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三坐标论文
三坐标测量机综述
学科专业：
机械制造及其自动化
学生：
徐康民
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南京工程学院机械工程学院
二零一零年11月
摘要
数字化测量技术是数字化制造技术中的关键技术。
高速高效、高精度、高可靠性、多功能的现金数字化测量技术和仪器仪表，装备、服务、推动着数字化制造技术和装备的发展。
近年来机械制造业中的现金数字化精密测量技术和量具量仪，得到了快速的发展，取得了很多新的成果。
如：
采用光学/激光式非接触测量系统，三坐标测量机和便携式多关节测量仪，实现了对汽车大型覆盖件、反求工程被测件的非接触高效测量；采用新型测量原理的高性能数显卡尺、千分尺，满足了在冷却液喷淋的恶劣工况下对加工件进行可靠检测的需要；基于体对角线的机床三维空间位置误差激光测量新技术，探索了数控机床空间精度快速测量和补偿的新途径。
提高我国机床工具行业的技术水平，增强竞争力的根本途径就是提高自主创新能力，发展具有自主知识产权的产品和技术。
近年来，随着我国精密量具仪制造行业创新意识的加强和创新能力的提高，在先进数字化测量技术和数字化量具量仪的研究开发上，不断取得新的成就，展示了我国精密测量仪器制造行业的良好展示势头，提高了我国精密测量技术和制造水平。
由成都工具研究所开发的齿轮测量分选机，采用全新测量原理和机构，能对批量生产汽车、摩托车齿轮实现100%全数字的高速高精度测量和分选，填补了国内空白；由桂林广陆数字测控股份有限公司和上海交通大学联合开发的新型防水电子数显卡尺，采用了电涡流传感原理，防护等级达到了IP67规定，赶上国际先进水平；北京标普公司的0.1nm分辨力的杠杆测长仪，哈尔滨量具刃具集团有限责任公司齿轮测量中心的系列化和弧锥齿轮测量技术的创新标志我国齿轮测量技术进一步向国内先进水平靠拢；北京航空精密机械研究所成功开发龙门式大型三坐标测量机，表明国产三坐标测量机的自主研制开发能力有了进一步提高。
第一章绪论…………………………………………………………………….1
1.1三坐标测量机简介……………………………………………………………1
1.1.1三坐标测量机的意义…………………………….1
1.1.2三坐标测量机的研究现状……………………….1
1.1.3三维测量技术演变……………………………………………………………………………………………………..2
1.1.4三坐标测量机的组成及发展趋势及困难……………….2
1.1.5主要生产厂家………………………………………………………….5
第二章三坐标测量机的应用…………………………………………………………7
2.1基于CAD的三坐标测量机检测规划系统………………………………………………………………………………………………………7
2.2CAD系统与CAIP系统的对应支持关系…………………………………………………………………….8
2.3基于网络数据库技术的三坐标测量机应用………9
2.4数字成像式三坐标测量机技术…………………..11
2．5三坐标测量机联机检测系统的设计与应用…….12
2.6实用型三坐标测量系统的设计……………………13
2.7三坐标测量机测量数据的降噪…………………..13
2.8三维测量与三坐标测量……………………………13
参考文献…………………………………………………………………………..14
第一章绪论
三坐标测量机作为现代大型精密测量仪器已有40多年的历史，20世纪60年代以来，随着机床、机械，汽车、航空航天和电子工业的兴起，各种复杂零件的研制急需先进的检测仪器对其检测；同时，随着产品更新节奏的加快，对产品检测速度的要求也越来越高，三坐标测量机正是集合了这两个优点，得以在测量领域得到广泛的应用。
随着计算机技术和计量软件技术的引入，三坐标测量机的应用领域愈加宽广，己经越来越显示出它的重要性和广阔的发展前景。
