三坐標測量機培訓教程

三坐標測量機培訓教程三坐標測量機基礎培訓教程無錫職業(yè)技術學院三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第1頁。2008年6月三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第1頁。前言機械設計、制造及檢測是機械工程領域的三大技術支柱及研究內容。隨著計算機輔助技術的發(fā)展，計算機輔助設計、制造及檢測的應用日益普及，尤其是計算機輔助設計和制造技術，在目前的機械類課程教學中起到越來越重要的作用。隨著我國機械工業(yè)的迅速發(fā)展和市場競爭的日益激烈，計算機輔助檢測技術作為提高產品質量的重要手段以及逆向工程技術的發(fā)展，也日漸形成為一門獨立的學科獲得了迅速的發(fā)展。在工業(yè)應用上，各種計算機輔助檢測工藝及系統推陳出新。除傳統的三坐標測量機外，近幾年發(fā)展起來許多新的檢測工藝如激光掃描測量、影像測量、照相測量等等。檢測設備除傳統的臺式機外，還涌現了關節(jié)臂式、手持式等測量設備。而目前高校機械工程教學中對檢測領域的教學還僅限于傳統的工具階段，雖有“互換性及技術測量基礎”，“幾何量精度設計與檢測”，“形狀與位置公差”等與檢測相關的課程，但這些課程的教學還局限于傳統的游標卡尺、千分尺、水平儀等簡單檢測工具的教學。對基于計算機輔助檢測技術的新一代高精度、高柔性、數字化的檢測原理及工業(yè)應用領域幾乎沒有涉及。顯然這是今后機械和儀器儀表類課程教學和改革中必須加強的內容，以提高學生的實際動手能力和適應社會需要的能力。本校本教程過小容負責編輯整理，在編寫過程中得到了三坐標測量機生產廠家其他有關高等院校和職業(yè)技術學院的大力支持與幫助，同時還參閱了幾十種相關的書籍及其他文章資料，謹在此予以致謝。由于編者的水平所限，書中難免存在著缺點或疏漏，懇請批評指正。三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第2頁。

目 錄三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第2頁。第一章計算機輔助檢測技術概論1.1計算機輔助檢測的基本概念1.2計算機輔助檢測技術與系統三坐標測量機計算機輔助檢測技術的應用1.5計算機輔助檢測技術的發(fā)展趨勢1.6 標準球定義與檢驗1.7 幾何元素構造第二章 軟件MWorks-DMIS簡介MWorks-DMIS軟件的主要功能特性MWorks-DMIS軟件的安裝與啟動MWorks-DMIS軟件的用戶界面2.4軟件的環(huán)境、視圖與窗口第三章 三坐標測量機測頭系統配置分步式配置測頭系統向導式創(chuàng)建測頭系統第四章 三坐標測量機坐標系的建立與變換4.1坐標系的建立4.2坐標系的旋轉、平移、清零與轉換4.3坐標系的存儲、調用與刪除第五章 零件幾何特征的測量5.1點線面測量5.2圓圓柱圓錐的測量5.3球橢圓的測量5.4曲線曲面的測量5.6點云與數模對比測量第六章 幾何特征的構造三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第3頁。6.1求交三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第3頁。6.2平分6.3擬合6.4投影6.5相切到6.6相切過6.7垂直過6.8平行過6.9移位第七章 零件的公差分析尺寸公差7.2形狀公差7.3定位公差7.4定向公差7.5跳動公差7.6截面綁定7.7數模對比設置第八章 三坐標測量機的測量文件8.1測量文件的存儲與調用8.2測量文件的編輯與修改8.3測量文件的重復執(zhí)行8.4CAD模型的輸入輸出三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第4頁。三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第4頁。第一章計算機輔助檢測技術概論計算機輔助檢測的基本概念在傳統的機械檢測領域，游標卡尺、千分尺、螺旋測微儀等工具是手工檢測機械零件或裝配件的主要工具。這種檢測方式的優(yōu)點是成本低、檢測方便、易學易用，但缺點是檢測精度不高、檢測效率低、對于復雜零件的檢測無能為力。自上世紀七十年代以來，計算機輔助工程技術獲得了迅猛的發(fā)展。在機械工程領域，計算機輔助工程在設計、加工、分析、檢測以及制造過程管理方面都獲得了廣泛的應用，形成了一系列的新興學科，如計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助分析（CAE）、計算機輔助檢測（CAI）、產品數據管理（PDM）等等。計算機輔助檢測是綜合利用機電技術、計算機技術、控制及軟件技術而發(fā)展起來的一項新技術，其特點是測量精度高、測量柔性好、測量效率較高，尤其是對復雜零件的檢測，更是傳統測量方法所無法比擬的。經過近幾十年的發(fā)展，計算機輔助檢測系統已經發(fā)生了很大的變化。從測量原理上來看，計算機輔助檢測技術已經由當初的接觸式測量擴展到非接觸以及復合式測量。測量的設備也由當初唯一的三坐標測量機擴展到目前的激光測量儀、影像（視頻）測量儀、照相（攝影）測量儀等檢測工藝比較豐富的產品系列。顧名思義，接觸式測量儀就是指測量器具通過與被測工件的表面接觸獲取物體表面的坐標信息。接觸式測量的典型產品是三坐標測量機。非接觸式測量是指利用工業(yè)CCD鏡頭或激光對物體表面進行測量從而獲得物體三維坐標信息的測量工具。目前此類系統主要有激光測量儀、影像（視頻）測量儀、照相（攝影）測量儀等。復合式測量則是指在同一個測量工具上集成了兩種以上的測量方式，如接觸式的探針測頭和影像測量或激光測量。計算機輔助檢測技術與系統接觸式測量系統接觸式測量是指在測量過程中測量工具與被測工件表面直接接觸而獲得測點位置信息的測量方法。目前常用的接觸測量方法包括：三坐標測量機、關節(jié)臂式柔性三坐標測量機等。不同的接觸式測量方法具有不同的測量原理。對于三坐標測量機而言，測量機是由三個帶有光柵尺的坐標軸組成，當測頭在測量過程中移動時，附著在光柵尺上的讀書頭可以讀出移動的光柵格數，由軟件將走過的光柵格數根據光柵的分辨率記錄并轉化為長度值，然后由數據處理軟件進行相應的數學運算，求出被測點的位置以及被測幾何元素的參數，如圓的半徑、直徑和圓心位置等。圖1-1給出了工業(yè)用三坐標測量機的結構示意圖。三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第5頁。對于柔性關節(jié)臂三坐標測量機而言，機器的定位采用的是圓光柵，機器的任一關節(jié)旋轉時，可以根據球坐標系算出測針當前的空間位置。機器通過數據采集卡將空間位置信息傳出，然后由數據處理軟件進行處理。三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第5頁。圖1-1三坐標測量機非接觸式測量系統非接觸式測量是指在測量過程中測量工具與被測工件表面不發(fā)生直接接觸而獲得測點信息的測量方法。目前常用的非接觸測量方法包括：激光掃描、影像測量、照相測量和工業(yè)CT掃描等。下面簡單介紹一下常用的幾種工藝方法。.1激光掃描測量激光掃描測量系統是近二十年來發(fā)展起來的一項新的測量工藝，它利用三角測量法的原理，可以迅速獲取物體表面的三維幾何信息。三角測量法有被動三角測量和主動三角測量兩種，被動三角測量法假設物體自發(fā)光；相反，主動三角測量法則是用激光照亮目標。三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第6頁。三角測量的基本原理是由半導體激光器發(fā)出的激光通過聚光透鏡在被測曲面上結成光點并反射，光敏元件(如PSD)接收其散射光，根據其在PSD上的位置，即可測出被測點的空間坐標。圖1-2給出了被動三角法的測量原理。三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第6頁。圖1-2三角法測量原理激光掃描可以根據激光光源的不同可以分為點掃描和線掃描兩種。一般點掃描獲取點的速度在每秒幾十點以上。而線掃描可根據線寬，得到從一萬到幾萬的掃描采點速度。根據激光掃描系統的機械結構，激光掃描可分為臺式、關節(jié)臂式以及手持式三種。臺式激光掃描系統與三坐標測量的機械結構類似，有工作臺、XYZ坐標軸、光柵尺、運動導軌等，有些測量系統還增加了旋轉臺，從而使系統的掃描功能獲得進一步的增強。