逆向工程測(cè)量技術(shù)

逆向工程測(cè)量技術(shù)2.1 概述零件的數(shù)字化是經(jīng)過(guò)特定的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法獲取零件表面離散點(diǎn)的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)并進(jìn)行復(fù)雜曲面的建模、評(píng)價(jià)、改進(jìn)和制造。高效、高精度地實(shí)現(xiàn)樣件表面的數(shù)據(jù)搜集，是逆向工程實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)之一。零件表面數(shù)據(jù)搜集方法可分為接觸式數(shù)據(jù)采集和非接觸式數(shù)據(jù)采集兩大類接觸式包括－觸發(fā)式和連續(xù)掃描式數(shù)據(jù)采集；非接觸式主要有激光三角測(cè)量法、激光測(cè)距法、光干涉法、結(jié)構(gòu)光學(xué)法、圖像分析法等。隨著醫(yī)學(xué)CT技術(shù)的發(fā)展，斷層掃描技術(shù)也在逆向工程取得了應(yīng)用。在接觸測(cè)量中，三次元測(cè)量?jī)x（CMM）是廣泛采用的一種測(cè)量設(shè)備。三次元測(cè)量?jī)x三次元測(cè)量?jī)x是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一種高效率的新型精密測(cè)量?jī)x器。廣泛應(yīng)用于制造、電子、汽車和航空航天等工業(yè)中。是一種檢測(cè)儀器，對(duì)零件和部件的尺寸、形狀及相互位置及幾何精度進(jìn)行檢測(cè)。可用于劃線、定中心孔、光刻集成線路等，由于三次元測(cè)量?jī)x具有對(duì)連續(xù)曲面進(jìn)行掃描來(lái)制備數(shù)控加工程序的功能，最初就被選為逆向工程的主要的數(shù)字化設(shè)備。測(cè)量空間三維尺寸已有一些原始的方法，采用高度尺和量規(guī)等透過(guò)量具在平板上測(cè)量，以及采用專用量規(guī)、心軸、驗(yàn)棒等量具測(cè)量孔的同軸度及相互位置精度。測(cè)長(zhǎng)機(jī)只可在一個(gè)坐標(biāo)方向上進(jìn)行工件長(zhǎng)度的測(cè)量，是單坐標(biāo)測(cè)量?jī)x，僅能進(jìn)行一維測(cè)量，萬(wàn)能工具顯微鏡具有X與Y兩個(gè)坐標(biāo)方向移動(dòng)的工作臺(tái)，可測(cè)量平面上各點(diǎn)的坐標(biāo)位置，為二維測(cè)量，也稱為二坐標(biāo)測(cè)量?jī)x。具備X、Y、Z方向的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，就可測(cè)出空間范圍內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，既現(xiàn)今所謂的三次元測(cè)量?jī)x。三次元測(cè)量?jī)x的原理坐標(biāo)測(cè)量原理是：將被測(cè)物體置于三次元儀的測(cè)量空間，可獲得被測(cè)物體上各測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，根據(jù)這些點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，經(jīng)計(jì)算可求出被測(cè)的幾何尺寸、形狀和位置。在三次元測(cè)量?jī)x上裝置分度頭、回轉(zhuǎn)臺(tái)（或數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)）后，系統(tǒng)具備了極坐標(biāo)系測(cè)量功能，這種具有X、Y、Z、C四軸的坐標(biāo)測(cè)量?jī)x稱為四軸標(biāo)測(cè)量?jī)x。按照回轉(zhuǎn)軸的數(shù)目，也可有五坐標(biāo)或六坐標(biāo)測(cè)量?jī)x。三次元測(cè)量?jī)x的組成三次元測(cè)量?jī)x有三個(gè)方向的標(biāo)準(zhǔn)器（標(biāo)尺），利用導(dǎo)軌沿相應(yīng)方向的運(yùn)動(dòng)，三維測(cè)頭對(duì)被測(cè)量進(jìn)行探測(cè)和瞄準(zhǔn)。測(cè)量?jī)x還具有數(shù)據(jù)自動(dòng)處理和自動(dòng)檢測(cè)等功能，需要由相應(yīng)的電氣控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)軟硬件實(shí)現(xiàn)。三次元測(cè)量?jī)x可分為主機(jī)、測(cè)頭、電氣系統(tǒng)三大部分

圖2-1三次元測(cè)量?jī)x的組成1. 主機(jī)三次元測(cè)量?jī)x的主機(jī)結(jié)構(gòu)有：(1)框架結(jié)構(gòu)：指測(cè)量?jī)x的主體機(jī)械結(jié)構(gòu)架子。它是工作臺(tái)、立柱、橋框、殼體等機(jī)械結(jié)構(gòu)的集合體。(2)標(biāo)尺系統(tǒng)：重要組成部分，包括線紋尺、精密絲杠、感應(yīng)同步器、光柵尺、磁尺及光波波長(zhǎng)及數(shù)顯電氣裝置等。(3)導(dǎo)軌：實(shí)現(xiàn)三維運(yùn)動(dòng)，多采用滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)軸承導(dǎo)軌和氣浮導(dǎo)軌，以氣浮導(dǎo)軌為主要形式。氣浮導(dǎo)軌由導(dǎo)軌體和氣墊組成，包括氣源、穩(wěn)壓器、過(guò)濾器、氣管、分流器等氣動(dòng)裝置。(4)驅(qū)動(dòng)裝置：實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)和程序控制伺服運(yùn)動(dòng)功能。由絲杠絲母、滾動(dòng)輪、鋼絲、齒形帶、齒輪齒條、光軸滾動(dòng)輪、伺服馬達(dá)等組成。(5)平衡部件：主要用于Z軸框架中，用以平衡Z軸的重量，使Z軸上下運(yùn)動(dòng)時(shí)無(wú)偏重干擾，Z向測(cè)力穩(wěn)定。(6)轉(zhuǎn)臺(tái)與附件：使測(cè)量?jī)x增加一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的自由度，包括分度臺(tái)、單軸回轉(zhuǎn)臺(tái)、萬(wàn)能轉(zhuǎn)臺(tái)和數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)等。

