先進制造技術(shù)-9接觸式與非接觸式測量

1、2021/4/6,精密及復(fù)雜形狀產(chǎn)品數(shù)據(jù)的獲取 接觸式及非接觸式測量技術(shù) （Coordinate Measuring Machines CMM）,2021/4/6,接觸式及非接觸式測量技術(shù),主要內(nèi)容 1、三坐標(biāo)測量儀的原理 2、三坐標(biāo)測量儀的結(jié)構(gòu) 3、三坐標(biāo)測量儀的分類 4、三坐標(biāo)測量儀的測量系統(tǒng) 5、三坐標(biāo)測量儀應(yīng)用,2021/4/6,在計量科學(xué)領(lǐng)域，人們根據(jù)被測對象幾何形狀的復(fù)雜程度，將工業(yè)領(lǐng)域中的測量問題分為箱體類工件測量和具有復(fù)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(fā)動機箱體，機床加工部件或者是由簡單的形

2、狀曲面組成的沖模、鑄模、薄殼工件等等。 復(fù)雜幾何形狀工件：這類工件主要由具有明確數(shù)學(xué)定義的復(fù)雜曲線、曲面構(gòu)成，例如汽車車身曲面、螺旋槳葉片等。,1、三坐標(biāo)測量機的原理,2021/4/6,在測量方法上： 箱體類工件的檢測傳統(tǒng)通用的量具； 復(fù)雜幾何形狀工件的測量專用測量設(shè)備，例如三坐標(biāo)測量機。 對于從事生產(chǎn)復(fù)雜幾何形狀工件的企業(yè)來說，完成產(chǎn)品的質(zhì)量控制，企業(yè)不僅需要配置通用測量設(shè)備，例如通用標(biāo)準(zhǔn)量具、量儀，同時還需要配置專用測量設(shè)備。,1、三坐標(biāo)測量機的原理,2021/4/6,優(yōu)點： （1）具有專用的測量軟件，擴大其應(yīng)用范圍 （2）與其它系統(tǒng)通訊方便，大量生產(chǎn)時，如使用三坐標(biāo)測量機，可以瞬時進行質(zhì)

3、量管理 缺點： 三坐標(biāo)測量機的系統(tǒng)復(fù)雜，需要努力做好保養(yǎng)、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(guān)領(lǐng)域的專業(yè)知識。另外，因?qū)囟然蛘駝拥让舾?，需要管理好周邊環(huán)境。,三坐標(biāo)測量機,1、三坐標(biāo)測量機的原理,2021/4/6,1、三坐標(biāo)測量機的原理,三坐標(biāo)測量機是基于坐標(biāo)測量的通用化數(shù)字測量設(shè)備。它首先將被測幾何元素的測量轉(zhuǎn)化為對這些幾何元素上一些點集坐標(biāo)位置的測量，在測得這些點的坐標(biāo)位置后，再根據(jù)這些點的空間坐標(biāo)值，經(jīng)過數(shù)學(xué)運算求出其尺寸和形位誤差。,2021/4/6,2,1,Z,Y,X,3,O,I,A,OI,1、三坐標(biāo)測量機的原理,2021/4/6,2、三坐標(biāo)測量機結(jié)構(gòu),2021/

4、4/6,2、1 工作臺 早期的三坐標(biāo)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(chǎn)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(wěn)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(zhuǎn)工作臺，以擴大測量功能。,2、三坐標(biāo)測量機結(jié)構(gòu),2021/4/6,2、2 導(dǎo)軌 導(dǎo)軌是測量機的導(dǎo)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(shù)三坐標(biāo)測量機已采用空氣靜壓導(dǎo)軌（又稱為氣浮導(dǎo)軌、氣墊導(dǎo)軌），它具有許多優(yōu)點，如制造簡單、精度高、摩擦力極小、工作平穩(wěn)等。 氣浮導(dǎo)軌的進氣壓力一般為36個大氣壓，要

5、求有穩(wěn)壓裝置。,2、三坐標(biāo)測量機結(jié)構(gòu),2021/4/6,2、三坐標(biāo)測量機結(jié)構(gòu),三坐標(biāo)測量機氣浮導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu) 1工作臺 2氣墊 3 滾輪 4 壓縮彈簧 5導(dǎo)向塊 6橋架,2021/4/6,2、3 測量系統(tǒng) 由回轉(zhuǎn)體、測頭和探針組成。,2、三坐標(biāo)測量機結(jié)構(gòu),2,(b),(a),測頭,探針,2021/4/6,3、1 按測頭是否與工件接觸 （1）接觸式 （2）非接觸式,3、三坐標(biāo)測量機分類,接觸式,非接觸式,2021/4/6,傳統(tǒng)三坐標(biāo)坐標(biāo)測量機（接觸式）是測量和獲得高精度尺寸數(shù)據(jù)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(guī)，也可以作為精度指標(biāo)檢測非接觸式測量的數(shù)據(jù)。 生產(chǎn)節(jié)奏的加快和科