1.1三坐标测量机简介
1.1.1三坐标测量机的意义
三坐标测量机出现以前，空间三维尺寸的测量多采用高度尺和量规等通用量具进行测量；或者采用专用的量规、心轴、验棒等测量工具测量孔轴及其相互位置和精度，这些测量方法劳动强度大，效率低，精度上也不易保证。
20世纪60年代以来，随着工业生产的发展，特别是机床、机械、汽车、航空航天和电子工业的兴起，研制的各种复杂零件急需先进的检测技术和仪器对其进行检测，因而体现三维测量的三坐标测量机应运而生，并得以迅速发展和广泛应用。
三维测量正是基于以下客观需求而发展起来的[1]。
1）越来越多的工件需要进行空间的测量，传统的测量方法不能满足生产需要。
2）由于机械加工、数控机床加工及自动加工线的发展，生产节拍的加快，加工零件的时间越来越短，要求加快对复杂工件的检测。
3）随着生产规模的扩大，加工精度不断提高，测量除了需要在计量室进行外，还需要在加工车间中进行，或将测量机直接串接到生产线；检测的零件数量大，需要各种精度的测量机，以满足生产的需要。
4）反向工程的需要，随着模具生产的发展，往往按制好的工件模型去仿制模具，故需要三维扫描测量工件的轮廓曲线和数据。
根据这些数据编制加工的程序。
综上所述，三坐标测量机的出现是计量仪器从古典的手动方式向现代化的自
动测试技术过渡的里程碑，三坐标测量机对三维测量起着重要的作用。
1.1.2三坐标测量机的研究现状
世界上第一台测量机是在1959年由英国制造的。
现在，国内外的应用已相当普遍。
根据国际专业咨询公司统计，三坐标测量机的销售增长率在7%~25%。
目前，国内外三坐标测量机正迅速发展，世界上生产测量机的厂商已超过50家，品种规格也已达300种以上。
（1）国外概况国外三坐标测量机生产厂家较多，系列品种很多，大多数都有划线功能。
著名的国外生产厂家有德国的蔡司（Zeiss）和莱茨（Leitz）、意大利的DEA、美国的布朗-夏普（Brown&Sharpe）、日本的三丰（Mitutoyo）等公司。
总的来说，国外机器有以下特点：
1.绝大多数机器总体布局为悬臂式，空间敞开性好，便于安装大的零件或整车；2.采用AutoCAD和有限元法进行优化设计，结构较合理，造型优美；3.专项开发力量强，专用软件和附件较多，能满足更多用户的特殊需要；4.移动构件多数用合金铝材，移动件质量尽可能小，做到高刚性、低惯性；5.配有21项误差补偿软件，可以廉价地提高机器精度；6.配有32位DSP连续轨迹控制系统，它是一种性能优于CPU的数据信号处理器，是超大规模集成电路。
它除了有较高的运算和控制功能外，还有内部存储的许多可供开发的高级语言程序；7.绝大多数机器采用Renishaw公司（英国）的电测头，功能齐全，质量可靠；8.配有功能齐全的控制测量软件、专用和误差修正软件；9.机器的性能高度稳定可靠，使用寿命长；10.三坐标测量机与计算机工作站和数控机床联网；11.三坐标测量及技术近十多年来突飞猛进发展，特别是数控系统和测量软件每二三年便更新一代；12.系列品种齐全，“三化”（即标准化、通用化、系列化）程度高。
（2）国内概况我国自20世纪70年代开始引进、研制三坐标测量机以来，也有了很大发展。
国内引进较多的是Zeiss、Brown&Sharpe、Leitz、EDA等公司的产品。
而国内的生产单位也已经有了很大的发展，主要的生产厂家中有中国航空精密机械研究所、青岛前哨英柯发测量设备有限公司、上海机床厂、北京机床研究所、哈尔滨量具刃具厂、昆明机床厂和新天光仪器厂等。
现在，我国具有年产几百台各种型号三坐标测量机的能力。
国内三坐标测量及近十年来发展也较快，但同国外相比还有一定差距，主要有以下几方面：
系列品种较少，“三化”程度低；新产品开发周期长，主要原因是原件和材料配套难；机加工周期长等；产品的稳定性较差，特别是电控系统，可靠性较差，故障率较高，寿命相对低，此外软件功能相对少些，特别是专用软件更少，与计算机工作站和数控机床联网问题，仅有极少数测量机刚刚起步，多数机器还没开始这项工作，有待进一步开发研究。
1.1.3三维测量技术演变