圖2-2主機(jī)結(jié)構(gòu)2. 三維測(cè)頭三維測(cè)頭是三維測(cè)量傳感器，可在X、Y、Z三個(gè)方向上感測(cè)信號(hào)和微小位移。主要有硬測(cè)頭、電氣測(cè)頭、光學(xué)測(cè)頭等。測(cè)頭有接觸和非接觸式之分。按輸出信號(hào)分，有用于觸發(fā)信號(hào)的觸發(fā)式測(cè)頭和用于掃描的瞄準(zhǔn)式測(cè)頭、測(cè)微式測(cè)頭等。3. 電氣系統(tǒng)(1)電氣控制系統(tǒng)：具有單軸與多軸聯(lián)動(dòng)控制、外圍設(shè)備控制、通信控制和保護(hù)與邏輯控制等。(2)計(jì)算機(jī)硬件部分：包括各式PC機(jī)和工作站。(3)測(cè)量?jī)x軟件：包括控制軟件與數(shù)據(jù)處理軟件?？蛇M(jìn)行坐標(biāo)變換與測(cè)頭校正，生成探測(cè)模式與測(cè)量路徑，還用于基本幾何元素及其相互關(guān)系的測(cè)量、形狀與位置誤差測(cè)量、齒輪、螺紋與凸輪的測(cè)量、曲線與曲面的測(cè)量等，具有統(tǒng)計(jì)分析、誤差補(bǔ)償和網(wǎng)絡(luò)通信等功能。(4)打印與繪圖裝置：根據(jù)測(cè)量要求打印輸出數(shù)據(jù)、表格、繪制圖形等。

三次元測(cè)量?jī)x的類型1. 按自動(dòng)化程度分(1)數(shù)字顯示及打印型：主要用于幾何尺寸測(cè)量，能以數(shù)字形式顯示或記錄測(cè)量結(jié)果以及打印結(jié)果，一般采用手動(dòng)測(cè)量。(2)帶小型計(jì)算機(jī)的測(cè)量?jī)x：由計(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，并可預(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)模型和對(duì)曲線表面輪廓進(jìn)行掃描計(jì)算。(3)計(jì)算機(jī)數(shù)字控制（CNC）型：帶小型計(jì)算機(jī)的測(cè)量?jī)x的測(cè)量過(guò)程仍然是手動(dòng)或機(jī)動(dòng)的，計(jì)算機(jī)數(shù)字控制（CNC）型可按照編制好的程序自動(dòng)進(jìn)行測(cè)量。按功能可分為：1)編制好的程序?qū)σ鸭庸ず玫牧慵M(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，并可自動(dòng)打印出實(shí)際值和理論值之間的誤差以及超差值。2)可按實(shí)物測(cè)量結(jié)果編程。與數(shù)控加工中心配套使用，將測(cè)量結(jié)果經(jīng)計(jì)算機(jī)后置處理，生成針對(duì)各種機(jī)床的加工控制代碼。2. 按結(jié)構(gòu)形式與運(yùn)動(dòng)關(guān)系分類按結(jié)構(gòu)形式分為：移動(dòng)橋式龍門式懸臂式水平臂式坐標(biāo)鏜床臥鏜式和儀器臺(tái)式等。3. 按測(cè)量范圍分類(1)小型坐標(biāo)測(cè)量?jī)x：用于測(cè)量小型精密的模具、工具、刀具與集成線路板等，測(cè)量精度高，測(cè)量范圍，一般是X軸方向小于500mm。(2)中型坐標(biāo)測(cè)量?jī)x：測(cè)量范圍在X軸方向?yàn)?00～2000mm。精密等級(jí)為中等，也有精密型。(3)大型坐標(biāo)測(cè)量?jī)x：測(cè)量范圍在X軸方向大于2000mm。精密等級(jí)為中等或低等。4. 按精度分類三次元測(cè)量?jī)x按精度可分為低精度、中等精度和高精度的測(cè)量?jī)x，低、中、高精度三次元測(cè)量?jī)x可劃分：1.低精度測(cè)量?jī)x的單軸最大測(cè)量不確定度大體在1×10-4L左右，而空間精度最大測(cè)量不確定度為（2～3）×10-4L，

L為最大量程2.中等精度：其單軸與空間最大測(cè)量不確定度分別約為1×10-5L和（2～3）×10-5L3.高精密度：其單軸與空間最大測(cè)量不確定度則分別小于1×10-6L和（2～3）×10-6L。

三次元測(cè)量?jī)x主機(jī)1.坐標(biāo)測(cè)量?jī)x主機(jī)結(jié)構(gòu)(1)坐標(biāo)測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)形式三次元測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)形式可分為七類：懸臂式、橋框式和龍門式，這三類即是我們通常所稱的坐標(biāo)測(cè)量?jī)x（CoordinateMeasuringMachine，CMM）由鏜床演變而來(lái)的立柱式和臥鏜式，通常稱這兩類為萬(wàn)能測(cè)量?jī)x（UniversalMeasuringMachine，UMM）測(cè)量顯微鏡演變而成的儀器臺(tái)式，又稱三次元測(cè)量?jī)x極坐標(biāo)原理制成的極坐標(biāo)式。(2)坐標(biāo)測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)材料常用的結(jié)構(gòu)材料主要有：鑄鐵、鋼、花崗石、陶瓷和鋁。目前，三次元機(jī)的結(jié)構(gòu)材料正向著輕型、變形小、易加工的方向發(fā)展。2. 標(biāo)尺系統(tǒng)標(biāo)尺系統(tǒng)，也稱測(cè)量系統(tǒng)，是坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的重要組成部分。決定測(cè)量?jī)x的精度、性能和成本。國(guó)內(nèi)外坐標(biāo)測(cè)量?jī)x上使用的測(cè)量系統(tǒng)種類繁多按系統(tǒng)的性質(zhì)，可以分為機(jī)械式測(cè)量系統(tǒng)、光學(xué)式測(cè)量系統(tǒng)和電氣式測(cè)量系統(tǒng)。

