1、1毕业论文开题报告机械设计制造及其自动化自由曲面形貌测量技术研究1选题的背景与意义传统的产品开发流程是一种预定的顺序模式,即从市场需求抽象出产品的功能描述规格及预期指标,然后进行概念设计,在此基础上进行总体及详细的零部件设计,制定工艺流程,设计工夹具,完成加工及装配,通过检验及性能测试,这种开发模式的前提是已完成了产品的蓝图设计或其CAD造型。1然而在很多场合下产品的初始信息状态不是CAD模型，例如在航空航天、船舶、汽车及模具制造业中，许多零件具有复杂的自由曲面外形。对于这类零件的设计，通常并不是从已知的理论数据开始，而是直接从曲面模型开始，将曲面模型的几何模拟量精确地转换成CAD/CAM系统
2、能够接受的几何数字量。这一过程即为曲面数字化，主要完成对曲面模型的三维采样。应用数学方法对采样得到的空间点进行滤波、数据压缩、曲面拟合等处理后，则可以得到数字化的曲面形貌。目前，随着科学技术的高度发展，对自由曲面形貌测量技术的研究已有一定的成果，对推动生产力的发展和社会进步起了积极的作用，如何更快更好的发展科技已成为各国所热切关注的问题。因此，对自由曲面形貌测量技术的运动平台、补偿措施、数学处理和软件功能等方面的发展现状进行分析，并研究新方法的可行性，对国民经济的发展和科学技术水平的提高都具有重要的意义。2研究的基本内容及拟解决的主要问题21目前自由曲面形貌的主要测量方法反求工程中自由曲面的测
3、量方法反求工程中自由曲面的测量方法主要有3种一是接触式测量法，如三坐标测量法；二是非接触测量法，如投影光栅法、激光三角形法、全息法、深度图像三维测量法；三是逐层扫查测量法，如工业CT法、核磁共振法（MRI）、自动断层扫查法等。2图1列举了主要的几何形状三维测量方法。2图1三维几何形状测量方法622基础平台及测量头误差补偿措施221坐标测量机CMM坐标测量机作为一种精密的几何量测量手段,在工业中得到广泛应用。传统的坐标测量机多采用机械探针等触发式测量头,可通过编程规划扫描路径进行点位测量,每一次获取被测形面上一点的X,Y,Z坐标值。这种测量速度很慢。九十年代初,英国RENISHAW公司和意大利D
4、EA公司等著名的坐标测量机制造商先后研制出新一代力位移传感器的扫描测量头,该测头可以在工件上进行滑动测量,连续获取表面的坐标信息,其扫描速度最高可达8M/MIN,数字化速度最高可达500点/秒,精度也可达30M。三坐标测量机的特点是测量精度高,对被测物的材质和色泽无特殊要求,对不具有复杂内部型腔、特征几何尺寸多、只有少量特征3曲面的零件,CMM是一种非常有效可靠的三维数字化手段。但不能对软物体进行精密测量。三坐标测量仪价格昂贵,对使用环境要求高,测量速度慢,测量数据密度低,测量过程需人工干预,还需要对测量结果进行探头损伤及探头半径补偿,这些不足限制了它在快速反求领域中的应用。1222测量头误差
5、补偿措施用三坐标测量机进行测量,得到的数据是测头中心的坐标值,而非测头与被测量件接触点的坐标值,需要进行测头球心轨迹曲面生成和测头半径补偿。传统测头半径补偿理论主要有微平面法、平均矢量法、二次补偿采点法、三点共圆求法线法。323目前自由曲面形貌测量技术的数据采集及处理方法231数据采集数据采集也称零件的数字化，是通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散点的几何坐标数据，在此基础上进行复杂曲面的建模、评价、改进和制造。作为逆向工程的第一步，如何高效、高精度的获得实物表面数据是逆向工程实现的基础和关键技术之一。根据测量探头是否和零件表面接触，零件表面的数据采集技术主要可分为接触式和非接触式两种
6、。4232“点云”数据处理对于实际测量而获取的点云数据，要求在模型重构前进行一些必要的处理，即点云数据预处理，从而以获得满意的三维数据。主要包括无用杂点删除、多视点云对齐、数据点云合成、点云数据编辑、数据点云精简及数据点云平滑等。524相关软件目前主要应用软件有IMAGEWARE、GEOMAGIC、COPYCAD、RAPIDFORM、RESOFT等，且各软件也有自身的优缺点。725拟解决的主要问题分析自由曲面形貌测量技术的发展研究现状；研究新方法的可行性。3研究的方法与技术路线31研究方法4根据设计要求，查找与自由曲面形貌测量技术相关的文献资料，对其进行分析总结，了解目前的研究现状，并对新方法