三坐标测量机基于坐标测量原理进行测量的，将被测集合元素转换为点集进行测量。
坐标测量原理[2]：
将被测物体置于三坐标测量机的测量空间，将被测物体几何元素的测量转化为几何元素上点集的坐标测量,根据这些测得点的坐标，计算出被测的几何元素的尺寸、形状和相对位置等。
基于以上工作原理，三坐标测量机具有很大的通用性和柔性，从原理上说，它可以测量工件的所有几何元素的任何参数；任何复杂的几何表面与形状，只要是测量机的测头能够感受到，就可以测出它们的几何尺寸和相互位置关系。
但实际中实现起来并不容易。
首先精密的三坐标机构不易实现，其次大量的数学计算不易处理，再加上各式各样的三维测头的需要，这些使的三坐标测量机在很长一段时间内难以得到快速的发展。
随着精密机械、电子技术和计算机的发展，精密导轨的设计和加工得以实现；计算机的应用，使得复杂的数值计算成为可能；再加上各种新型、高灵敏度的测头的开发，使得三坐标测量机迅速发展。
1.1.4三坐标测量机的组成及发展趋势及困难
三坐标测量机种类繁多，形式各异，性能多样，大体可分为：
主机、测头、电气系统三大部分。
主机包括框架结构、标尺系统、导轨、驱动装置、平衡部件和转台与附件。
测头主要实现感受三个方向上瞄准和微小位移，测量机的测头主要有硬测头、电气测头、光学测头等。
电器系统包括电器控制系统、计算机硬件系统、测量机软件和打印与绘图装置。
先进制造技术、各种工程项目与科学实验的需要也对三坐标测量机不断提出新的、更高的要求。
从目前国内外三坐标测量机发展情况和科技、生产对三坐标测量机提出的要求看，在今后一段时期内，它的主要发展趋势可以概括为以下几方面。
（1）普及高速测量质量与效率一直是衡量各种机器性能、生产过程优劣的两项主要指标。
传统的概念是为了保证测量精度，测量速度不宜过高。
随着生产节奏不断加快，用户在要求测量及保证测量精度的同时，会对CMM的测量速度（MeasuringSpeed）提出越来越高的要求。
而提高测量机测量速度这一目的，会为CMM带来以下几个方面的革新。
1.测量机的结构设计改进及材料的变化，结构优化以提高刚性，减轻运动部件的质量；使用轻质材料来降低运动惯性，即有普通使用的花岗石等传统材料转变为密度与杨氏模数之比低的材料、薄壁空心结构等。
铝、陶瓷、人工合成材料在测量机中获得了越来越多的应用；2.高速的动态性能要求提高动态补偿能力，动态误差与测量机的结构参数和运动规程有关。
在研究这些特性的基础上，既可以改进测量机的结构设计，提高控制系统性能，又可以进行动态误差补偿，在实现高速测量的同时保证高精度；3.采用非接触式侧头测量方式，在触测情况下，由于工件与测头的接触速度不能太大，这就给测量速度带来了很大的限制。
扫描测量方式虽比点位测量方式效率高得多，但仍受触测的限制。
采用非接触测头，可避免频繁加速、减速、碰撞等，大大提高测量速度。
特别从对可靠性与安全保护提出更高要求看，非接触测头也有很大的优越性；4.脱机编程技术成为一种趋势，所谓脱机编程技术，就是在CAD技术的辅助下，在不上测量机的情况下，在三维图形环境下完成对测量程序的编制工作。
这样不但能有效地提高测量机的实际使用效率，也提高了测量程序的编制效率。
脱机编程技术的应用使我们能完全与生产准备及生产过程同步进行测量的准备工作，从而更可以节约宝贵的CMM机时。
（2）新材料和新技术的应用为确保可靠高速的测量功能，国外非常重视研究机体原材料的选用，最近在传统的铸铁、铸钢基础上，增加了合金、石材、陶瓷等新材料。
Zeiss、Sheffield、Leitz、Ferranti（英国）、DEA等世界上主要三坐标测量机制造厂商，大都采用了重量轻、刚性好、导热性强的合金材料，来制造测量机上的运动机构部件。
铝合金、陶瓷材料以及各种合成材料在三坐标测量机中得到了越来越广泛的应用。
由于新型材料良好的导热性，所以在发生温度分布不均匀时，也能在极短的时间内迅速达到热平稳，将由温度变化所产生的热变形减至最低。
为此，近几年引起了厂商的改型高潮，新品种层出不穷。
技术指标的进步表现在两个方面：