6、學(xué)研究的需要，要求大幅度提高測量效率，而傳統(tǒng)三坐標(biāo)測量機采用點位測量方式，多數(shù)情況下仍然采用接觸測頭，存在速度慢、可能損傷被測件、發(fā)生碰撞等缺點。,3、三坐標(biāo)測量機分類,2021/4/6,3、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(zhǔn)定位的功能外還能按照預(yù)先編制好的程序自動完成全部測量和計算過程。,3、三坐標(biāo)測量機分類,2021/4/6,3、3 按CMM的測量范圍分類：,（1）小型坐標(biāo)測量機 這類CMM在其最長一個坐標(biāo)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(biāo)測

7、量機 這類CMM在其最長一個坐標(biāo)軸方向上的測量范圍為5002000mm，是應(yīng)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(biāo)測量機 這類CMM在其最長一個坐標(biāo)軸方向上的測量范圍大于2000mm，主要用于汽車與發(fā)動機外殼、航空發(fā)動機葉片等大型零件的測量。,3、三坐標(biāo)測量機分類,2021/4/6,3、4 按CMM的精度分類 （1）精密型CMM 其單軸最大測量精度小于1106 L（L為最大量程，單位為mm），空間最大測量精度小于（23）106 L，一般放在具有恒溫條件的計量室內(nèi)，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1104 L左右，空間最大測量精度為

8、（23）104 L；中等精度CMM的單軸最大測量精度約為1105 L，空間最大測量精度為（23）105 L。這類CMM一般放在生產(chǎn)車間內(nèi)，用于生產(chǎn)過程檢測。,3、三坐標(biāo)測量機分類,2021/4/6,3、5 根據(jù)測量機主軸與工作臺的位置分類 目前有三種基本類型： 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 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 便攜式,3、三坐標(biāo)測量機分類,2021/4/6,垂直式坐標(biāo)測量機,水平式坐標(biāo)測量機,便攜式測量機,2021/4/6,垂直式坐標(biāo)測量機,（1）垂直式坐標(biāo)測量機,2021/4/6,1）移動橋式

9、測量機,移動橋式結(jié)構(gòu)，它是目前應(yīng)用最廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的X向驅(qū)動位于橋框一側(cè)，橋框移動時易產(chǎn)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(jié)構(gòu)主要用于中等精度的中小機型。,2021/4/6,2）固定橋式測量機,橋框固定不動，X向標(biāo)尺和驅(qū)動機構(gòu)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(wěn)定性好，運動誤差小，適用于高精度測量，但工作臺負(fù)載能力小，結(jié)構(gòu)敞開性不好，主要用于高精度的中小機型。,2021/4/6,3）L-型橋式測量機,結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，敞開性一般，兼具移動橋式結(jié)構(gòu)

10、承載能力強和固定橋式結(jié)構(gòu)精度高的優(yōu)點，適用于高精度、中型尺寸以下機型。 X軸導(dǎo)軌采用半橋式結(jié)構(gòu)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。,2021/4/6,4）懸臂式測量機,結(jié)構(gòu)簡單，具有很好的敞開性，但當(dāng)滑架在懸臂上作Y向運動時，會使懸臂的變形發(fā)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。,2021/4/6,5）龍門式測量機,與移動橋式結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別是它的移動部分只是橫梁，移動部分質(zhì)量小，整個結(jié)構(gòu)剛性好。可保證測量精度，具有高精度、高剛性、高穩(wěn)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(yè)界的必備檢測設(shè)備。,2021

11、/4/6,也稱為儀器臺式結(jié)構(gòu)，它是在工具顯微鏡的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。其優(yōu)點是操作方便、測量精度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測量范圍小，適用于高精度的小型零件。,6）單立柱式測量機,2021/4/6,（2）水平臂式測量機,2021/4/6,2）水平臂立柱式測量機,水平臂立柱式結(jié)構(gòu)在汽車工業(yè)中有廣泛應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(jié)構(gòu),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(chǎn)現(xiàn)場使用。,2021/4/6,2）水平臂工作臺移動式測量機,水平臂工作臺移動式結(jié)構(gòu)其敞開性較好，水平臂部