7、的可行性进行研究。32技术路线4研究的总体安排与进度13周理解设计任务，收集资料；完成外文翻译；完成文献总数和开题报告。47周分析目前自由曲面形貌测量技术的运动平台和测量头结构与工作原理；研究位移误差补偿措施；分析目前自由曲面形貌测量技术的数学处理方法；对比介绍当前有此功能的软件优、缺点。812周研究新方法的可行性。13周完成毕业论文，准备答辩。参考文献1张舜德,朱东波,卢秉恒反求工程中三维几何形状测量及数据预处理J,机电工程技术,200117102刘峰,姜芳,葛汉林基于LKG90CS三坐标测量机的自由曲面测量J,产品聚分析目前研究现状目前自由曲面形貌主要测量方法基础平台及测量头误差补偿措施数
8、据采集及处理方法相关数据处理软件及特点新方法的可行性研究5焦,2008101001013卢红,张仲甫测头半径补偿的方法J,组合机床与自动化加工技术2001（3）39414张瑞,李建华逆向工程的关键技术及其最新发展J,先进制造技术高层论坛暨制造业自动化与信息化技术研讨会,2007111261305王格芳,吴国庆,沙晓光,吕艳梅激光测量的自由曲面点云数据处理方法J,工程图学学报,2008533376许志龙，冯培锋，李延平，付泽民，闫永刚，龚志坚复杂曲面反求工程的数据采集与处理J,机电产品开发与创新,2005695977喻彩丽,楼少敏,吴作伦,管爱枝面向CAD/CAM技术的自由曲面测量方法J,机械制
9、造,2008868706毕业论文文献综述机械设计制造及其自动化自由曲面形貌测量技术研究1前言随着工业技术的进步以及经济的发展，产品性能上的需求已不再是赢得市场的唯一条件。产品不仅要具有先进的性能，还要有流畅、造型富有个性的外观，以吸引消费者的注意。流畅、造型富有个性的产品外观一般由复杂的自由曲面组成。而传统的产品开发模式很难用严密、统一的数学语言来描述这些自由曲面1。对于外观以复杂自由曲面为主的装备，目前一般的设计方法是采用逆向工程技术，即首先利用三维数据采集技术采集装备实物模型表面三维数据，然后借助逆向工程软件对获取的三维数据点云进行处理，最终利用CAD/CAM系统软件重构出满足一定几何精度
10、的装备数字几何模型。22三维数据采集技术三维数据采集（又称产品表面数字化）是指通过特定的测量设备和测量方法，将物体的表面形状转换成离散的几何点坐标数据，在此基础上进行复杂曲面的建模、评价、改进和制造。准确、快速、完备地获取实物的三维几何数据,即对物体的三维几何形面进行三维离散数字化处理,是实现反求工程的重要步骤之一。目前，用于采集产品表面数据的测量设备和方法多种多样，原理各不相同。不同的测量方式，不但决定了测量本身的精度、速度和经济性，还造成了测量数据类型及后续处理方式的不同。3反求工程中自由曲面的测量方法主要有3种一是接触式测量法，如三坐标测量法；二是非接触测量法，如投影光栅法、激光三角形法
11、、全息法、深度图像三维测量法；三是逐层扫查测量法，如工业CT法、核磁共振法（MRI）、自动断层扫查法等。43三坐标测量机31三坐标测量机测量原理三坐标测量机是一种高效率的新型精密测量仪器，通用性强，已被广泛应用于机械制造、汽车等行业中。其三维微测头TP200是一种高精度测头感应器，7通过三维变形量可以给计算机提供瞬时受力情况，计算机能根据测头的受力情况调整对三坐标测量机X、Y、Z三轴伺服马达的速度分配，使得微测头的综合变形量始终保持在某一定值附近，即使测头与被测样件基本保持恒力接触，从而自动跟踪工件表面轮廓形状的变化。当测头上的测针沿着样件表面逐点运动时，通过反作用力使测针发生形变，这种形变通
12、过连接到探针上的3个坐标的弹簧产生位移反应出来，其大小和方向由传感器测出。经模数转换，将测出的信号反馈给计算机，计算机逐点记录、显示空间三维点的坐标（X、Y、Z），再通过一系列的数学运算，求得所需的结果。5632测头半径空间补偿接触式测头测量曲面,坐标测量机给出的是测端球心的轨迹。由于测球总是有一定的半径R,因此它是与被测曲面相距R的包络面。在用三坐标测量机测得代表球心轨迹的曲面后,为得到所需测量的表面,应作测头半径补偿,求出与球心轨迹构成的曲面相距R的包络面。图1测头半径补偿如果被测曲面的形状已知,并可以用一定的解析函数表示,那么就可以用解析的方法求出曲面各点的法线方向,按照求得的法线方向确
