三坐标测量机的测量原理详解

(1)概述

三坐标测量机是20 世纪60 年代后期发展起来的一种技术集成化的高精度测量设备,目前被广泛应用于机械、电子、汽车、飞机等机械制造领域,它不仅被用于测量各种机械零件、模具等的形状尺寸、孔位、孔中心距以及各种形状的轮廓,还特别适用于测量带有复杂空间曲面的工件。三坐标测量机具有高准确度、高效率、测量范围大的优点,已成为几何量测量仪器的一个主要发展方向。

任何形状都是由空间点组成的,所有的几何测量都可以归纳为空间点的测量。因此,精确进行空间点坐标的采集,是评定任何几何形状的基础。三坐标测量机是基于坐标测量的通用化数字测量设备。它首先将各被测几何元素的测量转化为对这些几何元素上一些点集坐标位置的测量,精确地测出被测零件表面的点在空间3 个坐标位置的数值后,再经过数学运算拟合形成测量元素,如圆、球、圆柱、圆锥、曲面等,最终输出被测零件的形状尺寸和形位公差。如图5.1 所示,要测量工件上一圆柱孔的直径,可以在垂直于孔轴线的截面1 内,触测内孔壁上3 点(点1、2、3),则根据这3 点的坐标值就可计算出孔的直径及圆心坐标01;如果在该截面内触测更多的点(点1,2,…,n,n 为测点数),则可根据最小二乘法或最小条件法计算出该截面圆的圆度误差;如果对多个垂直于孔轴线的截面圆(Ⅰ,Ⅱ,…,m,m 为测量的截面圆数)进行测量,则根据测得点的坐标值可计算出孔的圆柱度误差以及各截面圆的圆心坐标,再根据各圆心坐标值又可计算出孔轴线位置;如果再在孔端面A 上触测3 点,则可计算出孔轴线对端面的位置度误差。由此可见,三坐标测量机的这一工作原理使得其具有很大的通用性与柔性。从原理上说,它可以测量任何工件的任何几何元素的任何参数。

图5.1　三坐标测量原理

三坐标测量机由机械主体部分、测量探测系统、控制系统和相关的数据处理计算机软件系统构成,如图5.2 所示。其中,三坐标测量机的主体部分包括了X 轴的主滑架、Y 轴的副滑架和Z 轴,这些滑架的材料一般是由花岗岩制成的,强度大、稳定性好。测量系统则包括探测系统中的传感器(测头)和机械主体中的光栅系统两个关键部件。传感器(测头)一般会应用到计算机技术,实现智能化测量,从而确保了测量数据的精准度;光栅系统分为绝对光栅和增量光栅两种。控制系统和数据处理系统是与计算机技术紧密联系的,通过计算机技术对相关的数据和设备进行实时的控制,保证了数据监控的时效性。在数据处理过程中,通过计算机对数据进行科学的计算,并将得到的计算结果进行集中处理,再输出数据或进行入库归档,条理清晰、逻辑分明。

图5.2　三坐标测量机组成结构图

(2)坐标测量技术与传统测量技术的对比

坐标测量机的特点是高精度(达到微米级)、高效率(数十、数百倍于传统测量手段)、通用性(可代替多种长度计量仪器),因而多用于产品测绘、复杂型面检测、工装夹具测量、研制过程中间测量,以及CNC 机床或柔性生产线在线测量等方面。只要测量机的测头能够瞄准(或感受)到的地方(接触法与非接触法均可),就可测出它们的几何尺寸和相互位置关系,并借助于计算机完成数据处理。这种三维测量方法具有很大的通用性和柔性,可以测量任何工件的任何几何元素的任何参数,同时可方便地进行数据处理与过程控制。因而不仅在精密检测和产品质量控制上扮演着重要角色,同时在设计和生产过程控制、模具制造方面发挥着越来越重要的作用,并在汽车工业、航空航天、国防军工、机床工具、电子和模具等领域得到广泛应用。坐标测量技术与传统测量技术的对比见表5.1。

表5.1　坐标测量技术与传统测量技术的对比

(3)三坐标测量机结构

目前主流的中小型三坐标主要为两种结构形式:移动桥式和固定桥式。

1)移动桥式

移动桥式常用于中小尺寸生产型结构。

如图5.3 所示,移动桥式结构三坐标测量机的主体部分包括了X 轴的主滑架、Y 轴的副滑架和Z 轴,这些滑架的材料一般是由轻质的铝合金制成的,质量小、动态性能好,因此测量效率高,精度虽然一般(通常不低于0.9 μm),但配合全自动的光栅及工件温度补偿技术,可满足普通生产需要。

如图5.4 所示,三坐标测量机是海克斯康生产的移动桥式三坐标测量机Global 型号,采用全铝合金框架、精密三角梁、气浮轴承技术、高分辨率镀金光栅、机身温度补偿技术、伺服驱动技术、减震技术等,具备较高的测量精度和稳定性。