(1) 機(jī)械式測(cè)量系統(tǒng)1.精密絲杠加微分鼓輪式測(cè)量系統(tǒng)：以精密絲杠為檢測(cè)元件，讀數(shù)方法是把絲杠的轉(zhuǎn)角所對(duì)應(yīng)的位移從微分鼓上讀出，精度取決于絲杠精度。2.精密齒條齒輪式測(cè)量系統(tǒng)：把一對(duì)互相嚙合的齒輪和齒條作為檢測(cè)元件，精度較低。3.滾輪直尺式：工作原理同齒條齒輪式，不同的是用直尺代替齒條，用滾輪代替齒輪，用摩擦傳動(dòng)代替齒輪傳動(dòng)。摩擦副打滑或滾輪磨損會(huì)降低測(cè)量精度。(2) 光學(xué)式測(cè)量系統(tǒng)1.光學(xué)讀數(shù)刻度尺式測(cè)量系統(tǒng)：將金屬標(biāo)尺或玻璃標(biāo)志作為檢測(cè)元件，測(cè)量時(shí)，通過(guò)光學(xué)放大系統(tǒng)，把刻線影像投射到視野上，再通過(guò)游標(biāo)副尺讀出整數(shù)和小數(shù)的坐標(biāo)值。2.光電顯微鏡和金屬刻尺式測(cè)量系統(tǒng)：把光電顯微鏡作為瞄準(zhǔn)裝置進(jìn)行自動(dòng)瞄準(zhǔn)標(biāo)尺（金屬尺或玻璃尺）的測(cè)量系統(tǒng)。3.光柵測(cè)量系統(tǒng)：由一個(gè)定光柵和一個(gè)動(dòng)光柵合在一起作為檢測(cè)元件，靠它產(chǎn)生莫爾條紋來(lái)檢測(cè)位移值。光柵可通過(guò)下列方式制作：在玻璃表面上制作透明與不透明間隔相等的線紋，可制成投射光柵；在金屬的鏡面上制成全反射或漫反射并間隔相等的線紋，稱做反射光柵；也可以把線紋作成具有一定衍射角度的光柵。4.光學(xué)編碼器測(cè)量系統(tǒng)：是一種絕對(duì)碼測(cè)量系統(tǒng)，顯示器顯示的數(shù)值與編碼器的位置（即絕對(duì)坐標(biāo)值）一一對(duì)應(yīng)，可以直接讀出長(zhǎng)度或角度坐標(biāo)的絕對(duì)值，沒(méi)有累計(jì)誤差，電源切除后位置量也不會(huì)丟失，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高。5.激光干涉儀測(cè)量系統(tǒng)：是現(xiàn)有測(cè)量系統(tǒng)中精度最高的一種，激光具有亮度高、方向性好、單色性及相干性好等特點(diǎn)，用于精密測(cè)量的激光干涉儀主要有單頻激光干涉儀和雙頻激光干涉儀兩種。

(3) 電氣式測(cè)量系統(tǒng)1.感應(yīng)同步式測(cè)量系統(tǒng)：檢測(cè)元件是一對(duì)具有平面繞組的定尺和滑尺，在滑尺繞組中通以一定頻率的交流電壓，由于電磁感應(yīng)，在定尺繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其幅值和相位取決于定尺和滑尺的相對(duì)位置，從而實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量。與激光及光柵測(cè)量系統(tǒng)相比，感應(yīng)同步式抗干擾能力強(qiáng)、成本低，但精度低。2.磁柵測(cè)量系統(tǒng)：檢測(cè)元件是磁性標(biāo)尺（或稱磁柵）和磁頭。根據(jù)錄磁原理，在磁性標(biāo)尺上等間距錄上周期性變化的磁信號(hào)，當(dāng)磁頭和磁柵相對(duì)移動(dòng)時(shí)磁頭就能讀出這一周期變化的磁電信號(hào)，用以測(cè)量位移量。測(cè)量精度略低于同步感應(yīng)式。

三次元測(cè)量?jī)x控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的關(guān)鍵組成部分之一。其主要功能：讀取空間坐標(biāo)值，控制測(cè)量瞄準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)測(cè)頭信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)與處理，控制機(jī)械系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)必需的運(yùn)動(dòng)，監(jiān)控坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的狀態(tài)，保障整個(gè)系統(tǒng)的安全性與可靠性。1. 控制系統(tǒng)的分類按自動(dòng)化程度分，坐標(biāo)測(cè)量?jī)x分為手動(dòng)形、機(jī)動(dòng)型和CNC型。早期的坐標(biāo)測(cè)量?jī)x以手動(dòng)型和通過(guò)操縱桿控制機(jī)械運(yùn)動(dòng)的機(jī)動(dòng)型為主，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，CNC型控制系統(tǒng)已日益普及。2. 空間坐標(biāo)測(cè)量及控制作為測(cè)量設(shè)備，坐標(biāo)測(cè)量?jī)x不僅要有高精度的長(zhǎng)度基準(zhǔn)，還應(yīng)有空間坐標(biāo)值的讀取與控制系統(tǒng)。一方面控制系統(tǒng)要定時(shí)讀取空間坐標(biāo)值，以便監(jiān)測(cè)坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的狀態(tài)；另一方面，當(dāng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)發(fā)出采樣控制信號(hào)時(shí)，又要實(shí)時(shí)地將當(dāng)時(shí)的空間坐標(biāo)值采樣讀入，作為以后數(shù)據(jù)處理的輸入?yún)?shù)。因此，精確地、實(shí)時(shí)地讀取空間坐標(biāo)值，是控制系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)。