圖1-3給出了一種臺式和關節(jié)臂式激光掃描儀的示意圖。a.臺式激光掃描系統 b.關節(jié)臂式激光掃描系統圖1-3激光掃描系統示意圖關節(jié)臂式激光掃描系統是在關節(jié)臂式測量系統的基礎上增加激光掃描測頭而形成的。關節(jié)臂式測量機，又稱柔性測量臂，由于機器操作比較靈活，目前在工程上已經廣泛應用，如對汽車和飛機內部的測量，生產現場的測量等等。三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第7頁。關節(jié)臂式激光掃描系統目前以5、6、7個自由度的設備最多。三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第7頁。.2圖像測量圖像測量又稱CCD測量、影像測量或視頻測量。它通過工業(yè)CCD鏡頭對物體表面掃描和光電轉換功能將空間的光強分布轉換為時序的圖像信號，并根據確定的時空參數間的相互關系獲得物體空間分布的狀態(tài)數據。圖1-4給出了一個完整的CCD圖像測量系統。圖1-4影象測量系統示意圖.3照相（攝影）測量照相（攝影）測量是指利用相機對物體多個角度測量得到圖像信息，再根據空間物體投影的原理，利用物體表面的標志點信息對物體進行三維空間位置的反算，進而求出物體表面標志點的三維信息。圖1-5給出照相測量的原理圖。首先利用相機對物體表面進行拍攝，從不同角度拍出若干照片。由軟件計算出每張照片中的攝像機的位置。三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第8頁。軟件再由每個照片位置計算出三維空間中的光線交叉。三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第8頁。通過使用多個照片，可以獲得整個物體的全部情況。圖1-5照相測量原理示意圖照相測量在大地、建筑、空間測量中比較普及，在機械測量行業(yè)中的應用尚不普遍。近幾年來，基于照相測量的技術發(fā)展很快，除國際上一些知名的產品外，國內也已經發(fā)展起來。1.2.3復合式測量系統復合式測量系統是指在同一個測量系統上集成兩個以上的測量工藝或方法，常見的復合式測量機有三坐標測量機與激光掃描的集成、三坐標測量機與圖像測量的集成，以及上述三種測量工藝的集成等。復合式測量系統的優(yōu)點是利用同一臺測量機，可以測量一個零件的不同特征，從而使測量的結果更準確，效率更高，并節(jié)約機器的購置成本。比如，對于既有復雜曲面又有典型幾何元素形狀的機械零件來說，利用三坐標的接觸式測量方法和激光測量方法就可以取得較好的測量效果。而對于一些大量以平面特征為主的零部件來說，圖像測量與三坐標的配合則效果會更好。三坐標測量機三坐標測量機的發(fā)展及工作原理一、三坐標測量機的產生三坐標測量機（CoordinateMeasurementMachine，簡稱CMM）,又稱三坐標測量儀，是20世紀60年代發(fā)展起來的一種新型高效的精密測量儀器。它的出現，一方面是由于自動機床、數控機床高效率加工以及越來越多復雜形狀零件加工需要有快速可靠的測量設備與之配套；另一方面是由于計算機技術、數字控制技術以及精密加工技術的發(fā)展為三坐標測量機的產生提供了技術基礎。1960年，英國FERRANTI公司研制成功世界上第一臺三坐標測量機，到20世紀60年代末，已有近十個國家的三十多家公司在生產三坐標測量機，不過這一時期的三坐標測量機尚處于技術的發(fā)展階段。進入20世紀80年代后，以海克斯康、德國蔡氏、英國LK、日本三豐等為代表的眾多公司不斷采用新的檢測技術，推出新的產品，使得三坐標測量機的發(fā)展速度加快?，F代三坐標測量機不僅能在計算機控制下完成各種復雜測量，而且可以通過與數控機床交換信息，實現對加工的控制，并且還可以根據測量數據，實現逆向工程。目前，三坐標測量機已廣泛應用于機械制造業(yè)、汽車工業(yè)、電子工業(yè)、航空航天工業(yè)和國防工業(yè)等各部門，成為現代工業(yè)檢測和質量控制不可缺少的精密測量設備。二、三坐標測量機的組成及工作原理（一）三坐標測量機的組成三坐標測量機是典型的機電一體化設備，它由機械系統、測頭系統、電氣系統、以及計算機和軟件四大部分組成。（1）機械系統：一般由三個正交的直線運動軸構成。如圖1-6所示結構中，X向導軌系統裝在工作臺上，移動橋架橫梁是Y向導軌系統，Z向導軌系統裝在中央滑架內。三個方向軸上均裝有光柵尺用以度量各軸位移值。（2）電氣系統：除機械系統外，三坐標測量系統中的光柵尺、光柵讀數頭、數據采集卡、自動系統的運動控制卡、接口箱、電纜線、電機等構成了三坐標測量機的電氣系統。（3）測頭系統：測頭系統是三坐標測量機的數據采集器，其作用是獲取當前坐標位置的三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第9頁。信息。測頭系統按其組成有兩類：機械式測頭和電氣式測頭兩種。三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第9頁。（4）計算機和軟件系統：一般由計算機、數據處理軟件系統組成，用于獲得被測點的坐標數據，并對數據進行計算處理。6Y 324X51圖1-6三坐標測量機的組成原理1—工作平臺 2—移動橋架 3—中央滑架 4—Z軸 5—測頭 6—電氣和軟件系統（二）三坐標測量機的工作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。它首先將各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。如圖1-7所示，要測量工件上一圓柱孔的直徑，可以在垂直于孔軸線的截面I內，觸測內孔壁上三個點（點1、2、3），則根據這三點的坐標值就可計算出孔的直徑及圓心坐標OI；如果在該截面內觸測更多的點（點1，2，…，n，n為測點數），則可根據最小二乘法或最小條件法計算出該截面圓的圓度誤差；如果對多個垂直于孔軸線的截面圓（I，II，…，m，m為測量的截面圓數）進行測量，則根據測得點的坐標值可計算出孔的圓柱度誤差以及各截面圓的圓心坐標，再根據各圓心坐標值又可計算出孔軸線位置；如果再在孔端面A上觸測三點，則可計算出孔軸線對端面的位置度誤差。由此可見，三坐標測量機的這一工作原理使得其具有很大的通用性與柔性。從原理上說，它可以測量任何工件的任何幾何元素的任何參數。ZA1 I 3OI2OYX三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第10頁。圖1-7坐標測量原理三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第10頁。三、三坐標測量機的分類（一）按三坐標測量機的技術水平分類1．數字顯示及打印型這類三坐標測量機主要用于幾何尺寸測量，可顯示并打印出測得點的坐標數據，但要獲得所需的幾何尺寸形位誤差，還需進行人工運算，其技術水平較低，目前已基本被陶汰。2．帶有計算機進行數據處理型這類三坐標測量機技術水平略高，目前應用較多。其測量仍為手動或機動，但用計算機處理測量數據，可完成諸如工件安裝傾斜的自動校正計算、坐標變換、孔心距計算、偏差值計算等數據處理工作。3．計算機數字控制型這類三坐標測量機技術水平較高，可像數控機床一樣，按照編制好的程序自動測量。（二）按三坐標測量機的測量范圍分類1．小型坐標測量機這類三坐標測量機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三坐標測量機在其最長一個坐標軸方向上的測量范圍為5002000mm，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三坐標測量機在其最長一個坐標軸方向上的測量范圍大于2000mm，主要用于汽車發(fā)動機外殼、航空發(fā)動機葉片等大型零件的測量。（三）按三坐標測量機的精度分類1．精密型三坐標測量機其單軸最大測量不確定度小于1×10－6L（L為最大量程，單位為mm），空間最大測量不確定度小于（2～3）×10－62．中、低精度三坐標測量機低精度三坐標測量機的單軸最大測量不確定度大體在1×10－4L左右，空間最大測量不確定度為（2～3）×10－4L，中等精度三坐標測量機的單軸最大測量不確定度約為1×10－5L，空間最大測量不確定度為（2～3）×10－5（四）按三坐標測量機的結構形式分類按照結構形式，三坐標測量機可分為移動橋式、固定橋式、龍門式、懸臂式、立柱式等，見下節(jié)。