精密及復雜形狀產品數據的獲取——接觸式及非接觸式測量技術（CoordinateMeasuringMachines—CMM）2024-12-191三維掃描技術接觸式及非接觸式測量技術主要內容1、三坐標測量儀的原理2、三坐標測量儀的結構3、三坐標測量儀的分類4、三坐標測量儀的測量系統5、三坐標測量儀應用2024-12-192三維掃描技術1、三坐標測量機的原理?

在計量科學領域，人們根據被測對象幾何形狀的復雜程度，將工業領域中的測量問題分為箱體類工件測量和具有復雜幾何形狀工件測量。?

箱體類工件：指那些由基本幾何元素（點、線、面、圓、圓柱、圓錐、球）組成的幾何工件，包括齒輪箱工件，發動機箱體，機床加工部件或者是由簡單的形狀曲面組成的沖模、鑄模、薄殼工件等等。?

復雜幾何形狀工件：這類工件主要由具有明確數學定義的復雜曲線、曲面構成，例如汽車車身曲面、螺旋槳葉片等。2024-12-193三維掃描技術1、三坐標測量機的原理?

在測量方法上：箱體類工件的檢測——傳統通用的量具；復雜幾何形狀工件的測量——專用測量設備，例如三坐標測量機。?

對于從事生產復雜幾何形狀工件的企業來說，完成產品的質量控制，企業不僅需要配置通用測量設備，例如通用標準量具、量儀，同時還需要配置專用測量設備。2024-12-194三維掃描技術1、三坐標測量機的原理三坐標測量機優點：（1）具有專用的測量軟件，擴大其應用范圍（2）與其它系統通訊方便，大量生產時，如使用三坐標測量機，可以瞬時進行質量管理缺點：三坐標測量機的系統復雜，需要努力做好保養、維修工作，且要達到正常的靈活運用還需要一定的時間和相關領域的專業知識。另外，因對溫度或振動等敏感，需要管理好周邊環境。2024-12-195三維掃描技術1、三坐標測量機的原理三坐標測量機是基于坐標測量的通用化數字測量設備。它首先將被測幾何元素的測量轉化為對這些幾何元素上一些點集坐標位置的測量，在測得這些點的坐標位置后，再根據這些點的空間坐標值，經過數學運算求出其尺寸和形位誤差。2024-12-196三維掃描技術2、三坐標測量機結構2、1工作臺早期的三坐標測量機的工作臺一般是由鑄鐵或鑄鋼制成的。但近年來，各生產廠家已廣泛采用花崗巖來制造工作臺，這是因為花崗巖變形小、穩定性好、耐磨損、不生銹，且價格低廉、易于加工。有些測量機裝有可升降的工作臺，以擴大Z軸的測量范圍，還有些測量機備有旋轉工作臺，以擴大測量功能。2024-12-197三維掃描技術2、三坐標測量機結構2、2導軌導軌是測量機的導向裝置，直接影響測量機的精度，因而要求其具有較高的直線性精度。目前，多數三坐標測量機已采用空氣靜壓導軌（又稱為氣浮導軌、氣墊導軌），它具有許多優點，如制造簡單、精度高、摩擦力極小、工作平穩等。氣浮導軌的進氣壓力一般為3～6個大氣壓，要求有穩壓裝置。2024-12-198三維掃描技術2、三坐標測量機6A-A543AA21三坐標測量機氣浮導軌的結構1—工作臺

2—氣墊

3—滾輪

4—壓縮彈簧

5—導向塊

6—橋架2024-12-199三維掃描技術2、三坐標測量機結構2、3測量系統由回轉體、測頭和探針2

組成。3回轉體2測頭1探針測頭探針2024-12-1910三維掃描技術3、三坐標測量機分類3、1按測頭是否與工件接觸（1）接觸式（2）非接觸式2024-12-19接觸式11非接觸式三維掃描技術3、三坐標測量機分類傳統三坐標坐標測量機（接觸式）是測量和獲得高精度尺寸數據的最有效方法之一，它可以代替多種表面測量工具及昂貴的組合量規，也可以作為精度指標檢測非接觸式測量的數據。生產節奏的加快和科學研究的需要，要求大幅度提高測量效率，而傳統三坐標測量機采用點位測量方式，多數情況下仍然采用接觸測頭，存在速度慢、可能損傷被測件、發生碰撞等缺點。2024-12-1912三維掃描技術3、三坐標測量機分類3、2按測量過程的自動化，可分為（1）手動型（2）機動型（3）CNC控制型CNC控制型測量機除自動瞄準定位的功能外﹐還能按照預先編制好的程序自動完成全部測量和計算過程。2024-12-1913三維掃描技術3、三坐標測量機分類3、3按CMM的測量范圍分類：（1）小型坐標測量機這類CMM在其最長一個坐標軸方向（一般為X軸方向）上的測量范圍小于500mm，主要用于小型精密模具、工具和刀具等的測量。（2）中型坐標測量機這類CMM在其最長一個坐標軸方向上的測量范圍為500～2000mm，是應用最多的機型，主要用于箱體、模具類零件的測量。（3）大型坐標測量機這類CMM在其最長一個坐標軸方向上的測量范圍大于2000mm，主要用于汽車與發動機外殼、航空發動機葉片等大型零件的測量。2024-12-1914三維掃描技術3、三坐標測量機分類3、4按CMM的精度分類（1）精密型CMM其單軸最大測量精度小于1×10－6