3. 測(cè)頭系統(tǒng)及控制坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的測(cè)頭系統(tǒng)有電氣式和光學(xué)式兩種，其中電氣式是目前坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的主流，電氣式又分為觸發(fā)式和模擬式兩種。4. 測(cè)量進(jìn)給控制測(cè)量進(jìn)給控制與數(shù)控機(jī)床的加工進(jìn)給基本相同。一般坐標(biāo)測(cè)量?jī)x在X、Y、Z三個(gè)方向的正交直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)各自獨(dú)立的單軸伺服控制器實(shí)現(xiàn)。測(cè)頭的運(yùn)動(dòng)，是由CPU控制三軸按一定的算法聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，由單軸伺服控制及插補(bǔ)器共同完成。5. 控制系統(tǒng)的通信控制系統(tǒng)的通信分為內(nèi)通信和外通信。內(nèi)通信是指坐標(biāo)測(cè)量?jī)x計(jì)算系統(tǒng)的主計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)兩大部分之間的相互傳送命令、參數(shù)、狀態(tài)和數(shù)據(jù)等。內(nèi)通信采用現(xiàn)在成熟的、流行的標(biāo)準(zhǔn)，主要有串行RS232標(biāo)準(zhǔn)和并行IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)。外通信是測(cè)量?jī)x與CAD/CAM/DMIS的數(shù)據(jù)交換

三次元測(cè)量?jī)x測(cè)頭1.按照結(jié)構(gòu)原理，測(cè)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(dòng)測(cè)量◎光學(xué)式多用于非接觸測(cè)量◎電氣式多用于接觸式的自動(dòng)測(cè)量。新型測(cè)頭主要采用電學(xué)與光學(xué)原理進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。2.按測(cè)量方法測(cè)量頭可分為接觸式和非接觸式兩類。接觸式測(cè)頭便于拾取三向尺寸信號(hào)，應(yīng)用廣泛，種類也較多。接觸式測(cè)頭可分為硬測(cè)頭與軟測(cè)頭兩類。硬測(cè)頭多為機(jī)械式測(cè)頭，主要用于手動(dòng)測(cè)量，由于人手直接操作，測(cè)量力不易控制。軟測(cè)頭的測(cè)端與被測(cè)件接觸后，測(cè)端可作偏移，傳感器進(jìn)而輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)或模擬信號(hào)。非接觸式測(cè)頭由于有獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展較快。

3.按接觸式測(cè)頭工作原理硬式測(cè)頭、觸發(fā)式測(cè)頭、模擬式測(cè)頭。a） b） c）圖2-3接觸式測(cè)頭工作原理

a）硬式測(cè)頭b）觸發(fā)式測(cè)頭c）模擬式測(cè)頭1. 硬測(cè)頭硬測(cè)頭即機(jī)械測(cè)頭，主要用于人手直接操作的手動(dòng)測(cè)量，部分也可用于自動(dòng)測(cè)量。硬測(cè)頭多用于精度要求不太高的小型測(cè)量?jī)x中，成本較低、操作簡(jiǎn)單。

按形狀可分為圓錐測(cè)頭、圓柱形測(cè)頭、球形測(cè)頭、回轉(zhuǎn)半圓和回轉(zhuǎn)四分之一柱面測(cè)頭、盤形測(cè)頭、凹圓錐測(cè)頭、點(diǎn)測(cè)頭、V形塊測(cè)頭及直角測(cè)頭等。測(cè)量力往往較難控制，這不僅與操作者有關(guān)，還和測(cè)量?jī)x的運(yùn)動(dòng)部件（即測(cè)量位移裝置）的摩擦阻力大小有關(guān)。因此采用機(jī)械測(cè)頭時(shí)，要求摩擦阻力越小越好，以保證精度。一般要求測(cè)量力在0.1～0.4N的范圍內(nèi)，至多不大于1N。2. 電氣測(cè)頭電氣測(cè)頭是應(yīng)用范圍最廣、使用最多的一種測(cè)頭測(cè)頭多采用電觸、電感、電容、應(yīng)變片、壓晶體管等作為傳感器來(lái)接收測(cè)量信號(hào)，可達(dá)到很高的測(cè)量精度。按功能可分為：開(kāi)關(guān)測(cè)頭、模擬測(cè)頭按感受的運(yùn)動(dòng)維數(shù)分為：?jiǎn)蜗虻?、雙向的、三向（三次元）的電測(cè)頭。(1) 開(kāi)關(guān)式電氣測(cè)頭1.電觸式開(kāi)關(guān)測(cè)頭常稱為觸發(fā)測(cè)頭2.壓電式開(kāi)關(guān)測(cè)頭是利用壓晶體管的壓電效應(yīng)發(fā)信號(hào)的，具有較高的靈敏度，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可避免外電源的干擾。3.應(yīng)變片式測(cè)頭的原理是在測(cè)桿座上沿一定方向粘貼應(yīng)變片，當(dāng)測(cè)桿接觸工件時(shí)，應(yīng)變片變形，輸出觸發(fā)信號(hào)。(2) 模擬式電氣測(cè)頭1、2－雙片簧機(jī)構(gòu)3－板4－磁心體6－測(cè)頭體5、7－線圈8－活動(dòng)塊9－殼體10－側(cè)夾頭11－下夾頭12－探針13－測(cè)端二維電感測(cè)頭（圖2-4）圖2-5Zeiss三維電感測(cè)頭雙片簧層疊式三維電感測(cè)頭是三層式三維電感測(cè)頭的一種結(jié)構(gòu)，是精密型三次元測(cè)量?jī)x中應(yīng)用最廣的一種測(cè)頭。特點(diǎn)是在三個(gè)坐標(biāo)方向都裝有傳感器，可分辨三個(gè)方向的信號(hào)，并分別顯示三個(gè)分量，可作掃描測(cè)量，也可作數(shù)控自動(dòng)檢測(cè)的自動(dòng)化測(cè)頭。結(jié)構(gòu)形式很多，圖2-5為德國(guó)Zeiss廠生產(chǎn)的雙片簧層疊式三維電感測(cè)頭結(jié)構(gòu)，精度較高，重復(fù)精度可達(dá)0.1