三坐標測量機的機械結構一、結構形式三坐標測量機是由三個正交的直線運動軸構成的，這三個坐標軸的相互配置位置（即總體結構形式）對測量機的精度以及對被測工件的適用性影響較大。圖1-8是目前常見的幾種三坐標測量機結構形式，下面對其結構特點和應用范圍作簡要介紹。圖1-8a為移動橋式結構，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，工件安裝在固定工作臺上，承載能力強。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，而該結構的X向標尺也位于橋框一側，在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。圖1-8b為固定橋式結構，其橋框固定不動，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(wěn)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。圖1-8c為中心門移動式結構，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(yōu)點，適用于高精度、中型尺寸以下機型。三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第11頁。圖1-8d為龍門式結構，它與移動橋式結構的主要區(qū)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，三個坐標測量范圍較大時也可保證測量精度，適用于大機型，缺三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第11頁。點是立柱限制了工件裝卸，單側驅動時仍會帶來較大的阿貝誤差，而雙側驅動方式在技術上較為復雜，只有Y向跨距很大、對精度要求較高的大型測量機才采用。圖1-8e為懸臂式結構，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(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。Z Z ZXY YX YX(a)

(b)

(c)Z ZX Y X Y ZYX(d) (e)

(f)ZZZYX X X YY(g)

(h)

(i)(a)移動橋式(b)固定橋式(c)中心門移動式(d)龍門式(e)懸臂式(f)單柱移動式(g)單柱固定式(h)橫臂立柱式(i)橫臂工作臺移動式圖1-8三坐標測量機的結構形式圖1-8f為單柱移動式結構，也稱為儀器臺式結構，它是在工具顯微鏡的結構基礎上發(fā)展起來的。其優(yōu)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數控機型。圖1-8g為單柱固定式結構，它是在坐標鏜的基礎上發(fā)展起來的。其結構牢靠、敞開性較好，但工件的重量對工作臺運動有影響，同時兩維平動工作臺行程不可能太大，因此僅用于測量精度中等的中小型測量機。圖1-8h為橫臂立柱式結構，也稱為水平臂式結構，在汽車工業(yè)中有廣泛應用。其結構簡單、敞開性好，尺寸也可以較大，但因橫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。三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第12頁。圖1-8i為橫臂工作臺移動式結構，其敞開性較好，橫臂部件質量較小，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機型。三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第12頁。二、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(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工作臺，以擴大測量功能。三、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。在三坐標測量機上使用的導軌有滑動導軌、滾動導軌和氣浮導軌，但常用的為滑動導軌和氣浮導軌，滾動導軌應用較少，因為滾動導軌的耐磨性較差，剛度也較滑動導軌低。在早期的三坐標測量機中，許多機型采用的是滑動導軌。滑動導軌精度高，承載能力強，但摩擦阻力大，易磨損，低速運行時易產生爬行，也不易在高速下運行，有逐步被氣浮導軌取代的趨勢。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(yōu)點，如制造簡單、精度高、摩擦力極小、工作平穩(wěn)等。6 A-A543A A21圖1-9三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—橋架圖1-9給出的是一移動橋式結構三坐標測量機氣浮導軌的結構示意圖，其結構中有六個氣墊2（水平面四個，側面兩個），使得整個橋架浮起。滾輪3受壓縮彈簧4的壓力作用而與導向塊5緊貼，由彈簧力保證氣墊在工作狀態(tài)下與導軌導向面之間的間隙。當橋架6移動時，若產生扭動，則使氣墊與導軌面之間的間隙量發(fā)生變化，其壓力也隨之變化，從而造成瞬時的不平衡狀態(tài)，但在彈簧力的作用下會重新達到平衡，使之穩(wěn)定地保持10μm的間隙量，以保證橋架的運動精度。氣浮導軌的進氣壓力一般為3～6個大氣壓，要求有穩(wěn)壓裝置。氣浮技術的發(fā)展使三坐標測量機在加工周期和精度方面均有很大的突破。目前不少生產廠在尋找高強度輕型材料作為導軌材料，有些生產廠已選用陶瓷或高膜量型的碳素纖維作為移動橋架和橫梁上運動部件的材料。另外，為了加速熱傳導，減少熱變形，ZEISS公司采用帶涂層的抗時效合金來制造導軌，使其時效變形極小且使其各部分的溫度更加趨于均勻一致，從而使整機的測量精度得到了提高，而對環(huán)境溫度的要求卻又可以放寬些。三坐標測量機的測量系統三坐標測量機的測量系統由標尺系統和測頭系統構成，它們是三坐標測量機的關鍵組成部分，決定著三坐標測量機測量精度的高低。三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第13頁。一、標尺系統標尺系統是用來度量各軸的坐標數值的，目前三坐標測量機上使用的標尺系統種類很多，它們與在各種機床和儀器上使用的標尺系統大致相同，按其性質可以分為機械式標尺系統（如精密絲杠加微分鼓輪，精密齒條及齒輪，滾動直尺）、光學式標尺系統（如光學讀數刻線尺，光學編碼器，光柵，激光干涉儀）和電氣式標尺系統（如感應同步器，磁柵）。根據對國內外生產三坐標測量機所使用的標尺系統的統計分析可知，使用最多的是光柵，其次是感應同步器和光學編碼器。有些高精度三坐標測量機的標尺系統采用了激光干涉儀。三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第13頁。二、測頭系統（一）測頭三坐標測量機是用測頭來拾取信號的，因而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。在三坐標測量機上使用的測頭，按結構原理可分為機械式、光學式和電氣式等；而按測量方法又可分為接觸式和非接觸式兩類。1．機械接觸式測頭機械接觸式測頭為剛性測頭，根據其觸測部位的形狀，可以分為圓錐形測頭、圓柱形測頭、球形測頭、半圓形測頭、點測頭、V型塊測頭等（如圖1-10所示）。這類測頭的形狀簡單，制造容易，但是測量力的大小取決于操作者的經驗和技能，因此測量精度差、效率低。目前除少數手動測量機還采用此種測頭外，絕大多數測量機已不再使用這類測頭。(a) (b) (c) (d) (e) (f)(a)圓錐形測頭(b)圓柱形測頭(c)球形測頭(d)半圓形測頭(e)點測頭(f)V型塊測頭圖1-10機械接觸式測頭2．電氣接觸式測頭電氣接觸式測頭目前已為絕大部分坐標測量機所采用，按其工作原理可分為動態(tài)測頭和靜態(tài)測頭。（1）動態(tài)測頭常用動態(tài)測頭的結構如圖1-11所示。測桿安裝在芯體上，而芯體則通過三個沿圓周1200分布的鋼球安放在三對觸點上，當測桿沒有受到測量力時，芯體上的鋼球與三對觸點均保持接觸，當測桿的球狀端部與工件接觸時，不論受到X、Y、Z哪個方向的接觸力，至少會引起一個鋼球與觸點脫離接觸，從而引起電路的斷開，產生階躍信號，直接或通過計算機控制采樣電路，將沿三個軸方向的坐標數據送至存儲器，供數據處理用。