图5.3　三坐标测量机移动桥式结构原理示意图

图5.4　移动桥式三坐标测量机

2)固定桥式

固定桥式常用于中小尺寸高精度需要的结构。

如图5.5 所示,固定桥式结构采用了符合阿贝误差原则的中心驱动方式结构,设计结构左右对称,3 个轴都采用惰性材料花岗岩或陶瓷,可保证长期使用的稳定性;运行时整个横梁固定不移动,由滑架和平台进行移动,因此,移动部件少,质心低,系统精度损失小;传动部分采用精密滚珠丝杠传动,效率高,到位精度极高,寿命极长;机身开敞性好,测量输出精度极高。通常,我国计量检测机构都采用固定桥式测量机,用此机型作为量值传递的标准(测量精度可达0.25 μm),为全球顶级的精度机型。

图5.5　三坐标测量机固定桥式结构原理示意图

图5.6　多功能高精度中央驱动式三坐标测量机

如图5.6 所示的三坐标测量机是海克斯康生产的Global S 09.15.08 多功能高精度三坐标测量机,采用复合阿贝误差原则的中心驱动方式,设计结构左右对称,可保证长期使用的稳定性;使用精密滚珠丝杠传动,效率高,到位精度高;机身开敞性好,测量精度高,扩展性能好,不仅可以用于锥齿轮、准双曲面齿轮、圆弧齿轮、渐开线齿轮、非圆锥齿轮、变传动比面齿轮等多种齿轮齿形和齿面的精密测量,还可以用于箱体、机架、齿轮、凸轮、蜗轮、蜗杆、叶片、叶轮叶盘、曲线、曲面等的精密测量。

(4)探测系统

在三坐标测量机领域中,探测系统往往被称为测头,是测量机的“心脏”,其灵敏度和重复性直接决定了整个坐标测量系统的精度。测头是测量机探测时发送信号的装置,它可以输出开关信号,也可以输出与探针偏转角度成正比的比例信号。它是坐标测量机的关键部件,测头精度的高低很大程度决定了测量机的测量重复性及精度,不同零件需要选择不同功能的测头进行测量。

1)接触式测量测头

①单点触发式测头。

测头接触待测工件表面时,测头的探头部分会发生偏斜,若此时仅发出瞄准信号,则此测头称为单点触发式测头,其结构简图如图5.7 所示。

图5.7　单点触发式测头的结构简图(www.xing528.com)

由图5.7 可知,在单点触发式测头内部均匀分布的3 个圆柱体的末端存在3 对接触副,当弹簧朝下挤压时,3 对接触副与圆柱体自动接触,构成1 个闭合的有源电路。此电路与某一触发装置相连,当满足触发条件时,造成电路发生变化进而发出开关信号。该测头的工作原理:一旦测头的探头接触到待测工件的表面,探杆会因为产生的触发力而发生弯曲变形,当触发力达到设定的阈值时,即满足触发条件。此时,3 对接触副至少有1对会自动脱落,从而使电路断开并发出声光信号。当探头离开工件表面时,触发力也随之归零,整个结构恢复到初始状态。对工件的测量工作完成后,探头按照预先规定的退回路线回到设定好的位置,并在此待命等待下一次的测量工作。测头发出声光信号的作用是控制光栅系统记录并存储所测量的坐标数据值。测量数据会通过通信装置被传送到计算机,最终通过测量软件计算出所测工件的几何量。②连续扫描触发式测头。

连续扫描触发式测头也称模拟测头,其工作原理与触发式测头不同,如图5.8 所示,模拟测头内部X、Y、Z 3 个轴向均有直线性差动变压器传感器,用于伸出测点时输出对应的模拟信号。直线差动变压器的工作原理如图5.9 所示,在初级圈内通8 V、18 kHz 的交流电,两个次级线圈反向串联。当磁芯在平衡位置时,次级线圈两端输出电压为零;当磁芯在两个次级线圈内移动时,在次级线圈内感应了不同的电压,在移动距离和输出电压之间有相应的比例关系及正负号。

图5.8　连续扫描触发式测头的结构简图

图5.9　直线差动变压器的工作原理

图5.10 是行业内知名的海克斯康模拟测头,它采用了三维动态采点技术,单点触测速度是普通测头2 ～4 倍,扫描采点速率可达1 000 点/s,其探测方向始终为工件表面法向方向,无余弦误差。

图5.10　海克斯康模拟测头

2)激光调频干涉测头

激光干涉传感器干涉光纤测量利用了光的波长特性来进行测量。一束光被分光镜分成两束。其中一束被反射到参考面上,另一束则投射到被测物体表面。两束光的叠加形成干涉,此项技术常用于双频激光干涉仪来进行几何量测量,但是激光干涉仪主要进行绝对长度的计量(如机床校准等),无法用于零部件的检测,使用激光干涉原理的光纤传感器则很好地将激光干涉技术应用于零部件检测。