13、定测得的球心轨迹上与之相对应的点,对它进行测头半径补偿。自由曲面难以用解析函数表示,因此也难以用解析方法求其包络面。为了求球心轨迹的包络面,必须知道曲线的法线方向。由测得的球心O沿着曲面的法线方向移过距离R,即可以得到测头与被测曲面的接触点P,如图1所示。测头半径补偿需沿三维曲面的法向进行。确定曲面法向经常用微平面法、微球面法和曲面拟合法等。11134测量数据处理8数据处理主要过程为数据预处理,数据拟合和曲面构造过程。10反求工程的原始信息是点数据的层析图形,故这种点图实质上是二值位图。计算机图形学中处理二值位图的滤波去噪、提取边界的算法在这里是适应的。一般处理过程分3步进行一是对数据进行滤波
14、二是数据拟合三是表面建模。实际测量当中由于各种人为及随机因素的影响,测量结果中包含影响以后工序的无用数据。若直接将测量数据用于曲线、曲面造型,势必会造成重构曲面不能满足精度要求,对于那些测量误差太大的无效测量点数据,还会导致拟合曲面发生干涉、翘曲等变形,甚至导致曲面无法拟合。因此,需要根据零件曲面的几何特性及生成规律,在进行曲面重构之前进行测量数据预处理,对数据点的可靠性进行评估,利用CAD造型软件的编辑功能对误差较大的数据点进行修正,对于误差太大的无效数据点给予删除,以保证生成的拟合曲线曲面光顺、平滑。这实际上是用某种平滑滤波函数来大大减少数据量,这样做可以剃出疵点,减小表面噪声,同时对比较
15、粗糙的被测表面也可起到平滑作用。最终实现用某种特定的数学形式唯一地表示出这个三维曲面,以便采用丰富的CAD/CAM工程软件进行产品的设计工作。在反求工程中,最简单的噪声去除方法是人机交互,通过图形显示,判别明显坏点,在数据序列中将它们删除。这种方法缺陷明显,即不能处理大量的“点云”,所以常用程序判断滤波、N点平均滤波以及预测误差递推辨识与卡而曼滤波相结合的自适应滤波法。目前提出的分块滤波技术可实现噪声点的快速、精确过滤,其基本思想是提取实体表面的特征分界线和具有明显几何特征的几何元素,依次将整个曲面分块,对平滑面片数据、特征分界线、明显特征几何元素分别进行噪声判断,这样可实现较为准确的过滤。除
16、此以外,在数据采集过程中常采用取样SAMPLING和弦差分CHORDALDEVIATION进行数据精简,以减少数据采集量。75“点云”处理通常把三维空间中的点集称为“点云”POINTCLOUD或“点群”。最小的“点云”只包含一个点,高密度“点云”可达几百万数据点。8点云数据处理主要包括无用杂点删除、多视点云对齐、数据点云合成、点云数据编辑、数据点云精简及数据点云平滑等。36常用软件简介9逆向工程技术在理论上受到了学术界的广泛关注，其成果的商业应用也倍受重视。而商业应用的关键就是逆向工程CAD建模软件的开发，下面介绍几种比较著名的逆向工程软件。61IMAGEWAREIMAGEWARE是由美国UG
17、S公司提供的逆向工程造型软件，具有强大的测量数据处理、曲面造型、误差检测功能。可以处理几万至几百万的点云数据。根据这些数据构造的A级曲面具有良好的品质和曲面连续性。它的模型检测功能可以方便、直观地显示所构造的曲面模型与实际测量数据之间的误差以及平面度、圆度等几何公差。962GEOMAGICGEOMAGIC是美国RAINDROP公司的逆向工程软件，具有丰富的数据处理手段，可以根据测量数据快速地构造出多张连续的曲面模型。软件的应用领域从工业设计到医疗仿真等，用户包括通用汽车、BMW等大制造商63COPYCADCOPYCAD是英国DELCAM公司的CAD系列产品之一，是一个功能强大的逆向工程系统。用
18、户利用COPYCAD可以快速编辑数字化数据，并能生成高质量的复杂表面。COPYCAD可以完全控制表面边界的选择，自动形成符合规定公差的平滑、多面块曲面，还能保证相邻表面之间相切的连续性。64RAPIDFORMRAPIDFORM是由韩国INUS公司开发的逆向工程软件。主要用于处理测量、扫描数据的曲面建模以及基于CT数据的医疗图像建模，还可以完成艺术品的测量建模以及高级图形生成。它提供一整套模型分割、曲面生成、曲面检测的工具，用户可以方便地利用以前构造的曲线网格，经过缩放处理后应用到新的模型重构过程中。65RESOFTRESOFT是由我国浙江大学和杭州一茗软件有限公司联合推出的完全具有自主知识产权
19、的逆向工程CAD建模系统。它不仅具有大多数的商业逆向工程建模软件具有的特征识别及处理的功能，其系统构架和数据定义、功能模块划分和操10作管理等方面都充分体现了以产品的特征抽取、运算、再现和质量评价为核心的技术特色和先进性，是一个比较完善的基于特征的逆向工程CAD建模系统。27结束语随着科技的不断发展和进步，自由曲面相貌测量技术在生产活动中的应用不断深化。加强相应的研究，探索新方法的可行性已受到工程技术人员的关注，也变得相当有意义。相信在不久的将来，自由曲面形貌测量技术的研究成果会不断涌现，现阶段所面临的一些问题也将得以解决。参考文献1许志龙，冯培锋，李延平，付泽民，闫永刚，龚志坚复杂曲面反求工