三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第14頁?？梢?，測頭是在觸測工件表面的運動過程中，瞬間進行測量采樣的，故稱為動態(tài)測頭，也稱為觸發(fā)式測頭。動態(tài)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(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，絕大多數生產廠選用英國RENISHAW公司生產的觸發(fā)式測頭。三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第14頁。1243 5圖1-11電氣式動態(tài)測頭1—彈簧 2—芯體 3—測桿 4—鋼球 5—觸點（2）靜態(tài)測頭靜態(tài)測頭除具備觸發(fā)式測頭的觸發(fā)采樣功能外，還相當于一臺超小型三坐標測量機。測頭中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(guī)定的位移量上，在測頭接近靜止的狀態(tài)下采集三維坐標數據，故稱為靜態(tài)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，但制造技術難度大，采樣速度慢，價格昂貴，適合于高精度測量機使用。目前由LEITZ、ZEISS和KERRY等廠家生產的靜態(tài)測頭均采用電感式位移傳感器，此時也將靜態(tài)測頭稱為三向電感測頭。圖1-12為ZEISS公司生產的雙片簧層疊式三維電感測頭的結構。測頭采用三層片簧導軌形式，三個方向共有三層，每層由兩個片簧懸吊。轉接座17借助兩個X向片簧16構成的平行四邊形機構可作X向運動。該平行四邊形機構固定在由Y向片簧1構成的平行四邊形機構的下方，借助片簧1，轉接座可作Y向運動。Y向平行四邊形機構固定在由Z向片簧3構成的平行四邊形機構的下方，依靠它的片簧，轉接座可作Z向運動。為了增強片簧的剛度和穩(wěn)定性，片簧中間為金屬夾板。為保證測量靈敏、精確，片簧不能太厚，一般取。由于Z向導軌是水平安裝，故用三組彈簧2、14、15加以平衡。可調彈簧14方有一螺紋調節(jié)機構，通過平衡力調節(jié)微電機10轉動平衡力調節(jié)螺桿11，使平衡力調節(jié)螺母套13產生升降來自動調整平衡力的大小。為了減小Z向彈簧片受剪切力而產生變位，設置了彈簧2和15，分別用于平衡測頭Y向和X向部件的自重。在每一層導軌中各設置有三個部件：①鎖緊機構：如圖1-12b所示，在其定位塊24上有一凹槽，與鎖緊杠桿22上的鎖緊鋼球23精確配合，以確定導軌的“零位”。在需打開時，可讓電機20反轉一角度，則此時該向導軌處于自由狀態(tài)。需鎖緊時，再使電機正轉一角度即可。②位移傳感器：用以測量位移量的大小，如圖1-12c所示，在兩層導軌上，一面固定磁芯27，另一面固定線圈26和線圈支架25。③阻尼機構：用以減小高分辨率測量時外界振動的影響。如圖1-12d所示，在作相對運動的上阻尼支架28和下阻尼支架31上各固定阻尼片29和30，在兩阻尼片間形成毛細間隙，中間放入粘性硅油，使兩層導軌在運動時，產生阻尼力，避免由于片簧機構過于靈敏而產生振蕩。三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第15頁。該測頭加力機構工作原理如圖1-12a所示，其中X向加力機構和Y向加力機構相同（圖中只表示出了X向）。X向加力機構是利用電磁鐵6推動杠桿5，使其繞十字片簧8的回轉中心轉動而推動中間傳力桿7圍繞波紋管4組成的多向回轉中心旋轉，由于中間傳力桿與轉接座17用片簧相連，因而推動測頭在X方向“預偏置”。Z向加力機構是利用電磁鐵9產生的，當電磁鐵作用時，在Z向產生的上升或下降會通過頂桿12推動被懸掛的Z向的活動導軌板，從而推動測頭在Z方向“預偏置”。三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第15頁。（3）光學測頭在多數情況下，光學測頭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(yōu)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。近年來，光學測頭發(fā)展較快，目前在坐標測量機上應用的光學測頭的種類也較多，如三角法測頭、激光聚集測頭、光纖測頭、體視式三維測頭、接觸式光柵測頭等。下面簡要介紹一下三角法測頭的工作原理。如圖1-13所示，由激光器2發(fā)出的光，經聚光鏡3形成很細的平行光束，照射到被測工件4上（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，三角法測頭是利用漫反射光進行探測的），其漫反射回來的光經成像鏡5在光電檢測器1上成像。照明光軸與成像光軸間有一夾角，稱為三角成像角。當被測表面處于不同位置時，漫反射光斑按照一定三角關系成像于光電檢測器件的不同位置，從而探測出被測表面的位置。這種測頭的突出優(yōu)點是工作距離大，在離工件表面很遠的地方（如40mm～100mm）也可對工件進行測量，且測頭的測量范圍也較大（如±5mm～±10mm）。不過三角法測頭的測量精度不是很高，其測量不確定度大致在幾十至幾百微米左右。20 2110 221 2311241213 (b14 25267897896543212716(c2829X 301731Z 18(d(a圖1-12加力式三向電感測頭(a)總體結構(b)鎖緊機構(c)位移傳感器(d)阻尼機構1—Y向片簧 2—平衡彈簧 3—Z向片簧 4—波紋管 5—杠桿 6—電磁鐵 7—中間傳力桿8—十字片簧 9—電磁鐵 10—平衡力調節(jié)微電機 11—平衡力調節(jié)螺桿 12—頂桿13—平衡力調節(jié)螺母套 14—平衡彈簧 15—平衡彈簧 16—X向片簧 17—轉接座 18—測桿19—拔銷 20—電機 21—彈簧 22—杠桿 23—鎖緊鋼球 24—定位塊 25—線圈支架三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第16頁。26—線圈 27—磁芯 28—上阻尼支架29—阻尼片 30—阻尼片 31—下阻尼支架三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第16頁。12354圖1-13激光非接觸式測頭工作原理1—光電檢測器 2—激光器 3—聚光鏡 4—工件 5—成像鏡（二）測頭附件為了擴大測頭功能、提高測量效率以及探測各種零件的不同部位，常需為測頭配置各種附件，如測端、探針、連接器、測頭回轉附件等。1．測端對于接觸式測頭，測端是與被測工件表面直接接觸的部分。對于不同形狀的表面需要采用不同的測端。圖1-14為一些常見的測端形狀。圖1-14a為球形測端，是最常用的測端。它具有制造簡單、便于從各個方向觸測工件表面、接觸變形小等優(yōu)點。圖1-14b為盤形測端，用于測量狹槽的深度和直徑。圖1-14c為尖錐形測端，用于測量凹槽、凹坑、螺紋底部和其它一些細微部位。圖1-14d為半球形測端，其直徑較大，用于測量粗糙表面。圖1-14e為圓柱形測端，用于測量螺紋外徑和薄板。(a)

(b)

(c) (d)

(e)(a)球形測端 (b)盤形測端 (c)尖錐形測端 (d)半球形測端 (e)圓柱形測端圖1-14測端的形狀2．探針探針是指可更換的測桿。在有些情況下，為了便于測量，需選用不同的探針。探針對測量能力和測量精度有較大影響，在選用時應注意：1）在滿足測量要求的前提下，探針應盡量短；2）探針直徑必須小于測端直徑，在不發(fā)生干涉條件下，應盡量選大直徑探針；3）在需要長探針時，可選用硬質合金探針，以提高剛度。若需要特別長的探針，可選用質量較輕的陶瓷探針。三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第17頁。3．連接器為了將探針連接到測頭上、測頭連接到回轉體上或測量機主軸上，需采用各種連接器。常用的有星形探針連接器、連接軸、星形測頭座等。三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第17頁。圖1-15為星形測頭座示意圖，其上可以安裝若干不同的測頭，并通過測頭座連接到測量機主軸上。測量時，根據需要可由不同的測頭交替工作。4 53261 71—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—測頭圖1-15激光非接觸式測頭工作原理4．回轉附件對于有些工件表面的檢測，比如一些傾斜表面、整體葉輪葉片表面等，僅用與工作臺垂直的探針探測將無法完成要求的測量，這時就需要借助一定的回轉附件，使探針或整個測頭回轉一定角度再進行測量，從而擴大測頭的功能。常用的回轉附件為如圖1-16a所示的測頭回轉體。它可以繞水平軸A和垂直軸B回轉，在它的回轉機構中有精密的分度機構，其分度原理類似于多齒分度盤。在靜盤中有48根沿圓周均勻分布的圓柱，而在動盤中有與之相應的48個鋼球，從而可實現以o為步距的轉位。它繞垂直軸的轉動范圍為360o，共48個位置，繞水平軸的轉動范圍為0o～105o，共15個位置。由于在繞水平軸轉角為0o（即測頭垂直向下）時，繞垂直軸轉動不改變測端位置，這樣測端在空間一共可有48×14＋1＝673個位置。能使測頭改變姿態(tài)，以擴展從各個方向接近工件的能力。目前在測量機上使用較多的測頭回轉體為RENISHAW公司生產的各種測頭回轉體，圖1-16b為其實物照片。 2 2B11A(a)

