现代三维坐标测量技术新理念学士学位论文.doc

毕业设计报告(论文) 报告(论文)题目： 现代三维坐标测量 技术新理念 作者所在系部： 机械工程系 作者所在专业： 机械设计及其自动化 作者所在班级： 作 者 姓 名 ： 作 者 学 号 ： 完 成 时 间 ： 摘 要本篇主要介绍了三坐标测量机的发展历程，以及在此基础上新发展起来的柔性制造系统（例如关节臂式测量机）、解决了工件输送问题的龙门式测量机、结合雷达技术和激光技术的激光雷达。重点介绍了激光跟踪仪的原理、应用及最新发展起来的室内GPS技术。传统的三坐标测量机测量精度高，但对环境因素有较高要求。另外，因其受导轨限制，不能对空间动态点进行跟踪测量，应用范围受到限制。在现代制造工业中，大尺寸空间坐标测量系统获得了越来越广泛的应用。它具有量程大、精度高、非接触、机动灵活、动态测量等优点，是传统坐标测量技术所无法取代的，对控制产品质量起到了至关重要的作用。随着生产的发展和科学技术水平的提高，要求提供精度更高、动态性能更佳的测量系统。因此激光跟踪测量系统应运而生。它具有高精度、高效率、实时跟踪测量、安装快捷、操作简便等特点，适合大尺寸工件配装测量。以激光为测量手段，扩大了坐标测量的应用范围，可在车间内任意移动，真正实现自动化生产。而室内GPS测量技术，是对多个激光跟踪仪的综合应用，可对多个测量点同时测量，全程监控。在论文的撰述中，主要是通过充分利用网络资源及图书馆文献，对现代三坐标测量技术进行归纳和总结，最终预测现代三坐标测量的发展趋势，提出三坐标测量技术新理念。关键词：三坐标测量机，激光跟踪仪，iGPS，激光雷达，空间坐标测量AbstractThis paper mainly introduces the development history of the Coordinate Measuring Machines,and flexible manufacturing system such as the articulated arm Measuring Machine,which is the latest development.What is more,it also concerns the Gantry Measuring Machine and the Laser Radar which is based on the laser technology and the Radar Technology. This paper focuses on the principle of the Laser Tracker,as well as its applyment.At the last,it mentions the Indoor GPS Technology.Traditional Coordinate Measuring Machines can measure the workpiece precisly, but it requries high environmental factors.In addition,because of the testrictions of the guides,it can not track a dynamic point in the space.So,the range of CMMs is restricted.Large-Scale coordinate measuring systems(LSCMS) are demanded more and more widely in modern industry.Taking advantage of large mesruring zone,high accuracy, non-contact, flexibility and dynamic measurement,LSCMS have become substitution of traditional CMMs in the field mentioned above. They play a key role in assuring manufacturing quality.With the development of pruduction and technology, there is an increasing need of measruing facility with higher accuracy and more powerful dynamic performance.Therefore Laser Tracker System