20、程的数据采集与处理J,机电产品开发与创新,2005695972张瑞,李建华逆向工程的关键技术及其最新发展J,先进制造技术高层论坛暨制造业自动化与信息化技术研讨会,2007111261303王格芳,吴国庆,沙晓光,吕艳梅激光测量的自由曲面点云数据处理方法J,工程图学学报,2008533374俞芙芳,王志鑫基于三坐标测量的产品自由曲面反求J,工程塑料应用,2005552555刘峰,姜芳,葛汉林基于LKG90CS三坐标测量机的自由曲面测量J,产品聚焦,2008101001016高国军,陈康宁,张申生用接触式坐标测量进行自由曲面反求的方法研究J,机械科学与技术,2000194967许英勋,丁浩,朱世根
21、自由曲面反求工程关键技术J,机械传动，2006（3）32398张舜德,朱东波,卢秉恒反求工程中三维几何形状测量及数据预处理J,机电工程技术,200117109王华侨,李玉丰,盛学斌基于UGNX/IMAGEWARE产品逆向工程技术及其应用研究J,现代制造,2007511011410喻彩丽,楼少敏,吴作伦,管爱枝面向CAD/CAM技术的自由曲面测量方法J,机械制造,20088687011王红敏,孙殿柱,张志诚基于CMM的曲面检测技术与测头半径补偿J,工具技术,20061077791112崔焕勇,李兆前,高琦自由曲面CMM测量中球头半径空间补偿方法的研究J,机床与液压,20063666813卢红,张
22、仲甫测头半径补偿的方法J,组合机床与自动化加工技术，2001（3）394114WERNERAREVERSEENGINEERINGOFFREEFORMSURFACEJJOURNALOFMATERIALPROCESSINGTECHNOLOGY,1998,7612813215SAITOKNONCONTACT3DDIGITIZINGANDMACHININGSYSTEMFORFREEFORMSURFACEJANNALSOFCIRP,1991,40148348612本科毕业论文（20届）自由曲面形貌测量技术研究13摘要摘要随着自由曲面形貌测量技术的不断发展，其在工业生产领域中的应用日益广泛，是新产品开发和
23、引进新技术的重要手段。目前，国内外学者对自由曲面形貌测量技术的研究已经取得了一定的成果，但自由曲面形貌测量技术的运动平台、补偿措施、数据处理和相关软件功能等方面的研究并没有十分完善，仍有较大的研究空间。加强对其进一步研究将有助于国民经济的发展和科学技术水平的提高，具有重要的意义。本文依次对自由曲面测量的关键技术进行了阐述与分析，首先对自由曲面形貌测量技术的运动平台和测量头结构与工作原理进行了简要的分析，对比了各种不同的测头补偿方法；接着描述了测量数据的处理方法和三维模型的重构，主要是对点云数据的处理进行了分析；然后分析总结了几种目前主要的相关测量软件的各自特点；最后还提出了自由曲面仿真测量的新
24、方法，并对其进行简要的分析。通过对自由曲面形貌测量技术现状的分析，以及对新方法可行性的探索，有助于该测量技术的进一步发展，具有重要的作用。关键词自由曲面；三坐标测量；数据处理；逆向软件。14ABSTRACTTHEAPPLICATIONOFMEASUREMENTTECHNOLOGYOFFREEFORMSURFACEHASINCREASINGLYWIDESPREADINTHEFIELDOFINDUSTRIALPRODUCTIONWITHITSDEVELOPMENTITISANIMPORTANTTOOLOFNEWPRODUCTDEVELOPMENTANDINTRODUCTIONOFNEWTECHNO
25、LOGYATPRESENT,SOMERESULTSOFRESEARCHFORTHEMEASUREMENTTECHNOLOGYHAVEBEENACHIEVEDBYDOMESTICANDFOREIGNSCHOLARS,BUTSOMETHINGOFRESEARCHFORTHEFREESURFACETOPOGRAPHYMEASUREMENT,SUCHASTHEMOTIONPLATFORM,COMPENSATIONMEASURES,DATAPROCESSING,FUNCTIONSOFRELATEDSOFTWARES,ISNOTPERFECTANDTHEREISSTILLMUCHRESEARCHSPACE