(b)圖1-16可分度測頭回轉體(a)二維測頭回轉體示意圖(b)PH10M測頭回轉體實物照片三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第18頁。1—測頭 2—測頭回轉體三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第18頁。1.3.4 三坐標測量機的控制系統一、控制系統的功能控制系統是三坐標測量機的關鍵組成部分之一。其主要功能是：讀取空間坐標值，控制測量瞄準系統對測頭信號進行實時響應與處理，控制機械系統實現測量所必需的運動，實時監(jiān)控坐標測量機的狀態(tài)以保障整個系統的安全性與可靠性等。二、控制系統的結構按自動化程度分類，坐標測量機分為手動型、機動型和CNC型。早期的坐標測量機以手動型和機動型為主，其測量是由操作者直接手動或通過操縱桿完成各個點的采樣，然后在計算機中進行數據處理。隨著計算機技術及數控技術的發(fā)展，CNC型控制系統變得日益普及，它是通過程序來控制坐標測量機自動進給和進行數據采樣，同時在計算機中完成數據處理。1．手動型與機動型控制系統這類控制系統結構簡單，操作方便，價格低廉，在車間中應用較廣。這兩類坐標測量機的標尺系統通常為光柵，測頭一般采用觸發(fā)式測頭。其工作過程是：每當觸發(fā)式測頭接觸工件時，測頭發(fā)出觸發(fā)信號，通過測頭控制接口向CPU發(fā)出一個中斷信號，CPU則執(zhí)行相應的中斷服務程序，實時地讀出計數接口單元的數值，計算出相應的空間長度，形成采樣坐標值X、Y和Z，并將其送入采樣數據緩沖區(qū)，供后續(xù)的數據處理使用。2．CNC型控制系統CNC型控制系統的測量進給是計算機控制的。它可以通過程序對測量機各軸的運動進行控制以及對測量機運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，從而實現自動測量。另外，它也可以通過操縱桿進行手工測量。CNC型控制系統又可分為集中控制與分布控制兩類。（1）集中控制集中控制由一個主CPU實現監(jiān)測與坐標值的采樣，完成主計算機命令的接收、解釋與執(zhí)行、狀態(tài)信息及數據的回送與實時顯示、控制命令的鍵盤輸入及安全監(jiān)測等任務。它的運動控制是由一個獨立模塊完成的，該模塊是一個相對獨立的計算機系統，完成單軸的伺服控制、三軸聯動以及運動狀態(tài)的監(jiān)測。從功能上看，運動控制CPU既要完成數字調節(jié)器的運算，又要進行插補運算，運算量大，其實時性與測量進給速度取決于CPU的速度。（2）分布式控制分布式控制是指系統中使用多個CPU，每個CPU完成特定的控制，同時這些CPU協調工作，共同完成測量任務，因而速度快，提高了控制系統的實時性。另外，分布式控制的特點是多CPU并行處理，由于它是單元式的，故維修方便、便于擴充。如要增加一個轉臺只需在系統中再擴充一個單軸控制單元，并定義它在總線上的地址和增加相應的軟件就可以了。三、測量進給控制手動型以外的坐標測量機是通過操縱桿或CNC程序對伺服電機進行速度控制，以此來控制測頭和測量工作臺按設定的軌跡作相對運動，從而實現對工件的測量。三坐標測量機的測量進給與數控機床的加工進給基本相同，但其對運動精度、運動平穩(wěn)性及響應速度的要求更高。三坐標測量機的運動控制包括單軸伺服控制和多軸聯動控制。單軸伺服控制較為簡單，各軸的運動控制由各自的單軸伺服控制器完成。但當要求測頭在三維空間按預定的軌跡相對于工件運動時，則需要CPU控制三軸按一定的算法聯動來實現測頭的空間運動，這樣的控制由上述單軸伺服控制及插補器共同完成。在三坐標測量機控制系統中，插補器由CPU程序控制來實現。根據設定的軌跡，CPU不斷地向三軸伺服控制系統提供坐標軸的位置命令，單軸伺服控制系統則不斷地跟蹤，從而使測頭一步一步地從起始點向終點運動。三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第19頁。四、控制系統的通信控制系統的通信包括內通信和外通信。內通信是指主計算機與控制系統兩者之間相互傳送命令、參數、狀態(tài)與數據等，這些是通過聯接主計算機與控制系統的通信總線實現的。外通信三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第19頁。則是指當三坐標測量機作為FMS系統或CIMS系統中的組成部分時，控制系統與其它設備間的通信。目前用于坐標測量機通信的主要有串行RS－232標準與并行IEEE－488標準。三坐標測量機的軟件系統現代三坐標測量機都配備有計算機，由計算機進行數據采集，通過運算輸出所需的測量結果。其軟件系統功能的強弱直接影響到測量機的功能。因此各坐標測量機生產廠家都非常重視軟件系統的研究與開發(fā)，在這方面投入的人力和財力的比例在不斷增加。下面對在三坐標測量機中使用的軟件作簡要介紹。一、通用測量軟件為了使三坐標測量機能實現自動測量，需要事前編制好相應的測量程序。而這些測量程序的編制有以下幾種方式。（一）圖示及窗口編程方式圖示及窗口編程是最簡單的方式，它是通過圖形菜單選擇被測元素，建立坐標系，并通過“窗口”提示選擇操作過程及輸入參數，編制測量程序。該方式僅適用于比較簡單的單項幾何元素測量的程序編制。（二）自學習編程方式這種編程方式是在CNC測量機上，由操作者引導測量過程，并鍵入相應指令，直到完成測量，而由計算機自動記錄下操作者手動操作的過程及相關信息，并自動生成相應的測量程序，若要重復測量同種零件，只需調用該測量程序，便可自動完成以前記錄的全部測量過程。該方式適合于批量檢測，也屬于比較簡單的編程方式。（三）脫機編程這種方式是采用三坐標測量機生產廠家提供的專用測量機語言在其它通用計算機上預先編制好測量程序，它與坐標測量機的開啟無關。編制好程序后再到測量機上試運行，若發(fā)現錯誤則進行修改。其優(yōu)點是能解決很復雜的測量工作，缺點是容易出錯。（四）自動編程在計算機集成制造系統中，通常由CAD/CAM系統自動生成測量程序。三坐標測量機一方面讀取由CAD系統生成的設計圖紙數據文件，自動構造虛擬工件，另一方面接受由CAM加工出的實際工件，并根據虛擬工件自動生成測量路徑，實現無人自動測量。這一過程中的測量程序是完全由系統自動生成的。二、專用測量軟件專用測量軟件包可含有許多種類的數據處理程序，以滿足各種工程需要。一般將三坐標測量機的測量軟件包分為通用測量軟件包和專用測量軟件包。通用測量軟件包主要是指針對點、線、面、圓、圓柱、圓錐、球等基本幾何元素及其形位誤差、相互關系進行測量的軟件包。通常各三坐標測量機都配置有這類軟件包。專用測量軟件包是指坐標測量機生產廠家為了提高對一些特定測量對象進行測量的測量效率和測量精度而開發(fā)的各類測量軟件包。如有不少三坐標測量機配備有針對齒輪、凸輪與凸輪軸、螺紋、曲線、曲面等常見零件和表面測量的專用測量軟件包。在有的測量機中，還配備有測量汽車車身、發(fā)動機葉片等零件的專用測量軟件包。三、系統調試軟件用于調試測量機及其控制系統，一般具有以下軟件：（1）自檢及故障分析軟件包：用于檢查系統故障并自動顯示故障類別；（2）誤差補償軟件包：用于對三坐標測量機的幾何誤差進行檢測，在三坐標測量機工作時，按檢測結果對測量機誤差進行修正；（3）系統參數識別及控制參數優(yōu)化軟件包：用于三坐標測量機控制系統的總調試，并生成具有優(yōu)化參數的用戶運行文件；三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第20頁。