車身三坐標(biāo)測量技術(shù)

1、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)(Coordinate Measuring Machines，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

2、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

3、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1m以內(nèi)，三維空間精度達(dá)到1-2m 。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3-4m 。 (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。尤其是電子計算機(jī)的引入，不但便于數(shù)據(jù)處理，而

4、且可以完成CNC(Computerized Numerical Control)的控制功能，可大大縮短測量時間。,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

5、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l10-4L，空間的最大測量不確定度在(23) 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l10-5L，空間的最大測量不確定度在(23) 10-5L之間。 高精度三坐標(biāo)測量機(jī)多稱為精密型或計量型測量機(jī)，主要在計量室使用，單軸的最大測量不確定度大約為110-6L，空間的最大測量不確定度在(23)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

6、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)又可以按自動化程度分類，分為手動型、機(jī)動型和CNC型。按照主機(jī)的結(jié)構(gòu)形式與運動關(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

7、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)，測出接觸點處的坐標(biāo)位置，根據(jù)這些點的空間坐標(biāo)值，經(jīng)過計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

8、常稱這兩類為萬能測量機(jī)(Universal Measuring Machine，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

9、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測量。,3) 電氣系統(tǒng) (1) 計算機(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)

10、用特點,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)位置的點位精度。 (2) 重復(fù)精度：是測量機(jī)重復(fù)測量某一尺寸時測量結(jié)果的變動范圍。 (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： (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： (1) 為了確定測量基準(zhǔn)點需使用特殊的夾具，這會導(dǎo)致較高的測

11、量費用。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，測量到的點是測頭的球心位置，故欲求得物體真實外形則需要對調(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。計算比較繁瑣，同時

12、這也是測量誤差的來源之一。 (7) 接觸測頭在測量時，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際讀數(shù)。 (8) 測量系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)存在靜態(tài)及動態(tài)誤差。 (9) 由于測頭觸發(fā)機(jī)構(gòu)的慣性及時間延遲而使測頭產(chǎn)生超越(Overshoot)現(xiàn)象，趨近速度會產(chǎn)生動態(tài)誤差。 (10) 因為接觸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)形成一個很細(xì)的平行光束，照到被測工件表面上。由

13、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) 計算機(jī)斷層掃描(Computed Tomography，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)過計算機(jī)處理而重建斷層圖像。 (5) 磁共振成像(Mag

14、netic Resonance Imaging，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，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脈沖的時間間隔，即可計算出各面到零點的距離。,(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

15、二維測頭基礎(chǔ)上，再增加對焦功能，使它能實現(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。,3ATOS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)的整個測量過程是基于光學(xué)三角形原理的。測量過

16、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，計算機(jī)能夠從接收到的精確像素信息自動計算出被測件的三維位置坐標(biāo)。按照這種攝像解決方法，每一次單獨的掃描測量可以得到被測曲面的多達(dá)數(shù)百萬個點的信息。,5.3.2 應(yīng)用特點 采用非接觸式三坐標(biāo)測量，有如下突出的優(yōu)點： (1) 能夠快速收集到測量曲面的計算機(jī)建模信息，用于CAD、FEM分析等； (2) 測量點云能夠?qū)崿F(xiàn)與CAD數(shù)據(jù)、工程圖或樣本的對比； (3) 能夠?qū)α慵M(jìn)行快速復(fù)制，快速成型或數(shù)控加工； (4) 能夠應(yīng)用數(shù)字化樣機(jī)； (5) 能夠測量體積

17、小、形狀復(fù)雜和體積很大的被測零件； (6) 測量點云的噪聲點數(shù)量小，并且可以經(jīng)過調(diào)整而進(jìn)一步減少噪聲點； (7) 接觸式測量設(shè)備不能測量的結(jié)構(gòu)，如內(nèi)部結(jié)構(gòu)，各種柔軟的、易變形的物體和不可接觸的高精密被測件等； (8) 能夠裝在機(jī)器人上實現(xiàn)自動測量； (9) 重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡單； (10) 帶有先進(jìn)的計算和渲染測量點云的功能。,非接觸式三坐標(biāo)測量的主要缺點： (1) 因為非接觸式測頭大多是接收被測件表面的反射光或散射光，容易受到被測件表面的反射特性的影響，如顏色、斜率等； (2) 測頭容易受到環(huán)境光線及雜散光影響； (3) 非接觸式測量只做被測件輪廓坐標(biāo)點的大量取樣，不能進(jìn)行面上指定點的