emerged.It is fit for large workpiece measuring with features of high precision,hige efficiency,real-time tracking, quick installation and easy operating.With the base of laser, Laser Tracker System enlarged the range of coordinate measuring and move in the workshop arbitrarily,achieving automating manufacture.As well as the Laser Tracker System,the Indoor Global Positioning System is comprehensive of the Laser Tracker,which can measuting the pointsn simultaneously in order to monitor the producting entirely.Throw all the writing of the paper ,I fully use the network resources and the library documents.Summarize the morden coordinate measuring technology and forecast the technology.Above all the resources, refine new philosophies finally.Keywords: Coordinate Measuring Machine, Laser Traker System, Indoor GPS, Laser Radar,Space coordinate目 录摘 要IAbstractII现代三坐标测量技术新理念1第1章 绪论11.1 三坐标测量机对三维测量的作用11.2 三坐标测量机的分类21.3三坐标测量机的发展21.4三坐标测量机国内外研究概况31.4.1国外概况31.4.2国内概况41.5研究内容4第2章 三坐标测量机及其原理52.1 三坐标测量技术的演变52.2 三坐标测量机的主机72.2.1 材料82.2.2 基座和结构82.2.3 滚动导轨82.3 光学标尺系统92.4 三坐标测量机的工作原理112.5 三坐标测量技术的应用142.5.1 三坐标测量工艺的应用142.5.2 CAD辅助三坐标测量技术的应用152.6 本章小结15第三章大尺寸坐标测量163.1 龙门式坐标测量机163.2 关节式坐标测量机173.3 水平臂测量机193.5经纬仪测量系统193.6 全站仪21TCA200322单台应用模式22多台应用模式233.7数字近景摄影视觉测量技术233.8 本章小结25第四章 激光跟踪测量系统的原理与构成254.1概述254.2激光跟踪测量系统的基本原理264.2.1 系统的组成264.2.2 系统的基本原理19294.2.3 激光跟踪仪的测量精度和系统误差校准方法324.2.4 系统的应用334.3 激光动态跟踪测量374.4激光跟踪仪的新发展便携式激光跟踪仪384.4.2光靶标控制点研究404.5 便携式测量机应用434.6 本章小结43第五章 iGPS445.1 GPS简述445.2室内GPS (iGPS)465.2.1 iGPS系统构成465.2.2 iGPS工作原理475.2.3 误差分析485.3 iGPS测量系统优点495.4 iGPS在飞机装配中应用505.5 iGPS在飞机损坏测量中的应用525.6 本章小结53第六章 激光雷达546.1激光雷达的工作原理546.2激光雷达的优点556.3激光雷达的应用566.3.1军事领域的重要用途566.3.2民用领域的广阔前景576.4 小结59第7章 三坐标测量技术理念597.1 三坐标测量技术的发展趋势597.2 现代三坐标测量技术新理念60致 谢62参考文献63现代三坐标测量技术新理念第1章 绪论1.1 三坐标测量机对三维测量的作用自工业化以来，尤其是国防军工的需要，要求零件的高度互换性，对尺寸、位置、形状公差的要求，推动了几何量计量的发展。工业革命的兴起，伴随着众多制造企业的涌现和大规模生产的需要，在加工设备提高工效、自动化更强的基础上，要求计量检测手段应当高速、柔性化、通用化，而固定的、专用的或手动的工量具大大限制了大批量制造加工业的发展。