m左右。1、3、16－平行四邊形機(jī)構(gòu)2、14、15－彈簧4－波紋管5－杠桿6－電磁線圈7－推動(dòng)桿8－十字片簧鉸鏈9－電磁鐵10－控制電機(jī)11－轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿12－頂桿13－螺母套3. 光學(xué)測(cè)頭◎光學(xué)測(cè)頭與被測(cè)物體沒(méi)有機(jī)械接觸。◎采用非接觸光學(xué)測(cè)頭測(cè)量工件，有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.沒(méi)有測(cè)量力,可以用于測(cè)各種柔軟的和易變形的物體,也無(wú)摩擦。

2.可以快速對(duì)物體進(jìn)行掃描測(cè)量，測(cè)量速度和采樣頻率較高。

3.光斑可以做得很小，可探測(cè)一般機(jī)械測(cè)頭難以探測(cè)的部位，不必進(jìn)行測(cè)端半徑的補(bǔ)償。

4.不少光學(xué)測(cè)頭具有大的量程，如十毫米乃至數(shù)十毫米，這是一般接觸測(cè)頭難以達(dá)到的。 用光學(xué)測(cè)頭測(cè)量物體，并不是測(cè)量物體本身的幾何形狀，而是物體像的光學(xué)反差結(jié)構(gòu)。◎除物體的尺寸特性外，物體的表面反射特性對(duì)測(cè)量結(jié)果也有較大影響。如照明情況、表面狀態(tài)反射情況、陰影、擋光、對(duì)譜線吸收情況等?！蚬鈱W(xué)測(cè)頭不能簡(jiǎn)單地以測(cè)量不確定度或最大允許無(wú)擦黑來(lái)表征，而要在非常確定的工作條件下，來(lái)討論測(cè)量不確定度。◎近年來(lái)，光學(xué)測(cè)頭發(fā)展非常迅速，是探測(cè)技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向?！蛟谌卧獪y(cè)量?jī)x上應(yīng)用的光學(xué)測(cè)頭分為以下五類：1.一維測(cè)頭，如三角法測(cè)頭、激光聚焦測(cè)頭、光纖測(cè)頭等；2.二維測(cè)頭，主要是各種視像測(cè)頭，如利用CCD攝影機(jī)測(cè)量平面輪廓的測(cè)頭；3.二維加一維測(cè)頭，是在二維測(cè)頭的基礎(chǔ)上，再增加對(duì)焦功能，使它能實(shí)現(xiàn)三維測(cè)量；4.三維測(cè)頭，如用莫爾條紋技術(shù)形成等高線進(jìn)行條紋計(jì)數(shù)的測(cè)頭、體視式測(cè)頭；5.接觸式測(cè)頭，是首先利用測(cè)端拾取工件表面的位置信息，然后利用光學(xué)原理進(jìn)行轉(zhuǎn)換。根據(jù)測(cè)量方法，光學(xué)測(cè)量還可分為光纖法、雙目立體視覺(jué)法、干涉法、離焦法、軸向位移轉(zhuǎn)換法和三角法等?！蚋鶕?jù)測(cè)量方法，光學(xué)測(cè)量還可分為光纖法、雙目立體視覺(jué)法、干涉法、離焦法、軸向位移轉(zhuǎn)換法和三角法等。

圖2-6三角法測(cè)頭(1) 三角法測(cè)頭照明光軸與成像光軸間有一夾角，稱為三角成像角。常用的光電檢測(cè)器件有位置敏感器件（PSD）、線陣電荷偶合器件(CCD)、光電二極管陣列等。三角法的優(yōu)點(diǎn)是工作距離大，即在離工件表面很遠(yuǎn)處（例如40mm～100mm）也可對(duì)工件進(jìn)行探測(cè)；測(cè)量范圍大（例如±5mm～±10mm）。雖然在這樣大的測(cè)量范圍內(nèi)會(huì)有一些非線性誤差，但可以通過(guò)實(shí)際標(biāo)定，利用軟件進(jìn)行修正。對(duì)雷射三角法測(cè)量，測(cè)量工件的幾何因素、物理因素，如被測(cè)件材料、表面粗度、顏色、表面亮暗變化、反射性能、激光器本身的漂移、相干光束的散斑效應(yīng)等都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果有影響。因而它不可能達(dá)到接觸式模擬和觸發(fā)測(cè)頭那樣高的精度。目前三角法測(cè)頭的測(cè)量不確定度大致在幾十至一百微米左右。如果測(cè)量條件較好、較確定，經(jīng)過(guò)仔細(xì)校正及修正，可達(dá)到10～20

m。三角法測(cè)頭為一維測(cè)頭，為實(shí)現(xiàn)三維測(cè)量，常需與回轉(zhuǎn)體配合使用。 激光三角法根據(jù)入射光不同，以三角法為原理的測(cè)量方法可分為點(diǎn)測(cè)量、線測(cè)量和面測(cè)量三種，見(jiàn)圖2-7。圖2-7三角法測(cè)量的三種不同的光源

單點(diǎn)式激光測(cè)量法單點(diǎn)式激光三角測(cè)量常采用直射式和斜射式兩種結(jié)構(gòu)。

光點(diǎn)在成像面上的位移為x'，按下式可求出被測(cè)面的位移x：1－激光器2－會(huì)聚透鏡3－被測(cè)表面4－接收透鏡5－光電探測(cè)器