1.最高运动速度达到15m/s以上，2.环境温度要求可降低20+-4°C。
其他一些新技术，例如磁悬浮技术也会在测量机及其它测头中获得应用。
（2）控制系统的改进在现代制造系统中，测量的目的越来越不能仅仅局限于成品验收检验，而是向整个制造系统提供有关制造过程的信息，为控制提供依据。
从这一要求出发，必须要求测量机具有开放式控制系统，具有更大的柔性。
为此，要尽可能利用发展迅速的新的电子工业技术，尤其是计算机，设计新的高性能/价格比系统。
近年来，计算机价格一直在降低，而性能愈来愈好。
如果能利用批量生产的价廉而性能高的计算机模版（例如80386、80486）来设计专用测量机数字控制系统，那么就可推出新的价廉而性能高的测量机控制系统。
另外，也可以用复杂的控制系统进行紧凑设计，以求降低成本。
（4）测量机测头的发展三坐标测量机除了机械本体外，测头是测量机达到高精度的关键，也是坐标测量机的核心。
与其他各项技术指标相比，提高测头的性能指标难度最大。
理想测头最主要的性能指标是测头接近零件能力的参数：
在同等精度指标下，测头端部的测头体直径D与测杆长度L的长径比L/D。
其值愈大，其性能愈好。
解决理想测头（L/D大于6，精度高于0.1um，触发运动速度从0.5m/s到80mm/s范围）的途径必然带动“固体传感器”技术的发展，并且探测方式应由“被动”感知改为“主动”探测，否则，无法解决类似压电测头那种灵敏度和低抵抗干扰性之间的矛盾。
此外，测量机测头的另一个重要趋势是，非接触测头将得到广泛的应用。
在微电子工业中有许多二维图案，如大规模集成电路掩模等，它们是用接触测头无法测量的。
近年来国外光学三坐标测量机发展十分迅速。
光学三坐标测量机的核心就是非接触测量。
与发展非接触测头的同时，具有高精度、较大量程、能用于扫描测量的模拟测头，以及能伸入小孔、用于测量微型零件的专门测头也将获得发展。
不同类型的测头同时使用或交替使用，也是一个重要发展方向。
（5）软件技术的革新测量机的功能主要由软件决定。
三坐标测量机的操作、使用的方便性，也首先取决于软件，测量机每一项新技术的发展，都必须有相应配套的软件技术跟上。
为了将三坐标测量机纳入生产线，需要发展与网络通信
建模、CAD、实现反向工程的软件；按样条函数、NURBS等进行拟合、建模以及各种仿真软件也在不断发展。
此外，加快普及使用通用测量软件（DMIS）以方便与CAD/CAM的数据交换；同时完善应用于不同类型工件之专用测量软件的开发和使用，最终形成基于同一种平台开发的测量软件族也成为软件革新的一种必然趋势。
可以说测量机软件是三坐标测量机中发展最为迅速的一项技术。
软件的发展将使三坐标测量机向智能化的方向发展，它至少将包括能进行自动编程、按测量任务对测量机进行优化、故障自动诊断等方面的内容。
时间与空间是物体存在的普遍形式，物体总是在一定的空间运动。
科学技术要造福人类需要通过一定形式将它物化或引入到客观存在的物体中。
坐标是物体在空间存在和运动描述最基本的形式。
“没有测量就没有科学”，提高产品质量和生产效率要依靠测量。
现代的自动化是柔性自动化，越是柔性的系统越需要测量。
测量是智能化的依据。
三坐标测量机的出现是几何量测量中的革命，它将各种几何量测量统一为坐标测量。
正交式三坐标测量机给生产、科学研究带来了很大的方便，但是也有许多不足，主要体现在以下方面：
（1）需要编程；
（2）测量多大物体，需要多大测量机；
（3）难以用于现场测量；
（4）需要进一步提高精度、效率和安全可靠性。
1.1.5主要生产厂家
法如科技FARO是世界上自主开发和生产第一台便携式三坐标测量臂和激光跟踪仪的厂家，同时也是目前世界最大的便携式坐标测量机的制造商。
宁波市江东法诺瑞克测量设备有限公司
宁波市江东法诺瑞克测量设备有限公司是一家专业从事计量器具，仪器仪表，检测设备，以及计量认证代理的集研发、销售、服务为一体的综合性公司。
我们秉承“我为人人，人人为我”的经营理念服务于广大客户，“创新，求精，忠诚，务实”是我公司经营宗旨。
多年以来与科研单位、大专院校、生产企业建立的良好合作关系.