平板加高度尺加卡尺的检验模式已不适用，所有这些促成了坐标测量机行业的形成。世界上第一台测量机是1959年由英国制造的。现在国内外的应用已相当普遍。三坐标测量机的出现是标志计量仪器从古典的手动方式向现代化自动测试技术过渡的一个里程碑。三坐标测量机在下述方面对三维测量技术有重要作用：1.解决了大尺寸部件和复杂形状表面轮廓尺寸的测量，例如汽车与飞机长度尺寸与装配精度、箱体零件的孔径与孔位、叶片与齿轮等的外轮廓尺寸检测；2.提高了三维测量的精度，目前高精度的坐标测量机的单轴精度，每米长度内可达1m以内，三维空间精度可达1m2m。对于车间检测用的三坐标测量机，每米测量精度单轴也可达到3m4m；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，从而促进了自动化生产线的发展；4.随着三坐标测量机的精度不断提高，自动化程度不断发展，促进了三维测量技术的进步，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的控制功能，可缩短测量的时间可达95%以上；1.2 三坐标测量机的分类按照不同发展的时期，三坐标测量机的发展可分为以下几个阶段：（1）原始测量机：现在使用的测长机、万能工具显微镜等单一坐标或两坐标测量机，是三维坐标测量机的雏形。（2）初期测量机：50年代出现的自动发讯大行程测量系统，与原始测量机比较，测量效率得到极大的提高。（3）带电传测量机：具有自动记录、打印输出测量结果、从纸带机上读入信息的功能。计算机数据处理测量机能自动运算处理测量数据，运算速度快、准确，自动输出测量结果。（4）计算机控制测量机：自动处理数据并自动控制测量过程。（5）测量机检验线：有多台通用测量机组成检验线，相互配合，完成复杂零件的全面检验工作。（6）数控测量中心：利用数控测量来解决高效率测量等问题，最多可配有8个测量轴线，能解决各种复杂的测量问题，一般配有图像显示装置【1】。1.3三坐标测量机的发展三坐标测量机（Coordinate Measuring Machine,简称CMM）发展迅速，尤其是近40年来高新技术的发展，促使三坐标测量机逐渐发展成高效率的新型精密测量仪器。它是对三维尺寸进行测量的设备，能测量复杂形状的工件，如箱体、模具、凸轮、发动机零件、汽轮机叶片等空间曲面，此外还可用于划线、定中心孔、光刻集成电路等，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，解决二坐标万能测量显微镜等不能解决的问题，广泛用于机械制造、仪器制造、汽车工业、电子工业、航空和航天工业等。三坐标测量机不仅能用于计量室的产品检验，而且也是整个生产系统进行前置反馈控制的重要环节，它可以对下一批零件的加工工艺、加工参数进行修正，对产品质量进行管理和误差诊断，实现大系统的闭环控制，以保证加工质量。由于它的通用性强、测量范围广、精度高、效率高、性能好、能与柔性制造系统相连接，已成为一类大型精密仪器，故有：“测量中心”之称。随着科技的进步，三坐标测量机的通用性更强，精度提高，并逐渐向便携式发展。例如：（1）桥式测量机，可满足现代制造企业生产的90%工件的检测需要。可广泛应用于车间现场、质量控制、设计、工艺等部门；（2）龙门式测量机因其开敞式龙门结构，从而减少工件的上/下料时间，同时允许操作者在操作室能够靠近被测工件，以保证对大型和超大型工件的测量和对于复杂形状和自有曲面扫描的精度；（3）水平臂式测量机能够完成包括汽车钣金在内的柔性在线测量和过程控制，从而为批量生产提供了现场支持；（4）关节臂测量机是专门用于需要在车间或实验室环境下进行检测、测量和逆向工程的便携式测量机。（5）激光跟踪仪，直径测量范围可达到80米，大型物体（比如飞机）和小型物体都可以实现精度达到微米级的精密测量；还可在短时间内对复杂的构件进行检测和装配，如航空航天和汽车行业的生产线，由于跟踪仪的现场性和实时性特点，因此装配的过程也是检测的过程；另外，飞机和汽车工业的生产线需要定期进行检测，以进行重复性和准确性检测，通过激光跟踪仪这种可移动式的坐标测量设备，缩短了停工期，并可对生产线的工装、夹具和检具进行精密的现场检测。1.4三坐标测量机国内外研究概况如今，三坐标测量机在国内外应用已相当普遍。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%左右。发达国家拥有量较高。但增长率逐年下降，大约为7%10%；发展中国家拥有量较低，但增长率不断提高。大约为15%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。