车身三坐标测量技术

5.3 非接触式三坐标测量机
5.3.1 测量原理与基本结构 1．常用的非接触式测量方法 (1) 三角测量法。其工作原理是，由激光器(通常 是半导体激光器)发出的光，经光学系统形成 一个很细的平行光束，照到被测工件表面上。 由工件表面反射回来的光，可能是镜面反射 光，也可能是漫反射光。 (2) 光纤式测量法。其原理是通过被测量的形面 变化来调制光波，使光纤的光波参量随被测 量的形面变化而变化，从而根据被测信号的 大小求得被测形面的空间位置关系。
5.2 接触式三坐标测量机
接触式三坐标测量机是最早发展起来的一种三坐标测量设 备，在车身制造行业应用广泛。接触式三坐标测量机可对车身 油泥模型、白车身总成，及前挡风玻璃、仪表板、座椅等部件 进行测量，也可以配合零件检测数据进行车身焊装质量的检测。
5.2.1 测量机原理与基本结构
1.测量机原理 接触式三坐标测量机的原理是：将被测件置于 三坐标的测量空间之内，测出接触点处的坐 标位置，根据这些点的空间坐标值，经过计 算可以求出被测件的几何尺寸、形状及位置。 2.基本结构 接触式三坐标测量机的基本结构可分为主机、 测头、电气系统三大部分，如图5-5所示。
5.1 三坐标测量机的作用与类型
1. 三坐标测量机的作用
(1) 对复杂形状表面轮廓尺寸进行测量，例如箱体零件 的孔径与孔位、叶片与齿轮、汽车与飞机等的外廓尺 寸检测等。 (2) 提高三维测量的测量精度。目前高精度三坐标测量 机的单轴精度，每米长度在 1μm以内，三维空间精度 达到1-2μm 。对于车间检测用的三坐标测量机，每米 测量精度单轴也达到3-4μm 。 (3) 由于三坐标测量机可与数控机床和加工中心配套组 成生产加工线或柔性制造系统，而可促进自动生产线 的发展。 (4) 大大地提高了测量效率。尤其是电子计算机的引入， 不 但 便 于 数 据 处 理 ， 而 且 可 以 完 成 CNC(Computerized Numerical Control)的控制功能， 可大大缩短测量时间。
3．ATOS三坐标测量机
ATOS 三坐标测量机是德国 GOM 公司开发的产 品， ATOS三坐标测量机主要包括光学测头、支架、 控制器、标尺、Tritop数码相机测量定位系统和相应 的计算机软件及硬件等，如图 5-16 所示。图 5-17 是 ATOS光学三坐标测量机的测头。
ATOS三坐标测量机的整个测量过程是基于光学三角形原理 的。测量过程中，系统投射一束光带条纹到被测量件，以这些投 射到被测件上的条纹为基础，由两个摄像镜头完成接收和测量， 其原理如图5-18所示。根据光学的变形原理，计算机能够从接收 到的精确像素信息自动计算出被测件的三维位置坐标。按照这种 摄像解决方法，每一次单独的扫描测量可以得到被测曲面的多达 数百万个点的信息。
第5章 车身三坐标测量技术
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 三坐标测量机的作用与类型 接触式三坐标测量机 非接触式三坐标测量机 测量点的数据处理 三坐标测量机在车身CAD的应用
三坐标测量机 (Coordinate Measuring Machines ， CMM) 是 20 世纪 60 年代发展起来 的一种高效的精密测量设备。它广泛应用于 机械制造、电子、汽车和航空航天等工业中。 它可以进行零部件的尺寸、形状及相对位置 的检测，例如轿车车身、箱体、导轨、涡轮、 叶片、凸轮、缸体、齿轮等空间形面的测量。 此外，还可以用于划线、定中心孔、光刻集 成线路等，并可以对连续曲面进行扫描及制 备数控机床的加工程序等。由于它的通用性 强、测量范围大、精度高、效率高、性能好、 能与柔性制造系统相连接，已成为一类大型 的精密仪器。
(3) 视像测量法。视像测头是用显微镜和投影的方法进 行瞄准的发展。测头通常由照明、放大镜、CCD摄像 头与监视器组成。通过一定方式的照明，将物体的几 何轮廓变为光学轮廓。 (4) 计算机断层扫描(Computed Tomography，CT)技 术最具代表的是基于X射线的CT扫描机。它以测量物 体对 X射线的衰减系数为基础，用数学方法经过计算 机处理而重建断层图像。 (5) 磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI) 也称为核磁共振，该技术的理论基础是核物理学的磁 共振理论，是20世纪70年代末以后发展的一种新式影 像技术。 (6) 超声波测量法采用的是超声波的数字化方法，其原 理是当超声波脉冲到达被测物体时，在被测物体的两 种介质边界表面会发生回波反射，通过测量回波与零 点脉冲的时间间隔，即可计算出各面到零点的距离。
(7) 层去扫描法是破坏性测量方法，层去扫描法适用于测 量物体截面轮廓的几何尺寸头、光纤测头等； (2) 二维测头，主要是各种视像测头，如利用CCD摄像机 测量平面轮廓的测头； (3) 二维加一维测头，是在二维测头基础上，再增加对焦 功能，使它能实现三维测量； (4) 三维测头，如用莫尔条纹技术形成等高线进行条纹计 数的测头、体视式测头； (5) 接触式测头。它首先利用测端拾取工件表面位置信息， 然后用光学原理进行转换。 根据测量方法，光学测头可分为三角法测头、光纤式测 头、视像测头等。