L（L為最大量程，單位為mm），空間最大測量精度小于（2～3）×10－6

L，一般放在具有恒溫條件的計量室內，用于精密測量。（2）中、低精度CMM低精度CMM的單軸最大測量精度在1×10－4

L左右，空間最大測量精度為（2～3）×10－4

L；中等精度CMM的單軸最大測量精度約為1×10

5

L，空間最大測量精度為（2～3）×10

5

L。這類CMM一般放在－－生產車間內，用于生產過程檢測。2024-12-1915三維掃描技術3、三坐標測量機分類3、5根據測量機主軸與工作臺的位置分類目前有三種基本類型：l

垂直式：主軸與工作臺垂直移動橋式、固定橋式、L-型橋式、龍門式、懸臂式、單立柱式等l

水平式：主軸與工作臺平行水平臂立柱式、水平臂工作臺移動式等l

便攜式2024-12-1916三維掃描技術水平式坐標測量機便攜式測量機垂直式坐標測量機2024-12-1917三維掃描技術垂直式坐標測量機2024-12-1918三維掃描技術移動橋式結構，它是目前應用最廣泛的一種結構形式，其結構簡單，敞開性好，承載能力強。工件安裝在固定工作臺上。但這種結構的X向驅動位于橋框一側，橋框移動時易產生繞Z軸偏擺，會在X、Y向存在較大的阿貝臂，這種偏擺會引起較大的阿貝誤差，因而該結構主要用于中等精度的中小機型。2024-12-1919三維掃描技術橋框固定不動，X向標尺和驅動機構可安裝在工作臺下方中部，阿貝臂及工作臺繞Z軸偏擺小，其主要部件的運動穩定性好，運動誤差小，適用于高精度測量，但工作臺負載能力小，結構敞開性不好，主要用于高精度的中小機型。2024-12-1920三維掃描技術結構比較復雜，敞開性一般，兼具移動橋式結構承載能力強和固定橋式結構精度高的優點，適用于高精度、中型尺寸以下機型。X軸導軌采用半橋式結構以減輕運動部件的重量，重量輕，精度高，是同類型號中具有最高性能價格比的測量機。2024-12-1921三維掃描技術結構簡單，具有很好的敞開性，但當滑架在懸臂上作Y向運動時，會使懸臂的變形發生變化，故測量精度不高，一般用于測量精度要求不太高的小型測量機。2024-12-1922三維掃描技術與移動橋式結構的主要區別是它的移動部分只是橫梁，移動部分質量小，整個結構剛性好。可保證測量精度，具有高精度、高剛性、高穩定性,十分適用于大型工件的精密測量，是航空、航天、汽車和大型模具業界的必備檢測設備。2024-12-1923三維掃描技術也稱為儀器臺式結構，它是在工具顯微鏡的結構基礎上發展起來的。其優點是操作方便、測量精度高，但結構復雜，測量范圍小，適用于高精度的小型零件。2024-12-1924三維掃描技術2024-12-1925三維掃描技術水平臂立柱式結構在汽車工業中有廣泛應用。其結構簡單、敞開性好，尺寸也可以較大，但因水平臂前后伸出時會產生較大變形，故測量精度不高，用于中、大型機型。一般采用三軸氣浮且全封閉結構,具備較高的運行速度、加速度和極佳的防塵性能,尤其適合在車間和生產現場使用。2024-12-1926三維掃描技術水平臂工作臺移動式結構其敞開性較好，水平臂部件質量較小，但工作臺承載有限，在兩個方向上運動范圍較小，適用于中等精度的中小零件。2024-12-1927三維掃描技術2024-12-1928三維掃描技術（3）關節式測量機?

便攜式測量單元?

6個旋轉軸，具有最大的自由度；?