1.4.1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。总体来说，国外机器有以下特点：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；采用AutoCAD和有限元法进行优化设计，结构较合理，造型优美；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；移动构件多数用合金铝材，移动质量尽可能小，做到高刚性、低惯性；配有21项误差补偿软件，可以廉价地提高极其精度；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；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；配有功能齐全的控制测量软件、专用和误差修正软件；机器的性能高度稳定可靠，使用寿命长；系列品种齐全，“三化”即标准化、通用化、系列化程度高。1.4.2国内概况我国自20世纪70年代开始引进、研制三坐标测量以来，也有了很大发展。国内引进较多的是Zeiss、Brown&Sharpe、Leitz、DEA等公司的产品。而国内的生产单位也已经有了很大发展。我国具有年产几百台各种型号三坐标测量机的能力。国内三坐标测量机近十年来发展也较快，但同国外相比还有一定差距，主要有一下几个方面：系列品种较少，“三化”程度低；新产品开发周期长，主要原因是元件和材料配套难；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，有待进一步开发研究。1.5研究内容阐述现代三坐标测量机的原理，对现代三坐标测量方法进行归纳、总结，最终预测其发展趋势并提出坐标测量新理念。第2章 三坐标测量机及其原理2.1 三坐标测量技术的演变三坐标测量机出现以前，测量空间三维尺寸已有一些原始的方法，如采用高度尺和量规等通用量具在平板上的测量，以及采用专用量规、心轴、验棒等量具测量孔的同轴度及相互位置精度，或者其他的特殊量具，图2-1所示是瓦特制造的测微仪。 图2-1 瓦特测微仪这些方法劳动强度大、效率低、测量方式原始、精度难以保证。专用量规制造成本高，使用麻烦，即使是熟练的测量人员也难以获得稳定的、精确的测量结果。另一种方法是采用坐标镗床测量，即在镗床上利用它的三坐标机构，在轴上安装测微仪，对工件进行三维测量。而设备各轴所用的标尺或计量用丝杠，也可作为三坐标测量机各轴的长度基准。因此早期的坐标测量机制造商往往是一些机床制造厂家，通过移植他们在镗铣床方面的经验，进行坐标测量机的设计和制造，解决了他们所面临的随着加工更加自动化而带来的更快速、更灵活的零件检验需要。这些传统的测量方法既费时又费力，还可能达不到精度要求。但当时用实物基准的比较办法限制了长度量这一信息的数字化，因而亦限制了计算机在长度等几何量测量中的应用。这些传统的测量方法既费力又费时，亦不易达到精度要求。除此之外，为了测量复杂的轮廓或型面，常常设计专用测量装置或专用仪器。其原理是从理论上形成需要的复杂运动（如转子发动机缸体需要形成次摆线运动，齿轮需要形成渐开线运动），再装上测微仪去与实际工件的轮廓进行比较测量，描绘出实际轮廓曲线。这种测量装置的专用性强、成本高，如果机构不精确，产生的误差大，尽管此类专用仪器仍在发展，但由于通用性差，不适宜做通用型的三维检测之用。因为任何形状都是由空间点组成，所有的几何量测量都可以归结为空间几何点的测量，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。坐标测量技术是以点的坐标位置为基础的，它分为一维、二维和三维测量。坐标测量机是一种几何量测量仪器，它的基本原理是将被测零件放入它容许的测量空间，精密地测出被测零件表面的点在X、Y、Z三个坐标位置的数值，根据这些点的坐标数值经过计算机数据处理，拟合形成测量元素，如圆、球、圆柱、圆锥、曲面等，经过数学计算得出形状、位置公差及其它几何量数据。三坐标测量机基于坐标测量原理。三坐标测量机的发展与其他事物一样，是由简单到复杂逐步形成的。早期出现的测长机可在一个坐标方向上进行工件长度的测量，即是单坐标测量机，仅完成一维测量。后来出现的万能工具显微镜具有X与Y两个坐标方向移动的工作台，可测量平面上个点的坐标位置，即为二维测量，也可称为二坐标测量机。而三坐标测量需要X、Y、Z方向的运动导轨，可测量空间范围内各测点的坐标位置。因此，从理论上讲，三坐标测量可对空间位置处的点、线、面及相互位置进行测量。