3) 电气系统
(1) 计算机硬件部分。 (2) 测量机软件，包括控制软件与数据处理软件。 它可进行坐标变换与测头校正，生成探测模 式与测量路径，还用于基本几何元素及其相互 关系的测量、形状与位置误差测量，齿轮、螺 纹与凸轮的测量、曲线与曲面的测量等。 (3) 打印与绘图装置。 (4) 电气控制系统，是测量机的电气控制部分，具 有单轴与多轴联动控制、外围设备控 制、通 信控制和保护与逻辑控制等 。
越来越多的工件需要进行空间三维测量，而传统的测量 方法不能满足生产的需要。 越来越多的工件需要进行空间三维测量，而传统的测量 方法不能满足生产的需要。 随着生产规模日益扩大，加工精度不断提高，除了需要 高精度三坐标测量机在计量室检测外，为了便于直接检 测工件，测量往往需要在加工车间进行，或将测量机直 接串联到生产线上。 实现逆向工程的需要，例如随着汽车工业的发展，车身 改型换代加快，往往要按已有的零件模型去仿制改型， 所以需要测量出零件的三维形状数据。根据这些数据建 模，再编制加工程序，然后将程序输入到数控机床加工 模具。因此，需要与“数控机床”或“加工中心”相配 合的三维检测技术。
2.三坐标测量机的类型 (1) 按照三坐标测量机的测量范围，可将它分为小 型、中型与大型。 小型三坐标测量机主要用于精密的模具、刀具、 工具、首饰、微刻与集成线路板等。最长的坐 标方向小于500mm 。 中型三坐标测量机的测量范围在 500-2000mm 。 主要用于对模具类零件的测量。 大型三坐标测量机的测量范围大于 2000mm ，主 要应用于汽车和飞机外形、发动机与推进器叶 片等大型零件的测量与检测。近年来，非接触 式的大型三坐标测量机应用较多。
结构材料主要有：铸铁、钢、花岗石、陶瓷和铝。 (3)标尺系统 标尺系统，也称测量系统，是三坐标测量机的重要 组成部分。按系统的性质，可分为机械式标尺系统、光 学式标尺系统和电气式标尺系统
2)三维测头
三维测头即是三维测量传感器，它可在 3 个方向上 感受瞄准信号和微小位移。三坐标测量机测头的两大基 本功能是测微(即测出与给定的标准坐标值的偏差值 )和 触发瞄准并过零发讯。按照结构原理，测头可分为机械 式、光学式和电气式等。机械式主要用于手动测量；光 学式主要由于非接触式测量；电气式多用于接触式的自 动测量。
5.2.2 应用特点 接触式三坐标测量机的精度的表示方法主 要有3种： (1) 测量机本身的精度：主要是指坐标位置的点 位精度。 (2) 重复精度：是测量机重复测量某一尺寸时测 量结果的变动范围。 (3) 示值精度：是测量机测量任何已知尺寸所得 测量结果的误差范围。
接触式三坐标测量的优点： (1) 机械结构及电子系统已相当成熟，故有较高的 准确性和可靠性； (2) 与被测件表面的反射特性、颜色及曲率关系不 大； (3) 被测件固定在三坐标测量机上，并配合测量软 件，可快速准确地测量出被测件表面的基本几何 形状，如面、圆、圆柱、圆锥、圆球等。
(2) 按三坐标测量机的测量精度分类，有低精度、 中精度和高精度的测量机。 低精度的测量机主要是具有水平臂的三坐标测量划 线机，单轴的最大测量不确定度大约在l×10-4L， 空间的最大测量不确定度在(2~3) ×10-4L之间， 其中L 为最大测量程。 中等精度的三坐标测量机的单轴最大测量不确定度 大约为 l×10-5L ，空间的最大测量不确定度在 (2~3) ×10-5L之间。 高精度三坐标测量机多称为精密型或计量型测量机， 主要在计量室使用，单轴的最大测量不确定度大 约 为 1×10-6L ， 空 间 的 最 大 测 量 不 确 定 度 在 (2~3)×10-6L之间。
5.3.2 应用特点
采用非接触式三坐标测量，有如下突出的优点：
(1) 能够快速收集到测量曲面的计算机建模信息，用于CAD、 FEM分析等； (2) 测量点云能够实现与CAD数据、工程图或样本的对比； (3) 能够对零件进行快速复制，快速成型或数控加工； (4) 能够应用数字化样机； (5) 能够测量体积小、形状复杂和体积很大的被测零件； (6) 测量点云的噪声点数量小，并且可以经过调整而进一步减少 噪声点； (7) 接触式测量设备不能测量的结构，如内部结构，各种柔软的、 易变形的物体和不可接触的高精密被测件等； (8) 能够装在机器人上实现自动测量； (9) 重量轻、结构紧凑、操作简单； (10) 带有先进的计算和渲染测量点云的功能。
(3) 按照测头是否和零部件表面接触，可以将测量 机分为接触式三坐标测量机和非接触式三坐标测 量机。 接触式测量的基本原理是力一变形原理，它可以 进行触发式或者连续的数据采集。接触式三坐标 测量机又可以按自动化程度分类，分为手动型、 机动型和 CNC 型。按照主机的结构形式与运动 关系分类，可分为桥框式、龙门式、悬臂式、立 柱式、卧镗式、仪器台式和极坐标式等。 非接触式测量方法主要运用光学原理，有激光三 角测量法、激光测距法、结构光学法，以及图形 分析法，工业计算机断层数据测量、磁共振成像 术测量法、超声波法和层去扫描怯等。