（4）精度測試及驗收測量軟件包：用于按驗收標準測量檢具。三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第20頁。計算機輔助檢測技術的應用計算機輔助檢測技術的應用十分普遍。從應用領域來講，主要有質量控制和逆向工程兩個方面。質量控制計算機輔助檢測技術最早是隨著產品質量控制的要求逐步發(fā)展起來的。因此，它的自然應用領域首先是在產品的質量控制上。在早期的機械零部件生產中，一般使用簡易的測量儀器進行產品質量的檢驗，比如游標卡尺、千分尺等。但隨著機械零件的復雜化，尤其是汽車和航空工業(yè)的發(fā)展，傳統的機械檢測手段已經難以滿足檢測要求，三坐標測量機應運而生。在現代制造行業(yè)中，大多數產品都是按照CAD數學模型在數控加工機床上制造出來的。要了解它與原CAD數學模型相比，確定其在加工制造過程中產生的誤差，就需要使用三坐標測量機進行測量。在三坐標測量機的軟件系統中可以用圖形方式顯示原CAD數學模型，再按照可視化方式從圖形上確定被測點，得到被測點的X、Y、Z坐標值及法向矢量，便可生成自動測量程序。三坐標測量機可按法線方向對工件進行精確測量，獲得準確的坐標測量結果，也可與原CAD數學模型進行比較并以圖形方式顯示，生成坐標檢測報告（包括文本報告和圖表報告），全過程直觀快捷，而用傳統的檢測方法則無法完成。通過三坐標測量機可實現對基本幾何元素的測量以及復雜曲線、曲面等的測量：產品基本幾何元素（例如：點、線、面、圓、橢圓、圓柱、圓錐、孔系等）、形位誤差（平面度、平行度、垂直度、跳動等）、復雜產品輪廓曲面等測量與評定（曲線、曲面等）、特殊測量要求（齒輪測量等）。三坐標測量機的使用在早期主要是在工廠的計量室，一般是在產品加工完成后，在計量室內對產品的尺寸進行檢驗。為了保證機器的精度，一般三坐標測量機都會放置在恒溫環(huán)境下的潔凈房間內，由專門的技術人員進行操作和維護。隨著在線檢測的需要，目前已經有相當數量的三坐標在生產現場使用。在線檢測可以大大提高檢測的效率，縮短產品的生產和檢驗周期，因此獲得了廣泛的應用，尤其是需要進行大量檢驗的產品。逆向工程.1逆向工程產生的背景：逆向工程的產生最早起源于汽車油泥模型的數字化。由于汽車外形的復雜性，汽車設計人員一般在產品的概念設計階段采用油泥模型設計。在產品的外觀設計定型后，再使用三坐標測量機器將油泥模型數字化。然后再利用CAD軟件設計出汽車外形的CAD模型。由于逆向工程技術在新產品開發(fā)中起著十分重要的作用，自上世紀九十年代以來，有關逆向工程的研究越來越受到政府、企業(yè)和個人的關注。目前逆向工程技術已經形成為一個相對獨立的研究領域，并與CAD/CAM/CAE/CAI/RP等技術緊密聯系起來，成為現代機械設計和加工檢測的一個不可分割的組成部分。.2逆向工程技術概念及實現的手段：（1）逆向工程的概念：逆向工程（ReverseEngineering，RE）是從實物樣本獲取產品數學模型并制造得到新產品的相關技術，已經成為CAD/CAM系統中一個研究和應用熱點，并發(fā)展成為一個相對獨立的領域。在這一意義下，“實物逆向工程”（簡稱逆向工程）可定義為：將實物轉變?yōu)镃AD模型的數字化技術、幾何模型重建技術和產品制造技術的總稱。三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第21頁。（2）逆向工程體現了產品的再設計過程：仿制、仿造已經成為我國一部分企業(yè)的固定生產方式，針對市場熱門產品的仿造品屢見不鮮，逆向工程的廣泛應用在其中起到了不可忽視的作用。于是，經常有人將逆向工程和非法仿制聯系在一起，甚至提出了知識產權保護等法律層面的問題。實際上，逆向工程代表了一種非常高效的產品設計思路和方法。在國外，逆向工程已經作為一種先進的設計方法被引入到新產品的設計開發(fā)工作中。我國也有大量企業(yè)應用逆向三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第21頁。工程技術，對競爭對手的產品進行改進，以避開艱苦的原型設計階段，這是一種產品的再設計過程。所謂產品再設計，就是通過觀察和測試某一種產品，對其進行初始化，然后拆開產品，逐一分析單個零件的組成、功能、裝配公差和制造過程。這些工作的目的就是要充分理解產品的制造過程，并以此為基礎在子系統和零件層面上，優(yōu)化設計出一種更好的產品。美國的許多職業(yè)院校開設了逆向工程課程，教授學生用再設計代替原型設計，作為解決設計問題的一種方法。近年來，在汽車、電子產品等領域人們越來越多地采用逆向工程技術，來部分替代使用多年的原型設計方法。三坐標掃描測量機機作為數字化的測量設備，通過曲線和曲面的測量可獲取工件表面的三維坐標數據，再利用逆向工程CAD技術獲得產品的CAD數學模型，進而利用CAM系統完成產品的制造。逆向工程技術用先進的計算機數字圖形技術表達復雜的工件形狀，可取代以實物為基礎的傳統的外形傳遞方法，縮短產品的開發(fā)試制周期，降低成本。逆向工程技術是根據已經存在的產品模型或樣品，經過三坐標掃描測量機對各項幾何尺寸和曲面的測量，反向推出產品設計數據（數字模型或設計圖紙）的過程。因此利用逆向工程技術，就可以根據客戶提供的樣件很方便地制造出模具或直接加工出產品，這在模具制造、汽車、摩托車等行業(yè)中有廣泛的應用。（3）逆向工程技術已貫穿于產品整個開發(fā)過程：即使在產品的原創(chuàng)開發(fā)中，也始終貫穿著逆向（反求）工程技術。一個產品的設計制造，不會將圖紙上的設計直接轉化為產品，而是先做出樣品或模形，再對所做的樣品或模形進行直接的修改至符合要求，修改后的結果數據與原創(chuàng)的CAD數據產生了一定變化，要重新獲取變化的復雜數據很難通過人為測量手段得到，此時就通過三坐標掃描機、測量機應用逆向（反求）工程技術來獲得最新的信息，而產品的開發(fā)過程需要一個反復的驗證過程，這就使逆向（反求）工程技術不斷被應用于產品開發(fā)過程中。（4）運用逆向工程技術進行產品的自動質量檢測：針對已獲得的CAD生產制造出產品，利用逆向（反求）工程技術獲取得數據與原始設計提供的CAD數據進行比較，來求證產品的精度、技術指標是否符合原始設計要求。.3逆向工程技術流程逆向工程技術的流程就是針對現有工件，利用3D數字化測量儀器，準確快速地測量工件的表面點數據或輪廓曲線，并加以創(chuàng)建曲面、分模、加工，制作所需模具；或由CAD系統生成的STL模型文件傳至快速成型機，將樣品模型制作出來，直至達到滿意效果。在許多逆向工程應用實例中，并不是要完全仿制原有的產品，而只是要掌握原有的設計理念，經過調整來建立一個類似的設計模型，因此逆向工程所涵蓋的意義不只是模仿，也包括了再設計的概念，其過程如圖1-17所示。.4逆向工程技術的應用：（1）由于些原因，在只有產品或產品的工裝，沒有圖紙和CAD模型的情況下，卻需要對產品進行有限分析、加工、模具制造或者需要對產品進行修改等等，這時就需要利用反求工程手段將實物轉化為CAD模型。（2）反求工程的另一類重要應用是對外形美學要求較高的零部件設計，例如在汽車的外形設計階段是很難用現有的CAD軟件完成的。通常都需要制作外形的油泥模型，再用反求工程的方法生成CAD模型。（3）將反求工程和快速原型制造（RPM）相結合，組成產品設計、制造、檢測、修改的閉環(huán)系統，實現快速的測量、設計、制造、再測量修改的反復迭代，高效率完成產品的初始設計。（4）反求工程的另一個重要應用就是計算機輔助檢測。企業(yè)在進行質量控制時，對于外形復雜的產品檢測往往非常困難，這時使用逆向工程的方法對產品進行測量，并把測量到的大量數據點與理論模型進行比較，從而分析產品制造誤差。三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第22頁。（5）反求工程在醫(yī)學、地理信息和影視業(yè)等領域都有很廣泛的應用。比如：影視特技制作需要將演員、道具等的立體模型輸入計算機，才能用動畫軟件對其進行三維動畫特技處理。在醫(yī)學領域反求工程也有其應用價值，如人工關節(jié)模型的建立；醫(yī)學假體的設計、制造；牙齒的修改、校正等。三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第22頁。零件樣品3D點數據測量3D點數據處理D曲面創(chuàng)建曲面光順處理生成C代碼 生成STL文件模具C加工