三坐标测量的原理是：将被测物体置于三坐标测量机的测量空间，可获得被测物体上各测点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经过数学运算，求出被测的几何尺寸、形状和位置。显然，对任何复杂的几何表面与形状，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。这种三坐标测量方法几乎是万能的。表2-1传统测量技术与坐标测量技术的比较传统测量技术坐标测量技术对工件要进行人工的精确及时的调整不需对工件进行特殊调整专用测量仪和多工位测量仪很难适应测量任务的改变简单地调用所对应的软件完成测量任务与实体标准或运动学标准进行测量比较与数学的或数字模型进行测量比较尺寸形状和位置测量在不同的仪器上进行不相干的测量尺寸、形状和位置的评定在一次安装中即可完成手工记录测量数据产生完整的数字信息，完成报告输出、统计分析和CAD设计该测量方法虽说看来简单，但实现起来却很不容易。这主要是由于很难制造出精密的三坐标机构。就是制出了合格的机构，要进行大量的数学计算也是很困难的，再加上需要各式各样的三维测头，这些因素就使得三坐标测量机问世很晚。到了60年代初期，精密机械、电子技术和电子计算机有了很大发展，解决了精密导轨的设计与加工和大位移测量装置（如感应同步器、光栅等）的制作，并引入了电子计算机及计量软件，才使三坐标测量机得到迅速发展。因此，坐标测量机是在当代三坐标测量技术的基础上发展起来的，而三坐标测量机的大战又丰富，完善了三坐标测量技术。图2-2所示是1959年最先由英国费南德公司开发的三坐标测量机。从外部上看已经具有了现在流行的三坐标测量机的结构。 图2-2 费南德三坐标测量机当前，除了正在研制高精度、快速检测的三坐标测量机外，还在拓宽软件程序与自动化检测的功能，开发研制新型计量软件，以适应各种各样被测工件的要求。2.2 三坐标测量机的主机三坐标测量机的结构形式可归纳为七大类：由平板测量原理发展起来的悬臂式、桥式和龙门式；由镗床发展起来的立柱式和卧镗式，这两类测量机一般称为万能测量机（Universal Measuring Machine,简称UMM）；由测量显微镜演变而成的仪器台式；最后一种是极坐标式，是由极坐标原理发展起来的1。下图为悬臂式三坐标测量机的主体机构。图2-3 典型的三坐标测量机构2.2.1 材料根据机座与支架的作用特点，在设计时要求注意刚性、热变形、稳定性、导轨面和各平面的精度以及结构工艺性等问题，要求有较大的强度和刚度、耐磨损、良好的铸造性能等。因此选择正确的材料是非常重要的。对于底座、立柱、支架、床身，可选择铸钢作为材料，它的特点是变形小、耐磨性好、易于加工、成本低等。对于外壳、支架、底座表面、导轨等，使用低碳合金钢，它的优点是刚性和强度好，易于焊接2。 2.2.2 基座和结构三坐标测量机的机座（床身和底座）和机架（立柱），不仅起着支撑和联接各种零部件的作用，同时还确定这些零部件的相互位置，以保证仪器的精度。它的特点是：尺寸较大。是整台仪器的基础支撑件，结构较复杂，以固定桥式为例，其结构如图：图2-4 桥式三坐标测量机结构图 桥框2是固定不动的，它直接与机座5连接；而工作台1可沿机座5上的导轨7移动。图中3为滑架，4为主轴。这种结构的主要优点是X方向的标尺6与驱动机构可以设置在工作台下方中部，Y方向阿贝臂小；从中间驱动，绕Z轴偏摆小，整个测量机的结构刚度好，容易保证较高的精度。精密型的测量机大多数采用这种结构。虽然这种结构有缺点：工作台移动，要求被测工件质量不宜太大。若测量机在X方向的量程为Lx，则工作台的尺寸不应小于Lx，工作台又要移动Lx，因而机座占据的总的空间长度不小于2Lx。2.2.3 滚动导轨在精密计量仪器中，导轨（特别是直线导轨）是主机部分最重要的部件之一。导轨部件由运动支撑和支撑导轨（导轨体）组成。导轨部件的功能不仅能可靠的承受外加载荷，更主要的是能保证运动件的定位及运动精度，以及与有关部件的相互位置精度。滚动导轨的优点是在工作台低速运动是不易产生爬行、摩擦小、运动灵敏等。在导轨安装时，还要求根据实际情况以及变形量进行刮研处理3。2.3 光学标尺系统标尺系统，也称为测量系统，是坐标测量机的重要组成部分。在设计坐标测量机时，恰当的选择测量系统，对于提高整机精度是十分重要的。目前国内外坐标测量机上使用的测量种类很多。它们和各种机床与仪器上使用的测量系统大致相同。例如精密丝杠、高精度刻线尺、光栅、感应同步器、磁尺、码尺、激光干涉仪等45,根据对目前国内外生产的测量机所用的测量系统统计分析可知，使用最多的是光栅。光栅传感器是一种把位移转换为数字量输出的典型光机电结合的传感器，具有精度高、响应速度快、测量范围大的特点，被广泛应用于位移的精密测量与控制中67。