有效行程：1500

~

4000

mm2024-12-1929三維掃描技術便攜式激光測量系統

實時顯示和輸出2024-12-1930三維掃描技術4、1測頭三坐標測量機是用測頭來拾取信號的，它是測量機接觸被測零件的發訊開關，也是坐標測量機的關鍵部件。不同零件需要選擇不同功能的測頭進行測量。測頭的性能直接影響測量精度和測量效率，沒有先進的測頭就無法充分發揮測量機的功能。三坐標測量機上使用的測頭，按結構原理可分為機械式（基本淘汰）、電氣式和光學式等；按測量方法又可分為接觸式和非接觸式兩類。2024-12-1931三維掃描技術4、1接觸式測頭電氣接觸式測頭又可分為：l動態發訊式(觸發式或開關式)l靜態發訊式(掃描式或比例式)兩大類2024-12-192三維掃描技術動態測頭結構簡單、成本低，可用于高速測量，但精度稍低，而且動態測頭不能以接觸狀態停留在工件表面，因而只能對工件表面作離散的逐點測量，不能作連續的掃描測量。目前，絕大多數生產廠選用英國RENISHAW公司生產的觸發式測頭。2024-12-1933三維掃描技術1)觸發式測頭典型RENISHAW(英國雷尼紹公司)觸發式測頭：l

TP20觸發式測頭l

TP200高精度觸發式測頭l

TP7M高精度觸發式測頭l

TP6/6A觸發式測頭2024-12-1934三維掃描技術觸發式?

TP20由測頭本體和可分離測頭吸盤兩部分組成。TP20特點：-動態觸發測頭，五方向自由度測量2024-12-1935三維掃描技術?

TP200測頭，包含有微力傳感器，具備優異的測量重復性和精確的空間形狀測量精度。TP200測頭具備超微觸發技術，避免了傳統測頭常會出現的拖動情況，保證了上百萬次的可靠操作。?

TP200的特點：-

優異的重復性-

精確的三維形狀測量-

吸盤的壽命達到上百萬次2024-12-1936三維掃描技術?

產品綜述：

TP7M采用應變片技術，較傳統的觸發式測頭具有更高的精度。采用自動連接，從而為數控測量機提供了自動更換功能。?

TP7M測頭的特點：-

良好的精度和重復性-

探針長度可達到150mm-

六方向感應-

自動更換功能2024-12-1937三維掃描技術?

產品綜述：TP6測頭較TP20測頭系列精度更好。同時，TP6采用M8螺紋固定，TP6A可自動連接，從而使得測頭的更換速度更快。TP6/6A的特點：-自動連接或采用M8螺紋連接-牢固可靠-探測力可調2024-12-1938三維掃描技術靜態測頭除具備觸發式測頭的觸發采樣功能外，測頭中還有三維幾何量傳感器，在測頭與工件表面接觸時，在X、Y、Z三個方向均有相應的位移量輸出，從而驅動伺服系統進行自動調整，使測頭停在規定的位移量上，在測頭接近靜止的狀態下采集三維坐標數據，故稱為靜態測頭。2024-12-1939三維掃描技術2)掃描式測頭靜態測頭沿工件表面移動時，可始終保持接觸狀態，進行掃描測量，因而也稱為掃描測頭。其主要特點是精度高，可以作連續掃描，但掃描速度低，且制造技術難度大，價格昂貴，適合于高精度測量機使用。目前由LEITZ、ZEISS等廠家生產的靜態測頭均采用電感式位移傳感器，故也將靜態測頭稱為三向電感測頭。2024-12-1940三維掃描技術2)掃描式測頭典型RENISHAW掃描式測頭：l

SP80掃描式測頭l

SP600M掃描式測頭lSP600Q掃描式測頭lSP25M掃描式測頭2024-12-1941三維掃描技術接觸式測頭選擇原則：l

測量目標主要放在零件的尺寸和位置精度，而不強調其形狀誤差時，選用觸發測量是合適的；l

對離散點需快速測量時，觸發測頭速度比掃描測頭快；l

觸發測頭體積小，當測量空間狹窄時，觸發測頭更易接近工件，所以窄小空間通常應用觸發測頭；另外，觸發測頭使用維修成本較低，所以目前市場上的大部分測量機，特別是中等精度測量機，仍然使用接觸式觸發測頭