12、件質(zhì)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。,2021/4/6,（2）水平臂式測量機,2021/4/6,（3）關(guān)節(jié)式測量機,便攜式測量單元 6個旋轉(zhuǎn)軸，具有最大的自由度； 有效行程：1500 4000 mm,2021/4/6,便攜式激光測量系統(tǒng) 實時顯示和輸出,2021/4/6,4、三坐標(biāo)測量機的測量系統(tǒng),三坐標(biāo)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(fā)訊開關(guān)，也是坐標(biāo)測量機的關(guān)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(fā)揮測量機的功能。 三坐標(biāo)測量機上使用的測頭，按結(jié)構(gòu)原理

13、可分為機械式（基本淘汰）、電氣式和光學(xué)式等；按測量方法又可分為接觸式和非接觸式兩類。,4、1 測頭,2021/4/6,電氣接觸式測頭又可分為： 動態(tài)發(fā)訊式(觸發(fā)式或開關(guān)式) 靜態(tài)發(fā)訊式(掃描式或比例式)兩大類,4、1 接觸式測頭,4、三坐標(biāo)測量機的測量系統(tǒng),2021/4/6,1) 測量機觸發(fā)式測頭,動態(tài)測頭結(jié)構(gòu)簡單、成本低，可用于高速測量，但精度稍低，而且動態(tài)測頭不能以接觸狀態(tài)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(xù)的掃描測量。 目前，絕大多數(shù)生產(chǎn)廠選用英國RENISHAW公司生產(chǎn)的觸發(fā)式測頭。,2021/4/6,典型RENISHAW(英國雷尼紹公司)觸發(fā)式測頭： TP2

14、0觸發(fā)式測頭 TP200高精度觸發(fā)式測頭 TP7M高精度觸發(fā)式測頭 TP6/6A觸發(fā)式測頭,1) 觸發(fā)式測頭,2021/4/6,觸發(fā)式TP20測頭,TP20由測頭本體和可分離測頭吸盤兩部分組成。TP20特點：- 動態(tài)觸發(fā)測頭，五方向自由度測量,2021/4/6,TP200高精度觸發(fā)式測頭,TP200測頭，包含有微力傳感器，具備優(yōu)異的測量重復(fù)性和精確的空間形狀測量精度。TP200測頭具備超微觸發(fā)技術(shù)，避免了傳統(tǒng)測頭常會出現(xiàn)的拖動情況，保證了上百萬次的可靠操作。 TP200的特點：- 優(yōu)異的重復(fù)性- 精確的三維形狀測量- 吸盤的壽命達到上百萬次,2021/4/6,TP7M高精度觸發(fā)式測頭,產(chǎn)品綜述

15、：TP7M采用應(yīng)變片技術(shù)，較傳統(tǒng)的觸發(fā)式測頭具有更高的精度。采用自動連接，從而為數(shù)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(fù)性- 探針長度可達到150mm- 六方向感應(yīng)- 自動更換功能,2021/4/6,TP6/6A觸發(fā)式測頭,產(chǎn)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(diào),2021/4/6,靜態(tài)測頭除具備觸發(fā)式測頭的觸發(fā)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(yīng)

16、的位移量輸出，從而驅(qū)動伺服系統(tǒng)進行自動調(diào)整，使測頭停在規(guī)定的位移量上，在測頭接近靜止的狀態(tài)下采集三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，故稱為靜態(tài)測頭。,2) 測量機掃描式測頭,2021/4/6,2) 掃描式測頭,靜態(tài)測頭沿工件表面移動時，可始終保持接觸狀態(tài)，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(xù)掃描，但掃描速度低，且制造技術(shù)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(chǎn)的靜態(tài)測頭均采用電感式位移傳感器，故也將靜態(tài)測頭稱為三向電感測頭。,2021/4/6,典型RENISHAW掃描式測頭： SP80掃描式測頭 SP600M掃描式測頭 SP600Q掃描式測頭 S

17、P25M掃描式測頭,2) 掃描式測頭,2021/4/6,接觸式測頭選擇原則：,測量目標(biāo)主要放在零件的尺寸和位置精度，而不強調(diào)其形狀誤差時，選用觸發(fā)測量是合適的； 對離散點需快速測量時，觸發(fā)測頭速度比掃描測頭快； 觸發(fā)測頭體積小，當(dāng)測量空間狹窄時，觸發(fā)測頭更易接近工件，所以窄小空間通常應(yīng)用觸發(fā)測頭； 另外，觸發(fā)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(fā)測頭 。,4、三坐標(biāo)測量機的測量系統(tǒng),2021/4/6,測量目標(biāo)是形狀、輪廓有嚴(yán)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; 也適用于不能確信所用的加工設(shè)備能加

