岗石等传统材料转变为密度与杨氏模数之比低的材 料、薄壁空心结构等。铝、陶瓷、人工合成材料在测量机中获得了越来越多的应用；2 .高速 的动态性能要求提高动态补偿能力，动态误差与测量机的结构参数和运动规程有关。在研究 这些特性的基础上，既可以改进测量机的结构设计，提高控制系统性能，又可以进行动态误 差补偿，在实现高速测量的同时保证高精度；3.采用非接触式侧头测量方式，在触测情况下， 由于工件与测头的接触速度不能太大，这就给测量速度带来了很大的限制。扫描测量方式虽 比点位测量方式效率高得

15、多，但仍受触测的限制。采用非接触测头，可避免频繁加速、减速、 碰撞等，大大提高测量速度。特别从对可靠性与安全保护提出更高要求看，非接触测头也有 很大的优越性；4.脱机编程技术成为一种趋势，所谓脱机编程技术，就是在CAD技术的辅助 下，在不上测量机的情况下，在三维图形环境下完成对测量程序的编制工作。这样不但能有 效地提高测量机的实际使用效率，也提高了测量程序的编制效率。脱机编程技术的应用使我 们能完全与生产准备及生产过程同步进行测量的准备工作，从而更可以节约宝贵的CMM机 时。（2）新材料和新技术的应用为确保可靠高速的测量功能，国外非常重视研究机体原材料的选用，最近在传统的铸铁、铸钢基础上，增加

16、了合金、石材、陶瓷等新材料。Zeiss、 Sheffield、Leitz、Ferranti （英国）、DEA等世界上主要三坐标测量机制造厂商，大都采用了重 量轻、刚性好、导热性强的合金材料，来制造测量机上的运动机构部件。铝合金、陶瓷材料 以及各种合成材料在三坐标测量机中得到了越来越广泛的应用。由于新型材料良好的导热性，所以在发生温度分布不均匀时，也能在极短的时间内 迅速达到热平稳，将由温度变化所产生的热变形减至最低。为此，近几年引起了厂商的改型 高潮，新品种层出不穷。技术指标的进步表现在两个方面：1.最高运动速度达到15m/s以上， 2.环境温度要求可降低20+-4 C。其他一些新技术，例如磁悬浮技术也会在测量机及其它测头中获得应用。（2）控制系统的改进 在现代制造系统中，