三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)文獻(xiàn)綜述

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)文獻(xiàn)綜述三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)文獻(xiàn)綜述三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的研究背景隨著人們生活水平的提高和制造業(yè)的快速發(fā)展，特別是機(jī)床、機(jī)械、汽車(chē)、航空航天和電子工業(yè)，各種復(fù)雜零件的研制和生產(chǎn)需要先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)；同時(shí)為應(yīng)對(duì)全球競(jìng)爭(zhēng)，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)非常重視提高加工效率和降低生產(chǎn)成本，其中，最重要的便是生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品。為此，必須實(shí)行嚴(yán)格的質(zhì)量管理，只有在保證高質(zhì)量生產(chǎn)的前提下，制造業(yè)才能生存和發(fā)展。因此，為確保零件的尺寸和技術(shù)性能符合要求，必須進(jìn)行精確的測(cè)量，因而體現(xiàn)三維測(cè)量技術(shù)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，并迅速發(fā)展和日趨完善。三維測(cè)量是基于以下的客觀要求發(fā)展起來(lái)的。.越來(lái)越多的工件需要進(jìn)行空間三維測(cè)量，而傳統(tǒng)的測(cè)量方法不能滿足生產(chǎn)的需要。傳統(tǒng)測(cè)量方法是指用傳統(tǒng)測(cè)量工具(如千分表、量塊、卡尺等)進(jìn)行的測(cè)量，屬相對(duì)測(cè)量，因其測(cè)量基準(zhǔn)為被加工面，而不是直接的主軸基準(zhǔn)，是一種過(guò)度基準(zhǔn)，再加上傳統(tǒng)測(cè)量工具本身精度不高，同時(shí)人為測(cè)量操作隨機(jī)性誤差也較大，這些因素導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)；另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)測(cè)量工具量程小、被測(cè)工件尺寸、形狀受到限制，許多測(cè)量任務(wù)(如尺寸大、形狀較復(fù)雜)用傳統(tǒng)測(cè)量工具完成不了，且占用機(jī)時(shí)較長(zhǎng)。⑵.由于機(jī)械加工、數(shù)控機(jī)床加工及自動(dòng)加工線的發(fā)展，生產(chǎn)節(jié)拍的加快，加工一個(gè)零件僅有幾十分鐘或幾分鐘，要求加快對(duì)復(fù)雜工件的檢測(cè)。例如：汽車(chē)和摩托車(chē)都采用流水生產(chǎn)線，每輛車(chē)上有幾千甚至上萬(wàn)個(gè)零件，這些零件是由專(zhuān)業(yè)化廠分散生產(chǎn)，最后集中部裝和總裝，每隔幾分鐘就生產(chǎn)出一輛車(chē)。.在制造業(yè)中，大多數(shù)產(chǎn)品都是按照CAD數(shù)學(xué)模型在數(shù)控機(jī)床上制造完成的，它與原CAD數(shù)學(xué)模型相比，確定其在加工制造中產(chǎn)生的誤差，就需用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行測(cè)量。在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的軟件系統(tǒng)中可以用圖形方式顯示原CAD數(shù)學(xué)模型，再按照可視化方式從圖形上確定被測(cè)點(diǎn)，得到被測(cè)點(diǎn)的X、Y、Z坐標(biāo)值及法向矢量，便可生成自動(dòng)測(cè)量程序。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)可按法線方向?qū)ぜM(jìn)行精確測(cè)量，獲得準(zhǔn)確的坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果，也可與原CAD數(shù)學(xué)模型進(jìn)行比較并以圖形方式顯示，生成坐標(biāo)檢測(cè)報(bào)告(包括文本報(bào)告和圖表報(bào)告)，全過(guò)程直觀快捷，而用傳統(tǒng)的檢測(cè)方法則無(wú)法完成。.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(cè)量機(jī)的計(jì)量室檢測(cè)外，為了便于直接檢測(cè)工件，測(cè)量往往需要在加工車(chē)間進(jìn)行，或?qū)y(cè)量機(jī)直接串連到生產(chǎn)線上。