思瑞测量技术（深圳）有限公司是由瑞典海克斯康计量技术集团（HexagonMetrologyAB）控股的一家从事研发、生产及销售精密坐标测量机，影像测量仪，测高仪等专业计量设备与仪器的合资企业。
海克斯康，是全球领先的测量技术集团，也是全球一维、二维、三维几何与空间测量领域的领导者；为客户提供全面而快速的技术手段以获得精准的测量数据或海量数据。
海克斯康集团共有员工8,000余名，遍及35个国家和地区。
海克斯康集团的销售及服务网络遍及世界五大洲，拥有100多个分支机构。
旗下汇聚测量行业各个业务领域的国际知名品牌，能为不同类型和不同需求的客户提供从纳米级微距测量到地球空间的宏距测量等最宽泛的解决方案。
海克斯康集团在中国拥有海克斯康测量技术（青岛）有限公司，海克斯康测量系统（武汉）有限公司，靖江量具有限公司，徕卡测量系统贸易（北京）有限公司，徕卡测量系统（上海）有限公司，徕卡测量系统（香港）有限公司，欧达电子有限公司，思瑞测量技术（深圳）有限公司，中纬测量系统（武汉）有限公司等不同类型的子公司及合资公司。
拥有BROWN&SHARPE、COGNITENS、DEA、ERDAS、LEICA、LEICADISTO、LEITZ、M&H、PC-DMIS、PREXISO、ROMER、TESA等国外知名品牌，中纬（GEOMAX）、思瑞（SEREIN）、棱环等国产品牌；员工总数近1,400人，产品及服务覆盖计量、测量系统和技术三大领域，借助全球化的资源优势为全球用户提供统一而先进的计量、测量产品和技术解决方案。
蔡司是一家国际著名的先进技术产品制造公司。
它于1846年在德国耶拿城创建。
上世纪七十年代，蔡司将全球领先的精密测量技术带进了中国，成为当时颇受欢迎的计量领域合作伙伴。
1999年，蔡司在上海外高桥保税区建立了除德国本土以外的最大的产品培训中心，同时在这里设有多种零部件的备件仓库，大大缩短了备件更换维修的周期，能更好更快的为中国用户服务。
2005年，蔡司公司与广东省深圳市计量质量检测研究院合作成立了华南技术中心，对外提供专业优质的测量、演示及培训等服务。
目前蔡司工业测量仪器部在北京、上海、广州、西安、重庆、南京、宁波均设有维修中心，拥有目前业内最完备的售后服务队伍及众多专业的技术专家，为用户提供专业、严谨、及时的售后服务和全面的测量解决方案。
第二章三坐标测量机的应用
现代三坐标测量机是集光学、机械、数控技术为一体的大型精密智能化仪器，可以对任何复杂形状的空间尺寸进行测量。
可以在制造过程中进行测量，数控机床或柔性生产线在线测量，尤其是可将CAD/CAM技术应用到坐标测量机和加工中心的联机系统，使坐标测量机-计算机工作站-数控机床的联机系统得到进一步推广，对提高产品质量和促进新产品开发起保证作用。
三坐标测量机已成为现代工业检测和质量控制不可缺少的大型万能测量仪。
随着空间坐标机，网络数据库技术与CAD/CAM技术日趋成熟，并得到广泛应用，特别是宽网技术的发展，使得在网络中传输数据的速度得到保证。
经过实验研究表明，将这三种技术融合为一体，能充分发挥它们各自的优势，能满足较高测量准确度和自动化程度的要求。
2.1基于CAD的三坐标测量机检测规划系统
系统体系结构
1.结构组成
如图1所示，基于CAD的三坐标测量机检测规划系统的体系结构由外至里依次由界面层、功能层、服务层和数据层四个层次组成，同时对于各层提供人机交互实现必要时人对系统的操作和控制。
