車身三坐標(biāo)測量技術(shù)

第5章車身三坐標(biāo)測量技術(shù)5.1三坐標(biāo)測量機(jī)的作用與類型5.2接觸式三坐標(biāo)測量機(jī)5.3非接觸式三坐標(biāo)測量機(jī)5.4測量點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理5.5三坐標(biāo)測量機(jī)在車身CAD的應(yīng)用

三坐標(biāo)測量機(jī)(CoordinateMeasuringMachines，CMM)是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種高效的精密測量設(shè)備。它廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、電子、汽車和航空航天等工業(yè)中。它可以進(jìn)行零部件的尺寸、形狀及相對位置的檢測，例如轎車車身、箱體、導(dǎo)軌、渦輪、葉片、凸輪、缸體、齒輪等空間形面的測量。此外，還可以用于劃線、定中心孔、光刻集成線路等，并可以對連續(xù)曲面進(jìn)行掃描及制備數(shù)控機(jī)床的加工程序等。由于它的通用性強(qiáng)、測量范圍大、精度高、效率高、性能好、能與柔性制造系統(tǒng)相連接，已成為一類大型的精密儀器。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。

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。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)在計(jì)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)直接串聯(lián)到生產(chǎn)線上。

實(shí)現(xiàn)逆向工程的需要，例如隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，車身改型換代加快，往往要按已有的零件模型去仿制改型，所以需要測量出零件的三維形狀數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)建模，再編制加工程序，然后將程序輸入到數(shù)控機(jī)床加工模具。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)。5.1三坐標(biāo)測量機(jī)的作用與類型1.三坐標(biāo)測量機(jī)的作用(1)對復(fù)雜形狀表面輪廓尺寸進(jìn)行測量，例如箱體零件的孔徑與孔位、葉片與齒輪、汽車與飛機(jī)等的外廓尺寸檢測等。(2)提高三維測量的測量精度。目前高精度三坐標(biāo)測量機(jī)的單軸精度，每米長度在1μm以內(nèi)，三維空間精度達(dá)到1-2μm。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)到3-4μm。(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)，而可促進(jìn)自動(dòng)生產(chǎn)線的發(fā)展。(4)大大地提高了測量效率。尤其是電子計(jì)算機(jī)的引入，不但便于數(shù)據(jù)處理，而且可以完成CNC(ComputerizedNumericalControl)的控制功能，可大大縮短測量時(shí)間。2.三坐標(biāo)測量機(jī)的類型(1)按照三坐標(biāo)測量機(jī)的測量范圍，可將它分為小型、中型與大型。小型三坐標(biāo)測量機(jī)主要用于精密的模具、刀具、工具、首飾、微刻與集成線路板等。最長的坐標(biāo)方向小于500mm。中型三坐標(biāo)測量機(jī)的測量范圍在500-2000mm。主要用于對模具類零件的測量。大型三坐標(biāo)測量機(jī)的測量范圍大于2000mm，主要應(yīng)用于汽車和飛機(jī)外形、發(fā)動(dòng)機(jī)與推進(jìn)器葉片等大型零件的測量與檢測。近年來，非接觸式的大型三坐標(biāo)測量機(jī)應(yīng)用較多。(2)按三坐標(biāo)測量機(jī)的測量精度分類，有低精度、中精度和高精度的測量機(jī)。低精度的測量機(jī)主要是具有水平臂的三坐標(biāo)測量劃線機(jī)，單軸的最大測量不確定度大約在l×10-4L，空間的最大測量不確定度在(2~3)×10-4L之間，其中L為最大測量程。中等精度的三坐標(biāo)測量機(jī)的單軸最大測量不確定度大約為l×10-5L，空間的最大測量不確定度在(2~3)×10-5L之間。高精度三坐標(biāo)測量機(jī)多稱為精密型或計(jì)量型測量機(jī)，主要在計(jì)量室使用，單軸的最大測量不確定度大約為1×10-6L，空間的最大測量不確定度在(2~3)×10-6L之間。(3)按照測頭是否和零部件表面接觸，可以將測量機(jī)分為接觸式三坐標(biāo)測量機(jī)和非接觸式三坐標(biāo)測量機(jī)。接觸式測量的基本原理是力一變形原理，它可以進(jìn)行觸發(fā)式或者連續(xù)的數(shù)據(jù)采集。接觸式三坐標(biāo)測量機(jī)又可以按自動(dòng)化程度分類，分為手動(dòng)型、機(jī)動(dòng)型和CNC型。按照主機(jī)的結(jié)構(gòu)形式與運(yùn)動(dòng)關(guān)系分類，可分為橋框式、龍門式、懸臂式、立柱式、臥鏜式、儀器臺式和極坐標(biāo)式等。