26、FURTHERRESEARCHWILLHELPSTRENGTHENITSNATIONALECONOMYANDSCIENTIFICANDTECHNOLOGICALLEVEL,ANDITISOFGREATSIGNIFICANCETHISPAPERDESCRIBESANDANALYSISESTHEKEYTECHNIQUESOFFREESURFACEMEASUREMENTINTERNFIRST,THISPAPERSNALYSISESTHEMOTIONPLATFORM,THESTRUCTUREANDWORKINGPRINCIPLEOFPROBE,ANDCOMPARESVARIOUSCOMPENSATIO
27、NMETHODSOFTHEPROBETHISPAPERGOESONTODESCRIBETHEMETHODOFMEASUREMENTDATAPROCESSINGANDTHERECONSTRUCTIONOFTHREEDIMENSIONALMODEL,ANDANALYSISESTHEDATAPROCESSINGOFPOINTCLOUDDATAMAINLYTHENITANALYSISESANDSUMMARIZESSEVERALMAJORCHARACTERISTICSOFCURRENTRELEVANTMEASUREMENTSOFTWAREFINALLY,THISPAPERPROPOSESNEWMETHO
28、DOFSIMULATIONMEASUREMENTOFFREESURFACE,ANDANALYSISITBRIEFLYANALYSISINGTHESTATUSQUOOFMEASUREMENTOFFREESURFACEPROFILEANDEXPLORINGTHEFEASIBILITYOFTHENEWMETHODCANCONTRIBUTETOTHEFURTHERDEVELOPMENTOFMEASUREMENTTECHNIQUES,ANDISOFGREATIMPORTANCEKEYWORDSFREESURFACECOORDINATEMEASURINGDATAPROCESSINGRREVERSESOFT
29、WARE15目录摘要13目录151绪论1711选题的背景1712目前的发展概况172三坐标测量机的组成及工作原理1921三坐标测量机的组成1922测量头2023三坐标测量机测量原理213测量方法及测头半径补偿2231接触式测量2232非接触式测量23321激光三角法23322点光源测量法23323线光源测量法24324面光源测量法24325结构光法24326双目立体视觉法2533其他非接触式测量方法26331工业CT法26332层析法（CGI）274测头位移补偿2841传统测头半径补偿理论28411常用二维补偿28412三点共圆求法线法29413微平面法30414平均矢量法31415二次补偿采
30、点法3242法线方向的包络“腐蚀”法321643四点共球法34431四点共球法补偿原理34432四点共球法补偿算法355测量数据处理3651“点云”3652点云数据的处理37521噪声点的剔除和失真点的查找37522数据拼合对齐38523数据点云合成39524点云数据编辑40523数据的平滑处理40524数据精简4153三维模型重构416常用软件4361IMAGEWARE4362GEOMAGIC4463COPYCAD4564RAPIDFORM4565RESOFT457环形测头五坐标形貌测量方法的可行性研究4671试验研究问题介绍4672工具系统运动学仿真实验47721仿真试验中的角度问题研究4
31、7722自由曲面的运动学仿真研究498结语51参考文献52致谢错误未定义书签。附录错误未定义书签。171绪论11选题的背景随着工业技术的进步以及经济的发展，产品性能上的需求已不再是赢得市场的唯一条件。产品不仅要具有先进的性能，还要有流畅、造型富有个性的外观，以吸引消费者的注意。流畅、造型富有个性的产品外观一般由复杂的自由曲面组成。自由曲面是一种较难定义和加工的几何元素。由于它不像一般规则几何元素那样能用有限参数进行精确定义，因此对自由曲面的测量较为困难。而对于传统的开发模式，即从市场需求抽象出产品的功能描述规格及预期指标，然后进行概念设计，在此基础上进行总体及详细的零部件设计，制定工艺流程，设