系统中外层的相关操作和功能通过里层的支撑服务和数据实现，同时相关数据返回外
层界面实现系统更新显示。
图1基于CAD的三坐标测量机检测规划系统的体系结构
Fig.1ArchitectureoftheCAD-basedinspectionplanningsystem
forcoordinatemeasuringmachines
1）界面层：
界面层的主要作用是向用户提供一个与系统交互的平台，包括CAD界面和Windows标准界面。
通过界面层，系统将信息展示提供给用户，并获取用户的操作信息。
界面层上用户进行相应的操作将启用功能层的相关功能，同时功能层中的CAD显示及操作功能直接支持界面层中CAD界面的实现。
2）功能层：
功能层主要对应CAIP系统的各个功能模块，如CAD显示及操作、CAD文件导入导出、测量规划、公差评估、特征构造、坐标系建立、测头系统管理等等；同时在功能实现中需要用户加以修改或控制（如更改参数、特征拾取、操纵杆测量等）时提供人机交互。
3）服务层：
系统服务层提供各种支撑服务以实现功能层的相关功能，是整个系统的核心。
基本上每一个功能的实现都涉及数个相关服务，而同一个服务也支撑着数个功能，如CAD服务直接支撑CAD显示及操作功能，通过CAD服务、数据存储和数据载入服务实现CAD文件的导入导出功能等等。
功能与服务之间的对应支撑关系如图1中各条由功能至服务的箭头连接线所示。
4）数据层：
数据层中主要是和检测规划相关的一些数据，既作为相关服务的结果记录，也在需要时作为支撑服务的数据源。
同时提供一定的人机交互用于获取人工输入的数据（如程序、参数等）。
图1中服务层与数据层之间的各条带箭头的连线代表了相关数据的流向。
2.2CAD系统与CAIP系统的对应支持关系
CAIP系统的构建基于法国MatraDatavision公司的OpenCASCADE作为CAD平台，其是由C++开发设计的基于OpenGL的专用快速开发的CAD类库，提供基本几何体的表达与操作、三维显示与操作、多种数据格式转换等诸多功能。
系统通过对OpenCASCADE运行库进行包装，基于它原有的功能提供CAIP系统所需要的功能和服务，两者之间的对应支持关系如图2所示。
CAD系统主要对应支持CAIP系统的功能层和服务层两部分：
对于功能层，OpenCASCADE的三维显示及视图操作功能用于提供CAIP系统的CAD显示及操作功能，并直接支持CAD界面层系统；对于服务层，CAD模型支持系统和CAD几何操作与表达则用来提供相应的CAD服务，其中前者主要对应支持CAD数据载入和存储，后者主要对应支持规划服务和数据层的一些系统数据和测量结果的表达更新。
图2OpenCASCADE与CAIP系统的对应支持关系
Fig.2RelationshipbetweenOpenCASCADEandthe
CAIPsystem
在整个CAIP系统中，作为基础服务的CAD服务主要包括模型导入导出、信息提取及计算处理、几何设计造型三大部分。
可以看出，其一般不是独立的，而是交叉在其它相关服务中，利用CAD系统的内部功能为其它服务提供支持以实现相应的功能。
2.3基于网络数据库技术的三坐标测量机应用
1应用系统分析与设计
硬件结构
为了满足用户的不同要求,系统硬件上要允许各种不同类型空间坐标测量机的接入和扩充,对每一个应用项目,其空间坐标测量机的
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