非接觸式測量方法主要運(yùn)用光學(xué)原理，有激光三角測量法、激光測距法、結(jié)構(gòu)光學(xué)法，以及圖形分析法，工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層數(shù)據(jù)測量、磁共振成像術(shù)測量法、超聲波法和層去掃描怯等。5.2接觸式三坐標(biāo)測量機(jī)

接觸式三坐標(biāo)測量機(jī)是最早發(fā)展起來的一種三坐標(biāo)測量設(shè)備，在車身制造行業(yè)應(yīng)用廣泛。接觸式三坐標(biāo)測量機(jī)可對車身油泥模型、白車身總成，及前擋風(fēng)玻璃、儀表板、座椅等部件進(jìn)行測量，也可以配合零件檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行車身焊裝質(zhì)量的檢測。5.2.1測量機(jī)原理與基本結(jié)構(gòu)1.測量機(jī)原理接觸式三坐標(biāo)測量機(jī)的原理是：將被測件置于三坐標(biāo)的測量空間之內(nèi)，測出接觸點(diǎn)處的坐標(biāo)位置，根據(jù)這些點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，經(jīng)過計(jì)算可以求出被測件的幾何尺寸、形狀及位置。2.基本結(jié)構(gòu)接觸式三坐標(biāo)測量機(jī)的基本結(jié)構(gòu)可分為主機(jī)、測頭、電氣系統(tǒng)三大部分，如圖5-5所示。

1）主機(jī)（1）三坐標(biāo)測量機(jī)主機(jī)的構(gòu)造

框架結(jié)構(gòu)；標(biāo)尺系統(tǒng)；導(dǎo)軌；驅(qū)動(dòng)裝置；平衡部件；轉(zhuǎn)臺與附件。(2)三坐標(biāo)測量機(jī)主機(jī)的結(jié)構(gòu)形式與材料三坐標(biāo)測量機(jī)主機(jī)的結(jié)構(gòu)形式可歸納為七大類：橋框式、懸臂式和龍門式，這三類即稱為三坐標(biāo)測量機(jī)；由鏜床演變而來的立柱式和臥鏜式，通常稱這兩類為萬能測量機(jī)(UniversalMeasuringMachine，UMM)；由測量顯微鏡演變而來的儀器臺式，又稱三坐標(biāo)測量儀；以及根據(jù)極坐標(biāo)原理制成的極坐標(biāo)式等。圖5-7是移動(dòng)橋式，圖5-8是固定橋式，圖5-9是龍門式，圖5-10是水平臂式(也是懸臂式的一種)，圖5-11是懸臂式。結(jié)構(gòu)材料主要有：鑄鐵、鋼、花崗石、陶瓷和鋁。(3)標(biāo)尺系統(tǒng)標(biāo)尺系統(tǒng)，也稱測量系統(tǒng)，是三坐標(biāo)測量機(jī)的重要組成部分。按系統(tǒng)的性質(zhì)，可分為機(jī)械式標(biāo)尺系統(tǒng)、光學(xué)式標(biāo)尺系統(tǒng)和電氣式標(biāo)尺系統(tǒng)2)三維測頭三維測頭即是三維測量傳感器，它可在3個(gè)方向上感受瞄準(zhǔn)信號和微小位移。三坐標(biāo)測量機(jī)測頭的兩大基本功能是測微(即測出與給定的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)值的偏差值)和觸發(fā)瞄準(zhǔn)并過零發(fā)訊。按照結(jié)構(gòu)原理，測頭可分為機(jī)械式、光學(xué)式和電氣式等。機(jī)械式主要用于手動(dòng)測量；光學(xué)式主要由于非接觸式測量；電氣式多用于接觸式的自動(dòng)測量。3)電氣系統(tǒng)(1)計(jì)算機(jī)硬件部分。(2)測量機(jī)軟件，包括控制軟件與數(shù)據(jù)處理軟件。它可進(jìn)行坐標(biāo)變換與測頭校正，生成探測模式與測量路徑，還用于基本幾何元素及其相互關(guān)系的測量、形狀與位置誤差測量，齒輪、螺紋與凸輪的測量、曲線與曲面的測量等。(3)打印與繪圖裝置。(4)電氣控制系統(tǒng)，是測量機(jī)的電氣控制部分，具有單軸與多軸聯(lián)動(dòng)控制、外圍設(shè)備控制、通信控制和保護(hù)與邏輯控制等。5.2.2應(yīng)用特點(diǎn)