图5.11 为使用激光调频干涉测头测量叶片示意图,图5.12 为使用激光调频干涉测头测量齿轮齿顶、齿根、左齿面和右齿面不同部位的示意图。

3)基于结构光的扫描测头

基于结构光的三维成像,实际上是三维参数的测量与重现,主要是区别于纯粹的如双目立体视觉之类的被动三维测量技术,因而被称为主动三维测量。因为它需要主动去投射结构光到被测物体上,通过结构光的变形(或者飞行时间等)来确定被测物的尺寸参数,因此称为主动三维测量。

图5.11　激光调频干涉测头测量叶片示意图

图5.12　激光调频干涉测头测量齿轮示意图

条纹投影技术实际上属于广义上的面结构光。其主要原理如图5.13 所示,即通过计算机编程产生正弦条纹,将该正弦条纹通过投影设备投影至被测物,利用CCD(Charge Coupled Device)相机拍摄条纹受物体调制的弯曲程度,解调该弯曲条纹得到相位,再将相位转化为全场的高度。其中至关重要的一点就是系统的标定,包括系统几何参数的标定和CCD 相机以及投影设备的内部参数标定,否则很可能产生误差或者误差耦合。因为系统外部参数不标定,则不可能由相位计算出正确的高度信息。

结构光三维成像的硬件主要由相机和投射器组成,结构光就是通过投射器投射到被测物体表面的主动结构信息,如激光条纹、格雷码、正弦条纹等;然后,通过单个或多个相机拍摄被测表面即得结构光图像;最后,基于三角测量原理经过图像三维解析计算从而实现三维重建。

图5.13　条纹投影技术原理

结构光光源有白光和蓝光两种。白光测量机采用的白光源为连续光谱,包含了整个可见光谱区域的光谱成分(即多色光),光波长度范围为380 ～760 nm,较激光单色光源宽,不易受工件表面质量的干扰,且体积较激光光源小,具有较强的灵活性及更好的稳定性。白光测量机采用三角测量原理,它利用了光源、像点和物点之间的三角关系来求得物点的间隔。光源向物体发射一个光点,光点到达物体后经过反射在传感器上得到一个像点。光源、物点和像点形成了一定的三角关系,其中光源和传感器上的像点的位置是已知的,由此可以计算得出物点的位置所在。

蓝光测头是一种相对于传统白光三维扫描仪而言选用蓝色光源的一种结构光扫描传感器,也常被称为蓝光摄影式三维扫描仪。与白光拍照式三维扫描仪不同的是,蓝光作为单一色彩的光源,其波长为380 ～450 nm,而波长为380 ～410 nm 的蓝光又被称为高能蓝光。因为蓝光具有波长短、能量高的物理性质,所以它作为拍照式三维扫描仪的光源,具有许多优势,其最大的优势就是具有较高且优于白光的抗干扰性能,能够耐受周围杂乱的环境光,使其能在杂乱的环境中正常使用。因为相机的传感器容易遭到外界不可见光的干扰,而蓝光拍照式三维扫描仪自身装备的滤光片能够很好地处理这一问题,恰恰弥补了白光扫描仪的缺陷。图5.14 为典型三维蓝光测头示意图。

(5)三坐标软件系统

鉴于几何物体都是一些空间点的集合,坐标测量机归根到底只是获取空间点的坐标值的仪器设备。一方面,只有用软件对这些点集进行处理、计算,才能给出测量对象的位置、尺寸、形状,而且也可以进行测头、温度、几何量误差的补偿;另一方面,通过软件还可以与控制系统结合在一起,指挥和控制测量机的运行。

图5.14　三维蓝光测头示意图

海克斯康测量技术(青岛)有限公司通过开发并制造高性能、多品种的计量产品和方案,实现了几何量数据的采集,PC-DMIS(图5.15)三维CAD 测量技术的应用,大大提升了检测操作的直观性和测量编程的效率,并开发应用于高精度复杂形状测量方面的专业计量软件Quindos(图5.16),使三坐标测量机在具备基本几何元素测量的同时,还开发了针对复杂曲线曲面测量和多种专业零件(例如圆柱齿轮、直伞齿、螺旋伞齿轮、滚刀、剃齿刀、拉刀、插齿刀、圆柱蜗杆、蜗轮、球状蜗杆、叶片、叶轮、整体叶盘、螺纹/API 螺纹、凸轮轴、活塞、导管阀座、磨损测量、压缩机螺杆、共轭凸轮、步进齿轮等)软件模块(图5.17)。

图5.15　PC-DMIS 三坐标测量软件

图5.16　Quindos 专业计量软件

图5.17　专业零部件测量模块