。2024-12-1942三維掃描技術接觸式測頭選擇原則：l

測量目標是形狀、輪廓有嚴格要求的零件，該零件形狀直接影響零件的性能(如葉片、橢圓活塞等)時選用掃描式測頭;l

也適用于不能確信所用的加工設備能加工出形狀足夠好的零件，而形狀誤差成為主要問題時。l

高密度采點時，重復性好、精度高。2024-12-1943三維掃描技術4、2

探針2024-12-1944三維掃描技術探針Probe測針安裝在測頭上，是測量系統中直接接觸工件的部分。如何選用合適的測針類型和規格取決于被測工件的特征，但是在任何情況下，測針的剛性和測球的球度都是不可或缺的。測球選用工業用紅寶石，紅寶石測球是高硬度的陶瓷材料，具有很好的球度。測針針桿一般用非磁性的不銹鋼針桿或碳鎢纖維針桿，以保證測針的剛性。使用前的重要步驟：標定2024-12-1945三維掃描技術4、3非接觸式測頭在多數情況下，非接觸式測頭（光學測量）與被測物體沒有機械接觸，這種非接觸式測量具有一些突出優點，主要體現在：1）由于不存在測量力，因而適合于測量各種軟的和薄的工件；2）由于是非接觸測量，可以對工件表面進行快速掃描測量；3）多數光學測頭具有比較大的量程，這是一般接觸式測頭難以達到的；4）可以探測工件上一般機械測頭難以探測到的部位。2024-12-1946三維掃描技術非接觸式測頭非接觸測頭主要分為激光掃描測頭和視頻測頭兩種激光掃描測頭主要用于實現較軟材料或一些特征表面進行非接觸測量。測頭在距離檢測工件一定距離(比如50mm)，在其聚焦點一定范圍內進行測量，采點速率在200點/秒以上。通過對大量采集數據的平均處理功能而獲得較高的精度。2024-12-1947三維掃描技術非接觸式測頭視頻測頭進一步提高了測量機的應用，使得許多過去采用非接觸測量無法完成的任務得以完成。一些諸如印刷線路板、觸發器、墊片或直徑小于0.1mm的孔，可采用視頻測頭進行測量。操作者可將檢測工件表面放大50倍以上，采用標準的或可變換的鏡頭實現對細小工件的測量。2024-12-1948三維掃描技術選擇接觸/非接觸式測頭的幾點考慮：（1）在可以應用接觸式測頭的情況下，慎選非接觸式測頭；（2）在只測尺寸、位置要素的情況下盡量選接觸式觸發測頭；（3）考慮成本又能滿足要求的情況下，盡量選接觸式觸發測頭；（4）易變形零件、精度不高零件、要求超大量數據零件的測量，可以考慮采用非接觸式測頭;（5）要考慮軟件、附加硬件（如測頭控制器、電纜）的配套。2024-12-1949三維掃描技術4、4

回轉附件2測頭回轉體1測頭2B1A(a)(b)繞垂直軸的轉動范圍為360o，共48個位置，可實現7.5o為步距的轉位。繞水平軸的轉動范圍為0o～105o，共15個位置。測端在空間一共可有48×14＋1＝673個位置

。2024-12-1950三維掃描技術4、4

測頭座4532671星形測頭座示意圖1—星形測頭座

2—測頭

3—回轉接頭座

4—測頭5—星形探針連接器

6—測頭

7—測頭2024-12-1951三維掃描技術2024-12-1952三維掃描技術Hawk

544Hawk

764Hawk

1064Hawk

775Hawk

1075Hawk

1275Hawk

14752024-12-1953三維掃描技術wizprobe激光掃描系統的參數?

測量精度6

微米?

測量重復性

2

微米?

測量分辨率

1微米?

采樣速率500

點/秒?

激光光斑直徑

30微米?

適用材料

從黑色材料到光亮金屬?

輸出功率?

重量<1毫瓦，二類激光產品650克2024-12-1954三維掃描技術遙控操作盒控制柜2024-12-1955三維掃描技術?多語言支持，并有中文版；?軟件計算精度經PTB(德國聯邦物理技術研究所)權威認證；?內含點到點掃描功能，輕松實現曲線曲面掃描；?軟件開放性好，方便與其它CAD或SPC軟件交換數據和程序；?編程語言豐富，包括元素測量，數據輸出，文件操作，算術計算和邏輯運算。2024-12-1956三維掃描技術（1）汽車工業(Automotiveindustries)汽車工業是三坐標測量機目前最廣泛應用的領域。l

汽車外觀測量:主要用龍門式的大型三坐標測量機，l

汽車發動機和汽車內部零件測量：主要用精度高的橋式三坐標測量機。除此以外在汽車的玻璃，排氣口（Pipe,Muffler)的測量中也逐漸地使用三坐標測量機。2024-12-1957三維掃描技術（2）

航空工業(Aerospaceindustries)主要用于航空器部件如葉輪(Impeller)、葉片(Blade)之類的航空要素產品的測量。在葉輪或葉片之類的特殊形狀的產品測量中使用的測量軟件有一些特殊要求。此類專用軟件主要在曲線/曲面的測量和分析上使用。航空工業和汽車工業一樣，可以說是測量機需要最多的領域中的一處。2024-12-1958三維掃描技術（3）半導體部件工業(Semi