18、工出形狀足夠好的零件，而形狀誤差成為主要問題時。 高密度采點時，重復(fù)性好、精度高。,接觸式測頭選擇原則：,4、測量機測頭,2021/4/6,4、三坐標(biāo)測量機的測量系統(tǒng),4、2 探針,2021/4/6,探針 Probe,測針安裝在測頭上，是測量系統(tǒng)中直接接觸工件的部分。如何選用合適的測針類型和規(guī)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(yè)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(biāo)定,2021/4/6,在多數(shù)情況下，非接觸式測頭（光學(xué)測量）與被測

19、物體沒有機械接觸，這種非接觸式測量具有一些突出優(yōu)點，主要體現(xiàn)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(shù)光學(xué)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。,4、3 非接觸式測頭,4、三坐標(biāo)測量機的測量系統(tǒng),2021/4/6,非接觸式測頭,激光掃描測頭主要用于實現(xiàn)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(nèi)進行測量，采點速率在200點/秒以上。通過對大量采集數(shù)據(jù)的平均處理功能而獲得較高的精度。,非接觸

20、測頭主要分為激光掃描測頭和視頻測頭兩種,2021/4/6,非接觸式測頭,視頻測頭進一步提高了測量機的應(yīng)用，使得許多過去采用非接觸測量無法完成的任務(wù)得以完成。一些諸如印刷線路板、觸發(fā)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(biāo)準(zhǔn)的或可變換的鏡頭實現(xiàn)對細(xì)小工件的測量。,2021/4/6,選擇接觸/非接觸式測頭的幾點考慮： （1）在可以應(yīng)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(fā)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(fā)測頭； （4）易變形零件、精度不高零件、要求超大量數(shù)據(jù)零

21、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。,4、三坐標(biāo)測量機的測量系統(tǒng),2021/4/6,4、4 回轉(zhuǎn)附件,2測頭回轉(zhuǎn)體,繞垂直軸的轉(zhuǎn)動范圍為360o，共48個位置，可實現(xiàn)7.5o為步距的轉(zhuǎn)位。繞水平軸的轉(zhuǎn)動范圍為0o105o，共15個位置。,測端在空間一共可有48141673個位置 。,4、三坐標(biāo)測量機的測量系統(tǒng),2021/4/6,5,1,2,6,4,3,7,星形測頭座示意圖,1星形測頭座 2測頭 3回轉(zhuǎn)接頭座 4測頭 5星形探針連接器 6測頭 7測頭,4、三坐標(biāo)測量機的測量系統(tǒng),4、4 測頭座,2021/4/6,The WIZprobe

22、(激光掃描測頭 ) （以色列Nextec公司 ）,2021/4/6,Hawk （英國VISION公司 ）,Hawk 544 Hawk 764 Hawk 1064 Hawk 775 Hawk 1075 Hawk 1275 Hawk 1475,2021/4/6,wizprobe激光掃描系統(tǒng)的參數(shù),測量精度6 微米 測量重復(fù)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1毫瓦，二類激光產(chǎn)品 重量650克,2021/4/6,CMM的數(shù)控系統(tǒng),遙控操作盒,控制柜,2021/4/6,測量軟件,多語言支持，并有中文版； 軟件計算精度

23、經(jīng)PTB(德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究所)權(quán)威認(rèn)證； 內(nèi)含點到點掃描功能，輕松實現(xiàn)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(shù)據(jù)和程序；,編程語言豐富，包括元素測量，數(shù)據(jù)輸出，文件操作，算術(shù)計算和邏輯運算。,2021/4/6,5、典型應(yīng)用,（1）汽車工業(yè)(Automotive industries),汽車外觀測量: 主要用龍門式的大型三坐標(biāo)測量機， 汽車發(fā)動機和汽車內(nèi)部零件測量：主要用精度高的橋式三坐標(biāo)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(biāo)測量機。,汽車工業(yè)是三坐標(biāo)測量機目前最廣泛應(yīng)用的領(lǐng)域。,2021/4/6,（2） 航空工

24、業(yè)(Aerospace industries),主要用于航空器部件如葉輪(Impeller)、葉片(Blade)之類的航空要素產(chǎn)品的測量。 在葉輪或葉片之類的特殊形狀的產(chǎn)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(yè)和汽車工業(yè)一樣，可以說是測量機需要最多的領(lǐng)域中的一處。,5、 典型應(yīng)用,2021/4/6,（3）半導(dǎo)體部件工業(yè)(Semiconductor parts industries),大部分主要使用非接觸式三坐標(biāo)測量機，在特殊的情況下有限地使用接觸式測量機。 主要用于半導(dǎo)體部件的測量或部件的檢查（外觀檢查，尺寸檢查）等，大多情況下精度要求比機械工業(yè)的精度要求更高。,5、 典型應(yīng)用