32、计工件夹具，完成加工及装配，通过检验及性能测试，这种开发模式的前提是已完成了产品的蓝图设计或其CAD造型。然而在很多场合下产品的初始信息状态不是CAD模型，例如在航空航天、船舶、汽车及模具制造业中，许多零件具有复杂的自由曲面外形。这时就需要对曲面进行数字化测量，主要完成对曲面模型的三维采样。应用数学方法对采样得到的空间点进行滤波、数据压缩、曲面拟合等处理后，则可以得到数字化的曲面形貌。这就是对自由曲面形貌的测量方法，加强对其研究对国民经济的发展和科学技术水平的提高都具有重要推动作用。12目前的发展概况目前，对自由曲面形貌的测量主要分为两个方面的测量过程一是对自由曲面的数据采集，即表面数字化技术
33、；二是对数据进行处理并构建三维模型，即三维重构技术。测量过程如图11所示。18图11自由曲面形貌测量过程对自由曲面形貌进行测量的主要应用平台是三坐标测量机，其已广泛应用于机械制造、仪器制造、电子工业、航天和国防工业和汽车制造业等，为适应现代化工业生产的要求，三坐标测量机正朝着高精度、高效率、高速度、高可靠性、高置信度、软件功能齐全、低成本等方向发展。此外，虽然通过对自由曲面形貌的数据采集并相应软件能较好建立曲面模型，但测量过程主要是对自由曲面的三个坐标进行测量，受到一定局限并存在一定误差，所以改进目前的测量方法，加强对新方法的研究具有重要意义。192三坐标测量机的组成及工作原理21三坐标测量机
34、的组成三坐标测量机是一种高效率的新型精密测量仪器，通用性强，并且已经被广泛地应用，一般由主机（包括光栅尺）、软件系统（计算机系统）、电器系统（控制柜）及测头所组成，如图21所示。图21三坐标测量机的组成三坐标测量机的主要有以下几种结构类型悬臂式、桥式、龙门式等，如图2022所示。图22三坐标测量机的类型悬臂式测量机优点是工件易于装卸，开敞性较好，底面积大于台面的零件也可放置；缺点是刚性稍差导致精度受到影响，设计时应该注意形变误差的补偿，一般可用于小型测量机。桥式测量机承载力较大，刚性好，开敞性较好，精度容易达到，中小型测量机的主要结构型式采用桥式。意大利DEA公司生产的桥式机器达16米。其检测
35、系统在带型光栅和磁尺未出现之前，采用分段反射光栅尺和两个读数头，一米装光栅尺；另一米不装，两个读数头反复交替读数，从而实现了连续读数。现在带型光栅尺和带型磁尺已广泛用于大型三坐标测量机上，一般不需要搭接。龙门式测量机分固定式和移动式。龙门固定式的优点是刚性好，驱动系统和光栅尺可放在工作台中央，阿贝误差和偏摆小，X和Y向的运动相互独立，互不影响；缺点是工作台承载能力较小。龙门移动式的优点是装卸工件时，龙门可移动到一端，操作方便，承载能力强；缺点是单边驱动扭摆大；光栅偏置阿贝误差大。龙门测量机一般为大中型测量机，要求有好的地基，相对测量尺寸有足够的测量精度。22测量头测量头是三坐标测量机进行测量时
36、发送信号的装置，它是测量机的关键部件，测量头精度的高低在很大程度上决定着测量机的测量精度及重复性。测头可视为一种传感器，只是其结构、种类、功能较一般传感器复杂得多。其原理与传感器相同。按其结构原理可分为机械式、光学式、和电器式三种。由于测量的自动化要求，新型测头主要采用电磁、电触、电感、光电、压电及激光原理。21按测量方法，测量头分为接触式和非接触式。接触式测量头（硬测头）需与待测表面发生实体接触来获得测量信号；非接触式测量头则不需与待测表面发生实体接触，例如激光扫描。在可以使用接触式测量头时即需要慎用非接触式测量头，实验室在一般只测量尺寸及位置要素的情况下通常采用接触式测量头，其主要形状如图
37、23所示。图23测头主要形状图（A）（E）所示为锥测头，适用于测量控中心位置及孔心距；圆锥测头大端直径为2102MM，每10MM一级，共11种，其锥度一般选用1514左右。（B）测头为圆柱测头，适用于测量垂直截面，截面是柱面或向测头方向凸起的表面；圆柱直径一般选158MM左右。（C）测头为球测头，适用于测量高度、槽宽、孔径和轮廓等，使用广泛，称为通用性测头。将测头半径和测出数据输入计算机中进行数据处理，可自动得出被测值；球径选择一般为812MM。（D）为回转式1/4圆柱测头，适用于表面曲线轮廓和凹形垂直表面的检测。图（F）表示的是V形测头，适用于测量轴类的轴心位置及中心距等。在以上这些测头中，
