《數(shù)字化檢測與質量溯源》課件-2.1檢測技術及設備在機械制造業(yè)中的應用

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第一臺三坐標測量機出現(xiàn)于60年代中期。它是手動的RapidCheck型號,制造商可能是意大利的DEA公司或者Hansford公司，這些早期型號今天看來十分簡單，同時也不配有計算機。l

早期的測頭的測頭是剛性的錐型測頭，也叫硬測頭，測量數(shù)據(jù)需要手寫在檢查報告上l

引入計算機–

下一個里程碑是計算機的引入，當初引入的計算機軟件是為了應用簡單的數(shù)學公式來計算零件與測量機軸線的平行程度，這樣大大減少了操作者用來把零件與測量機軸線機械找正的時間。l

引入電子測頭–

與引入計算機的同時，第一個電子測頭也被應用，這是RENISHAW

公司的TP1測頭，這種測頭用來替代了錐型測頭。電子測頭的引進，要求計算機的軟件增加相應的功能，即對電子測頭和光柵尺傳來的信號和數(shù)據(jù)進行處理。l

三坐標測量機成為機動型–

下一步改進是在測量機的每一軸上加上驅動電機及相應的電子控制系統(tǒng)，這樣軟件又需要加上關于運動數(shù)學模型的部分和基本的元素自動測量功能。l

數(shù)學模型–

那時的數(shù)學模型只對元素采最少數(shù)量的測點，例如三點來測平面，三點測圓，兩點測直線。為了改進測量機的測量重復性，優(yōu)化（最佳擬合）的數(shù)學模型方法應用于軟件，這樣許多元素可以應用多點測量，用平均值來評價位置及尺寸，當多點計算的方法解決以后，加上了關于平面度，圓度及直線度計算的軟件。l

更高的速度–

由于測量機越來越多的放在生產(chǎn)的環(huán)境中，速度因素被越來越多的考慮。能讓速度更快，而同時保持其精度，意味著對機械結構必須選用新的材料?；◢弾r取代了鑄鐵用來作基礎平臺，花崗石有良好的吸振性能及熱穩(wěn)定性，即花崗石不會由于溫度變化而產(chǎn)生較大的變形，這與鑄鐵一樣。–

早期的橋架和主軸用鋁結構的材料，但鋁被替代?，F(xiàn)時在尋找更輕更穩(wěn)定的材料，最終選用了碳矸維或陶瓷。受溫度影響越少的材料，對測量機精度的受益越大。l

最大的變化–

軟件–

探測系統(tǒng)三坐標測量儀基本結構l

高精度機械結構l

數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)l

CMM軟件l

傳感器l

因為任何形狀都是由空間點組成，所有的幾何量測量都可以歸結為空間幾何點的測量，因此精確進行空間點坐標的采集，是評定任何幾何形狀的基礎。l

坐標測量技術是以點的坐標位置為基礎的，它分為一維、二維和三維測量。l

三維測量，又稱三維掃描（俗稱抄數(shù)），就是測量實物表面的三維坐標點集，得到的大量坐標點的集合稱為點云（PointCloud)。坐標測量機是一種幾何量測量儀器，它的基本原理是將被測零件放入它容許的測量空間，精密地測出被測零件表面的點在X,

Y,

Z三個坐標位置的數(shù)值，根據(jù)這些點的坐標數(shù)值經(jīng)過計算機數(shù)據(jù)處理，擬合形成測量元素，如圓、球、圓柱、圓錐、曲面等，經(jīng)過數(shù)學計算得出形狀、位置公差及其它幾何量數(shù)據(jù)。l