快速成型模具制造批量制造圖1-17逆向工程流程圖（6）損壞或磨損零件的還原：當零件損壞或磨損時，可以直接采用反求工程的方法重構出CAD模型，對損壞的零件表面進行還原和補修。由于被檢測零件表面磨損、損壞等原因，會造成測量誤差，這就要求反求工程系統具有推理和判斷能力。例如，對稱性、標準尺寸、平面間的平行和垂直等特性。最后，加工出零件。（7）數字化模型檢測：對加工后的零件，進行掃描測量，再利用反求工程法構造出CD模型，通過將模型與原始設計的CAD模型在計算機上進行數據比較，可以檢測制造誤差，提高檢測精度。（8）其它應用：在汽車、航天、制鞋、模具和消費性電子產品等制造行業(yè)，甚至在休閑娛樂行業(yè)也可發(fā)現反求工程的痕跡。計算機輔助檢測技術的發(fā)展趨勢隨著計算機技術、數控技術、光電技術以及檢測傳感技術的發(fā)展，計算機輔助檢測技術的發(fā)展呈現出日新月異的特點。從大的趨勢上來說，計算機輔助檢測技術的發(fā)展日益走向精度高精密化、功能復合化、機器大型化和微型化、檢測速度快、以及與加工機床日益融合化等。高精度化三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第23頁。隨著市場競爭的日益激烈，產品質量的要求越來越高，這就要求機械加工精度和檢測設備的精度日益提高，目前出現的納米測量機就是這一發(fā)展的體現。三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第23頁?？v觀納米測量技術發(fā)展的歷程，它的研究主要向兩個方向發(fā)展：一是在傳統的測量方法基礎上，應用先進的測試儀器解決應用物理和微細加工中的納米測量問題,分析各種測試技術,提出改進的措施或新的測試方法。二是發(fā)展建立在新概念基礎上的測量技術，利用微觀物理、量子物理中最新的研究成果,將其應用于測量系統中,它將成為未來納米測量的發(fā)展趨向。功能復合化計算機輔助檢測技術發(fā)展的第二個特點是功能復合化。目前的三坐標測量機越來越多的具有兩種以上的復合測量功能，如接觸式測量與激光測量的復合，或接觸式測量與影像測量的復合，甚至還有這三種功能的復合等。功能復合化是為了滿足多種測量需要而產生的。在實際檢測或逆向工作中，根據零件幾何形狀的復雜程度和特點，有時需要采用不同的測量手段進行測量，以獲得較好的測量結果。比如，對于普通曲面形狀，激光掃描的點采集速度就很快，效率很高。而對于需要進行精確定位的檢測來說，接觸式測量則有其高精度、準確性好的特點。機器巨型化和微型化計算機輔助檢測技術發(fā)展的第三個特點是機器的測量范圍向巨型化和微型化兩個方向發(fā)展。隨著大尺寸零件和裝配件的檢測要求，如汽車整車檢測、工程機械檢測等，都對計算機輔助檢測技術提出了新的要求，因此檢測系統的尺寸也是越來越大，如目前的大三坐標測量機可以做到十幾米以上。對于電子類產品的檢測來說，由于一般的集成電路芯片都較小，因此在微型測量儀器方面也獲得了迅速的發(fā)展。影像測量的發(fā)展，明顯得益于近幾年電子產業(yè)的迅速發(fā)展。與加工機床的集成在不久的將來，切削加工的質量控制檢測可能會以如下方式進行：當機床對工件進行切削加工后，一束激光將對工件進行高速掃描檢測，并將測得的尺寸信息下載到機床的CNC數控系統，CNC系統中聯接有一個統計過程控制（SPC）軟件程序，工件尺寸信息即下載到該程序中。如果任何一個工件尺寸呈現偏離預設公差的趨勢，SPC程序將對切削程序作出必要的偏移補償或向操作者報警。然后SPC程序將向機床的CNC數控程序發(fā)出檢查刀具的指令，以確定刀具是否已發(fā)生崩損或過度磨損。此外，如有必要，機床加工的SPC數據將與一臺中心計算機共享，并可傳送至整個工廠甚至幾千英里以外的某地。以上過程在幾秒鐘之內即可完成。這種在機質量控制檢測方法將成為一種效率最高的工件檢測方式。隨著在機床上引入測頭用于工件位置的檢測，在機質量控制技術即已發(fā)端。既然用一個測頭能夠精確地確定工件在夾具中的安裝位置，那么為什么不能用它來檢測工件尺寸和完成一臺坐標測量機（CMM）的功能呢?顯然這一過程正是下一個可以預見的發(fā)展。1.6標準球定義與檢驗1.6測量方法是根據給定的測量原理獲得測量結果的方法。測量方法可以根據不同的測量原理或測量方式分成不同的類別。下面接觸幾種常見的分類方法。1．直接測量法與間接測量法直接測量法就是可以直接獲得被測量量值的方法，例如游標卡尺對零件長度的測量以及千分尺對軸直徑的測量。而間接測量法則是通過測量與被測量有函數關系的其他量，才能得到被測量值的一種方法。例如三坐標測量、影像測量以及激光測量都是一種間接的測量方法。三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第24頁。2．接觸測量法與非接觸式測量法接觸測量法是測量器具的傳感器與被測零件表面直接接觸的測量方法。常見的接觸測量方法有：游標卡尺、千分尺、測針式和關節(jié)臂式三坐標測量機等等。接觸式測量法在目前的工業(yè)應用中十分普遍。其特點是測量的可靠性高、測量精度高、重復性好。但接觸式測量的缺點是測量的接觸力可能會對測量器具和零件表面（如軟性表面）造成變形，從而影響到測量的不確定度。非接觸測量法是測量器具的傳感器與被測零件的表面不直接接觸的測量方法。常見的非接觸測量方法有：影像測量、激光測量、工具顯微測量等。非接觸測量的優(yōu)點是測量傳感器不與被測物體表面接觸，對被測零件表面不會構成任何損傷，比較適合于復雜曲面以及軟性表面零件的測量。三坐標測量是典型的接觸式測量和間接測量的例子。三坐標測量是在給定的測量空間內獲取零件表面坐標信息的一種方法，即將物體表面形狀信息數字化，也稱“采樣”。這些采樣值都是離散的空間點坐標信息，而不是具體的幾何特征的尺寸、位置等信息。而測量程序則通過對一系列的測量點進行處理，提取相應的幾何特征量值，從而獲得所需的測量結果。三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第24頁。1.6三坐標測量機在開始工作以前，需要對測頭系統進行標定。測頭系統的標定包括了標準球（又稱基準球）的定義與檢驗、測針的定義與校驗兩部分。標準球一般是由精確度很高的合金球，其主要作用是作為標定測針時的尺寸參考。三坐標測量機在進行測量工作前要進行測頭校正，這是進行測量前必須要做的一個非常重要的工作步驟，因為測頭校正中的誤差將加入到以后的零件測量中。一、校正測頭的原因校正測頭主要有兩個原因：為了得到測針的紅寶石球的補償直徑和不同測針位置與第一個測針位置之間的關系0。坐標測量機在進行測量時，是用測針的寶石球接觸被測零件的測量部位，此時測頭(傳感器)發(fā)出觸測信號，該信號進入計數系統后，將此刻的光柵計數器鎖存并送往計算機，工作中的測量軟件就收到一個由X、Y、Z坐標表示的點。這個坐標點我們可以理解為是測針寶石球中心的坐標，它與我們真正需要的測針寶石球與工件接觸點相差一個寶石球半徑。為了準確計算出我們所要的接觸點坐標，必須通過測頭校正得到測針寶石球的半/直徑。在實際測量工作中，零件是不能隨意搬動和翻轉的，為了便于測量，需要根據實際情況選擇測頭位置和長度、形狀不同的測針(星形、柱形、針形)。為了使這些不同的測頭位置、不同的測針所測量的元素能夠直接進行計算，要把它們之間的關系測量出來，在計算時進行換算。所以需要進行測頭校正。二、測頭校正的原理測頭校正主要使用標準球進行。標準球的直徑在10mm至50mm之間，其直徑和形狀誤差經過校準(廠家配置的標準球均有校準證書)。測頭校正前需要對測頭進行定義，根據測量軟件要求，選擇(輸入)測座、測頭、加長桿、測針、標準球直徑(是標準球校準后的實際直徑值)等(有的軟件要輸入測針到測座中心距離)，同時要分別定義能夠區(qū)別其不同角度、位置或長度的測頭編號。用手動、操縱桿、自動方式在標準球的最大范圍內觸測5點以上(一般推薦在7～11點)，點的分布要均勻。計算機軟件在收到這些點后(寶石球中心坐標X、Y、Z值)，進行球的擬合計算，得出擬合球的球心坐標、直徑和形狀誤差。將擬合球的直徑減去標準球的直徑，就得出校正后測針寶石球“直徑”(確切的講應該是“校正值”或“校正直徑”)。三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第25頁。當其他不同角度、位置或不同長度的測針按照以上方法校正后，由各擬合球中心點坐標差別，就得出各測頭之間的位置關系，由軟件生成測頭關系矩陣。當我們使用不同角度、位置和長度的測針測量同一個零件不同部位的元素時，測量軟件都把它們轉換到同一個測頭號(通常是1號測頭)上，就象一個測頭測量的一樣。凡是在經過在同一標準球上(未更換位置的)校正的測頭，都能準確實現這種自動轉換。