1.直射式2.斜射式1－激光器2－會(huì)聚透鏡3－被測(cè)表面4－接收透鏡5－光電探測(cè)器

斜射式是激光器發(fā)出的光和被測(cè)面的法線成一定角度入射被測(cè)面上（圖2-8b），同樣用一透鏡接受光點(diǎn)在被測(cè)面的散射光或反射光，若光點(diǎn)的像在探測(cè)器敏感面上移動(dòng)，則物體表面沿法線方向的移動(dòng)距離x為線光源測(cè)量法使用二維面陣探測(cè)器作為接收器件，只需要附加一維掃描就可以形成完整的三維面形數(shù)據(jù)。也稱光切法

激光三角面形測(cè)量法

利用激光在被測(cè)工件表面投射一光條，由于被測(cè)表面起伏及曲率變化，投射的光條隨此輪廓位置起伏而扭曲變形，由CCD攝影機(jī)攝取激光束影像，這樣就可由激光束的發(fā)射角度和激光束在CCD內(nèi)成像位置，通過(guò)三角幾何關(guān)系獲得被測(cè)點(diǎn)距離或坐標(biāo)等數(shù)據(jù)。(2) 光纖式測(cè)頭◎光纖式測(cè)頭的原理是通過(guò)被測(cè)量的變化來(lái)調(diào)制波導(dǎo)中的光波，使光纖的光波參量隨被測(cè)量的變化而改變，從而求得被測(cè)信號(hào)的大小?！蚓哂徐`敏度高、耐腐蝕、電絕緣、不受電磁干擾、光路可繞曲、便于遙測(cè)等許多優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格較高。如圖2-10，激光經(jīng)光纖纖維2引入，照射到被測(cè)工件1的表面，由工件表面反射，部分光束進(jìn)入接收光纖3。由于進(jìn)入光纖3的光強(qiáng)Is與光纖和工件之間的距離

存在圖所示的關(guān)系，在某一距離時(shí)，光強(qiáng)Is達(dá)到最大，同時(shí)光纖接收的光強(qiáng)還和工件的表面粗糙度、反光性能有關(guān)。實(shí)際應(yīng)用于表面粗糙度測(cè)量，光纖測(cè)頭應(yīng)工作在

=

0位置，用于位移測(cè)量時(shí)，測(cè)頭應(yīng)工作在P點(diǎn)附近，這時(shí)測(cè)頭有最高的靈敏度

圖2-10光纖測(cè)頭工作原理 圖2-11接收光強(qiáng)與被測(cè)物距離的關(guān)系(3) 視像測(cè)頭為了瞄準(zhǔn)二維輪廓常采用視像測(cè)頭。視像測(cè)頭是用顯微鏡和投影的方法進(jìn)行瞄準(zhǔn)的發(fā)展。測(cè)頭由照明、放大鏡、CCD攝影頭與監(jiān)視器組成。通過(guò)一定方式的照明，將物體的幾何輪廓變?yōu)楣鈱W(xué)輪廓。為了提高分辨率，采用具有一定放大率（通常50）的鏡組放大后，由CCD攝影頭拾取并存儲(chǔ)光學(xué)輪廓的信息。視覺(jué)測(cè)量一般也使用三種激光光源：點(diǎn)結(jié)構(gòu)光、線結(jié)構(gòu)光和面條紋結(jié)構(gòu)光。見(jiàn)圖2-12。為增加測(cè)量速度，常將點(diǎn)結(jié)構(gòu)光改成掃描式線結(jié)構(gòu)光，這也是目前應(yīng)用最廣泛的一種方法。用激光穿過(guò)平行等距直線的振幅光柵組件，或使用干涉儀，形成直線干涉條紋，即面條紋結(jié)構(gòu)光。將此面條紋結(jié)構(gòu)光投射到工件表面，由于表面曲率或深度的變化使條紋變形，利用CCD攝影機(jī)攝取此變形條紋的圖像，即可分析物體表面輪廓變化。使用面條紋結(jié)構(gòu)光測(cè)量工件輪廓，可省去掃描機(jī)構(gòu)，測(cè)量速度快，但分辨率受到限制，表面曲率過(guò)大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)斷線現(xiàn)象。

圖2-12線結(jié)構(gòu)光測(cè)量物體表面輪廓結(jié)構(gòu)示意圖用視像測(cè)頭瞄準(zhǔn)工件邊緣時(shí)，利用光學(xué)掃描方法可以將幾何輪廓轉(zhuǎn)化為視像信號(hào)。常用確定輪廓邊緣的方法有以下四種：閾值法：設(shè)置一定的門檻值A(chǔ)，在光強(qiáng)等于A時(shí)即視為輪廓邊緣。最大斜率法：視像信號(hào)曲線斜率最大的拐點(diǎn)為輪廓邊緣點(diǎn)。此方法的優(yōu)點(diǎn)是它的唯一確定性，缺點(diǎn)是確定的光學(xué)輪廓邊緣位置不一定與幾何輪廓位置一致。模板法：利用標(biāo)準(zhǔn)零件，用視像測(cè)頭攝影后制造模板，用模板與實(shí)測(cè)得到的視像信號(hào)進(jìn)行比較，這種方法可以避免幾何輪廓與光學(xué)輪廓不一致，但難以實(shí)用。能量中心法：又稱黑度中心法或亮度中心法，對(duì)于一些刻線等圖案，可以用黑度中心或亮度中心定義它們的位置。但這種方法存在和最大斜率法同樣的問(wèn)題。三次元測(cè)量?jī)x測(cè)頭附件