38、球测头应用最为广泛。23三坐标测量机测量原理三坐标测量机是由单坐标测量机和两坐标测量机发展而来的。例如，测长机，它是用于测量单方向的长度，实际是单坐标测量机；万能工具显微镜具有X和Y两个方向移动的工作台，用于测量平面上各点的坐标位置，即两坐标测量机。三坐标测量机是由三个相互垂直的运动轴X，Y，Z建立起一个直角坐标系，测头的一切运动都在这个坐标系中进行；测球中心点的运动轨迹表示了测头的运22动轨迹。测量时，把被测零件放在工作台上，使测头与零件表面接触，可从三坐标测量机的检测系统中读出。被测几何型面上各点的坐标值随着测球在工件的几何型面上的移动，就可以陆续得出。把测量得到的相关数据输入到计算机中，
39、通过相应的软件进行处理，就可以精确地计算出被测工件的几何尺寸和形位公差等。三坐标测量机的三维微测头精度较高，通过检测三维变形量，可以转化为瞬时受力情况而输入到计算机中，根据测头的受力情况，计算机相应的调整对三坐标测量机X、Y、Z三轴伺服马达的速度分配，使得微测头的综合变形在一定范围内围绕某一固定值变化，使被测样件与测头的接触基本保持恒力，从而自动准确地跟踪工件表面轮廓形状的变化。测头的测针在工件表面上运动时是逐点运动的，在运动时在反作用力的作用下测针形状发生变化，这时连接到探针上的3个坐标的弹簧的位移发生变化，从而反映出测针形变的变化，并且其大小和方向由传感器测出。经模数转换，测出的信号便会反
40、馈给计算机，然后计算机依次记录、显示三维点的空间坐标（X、Y、Z），所需的结果在通过一系列的数学运算以后就可得到。3测量方法及测头半径补偿31接触式测量三坐标测量机在接触式测量中应用最广泛，其测量传感器的主要形式为各种不同直径和形状的探针（即接触测头），探针在被测物体表面运动过程中受力发生形变，这种形变触发测量传感器将测出的信号反馈给测量控制系统，经过计算机处理便可得到所测量点的二维坐标。接触式测量方法的优点主要是（1）测量精度高；（2）对被测物体边界的测量较精确；（3）不受被测物体表面的颜色和光照限制。可这种测量方法的缺点也比较明显，主要有一下几点23（1）测量路径需人工干预，现在还无法达到
41、自动测量；（2）测头与被测物体表面接触时存在力的作用，因此该方法不能对软质材料和超薄物体进行测量；（3）测量系统的支撑结构存在静态及动态误差，从而影响了测量的精度；（4）由于是以逐点方式测量，所以速度慢，效率低；（5）接触测头是感应元件，测得的数据是测头的球心位置，所以需进行测头半径补偿。正是这些缺点的存在，接触式测量的应用领域受到了一定的限制，随着测量技术的发展和测量市场的需要，产生了非接触式测量，其克服了接触式测量的一些缺点，是逆向工程中数字化测量的发展的主要方向。32非接触式测量非接触式测量主要是基于视觉测量技术，是以现代光学为基础的测量技术，融合了计算机视觉、信息处理、计算机图形学等科
42、学技术。按光源不同分类可分为主动式和被动式两大类。主动式指的是对被测物体表面进行照射的是特殊的光源，如激光和结构光等，主要有激光三角法、结构光法等；被动式则常采用自然光源，而不需要特殊光源，主要有三目立体和双目立体测定法等。321激光三角法激光三角法是检测被测表面点的坐标数据的一种方法，其利用光源和光敏元件之间的角度和位置关系，根据光学三角形的测量原理计算得到。测量原理是规则几何形状的激光投影到被测量表面上后所形成的光带的像或漫反射光点被图像传感器吸收，光带或光点在物体上成像会有所偏移，结合这一偏移量以及被测物体参考平面、像点、像距等之间的关系，再通过三角几何原理就可以测量出被测物体的空间坐标
43、。根据入射光的不同，可以分为点光源测量、线光源测量和面光源侧量。激光三角法不仅测量精度高而且拥有高速度的特点，并且能够方便地将3D模型转换到CAD系统中，因而广泛应用在逆向工程曲面测量中，测量精度可达到001MM左右，但是测量成本较高。322点光源测量法点光源测头测量时一次测量一个点，逐点测量，测头沿着给定方向在给定扫24描平面内运动，随着测头的运动将形成一条扫描线，如果依次移动平面，就可以扫描整个曲面轮廓。其原理如图31所示。图31激光三角法测量原理其中，S为参考平面与目标平面之间的高度，参考平面与目标平面在探测器上成像的位移E为SINESINSINBSISIKAK其中A，B为透镜前、后焦距
44、。323线光源测量法线光源测量法在测量时，投射到被测物体表面的是发光二极管和线发生器产生的线激光，物体表面产生的反射光进入相机中，此相机与激光线束投射方向存在一定角度，因此物体表面形状变化就可以化为激光反射线形状的变化，最后对该变化进行标定，标定后就可以得到准确的三维空间信息。324面光源测量法面光源测量法的原理是利用激光投射到被测物体表面，形成一光条，因为被测表面呈起伏状态并且其曲率会发生变化，因此投射的光条也会发生扭曲变形，通过CCD摄像机摄取激光束影像后，激光束的发射角度和激光束在CCD内成像位置会有所不同，再结合三角几何关系就可获得被测点的坐标数据。325结构光法结构光法的基本原理是将