18、測量，對邊線及凹孔等的處理比較困難； (4) 使用光學(xué)測頭測量時，測量鏡頭的焦距調(diào)整會影響測量精度； (5) 被測件表面的粗糙度會影響測量結(jié)果； (6) 光學(xué)陰影處及光學(xué)焦距變化處是測量死角。,5.4 測量點的數(shù)據(jù)處理,5.4.1 應(yīng)用接觸式三生林測量機(jī)得到的測量點的數(shù)據(jù)處理 測量數(shù)據(jù)中的異常點的剔除 判斷異常點的方法有： (1) 直接觀察法：用肉眼直接將與截面數(shù)據(jù)點偏離較大的、與測量順序連線有突然變化或相差較大的和存在于屏幕上的孤點剔除； (2) 曲線檢查法：對截面數(shù)據(jù)點擬和得到一條曲線。根據(jù)曲線的光順情況，剔出曲線上的偏差較大點； (3) 弦高差方法：連接檢查點的前后兩點，計算弦高，若大于

19、給定的允差，則剔除該點。,2測量數(shù)據(jù)的球形測頭半徑補(bǔ)償,當(dāng)反求模型的精度要求較高時，應(yīng)對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行測頭補(bǔ)償，否則重建的模型將在尺寸上與被測有偏差。圖5-20所示是球形測頭的半徑補(bǔ)償示意圖。,3測量點云數(shù)據(jù)的編輯 對測量數(shù)據(jù)的編輯主要是對測量點云的分割、復(fù)制、刪改、分塊、對齊和定位等。 4測量點云數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)格式轉(zhuǎn)換 常用的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)有IGES標(biāo)準(zhǔn)、STEP標(biāo)準(zhǔn)，以及DXF、ASCII等。 5.4.2 非接觸式三坐標(biāo)測量機(jī)的測量點云的數(shù)據(jù)處理 對于光學(xué)式三坐標(biāo)測量機(jī)的測量點云數(shù)據(jù)的處理主要包括： 對測量點云數(shù)據(jù)中的異常點的剔除 2. 對測量點云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)對齊與定位 3對測量數(shù)據(jù)的編輯 對非接觸

20、式三坐標(biāo)測量機(jī)的測量點云的編輯主要有分割、復(fù)制、刪改、精簡等。 4測量點云數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)格式轉(zhuǎn)換,5.5 三坐標(biāo)測量機(jī)在車身CAD的應(yīng)用,1三坐標(biāo)測量機(jī)的選用原則 合理的測量精度 2) 合乎要求的測量范圍 被測件的所需測量部分不一定是整個工件。 (2) z軸與z向空間高度的關(guān)系。 (3) 接長測桿的問題。 3) 合適的測量機(jī)類型 4) 豐富的測量軟件 5) 符合要求的測量效率 6) 功能齊全的測頭 7) 滿意的經(jīng)濟(jì)效益,2接觸式三坐標(biāo)測量機(jī)的應(yīng)用 應(yīng)用接觸式三坐標(biāo)測量機(jī)的測量過程一般包括以下幾個方面： (1) 選擇測頭的類型、規(guī)格及確定測頭的安裝狀態(tài)。 (2) 測頭快遭移動到被測件坐標(biāo)定位點，以一

21、定精度接近被測點，建立工件的測量原點。 (3) 將測頭移動到被測件的測量位置附近，當(dāng)接觸狀態(tài)達(dá)到要求發(fā)出過零信號時，記錄測量點的坐標(biāo)值(x，y，z)數(shù)據(jù)。 (4) 計算機(jī)處理測量結(jié)果。 對于白車身外表面的測量，可以根據(jù)曲率變化的情況進(jìn)行分塊測量，分塊測量的基本原則是： (1) 一塊曲面的曲率變化盡量均勻，變化過于劇烈會影響重建曲面的質(zhì)量。 (2) 在能夠控制被測曲面形狀的前提下，盡量使分塊后測量數(shù)據(jù)點較少。 (3) 盡量使分塊后測量曲面為四邊域曲面。 (4) 使相鄰的測量曲面邊界有某種簡單的對應(yīng)關(guān)系，使得后續(xù)的曲面拼接工作容易實現(xiàn)。,對車身檢測的要求主要有： (1) 定位合理； (2) 孔的檢測，包含孔徑大小和孔的位置兩項內(nèi)容； (3) 由于車身零件輪