檢驗(yàn)的零件數(shù)量加大，科學(xué)化管理程度加強(qiáng)，因而需要各種精度的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，以滿足生產(chǎn)的需要。.實(shí)現(xiàn)逆向(反求)工程的需要，例如隨著模具生產(chǎn)的發(fā)展，在當(dāng)前的生產(chǎn)制造中往往會(huì)碰到這么一種情況，客戶(hù)能提供給制造者的只有實(shí)物而沒(méi)有任何圖紙或CAD數(shù)據(jù)，特別是樣件中有曲線、曲面等很難通過(guò)測(cè)量獲得其準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)的復(fù)雜模型。在這種情況下，傳統(tǒng)的加工方法是使用雕刻法或其他方法制作出一個(gè)一比一的模具，再用模具進(jìn)行生產(chǎn)。這種方法無(wú)法獲得工件準(zhǔn)確的尺寸圖紙，也很難對(duì)其外型進(jìn)行修改。現(xiàn)在采用的是三維掃描測(cè)量出工件輪廓曲線、曲面等數(shù)據(jù)。因此需要與〃數(shù)控機(jī)床”或〃加工中心”相配合的三維檢測(cè)技術(shù)。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的研究意義掃描式三維形貌檢測(cè)系統(tǒng)即為三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，是經(jīng)過(guò)40多年發(fā)展起來(lái)的一種高效率的新型精密測(cè)量?jī)x器，有著非常廣泛的用途。20世紀(jì)60年代以來(lái)，工業(yè)生產(chǎn)有了很大的發(fā)展，特別是機(jī)床、機(jī)械、汽車(chē)、航空航天和電子工業(yè)興起后，各種復(fù)雜零件的研制和生產(chǎn)需要先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)與儀器，因而體現(xiàn)三維測(cè)量技術(shù)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，并迅速發(fā)展和日趨完善。作為近40年發(fā)展起來(lái)的一種高效率的新型精密測(cè)量?jī)x器，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)已廣泛地用于機(jī)械制造、電子、汽車(chē)和航空航天等工業(yè)中。它可以進(jìn)行零件和部件的尺寸、形狀及相互位置的檢測(cè)，例如箱體、導(dǎo)軌、渦輪和葉片、缸體、凸輪、齒輪、形體等空間型面的測(cè)量。此外，還可用于劃線、定中心孔、光刻集成線路等，并可對(duì)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。由于它的通用性強(qiáng)、測(cè)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(lèi)大型精密儀器，故有“測(cè)量中心”之稱(chēng)。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)主要由四大部分組成：主機(jī)機(jī)械系統(tǒng)(X、Y、Z三軸或其它)、測(cè)頭系統(tǒng)、電氣控制硬件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)(測(cè)量軟件)。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的出現(xiàn)是標(biāo)志計(jì)量?jī)x器從古典的手動(dòng)方式向現(xiàn)代化自動(dòng)測(cè)試技術(shù)過(guò)渡的一個(gè)里程碑。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在下述方而對(duì)三維測(cè)量技術(shù)有重要作用：.解決了復(fù)雜形狀表面輪廓尺寸的測(cè)量，例如箱體零件的孔徑與孔位、葉片與齒輪、汽車(chē)與飛機(jī)等的外廓尺寸檢測(cè)；.提高了三維測(cè)量的精度，目前高精度的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的單軸精度，每米長(zhǎng)度內(nèi)可達(dá)1pm以?xún)?nèi)，三維空間精度可達(dá)1pm一2|jm。對(duì)于車(chē)間檢測(cè)用的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，每米測(cè)量精度單軸也可達(dá)3pm—4pm;.由于三坐標(biāo)測(cè)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)，從而促進(jìn)了自動(dòng)化生產(chǎn)線的發(fā)展；.隨著三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的精度不斷提高，自動(dòng)化程度不斷發(fā)展，促進(jìn)了三維測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步，大大地提高了測(cè)量效率。