接觸式三坐標(biāo)測量機(jī)的精度的表示方法主要有3種：測量機(jī)本身的精度：主要是指坐標(biāo)位置的點(diǎn)位精度。(2)重復(fù)精度：是測量機(jī)重復(fù)測量某一尺寸時(shí)測量結(jié)果的變動(dòng)范圍。(3)示值精度：是測量機(jī)測量任何已知尺寸所得測量結(jié)果的誤差范圍。

接觸式三坐標(biāo)測量的優(yōu)點(diǎn)：(1)機(jī)械結(jié)構(gòu)及電子系統(tǒng)已相當(dāng)成熟，故有較高的準(zhǔn)確性和可靠性；(2)與被測件表面的反射特性、顏色及曲率關(guān)系不大；(3)被測件固定在三坐標(biāo)測量機(jī)上，并配合測量軟件，可快速準(zhǔn)確地測量出被測件表面的基本幾何形狀，如面、圓、圓柱、圓錐、圓球等。接觸式三坐標(biāo)測量的缺點(diǎn)：(1)為了確定測量基準(zhǔn)點(diǎn)需使用特殊的夾具，這會導(dǎo)致較高的測量費(fèi)用。不同形狀的產(chǎn)品會造成原來的夾具不適用而使成本增加。(2)球形測頭容易因接觸力造成磨損，所以，為了維持一定的精度，需要經(jīng)常校正球形測頭的直徑。(3)不當(dāng)?shù)牟僮魅菀讚p害被測件某些重要部位的表面精度，也會使測頭損壞。(4)接觸式觸發(fā)測頭是以逐點(diǎn)進(jìn)出方式進(jìn)行測量的，所以測量速度慢。(5)檢測一些內(nèi)部元件有先天的限制，如測量內(nèi)圓直徑，觸發(fā)測頭的直徑必定要小于被測內(nèi)圓直徑，被測件內(nèi)部不易測量處是測量的死角。(6)對三維曲面的測量，因傳統(tǒng)觸發(fā)式測頭是感應(yīng)元件，測量到的點(diǎn)是測頭的球心位置，故欲求得物體真實(shí)外形則需要對調(diào)頭半徑進(jìn)行補(bǔ)償，因而可能會導(dǎo)致修正誤差的問題。計(jì)算比較繁瑣，同時(shí)這也是測量誤差的來源之一。(7)接觸測頭在測量時(shí)，測頭的接觸力將使測頭尖端部分與被測件之間發(fā)生局部變形而影響測量值的實(shí)際讀數(shù)。(8)測量系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)存在靜態(tài)及動(dòng)態(tài)誤差。(9)由于測頭觸發(fā)機(jī)構(gòu)的慣性及時(shí)間延遲而使測頭產(chǎn)生超越(Overshoot)現(xiàn)象，趨近速度會產(chǎn)生動(dòng)態(tài)誤差。(10)因?yàn)榻佑|面積與被測件表面的幾何形狀有關(guān)，即使測量接觸力保持一定，測量壓力并不能保證一定。5.3非接觸式三坐標(biāo)測量機(jī)5.3.1測量原理與基本結(jié)構(gòu)1．常用的非接觸式測量方法三角測量法。其工作原理是，由激光器(通常是半導(dǎo)體激光器)發(fā)出的光，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)形成一個(gè)很細(xì)的平行光束，照到被測工件表面上。由工件表面反射回來的光，可能是鏡面反射光，也可能是漫反射光。