图2-5 光栅读数头 图2-6 莫尔条纹形成原理光栅传感器由电源、长光栅（标尺光栅）、短光栅（指示光栅）和光电元件等组成，如左图所示，又称光栅读数头7。图中标尺光栅3与指示光栅4之间保持一定的间隙，以防直接接触磨损。光源1发出的光经透镜2准直后照射光栅，光电元件5（如硅光电池）把透过光栅的光转换成电信号输出。光栅传感器是通过摩尔条纹、光电转换、变相和细分等环节将位移量转换成电量的。直线光栅是在一块长条形光学玻璃上均匀的刻上很多与运动方向垂直的平行线条,相邻两线条间的距离称为栅距p，如图2-6。其大小可根据所需精度决定，一般是每毫米刻50，100或200条线。把两块栅距相同、黑白间隔相同的光栅叠放在一起，并使两光栅刻线间保持一很小的夹角，这样根据光栅的遮光阴影原理，在gg线上，两块光栅的黑刻线相交，两块光栅的透光缝隙互不遮挡，形成一条亮带。在与刻线垂直的方向上产生这种亮暗交替的条纹，叫做莫尔条纹。若改变角，莫尔条纹的宽度B也随之变化，其几何关系为：式中： B 莫尔条纹间距，又称节距（单位：mm） P 光栅间距（单位：mm） 刻线间夹角（单位：rad）图2-7 光强与光栅位移关系当两块光栅相对移动时，光电元件上的光强随莫尔条纹的移动而变化。对于光电元件这一固定观察点，其变化近似余弦变化规律，如图2-7所示。A处两光栅刻线重叠，透过的光最多，光强最大；至c处光被遮去一半，光强减弱；在位置d上，光被完全遮住，光强最弱；e处光强又增大。这一光强变化经光敏元件转换成按同一规律变化的电信号。如果是同一个光敏元件，则得到的信号只能计数不能辨向，所以要在相距Nb+B/4的位置上安装两个光敏元件，这样可得到相位相差1/4周期的两路信号。根据他们之间相位超前或滞后的关系，可以确定移动的方向，如图2-8所示。正向移动时输出电压分别为和，经整形电路得到两路方波信号和，经微分电路后与相“与”，这时输出减计数脉冲。的电平控制了的脉冲输出，使光栅正向移动时只有加计数脉冲输出。反向移动时，只有减计数脉冲输出。这就是光栅传感器的辨向原理。经辨向电路后的技术脉冲要进过细分电路以进一步提高光栅传感器的分辨力8。图2-8光栅辨向原理莫尔条纹具有以下重要特性：平均效应 莫尔条纹由光栅的大量（常达数百条）刻线共同形成的，它反映两组刻线的平均位置，对刻划线误差有平均作用，从而能在很大程度减小局部和短周期刻划线误差的影响，提高了精度；对应关系 在图2-6中，如果光栅1向前移动，它使刻线交点位置下移，即使亮带下移，暗带同时下移。当光栅1移过半个光栅距p/2，亮带落到gg位置，而暗带落到hh位置。当光栅1移过一个栅距时，gg处又由暗带变为亮带，即莫尔条纹也变化一个周期。光栅反向移动，莫尔条纹也反向移动。这种关系称为对应关系910使用光栅尺作为标尺系统的优点是：利用莫尔条纹的光电转换，易于实现测量计数及处理自动化，处理起来显然比模拟和机械式传感器方便；从制作可达精度看，光栅是最高的，光栅节距可做的很小，为达到同样的分辨率，所需的细分数小，而感应同步器、磁栅节距一般比较大；利用莫尔条纹平均效应可以减小光栅刻划线局部和短周期误差的影响。发出的数字信号抗干扰能力强，稳定性好，工作可靠；莫尔条纹读数主要根据光通量变化进行测量，不需精确成像，光学系统比较简单，光电信号一般较大，可达几百毫伏，而感应同步器、磁栅系统中要安排多激磁绕组或多读出磁头比较困难，而且信号较小25。光栅与它自身象形成莫尔条纹，可完全排除气隙变化对信号大小的影响，而感应同步器、磁栅系统中信号大小受气隙影响711。但是它也有不足之处,主要是:易于被水雾、油污和灰尘玷污、怕受潮发霉，对清洁条件要求高，要求在实验室条件下使用，而感应同步器、磁栅对环境适应性强；玻璃光栅与钢线膨胀系数相差较远，易于产生温度误差，而且一旦使用时间较长，读数头和光敏元件受热，将导致计数器产生很大的错误，因此不能长时间使用；制造精度要求高，因此价格昂贵，附加电路较多，整套系统投资高712。2.4 三坐标测量机的工作原理三坐标测量机是集精密测量技术、光机电一体化技术、计算机技术于一体的高科技测量设备。和数控机床一样，其工作过程由事先编制好的程序控制，各坐标轴的运动也和数控机床一样，由数控装置发出移动脉冲，经位置伺服进给系统驱动移动部件运动，位置检测装置（旋转变压器、感应同步器、角度编码器、光栅尺、磁栅尺等）检测移动部件实际位置。当测量头接触工件测量表面时产生信号，读取各坐标轴位置寄存值，经数据处理后得到测量结果。CMM将测量结果与事先输入的制造允差进行比较，并把信号回送到FMS单元计算机或CMM计算机。CMM计算机通常与FMS单元计算机联网，上载和下载测量数据和CMM零件测量程序。