尤其是電子計(jì)算機(jī)的引入，不但便于數(shù)據(jù)處理，而且可以完成CNC的控制功能，可縮短測(cè)量時(shí)間達(dá)95%以上。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)研究國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用都已相當(dāng)普遍。根據(jù)國(guó)際專(zhuān)業(yè)咨詢(xún)公司統(tǒng)計(jì)，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的銷(xiāo)售增長(zhǎng)率在7%?25%上下。其中發(fā)達(dá)國(guó)家擁有量較高，但增長(zhǎng)率逐年下降，大約為7%?10%；而發(fā)展中國(guó)家擁有量較低但增長(zhǎng)率不斷提高，大約為15%?25%。目前，國(guó)內(nèi)外卜三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)正迅速發(fā)展，世界上生產(chǎn)測(cè)量機(jī)的廠商已超過(guò)50家，品種規(guī)格也已達(dá)300種以上。我國(guó)自2002年起連續(xù)8年測(cè)量機(jī)消費(fèi)量位居全球第一。主要用于機(jī)械、汽車(chē)、航空、軍工、家具、工具原型、機(jī)器等中小型配件、模具等行業(yè)中的箱體、機(jī)架、齒輪、凸輪、葉片、曲線、曲面等的測(cè)量還可用于電子、五金、塑膠等行業(yè)中可以對(duì)工件的尺寸、形狀和形位公差進(jìn)行精密檢測(cè)從而完成零件檢測(cè)、夕卜形測(cè)量、過(guò)程控制等任務(wù)。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是集機(jī)械、光學(xué)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的大型的精密測(cè)量?jī)x器，由于它的通用性強(qiáng)，測(cè)量范圍大、精度高、效率高、性能好，因此自1959年世界上第一臺(tái)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在英國(guó)制造出來(lái)，僅幾十多年的歷史，它就取得了飛速的發(fā)展，至今己經(jīng)歷了以下三個(gè)發(fā)展階段：.手動(dòng)數(shù)顯打印型:這種類(lèi)型坐標(biāo)測(cè)量機(jī)主要用于幾何尺寸測(cè)量，采用數(shù)字顯示，可打印測(cè)量結(jié)果，一般采用手動(dòng)測(cè)量。帶有電傳打印系統(tǒng)的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)雖然解決了數(shù)據(jù)打印問(wèn)題，但記錄下來(lái)的數(shù)據(jù)仍需要人工進(jìn)行運(yùn)算。例如在測(cè)量機(jī)上測(cè)量孔距，實(shí)際上測(cè)得的是孔上各點(diǎn)的x與Y坐標(biāo)，需要進(jìn)行計(jì)算處理才能得出結(jié)果，人工計(jì)算工作量很大，所以這類(lèi)測(cè)量機(jī)目前已被淘汰。.手動(dòng)型：帶有小型電子計(jì)算機(jī)的測(cè)量機(jī)的數(shù)據(jù)系統(tǒng)由三部分組成：即數(shù)據(jù)輸入部分、數(shù)據(jù)處理部分與數(shù)據(jù)輸出部分。有了電子計(jì)算機(jī)可進(jìn)行諸如工件安裝傾斜的自動(dòng)校正計(jì)算、坐標(biāo)變換、孔心距計(jì)算、偏差值計(jì)算等工作。并且可以預(yù)先儲(chǔ)備一定量的數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)量軟件存儲(chǔ)所需測(cè)量件的數(shù)學(xué)模型，對(duì)曲線表面輪廓進(jìn)行掃描測(cè)量。此類(lèi)型的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)采用手動(dòng)或機(jī)動(dòng)皆可。.計(jì)算機(jī)數(shù)字控制型(CNC):帶有小型電子計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理的測(cè)量機(jī)雖解決了數(shù)據(jù)處理問(wèn)題，但測(cè)量過(guò)程仍然是手動(dòng)或機(jī)動(dòng)的，對(duì)一些大型零件(如汽車(chē)外殼、葉片或航空工業(yè)與空間技術(shù)中的一些具有曲線表面的零件)和一些精度要求較高或?qū)y(cè)力有一定要求的零件(如非金屬材料或薄壁零件等)的測(cè)量，手工操作既費(fèi)力，又不能保證檢驗(yàn)精度，因此發(fā)展出計(jì)算機(jī)數(shù)字控制坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。