圖1-18給出了這種補償的示意圖。三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第25頁。圖1-18測球補償原理示意圖三、校正測頭要注意的問題測針校正后的“校正直徑”小于名義值，不會影響測量機的測量精度。相反，還會對觸測的延時和測針的變形起到補償的作用，因為我們在測量機測量過程中測量軟件對測針寶石球半徑的修正(把測針寶石球中心點的坐標換算到觸測點的坐標)，使用的是“校正直徑”而不是名義直徑。在進行測頭校正時，應該注意以下問題：（1）測座、測頭(傳感器)、加長桿、測針、標準球要安裝可靠、牢固，不能松動，有間隙。檢查了安裝的測針、標準球是否牢固后，要擦拭測針和標準球上的手印和污漬，保持測針和標準球清潔。（2）校正測頭時，測量速度應與測量時的速度一致。注意觀察校正后測針的直徑(是否與以前同樣長度時的校正結果有大偏差)和校正時的形狀誤差。如果有很大變化，則要查找原因或清潔標準球和測針。重復進行2至3次校正，觀察其結果的重復程度。檢查了測頭、測針、標準球是否安裝牢固，同時也檢查了機器的工作狀態(tài)。（3）當需要進行多個測頭角度、位置或不同測針長度的測頭校正時，校正后一定要檢查校正效果(準確性)。方法是：全部定義的測頭校正后，使用測球功能，用校正后的全部測頭依次測量標準球，觀察球心坐標的變化，如果有1至2個微米變化，是正常的。如果變化比較大，則要檢查測座、測頭、加長桿、測針、標準球的安裝是否有牢固，這是造成這種現象的重要原因。（4）更換測(不同的軟件方法不同)，因為測針長度是測頭自動校正的重要參數，如果出現錯誤，會造成測針的非正常碰撞，輕者碰壞測針，重則造成測頭損壞。一定要注意。（5）正確輸入標準球直徑。從以上所述的校正測頭的原理中可以得知，標準球直徑值直接影響測針寶石球直徑的校正值。雖然這是一個“小概率事件”，但是對初學者來說，這是可能發(fā)生的。測頭校正是測量過程中的重要環(huán)節(jié)，在校正中產生的誤差將加入到測量結果中，尤其是使用組合測頭(多測頭角度、位置和測針長度)時，校正的準確性特別重要。當發(fā)現問題再重新檢查測頭校正的效果，會浪費寶貴的時間和增加大量的工作量。三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第26頁。

本章思考題三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第26頁。1．計算機輔助檢測的基本概念？技術產生的社會背景？2．計算機輔助檢測的基本方法及其原理?3．三坐標測量機的主要組成部分及工作原理?4．計算機輔助檢測的應用?5．逆向工程的原理及工作流程?三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第27頁。6．計算機輔助檢測的發(fā)展趨勢?三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第27頁。第二章三坐標測量及軟件Morks-DMIS簡介Works-DIS軟件的主要功能特性.1基于三維CAD平臺MWorks-DMIS軟件基于國際先進的CAD開發(fā)平臺，可以直接輸入輸出CAD數據模型，實時顯示測量元素的幾何形狀，測量過程運動軌跡實時仿真，所測即所見，使計算機檢測工作變得更直觀、更易于學習和使用，同時可以與CAD/CAM/CAE軟件更好地集成。（1）支持美國國家尺寸測量接口標準（DMIS）最新版本，為客戶提供與國際接軌的零件測量程序，學習及重復模式使用單一用戶界面，測量程序的超強編輯。（2）支持中國幾何與公差測量的國家標準，提供近20種的幾何公差評估方法及結果分析，根據國際公差代碼自動尋找并顯示公差值。（3）可以對復雜曲線和曲面進行掃描，并對測量點進行曲線擬合，提供與逆向工程軟件的接口數據，如IGE，STE，SAT和TXT格式。（4）所測即所見。實時模擬測頭的運動軌跡，檢測完畢后在計算機屏幕上立即畫出被測幾何元素的圖形和樹狀測量結果。圖形化地進行幾何元素構造，構造的幾何圖形可以實時在屏幕上顯示。同時實測元素可以按要求進行放大、縮小或者隱藏。（5）兩重工作界面，圖形窗口界面和程序窗口界面，而且兩者只可以互相切換；用戶可以根據自己的實際需要和使用經驗靈活地選擇方便的軟件的界面。（6）測量結果的多種格式輸出。如：TEXT。EXCEL，HTML等，超差部分直觀顯示等。（7）基于流行的WindowsXP編程風格。美觀的軟件外觀及客戶化選擇。.2支持國家尺寸公差標準MWorks-DMIS軟件支持中國幾何與公差測量的國家標準,提供近20種的幾何公差評估方法及結果分析。能夠實現基本幾何元素（點、線、面、圓、橢圓、圓柱、圓錐、孔系等）、形位誤差（直線度、平面度、平行度、對稱度、同軸度、垂直度、位置度、圓跳動等）、復雜產品輪廓（曲線、曲面等）的測量與評定。根據國際公差代碼自動尋找并顯示公差值，超差部分的直觀顯示以及測量結果的多種格式輸出，如TEXT、EXCEL、HTML等！.3支持DMIS語言MWorks-DMIS軟件支持美國國家尺寸測量接口標準（DMIS），為客戶提供與國際接軌的零件測量程序。DMIS是由國際計算機輔助制造公司(CAM—I)質量保證計劃資助開發(fā)的尺寸測量接口規(guī)范課題。從185年2月開，作為尺寸測量接口規(guī)范課題，它是由尺寸測量設備（Diensioaleasuingqupent，縮寫為DME）供應廠商與用戶聯合共同開發(fā)的成果。DMIS目標是提供一種數據格式，形成各類分系統之間進行數據交換的中性文件。于1990年成為美國國家標準，目前DMIS最新版本為V5.分析檢測結果的作用。由一套術語詞匯表建立起一個用于檢測規(guī)程和檢測結果數據在中性格使用計算機的情況下也可以編寫檢測程序和分析檢測結果。DMIS提供一套詞匯表用來將檢測規(guī)程提供給尺寸測量設備以及將測量設備的檢測結果傳遞給接受系統。有關DMIS語言的內容，我們將在第三章詳細說明。.4測量程序的語法檢驗與編譯系統MWorks-DMIS軟件支持測量程序的語法檢驗，對測量程序進行編譯、存儲以及調三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第28頁。用.三坐標測量機培訓教程全文共138頁，當前為第28頁。Works-DIS軟件的安裝與啟動.1軟、硬件配置要運行MWorks-DMIS軟件，起碼必須具備以下的軟、硬件配置：（1）操作系統為Windows2000或WindowsXP。（2）Pentium4或者更好的微處理器，或相應兼容的微處理器。（3）建議使用256MB內存，512MB及其以上更加。（4）至少具有200MB以上的硬盤空間和足夠的磁盤交換空間。（5）Windows支持的80x00A視頻彩色顯示器，具有26種色；使用14x68和獨立顯卡則更好。（6）CD-ROW驅動器，鼠標或者其他定標設備。（7）CMM控制板以及軟件安全模塊。.2安裝方法在使用Morks-DMIS軟件之前，必須將其安裝到計算機的硬盤中。以下是在WindowsXP上進行單用戶安裝的基本過程：（1）在CD-ROW驅動器中插入MWorks-DMIS軟件的CD盤。（2）如果器Autoun自動運行）是打開的，則插入CD盤后，WindowsXP將自動運行安裝程序；而如果Autorun是關的，則單擊“開始”按鈕，找到其中的“運行”對話框，在彈出的“運行”對話框中指定CD盤符和路徑名，鍵入setup（例如入h：\seu），然后單擊“確定”按鈕來運行安裝程序。（3）安裝程序運行后，將彈出“歡迎使用”對話框，單擊“下一步”按鈕，出現文件安裝位置選項，此時可以通過“瀏覽”按鈕，將軟件安裝至您所想要的磁盤位置。然后再單擊“下一步”按鈕，系統開始安裝MWorks-DMIS軟件并復制文件到硬盤中，直至安裝結束?。?）在安裝過程中，如果您不想繼續(xù)安裝，可以隨時點擊“取消”按鈕終止安裝。（5）重新啟動計算機。.3啟動與退出MWorks-DMIS軟件安裝完成后，將自動在WinosXP桌面上建立MWork-DMIS的快捷圖標，見圖所示，并在程序文件夾中形成一個MWorks-DMIS軟件程序組。當要啟動Works-DMIS軟件時，只需雙擊桌面上的MWorks-DMIS軟件快捷圖標；也可以打開程序組，選擇執(zhí)行其中的MWorks-DMIS程序項。當要退出MWorks-DMIS軟件時，可打開“文件”菜單，選擇執(zhí)行“退出”項，或者鼠標左鍵點擊窗口右上角的“關閉”按鈕。Works-DIS軟件的用戶界面MWorks-DMIS軟件具有一體化的測量顯示環(huán)境。在一個M