1.測(cè)端與探針◎?qū)τ诓煌叽纭⒉煌螤畹墓ぜ枰捎貌煌臏y(cè)端與探針。◎測(cè)端形狀主要有球形測(cè)端、盤形測(cè)端、圓柱形測(cè)桿、尖錐形測(cè)端和半球形測(cè)端等，見(jiàn)圖2-13?！蜃畛Ｓ玫氖乔蛐螠y(cè)端，便于從各個(gè)方向探測(cè)、不易磨損、接觸變形小的優(yōu)點(diǎn)?！驕y(cè)端的常用材料為紅寶石、鋼、陶瓷、碳化物、剛玉等。

圖2-13測(cè)端的形式

a）球形b）盤形c）圓柱形；尖錐形d）半球形2. 連接器◎連接器的作用是將探針連接到測(cè)頭上，以及將測(cè)頭連接到回轉(zhuǎn)體上或測(cè)量?jī)x主軸上。◎常見(jiàn)的連接器有星形探針連接器、連接軸和星形測(cè)頭座等。3. 回轉(zhuǎn)附件◎通過(guò)回轉(zhuǎn)附件使測(cè)頭能對(duì)斜孔、斜面或類似形狀進(jìn)行精確測(cè)量。◎常用的回轉(zhuǎn)附件有鉸接接頭和測(cè)頭回轉(zhuǎn)體等。三次元測(cè)量?jī)x測(cè)量軟件

根據(jù)軟件功能的不同，坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量軟件可分為基本測(cè)量軟件、專用測(cè)量軟件和附加功能軟件1.基本測(cè)量軟件基本測(cè)量軟件是坐標(biāo)測(cè)量?jī)x必備的最小配置軟件，它負(fù)責(zé)完成整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的管理，通常具備以下功能：(1)運(yùn)動(dòng)管理功能：包括運(yùn)動(dòng)方式選擇、運(yùn)動(dòng)進(jìn)度選擇、測(cè)量速度選擇。(2)測(cè)頭管理功能：包括測(cè)頭標(biāo)定、測(cè)頭校正、自動(dòng)補(bǔ)償測(cè)頭半徑和各向偏值、測(cè)頭保護(hù)及測(cè)頭管理。(3)零件管理功能：確定零件坐標(biāo)系及坐標(biāo)原點(diǎn)、不同工件坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。(4)輔助功能：坐標(biāo)系、地標(biāo)平面、坐標(biāo)軸的選擇；公制、英制轉(zhuǎn)換及其他各種輔助功能。(5)輸出管理功能：輸出設(shè)備選擇、輸出格式及測(cè)量結(jié)果類型的選擇等。(6)幾何元素測(cè)量功能：

1.點(diǎn)、線、圓、面、圓柱、圓錐、球、橢圓的測(cè)量。

2.幾何元素組合功能，即幾何元素之間經(jīng)過(guò)計(jì)算得出如中點(diǎn)、距離、相交、投影等功能。

3.幾何形位誤差測(cè)量功能：平面度、直線度、圓度、圓柱度、球度、圓錐度、平行度、垂立度、傾斜度、同軸度等。

2.專用測(cè)量軟件專用測(cè)量軟件是針對(duì)某種具有特定用途的零部件的測(cè)量問(wèn)題而開(kāi)發(fā)的軟件。通常包括：(1)齒輪測(cè)量軟件(2)螺紋測(cè)量軟件(3)凸輪、凸輪軸測(cè)量軟件(4)輪廓測(cè)量軟件◎該軟件解決空間自由曲線、曲面的測(cè)量問(wèn)題，如凸輪、葉輪等，它可分為二維及三維曲線測(cè)量?！蚱錅y(cè)量方法又可分為點(diǎn)位測(cè)量及連續(xù)掃描測(cè)量?！蛟跍y(cè)量零件時(shí)，所得結(jié)果為測(cè)頭中心軌跡，它與被測(cè)曲線偏離一個(gè)球半徑。在計(jì)算法線方向、進(jìn)行測(cè)頭半徑補(bǔ)償后，才得出實(shí)際曲線上各點(diǎn)的坐標(biāo)值?！蜉喞獪y(cè)量的關(guān)鍵是要確定被測(cè)輪廓諸點(diǎn)的法線方向，以便進(jìn)行測(cè)頭半徑補(bǔ)償，得到準(zhǔn)確的測(cè)量值。1.連續(xù)掃描測(cè)量法

a.手動(dòng)連續(xù)掃描測(cè)量

b.自動(dòng)連續(xù)掃描測(cè)量2.點(diǎn)位測(cè)量法利用觸發(fā)式測(cè)頭，按被測(cè)曲線逐點(diǎn)采樣，取得被測(cè)曲線的一系列點(diǎn)的坐標(biāo)值。先要確定被測(cè)點(diǎn)的法線方向，確定法線方向的方法主要有二維已知輪廓測(cè)量程序和三維輪廓測(cè)量程序。

點(diǎn)位測(cè)量法的最大特點(diǎn)是不需要昂貴的三向電感測(cè)頭，因而測(cè)量成本比較低，具有較高的操作靈活性。

缺點(diǎn)是需大量采點(diǎn)才能獲得較高形面精確度，因此比較費(fèi)時(shí)間。但在一定形面精度范圍內(nèi)，方便而經(jīng)濟(jì)地利用觸發(fā)式測(cè)頭點(diǎn)位測(cè)量法測(cè)量空間曲線是一種有效途徑。