這種測(cè)量機(jī)可按照編制好的程序自動(dòng)進(jìn)行測(cè)量。計(jì)算機(jī)將貯存在磁盤(pán)中的程序讀入，經(jīng)信息處理，通過(guò)數(shù)控伺服機(jī)構(gòu)控制測(cè)量機(jī)按程序自動(dòng)測(cè)量，并將測(cè)量的結(jié)果輸入計(jì)算機(jī)，按測(cè)量要求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并自動(dòng)打印數(shù)據(jù)或磁盤(pán)等形式輸出。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)未來(lái)展望先進(jìn)制造技術(shù)、各種工程項(xiàng)目與科學(xué)實(shí)驗(yàn)的需要也對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)不斷提出新的、更高的要求。從目前國(guó)內(nèi)夕卜三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)發(fā)展情況和科技、生產(chǎn)對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)提出的要求看，在今后一段時(shí)期內(nèi)，它的主要發(fā)展趨勢(shì)可以概括為以下幾方面。.普及高速測(cè)量：質(zhì)量與效率一直是衡量各種機(jī)器性能、生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)劣的兩項(xiàng)主要指標(biāo)。傳統(tǒng)的概念是為了保證測(cè)量精度，測(cè)量速度不宜過(guò)高。隨著生產(chǎn)節(jié)奏不斷加快，用戶(hù)在要求測(cè)量機(jī)保證測(cè)量精度的同時(shí)，會(huì)對(duì)CMM的測(cè)量速度(MeasuringSpeed)提出越來(lái)越高的要求。.新材料和新技術(shù)的應(yīng)用：為確?？煽扛咚俚臏y(cè)量功能，國(guó)外十分重視研究機(jī)體原材料的選用，最近在傳統(tǒng)的鑄鐵、鑄鋼基礎(chǔ)上，增加了合金、石材、陶瓷等新材料。 Zeiss、Sheffield.LeiLz.、FerranLi(英國(guó))、DEA等世界上的主要三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)制造廠商，大都采用了重量輕、剛性好、導(dǎo)熱性強(qiáng)的合金材料，來(lái)制造測(cè)量機(jī)上的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)部件。鋁合金、陶瓷材料以及各種合成材料在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。(3).控制系統(tǒng)的改進(jìn)：在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，測(cè)量的目的越來(lái)越不能僅僅局限于成品驗(yàn)收檢驗(yàn)，而是向整個(gè)制造系統(tǒng)提供有關(guān)制造過(guò)程的信息，為控制提供依據(jù)。從這一要求出發(fā)，必須要求測(cè)量機(jī)具有開(kāi)放式控制系統(tǒng)，具有更大的柔性。為此，要盡可能利用發(fā)展迅速的新的電子工業(yè)技術(shù)，尤其是計(jì)算機(jī)，設(shè)計(jì)新的高性?xún)r(jià)比系統(tǒng)。.測(cè)量機(jī)測(cè)頭的發(fā)展：三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)除了機(jī)械本體外，測(cè)頭是測(cè)量機(jī)達(dá)到高精度的關(guān)鍵，也是坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的核心。與其他各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)相比，提高測(cè)頭的性能指標(biāo)難度最大。解決理想測(cè)頭的途徑必然帶動(dòng)“固體傳感器”技術(shù)的發(fā)展，并且探測(cè)方式應(yīng)由被動(dòng)感知改為主動(dòng)探測(cè)，此外，測(cè)量機(jī)測(cè)頭的另一個(gè)重要趨勢(shì)是，非接觸測(cè)頭將得到廣泛的應(yīng)用。.軟件技術(shù)的革新：測(cè)量機(jī)的功能主要由軟件決定。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的操作、使用的方便性，也首先取決于軟件，測(cè)量機(jī)每一項(xiàng)新技術(shù)的發(fā)展，都必須有相應(yīng)配套的軟件技術(shù)跟上。可以說(shuō)測(cè)量機(jī)軟件是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)中發(fā)