(2)光纖式測量法。其原理是通過被測量的形面變化來調(diào)制光波，使光纖的光波參量隨被測量的形面變化而變化，從而根據(jù)被測信號的大小求得被測形面的空間位置關(guān)系。

(3)視像測量法。視像測頭是用顯微鏡和投影的方法進(jìn)行瞄準(zhǔn)的發(fā)展。測頭通常由照明、放大鏡、CCD攝像頭與監(jiān)視器組成。通過一定方式的照明，將物體的幾何輪廓變?yōu)楣鈱W(xué)輪廓。(4)計(jì)算機(jī)斷層掃描(ComputedTomography，CT)技術(shù)最具代表的是基于X射線的CT掃描機(jī)。它以測量物體對X射線的衰減系數(shù)為基礎(chǔ)，用數(shù)學(xué)方法經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理而重建斷層圖像。(5)磁共振成像(MagneticResonanceImaging，MRI)也稱為核磁共振，該技術(shù)的理論基礎(chǔ)是核物理學(xué)的磁共振理論，是20世紀(jì)70年代末以后發(fā)展的一種新式影像技術(shù)。(6)超聲波測量法采用的是超聲波的數(shù)字化方法，其原理是當(dāng)超聲波脈沖到達(dá)被測物體時(shí)，在被測物體的兩種介質(zhì)邊界表面會發(fā)生回波反射，通過測量回波與零點(diǎn)脈沖的時(shí)間間隔，即可計(jì)算出各面到零點(diǎn)的距離。(7)層去掃描法是破壞性測量方法，層去掃描法適用于測量物體截面輪廓的幾何尺寸。

2．光學(xué)測頭(1)一維測頭，如三角法測頭、光纖測頭等；(2)二維測頭，主要是各種視像測頭，如利用CCD攝像機(jī)測量平面輪廓的測頭；(3)二維加一維測頭，是在二維測頭基礎(chǔ)上，再增加對焦功能，使它能實(shí)現(xiàn)三維測量；(4)三維測頭，如用莫爾條紋技術(shù)形成等高線進(jìn)行條紋計(jì)數(shù)的測頭、體視式測頭；(5)接觸式測頭。它首先利用測端拾取工件表面位置信息，然后用光學(xué)原理進(jìn)行轉(zhuǎn)換。根據(jù)測量方法，光學(xué)測頭可分為三角法測頭、光纖式測頭、視像測頭等。3．ATOS三坐標(biāo)測量機(jī)ATOS三坐標(biāo)測量機(jī)是德國GOM公司開發(fā)的產(chǎn)品，ATOS三坐標(biāo)測量機(jī)主要包括光學(xué)測頭、支架、控制器、標(biāo)尺、Tritop數(shù)碼相機(jī)測量定位系統(tǒng)和相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件及硬件等，如圖5-16所示。圖5-17是ATOS光學(xué)三坐標(biāo)測量機(jī)的測頭。

ATOS三坐標(biāo)測量機(jī)的整個(gè)測量過程是基于光學(xué)三角形原理的。測量過程中，系統(tǒng)投射一束光帶條紋到被測量件，以這些投射到被測件上的條紋為基礎(chǔ)，由兩個(gè)攝像鏡頭完成接收和測量，其原理如圖5-18所示。根據(jù)光學(xué)的變形原理，計(jì)算機(jī)能夠從接收到的精確像素信息自動(dòng)計(jì)算出被測件的三維位置坐標(biāo)。按照這種攝像解決方法，每一次單獨(dú)的掃描測量可以得到被測曲面的多達(dá)數(shù)百萬個(gè)點(diǎn)的信息。5.3.2應(yīng)用特點(diǎn)采用非接觸式三坐標(biāo)測量，有如下突出的優(yōu)點(diǎn)：(1)能夠快速收集到測量曲面的計(jì)算機(jī)建模信息，用于CAD、FEM