3.附加功能軟件為增強(qiáng)的功能和用軟件補(bǔ)償?shù)姆椒ㄌ岣邷y(cè)量精度，提供附加功能軟件，有如最佳配合測(cè)量軟件、統(tǒng)計(jì)分析軟件、隨行夾具測(cè)量軟件、誤差檢測(cè)軟件和誤差補(bǔ)償軟件和CAD軟件等。(1)附件驅(qū)動(dòng)軟件各種附件主要包括回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、測(cè)頭回轉(zhuǎn)體、測(cè)頭與探針的自動(dòng)更換裝置等。附件驅(qū)動(dòng)軟件首先實(shí)現(xiàn)附件驅(qū)動(dòng)、如回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，然后自動(dòng)記錄附件位置，作校準(zhǔn)、標(biāo)定和補(bǔ)償用。(2)最佳配合測(cè)量軟件該軟件運(yùn)用于配合件的測(cè)量，是應(yīng)用最大實(shí)體原則檢測(cè)互相配合的零件。其功能是：如測(cè)量結(jié)果是可配合的，則找出其最佳配合位置；零件的合格檢查：利用這個(gè)軟件程序可以經(jīng)過(guò)測(cè)量給以評(píng)定，得出零件是合格產(chǎn)品或廢品，一般不再進(jìn)行零件的返修。當(dāng)配合件有一個(gè)或更多的尺寸超差時(shí)，給出不可能裝配的信息，并可進(jìn)行再加工模擬循環(huán)，以便找出使該零件符合裝配要求的可能性。當(dāng)零件為中間工序的毛坯件時(shí)，此程序具有使加工余量分布最佳化的能力，計(jì)算出被測(cè)元素的最佳位置。(3)統(tǒng)計(jì)分析測(cè)量程序軟件該軟件是為保證批量生產(chǎn)質(zhì)量的一個(gè)測(cè)量程序。它是一種連續(xù)監(jiān)控加工的方法，由三次元測(cè)量?jī)x采集的測(cè)量數(shù)據(jù)，自動(dòng)地、實(shí)時(shí)地分析被測(cè)零件的尺寸，以便在加工出超差零件之前，就能發(fā)現(xiàn)被加工零件將超出尺寸極限的傾向。因此，可監(jiān)控加工過(guò)程中的零件尺寸，判斷被加工件是合格件、超差件或超差前給出相應(yīng)信息，以防止出現(xiàn)廢品，如給出換刀信號(hào)、誤差補(bǔ)償信號(hào)及補(bǔ)償值等。以圖形、打印、顯示或在在線給出反饋信號(hào)等方式，表示出統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。(4)隨行夾具測(cè)量軟件它是被測(cè)零件與其夾具之間建立一種互相連接關(guān)系的一個(gè)程序。一般用于多個(gè)相同零件的測(cè)量，即在一個(gè)夾具上裝有多個(gè)零件，工作臺(tái)上放有多個(gè)夾具，在第一個(gè)被測(cè)零件的示教編程后，再與隨行夾具程序相連，該程序即可自動(dòng)地一個(gè)零件一個(gè)零件的測(cè)量。當(dāng)發(fā)生錯(cuò)誤測(cè)量或碰撞時(shí)，即可自動(dòng)將測(cè)量引到下一個(gè)工件上繼續(xù)進(jìn)行測(cè)量。利用此程序可實(shí)現(xiàn)無(wú)人化測(cè)量。測(cè)量需對(duì)卡具、工件定向，再將工件的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成相對(duì)于隨行夾具的坐標(biāo)系。并設(shè)定中間點(diǎn)，此點(diǎn)沒(méi)有測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸，以避免碰撞。(5)其他軟件程序還有輸出軟件、示教程序、計(jì)算機(jī)輔助編程程序、轉(zhuǎn)臺(tái)程序、溫度補(bǔ)償程序、坐標(biāo)精度程序和其他專用程序，如為測(cè)量某種特殊零件的測(cè)量程序(如曲軸測(cè)量程序)或特殊功能的程序（如繪圖程序等）。路徑規(guī)劃與自動(dòng)測(cè)量技術(shù)

建立測(cè)量路徑的目的是為了有序、快速、高效地探測(cè)分布在元素表面的各個(gè)實(shí)際點(diǎn)的坐標(biāo)，并保證在檢測(cè)過(guò)程中測(cè)頭與工件或其他物體不發(fā)生碰撞

◎手動(dòng)式三次元測(cè)量?jī)x的測(cè)量路徑是由測(cè)量操作者自主確定的◎CNC測(cè)量?jī)x則由軟件控制。◎測(cè)量路徑有三大要素，即名義探測(cè)點(diǎn)、名義探測(cè)點(diǎn)法向和避障點(diǎn)?！驕y(cè)量路徑為一系列名義探測(cè)點(diǎn)及其法向和避障點(diǎn)的集合。

1. 設(shè)計(jì)測(cè)量路徑的基本原則設(shè)計(jì)測(cè)量路徑，主要應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：a.安全：從本測(cè)點(diǎn)移一到下測(cè)點(diǎn)的途中，測(cè)頭不與工件發(fā)生干涉；b.路徑短、速度快：根據(jù)坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的加減速特性，測(cè)頭能以最短的時(shí)間到達(dá)下一測(cè)點(diǎn)；c.行走路線自然。

2.測(cè)量路徑生成方法測(cè)量路徑可以通過(guò)下列幾種途徑產(chǎn)生：(1)鍵盤輸人：可編程式解釋型測(cè)量軟件系統(tǒng)，一般都帶有全屏幕的“測(cè)點(diǎn)編輯器”，可以使用該編輯器直接編輯、修改和重組測(cè)量路徑，比菜單驅(qū)動(dòng)式測(cè)量軟件系統(tǒng)方便。(2)自學(xué)習(xí)：操作者用操縱桿驅(qū)動(dòng)測(cè)頭沿要走的測(cè)量路徑走一遍，并讓計(jì)算機(jī)記憶下來(lái)。(3) 模擬生成：利用已有測(cè)量路徑的要素通過(guò)坐標(biāo)變換得到新要素的測(cè)量路徑。這要求新、舊要素必須是同一類型、同樣大小，只是在坐標(biāo)系中所處的位置不同而已。(4)自動(dòng)生成：某些坐標(biāo)測(cè)量軟件系統(tǒng)．如德國(guó)的Leitz