实际上三坐标测量机的采点有点像数控机床的加工，只不过数控机床是刀具在三个数控轴线的驱动下完成空间运动，并在零件表面生成所需要的形面。而三坐标测量机则是探头在三个数控轴线（三坐标）的驱动下，对已有的零件几何形面进行探测，从而获取零件形面上的点在测量坐标系中的位置，然后通过计算得出有关的几何信息。 图2-9 三坐标测量机 图2-10 三坐标应用实例三坐标测量在测量方法上主要由两大类13：一是传统的接触式测量法，测量精度高，但测量效率低，适用于高精度常规零件的测量，特别是箱体类零件的测量。当然也能用于对曲线曲面的测量，但效率相对较低，主要用于对关键尺寸的控制；二是非接触测量法。它又分为激光测量与CCD（拍摄）测量两种，精度相对较低，但其采点速度快，多用于复杂外表形面的测量，如汽车中的内外饰件、车身覆盖件等。此外，由于非接触式测量具有快速性，因此已越来越多地应用在生产线上的在线测量。接触式三坐标测量主要是利用三坐标测量机的接触探头有各种不同直径和形状的探针逐点地捕捉样品表面数据。当探头上的探针沿样件表面运动时，样件表面的反作用力使探针发生形变。这种形变通过连接到探针上的三个坐标的弹簧产生位移反映出来，其大小和方向由传感器测出。经模拟转换，将测出的信号反馈给计算机，经相关的处理得到所测量点的三维坐标。采用该方法可以达到很高的测量精度（0.5），对被测物体的材质和色泽一般无特殊要求，对于没有复杂内部型腔、特征几何尺寸多、只有少量特征曲面的零件该测量方法非常有效。其缺点主要表现在：由于该方法是接触式测量，易于损伤探头和划伤被测样件表面，不能对软质材料和超薄形物体进行测量，对细微部分测量精度也受到影响，应用范围受到限制；始终需要人工干预，不可能实现全自动测量；由于测头的半径而存在三维补偿问题；价格较高，对使用环境有一定要求；测量速度慢，效率低。典型接触式三坐标测量系统由英国Renishaw公司生产的Retroscan测量系统和Cycfone高速测量机及法国Lemonine测量系统。Retroscan测量系统可方便地安装在加工中心和数控铣床上，与大多数本身不配备测量功能的普通数控系统兼容；Cyclone高速测量机可以快速地采集复杂的二维曲线和三维表面数据，为模具制造厂提供了一种快速、可靠地将模型转换为零件程序的设备，其测量接触力小，扫描速度快，最高可达140点/min或3m/min；Lemonie测量系统由探头、轴向控制盒。数控机床接口板、微机和相应的软件所组成，轴向控制盒用来控制数控机床三轴的运动*王秀峰，罗宏杰编著.快速原型制造技术M，北京：中国轻工业出版社，2001.*。基于计算机视觉的非接触式测量是现代测试技术的一个重要分支。它是以现代光学为基础，融合电子学、计算机图像学、信息处理、计算机视觉等科学技术为一体的现代测量技术。相对于传统的接触式测量方法，它具有很多优点：非接触、扫描速度快（可达10000个坐标点每秒）、扫描精度高、对细微部分的扫描精度也不受影响。现代曲面测量的研究已越来越集中在计算机视觉的无接触检测上。在非接触时测量中，按照测量过程所采用的照明方式的不同，主要可分为被动式方法和主动式方法（2），其详解分类见表2-2。表2-2 非接触式三坐标测量分类被动式方法是指不向被测物体发射可控制的光束，而是直接利用自然光得到的图像来获取物体三维信息。该方法得到的深度数据精度较低，某些方法只能得到景物相对距离的一些模糊概念。如遮挡分析法，它以颜色、纹理等为依据，将图像分割成诸区域并分析其相互遮挡关系，采用松弛算法求出各区域之间的相对距离，该方法所得到的物体与摄像头光学中心距离信息只是“在前面”、“在后面”、“与等距”等一些定性描述。这类深度获取技术主要应用于早期的图像识别及做三维景物识别的场景分析。另外如纹理梯度法，根据物体距相机光学中心距离的增大而纹理基元变小的原理测距，它只能获得物体表面上的点与摄像机光学中心之间的相对距离，而且要求物体表面有一定得纹理。被动式方法中较有前途的方法是立体视觉法，主要可分为双目视觉法、三目视觉法和单目视觉法。三坐标测量机在测量夹具与测量工艺的配合下，能在零件一次装夹的情况下，完成几乎所有六个方位面上手动与全自动的测量工作。三坐标测量机的精度一般在微米级。2.5 三坐标测量技术的应用三坐标测量机是与现代机械加工技术配套的一种三维测量工具，测量的内容是零件的几何信息，因此其整个测量过程必须遵守机械制造中的几何量测量的基本原则。2.5.1 三坐标测量工艺的应用三坐标测量机是与现代机械加工技术配套的一种三维测量工具，测量的内容是零件的几何信息，因此其整个测量过程必须遵守机械制造中几何量测量的基本准则。三坐标测量的关键在于所获取点信息的正确性，要获