三維測量除了用于產(chǎn)品檢測之外，還可以用于以下領域：–

CAD/CAM/逆向工程(RE)/快速成型(RP)l

掃描實物，建立CAD數(shù)據(jù)；或是掃描模型，建立用于檢測部件表面的三維數(shù)據(jù)l

模具設計l

對于不能使用三維CAD數(shù)據(jù)的部件，建立數(shù)據(jù)l

使用由RP創(chuàng)建的真實模型，建立和完善產(chǎn)品設計–

個性化設計，如服裝CAD–

有限元分析的數(shù)據(jù)捕捉l

檢測(CAT)/CAE–

生產(chǎn)線質量控制和曲面零件的形狀檢測l

科學研究–

計算機視覺–

計算幾何–

考古研究l

其他應用–

文物、藝術品的錄入和電子展示–

動畫造型–

牙齒及畸齒矯正–

整容及上頜面手術l在機械制造業(yè)，CMM、激光掃描儀是應用最為廣泛的測量設備l

1.按功能分：測量型和劃線型l

2.按操作方式分：手動型、機動型和CNC自動型l

3.按精度分：l

A類：空間測量不確定度不大于（1.5+L/300）μml

B類：空間測量不確定度不大于（3+L/200）μml

C類：空間測量不確定度不大于（5+L/125）μml

D類：空間測量不確定度大于（5+L/125）μm4.按結構歸納約有以下8種l

這種結構目前已經(jīng)很少采用，最初主要應用在手動控制的CMM上。對操作者要求較高，且加速和減速時，主軸有擾動。l

這種結構在CMM中應用最為廣泛。移動橋式的優(yōu)勢可測量的范圍大（0.1dm3~8m3）工件的可接近性好，動態(tài)性能好（速度、加速度高）結構簡單、緊湊、均衡承載能力大高精度、高性能和高穩(wěn)定性。l

這種結構主要用來生產(chǎn)巨型CMM，測量范圍可以超過100m3。l

高精度CMM通常采用這種結構，這種結構可以最小化CMM由于重心移動造成的虛假移動，測量范圍通常不超過3m3l

該結構的特點是主軸處于水平位置?？梢杂脕碇圃炀扌虲MM，也可以采用多個水平臂，具有很好的生產(chǎn)率。l

這種結構類似于機械手，主要用于手動CMM，其突出優(yōu)點是可便攜性和操作方便。3、激光掃描儀的應用l

傳統(tǒng)的CMM多采用機械探針等觸發(fā)式測頭，由于是接觸式測量，往往測一個點需要數(shù)秒鐘，因此測量速度慢；l

對于復雜內(nèi)部形腔、幾何特征尺寸少、具有大面積自由曲面的零部件，CMM將不能適應；l

由于測量力的存在，無法對軟質材料進行測量；l

CMM價格昂貴，對測量環(huán)境要求較高，測速慢，數(shù)據(jù)密度低，還需要對測量結果進行觸頭損傷及觸頭半徑補償，這些不足限制了CMM在反求工程領域中的應用。采用非接觸式測量則可以較好的解決上述問題。l

非接觸式測量根據(jù)測量原理的不同，主要有光學測量法、工業(yè)CT測量法，核磁共振（MRI）測量法、超聲波測量法、電磁測量法、層析法等。其中，較為成熟的是光學測量法，光學測量法又分為三角形法、結構光法、激光干涉法、計算機視覺法等。其中結構光法被認為是目前對三維形狀進行測量的最好方法之一。l

結構光測量技術是基于三角測量原理的非接觸測量技術。由于光源出射點、投射點和接受點呈幾何三角關系，故此得名。l

其基本原理是利用具有規(guī)則幾何形狀的光源（如：點光源、線光源），即結構光，投影到具有一定距離的被測樣件表面上，三維樣件面型對光束產(chǎn)生空間調制，改變了成像光束的角度，形成漫反射光點（或光帶）。而與結構光成一定角度的位置傳感器（如CCD攝像機、PSD等）攝取經(jīng)物體表面形狀調制的變形圖像信息，經(jīng)由信號轉換電路（如圖像采集卡等）把圖像模擬信號轉化為數(shù)字圖像信號輸入計算機進行一系列數(shù)據(jù)處理，解調圖像即將位置傳感器上的圖像位移量轉換到被測物體表面的物理坐標值，以獲取物體的三維數(shù)字化輪廓信息。X—未知量b、f、L、α，δ－已知量f

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結構光法的主要優(yōu)點:l

測量范圍大、穩(wěn)定、速度快、成本低、設備攜帶方便、受環(huán)境影響小、易于操作；l

可以有效避免在高精度測量中測量力帶來的系統(tǒng)誤差和隨機誤差；l

可方便實現(xiàn)對軟質和超薄型物體表面形狀的測量；ll

其缺點是：l

由于測量原理的局限性，結構光測量容易受到被測表面的粗糙度及漫反射的影響，當被測量表面粗糙度值較低或光澤比較明亮時，會使激光束在產(chǎn)生漫反射的同時發(fā)生較強的鏡面反射，反射光強常會造成較大的測量誤差；l

另外被測物體表面的顏色及傾斜度也會給測量結果帶來不同程度的誤差，對于表面變化劇烈的物體，在陡峭處往往會發(fā)生相位突變，