45、一定模式的光照射到被测物体的表面，产生反射光，用摄像头反射光进行拍摄，利用光像平面的对应关系即可获取得到物体25表面上点的实际位置。如图32所示，测量时，放入被测物体之前入射光线P照射到参考平面上的A点，放入被测物体后，照射到的点变成了B点，从图中所示方向进行观察，A点就移到C点所示位置，通过变化的距离AC就可以计算得到高度ZH（X，Y），即高度受到表面形状的变化而变化。图32机构光法的测量原理结构光法的主要优点是测量稳定、范围大、成本低、速度快、设备携带方便、受环境影响小、易于操作等。缺点主要是精度低，而且只能测量表面较平坦的、曲率变化不大的物体。然而，尽管有种种缺陷，但基于结构光的测量设备
46、仍然被认为是目前测量速度和精度较高的扫描测量系统，德国GOM公司的ATOS光学测量系统是其中最为成功的系统，可以在1分钟内完成一幅图像（包括430000个像素点）的测量，并且测量精度可以达003RAM。326双目立体视觉法目前，基于人类视觉建立的双目立体视觉法已经得到了广泛的应用，是视觉测量技术的发展重点。其测量原理利用两台摄像机或数码相机，相对固定其位置，同时从不同角度进行拍摄，获取同一景物的两幅图像，空间点在两幅图像中存在着像差，通过计算此像差可获得其三维坐标值。如图33所示，P为空间任意一点，对图像进行处理并分析测定点P在两幅图像中的像坐标PI（XI，YI）（I1，2），建立三维空间重建
47、算法，即可由PI（XI，YI）（I1，2）得到点P的三维坐标（X，Y，Z）。26图33双目立体视觉测量原理其优点在于设备简单、测量原理清晰、操作灵活及成本低；检测速度快；非破坏性；数据处理易于自动化等；难点在于摄像机标定、立体匹配和图像拼接。其优点使得计算机立体视觉技术在医学整形和美容、三维轮廓测量、机器人视觉、艺术雕塑、工业产品的外观设计、建筑等领域有着广泛的应用前景，受到了当今世界的热切关注。33其他非接触式测量方法331工业CT法最早出现于20世纪70年代的工业CT法是一种射线成像检验技术，从医学诊断领域逐渐推广到了工业领域。工业CT对被测物体进行断层截面扫描，以X射线的衰减系数为依据，
48、用数学方法经过计算机处理后对断层截面图像进行重建，断层图像的位置会有所不同，据此即可建立物体的三维信息。工业CT法是目前最先进的非接触式测量方法，与其他测量方式相比，该测量方法并不会破坏零件，并能够对物体的内部形状、壁厚、尤其是内部结构进行准确地测量，此外，该方法对零件的材料也没有限制。CT测量法的缺点缺点主要有获取数据时间长、测量系统的空间分辨率低、重建图像计算量大、设备造价比较高等。目前，工业CT已在电子、机械、核能、石油、航空、航天、军事工业、考古等领域广泛应用。我国对CT技术的研究也将近已有30年，已经研制出射线源工业CT装置，且在实际中得到了的应用。27332层析法（CGI）层析法发
49、展不久，其工作原理为用数控铣床或磨床以微进刀量去掉被测物体一层，利用摄像机对当前截面进行二维图像采集，通过图像处理，获取截断面边界轮廓三维坐标。每次图像摄取与处理完成后，再去掉一薄层，利用摄像机对得到的新的界断面进行二维图像采集，重复上述步骤。该方法适用于测量有孔及内腔的物体并能够保证较高的精度。但这种测量方法会破坏被测物体，所以并不适用于只有一件反求零件的逆向工程。在美国，CGI公司已生产层析扫描测量机；在我国，西安交通大学和海信技术中心工业设计所合作成功研制层析式三维数字化测量机，打到了国际领先水平。各种测量方法比较如表1。表1各种测量方法的比较测量方法测量精度测量速度材料及表面限制能否测孔及内腔成本三坐标法（0630）M慢不适用于软质材料否高激光三角5M一般表面不能过于光滑否较高结构光法（13）M快无否一般双目视觉05MM快无否低工业CT1MM较慢无能高层析法25M较慢无能高284测头位移补偿41传统测头半径补偿理论411常用二维补偿目前，CMM测量中广泛采用便是二维自动补偿方法。在测量时，将测量点和测头半径的关系都处理成二维情况，将补偿计算编入测量程序中后，在测量时就可以自动完成数据的测头补偿，如图41的斜面测量。这种补偿方法在简化了补偿计算的同时，也不影响测量采点和扫描速度，在对一些规则形状的表面进行测量显得更为方便，精度更高
