1、现代三维坐标测量技术新理念本科学位论文 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 ： 20 指导教师姓名： 0/6/10 北华 教务处制 本科生毕业设计（论文）原创性及知识产权声明本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）现代三维坐标测量技术新理念是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本设计（论文）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明
2、确方式标明。因本毕业设计（论文）引起的法律结果完全由本人承担。本毕业设计（论文）成果归北华航天工业学院所有。本人遵循北华航天工业学院有关毕业设计（论文）的相关规定，提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本。本人同意北华航天工业学院有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以营利为目的的前提下，可以公布非涉密毕业设计（论文）的部分或全部内容。特此声明毕业设计（论文）作者： 指导教师： 20 摘 要本篇主要介绍了三坐标测量机的发展历程及典型应用和类别，包括专长于测量大尺寸工件的龙门式测量机、在此基础上新发展起来的柔性制造
3、系统（例如关节臂式测量机）及新兴技术参与的坐标测量技术（雷达技术、激光技术及GPS技术等）。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随着科学技术的日臻完善测量精度提高了，但对测量环境有较高要求，并且测量空间受到限制、不能对空间动态点进行跟踪测量。因而应用范围也受到限制。随着生产需求的提高，大尺寸空间坐标测量系统获得了越来越广泛的应用。它要求量程大、精度高、不适于接触测量、机动灵活等，是传统坐标测量技术无法完成的，这些都对控制产品质量起到了至关重要的作用。因此激光跟踪测量系统和室内GPS测量技术应运而生。前者具有实时跟踪测量、精度高、效率高、安装简易、操
4、作方便等特点，适合大尺寸工件配装测量。以雷达原理为基础，激光测量为主要手段，扩大了坐标测量的应用范围，可对工件进行跟踪测量，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 跟踪测量 激光跟踪仪 激光雷达 iGPS 空间坐标测量AbstractThis paper mainly introduces about the Coordinate Measuring Mac
5、hines development history and some classical types,especially those expertise in the measurement of large workpieces Gantry measuring machine and flexible manufacturing system such as the articulated arm Measuring Machine,which is the latest development.What is more,it also concerns the Gantry Measu
6、ring 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.With the development of science and technology,Traditional Coordinate M
7、easuring Machines can measure the workpiece precisely, 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.With the increased production requirements,Large-Scale coordinate m
8、easuring systems (LSCMS) are demanded more and more widely in modern industry.it requites large mesruring zone,high accuracy,non-contact,flexibility and dynamic measurement,which are traditional coordinate measuring technology can not be completed.But they play a key role in assuring manufacturing q
9、uality.Therefore Laser Tracker System and Indoor Global Positioning System emerged.The 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 coord
10、inate 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 th
11、e 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 Dynamic tracking Laser Traker SystemIndoo
12、r GPS Laser Radar Space coordinate目 录摘 要 IAbstract II现代三坐标测量技术新理念 1第1章 绪论 11.1 坐标测量机的发展 11.2 三坐标测量的重要性 21.3 三坐标测量机发展现状 31.3.1 国外概况 41.3.2 国内概况 41.4研究内容 5第2章 三坐标测量机及其原理 62.1 三坐标测量技术的基本原理 62.2 三坐标测量机 92.2.1 三坐标测量机结构 92.2.2 三坐标测量机的结构类型 112.2.3 三坐标测量机原理 122.2.4 材料 152.3 光学标尺系统 152.4 坐标测量机的误差源和校准 182.4.1
13、坐标测量机的误差源 182.4.2 坐标测量机的校准 192.5 三坐标测量技术的应用 192.5.1 三坐标测量工艺的应用 192.5.2 CAD辅助三坐标测量技术的应用 202.6 本章小结 20第3章 大尺寸坐标测量机 213.1 高精度超高精度三坐标测量机 213.2 大尺寸龙门式和水平臂式坐标测量机 223.2.1 龙门式坐标测量机 223.2.2水平臂式坐标测量机 233.3 便携式关节臂式坐标测量机 233.4 大尺寸坐标测量机的特点 263.5 本章小结 26第4章 数字近景摄影测量 274.1 数字近景摄影测量 274.1.1 数字近景摄影测量原理 274.1.2数字近景摄影
14、测量特点 284.1.3数字近景摄影测量的应用 294.2 光笔测量仪 294.2.1 光笔测量仪组成 294.2.2 光笔测量仪的工作原理 304.2.3 光笔测量仪的特点和应用 304.3 NaviSCAN集大尺寸测量与扫描于一身 314.4 小结 32第5章 激光跟踪仪 335.1激光跟踪仪的组成 335.2激光跟踪仪的工作原理 345.2.1 激光跟踪仪测量原理 355.2.3猫眼反射镜 365.3 激光跟踪仪误差源及校准 375.3.1 激光跟踪仪角度测量精度的因素 375.3.2 影响距离测量的精度的因素 405.4 便携式最新发展Leica激光跟踪仪 415.4.1光标靶设计 4
15、25.4.2 Leica激光跟踪仪特点和应用 425.5 工业经纬仪 445.6 激光全站仪 455.6.1 全站仪构成 465.6.2 Leica TDRA6000激光全站仪 475.7 小结 49第6章 室内定位技术 506.1 GPS系统组成 506.1.1空间部分 506.1.2 地面监控系统 516.1.3 用户设备部分 526.2 室内GPS 526.3 小结 54第7章 激光雷达 557.1 激光雷达系统构成 557.2 激光雷达原理 557.3 激光雷达的特点 567.4 激光雷达的应用 577.5 小结 58第8章 现代坐标测量新理念 598.1 现代坐标测量技术的发展趋势
16、598.2 现代坐标测量新理念 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 坐标测量机的发展自古以来，人们就用到了几何量测量的标难量值及器具，人们惊异的发现，古代人在建造长城、金字塔时所用的工具及测量方法都已经达到了很先进的水平；埃及的建筑工人只有简单的铅垂线、木制打尺和直尺，但他们的测量可精确到毫米。金字塔是由上千个只有极少建筑常识的工人完成的，而它的尺寸、边线差异不超过平均长度的0.05这意味着在横跨230m的区间内，只有0.1mm的偏差。手指的宽度、脚的长度、步幅的距离、犁沟的长度，在古代，都被创造性地用于几何量测量。古埃及人定义手指、手掌、手、肘作为长度单
17、位；罗马人将脚和步长定义为长度单位，也就是我们现在所说的英尺。发明了关于测量温度和压力的方法，公布了关于度量衡的法定标准，推出了各种长度和内径、外径测量仪器，所有这些科学技术的发展构成了我们今天坐标计量技术的基础。随着工业现代化进程的发展，伴随着众多制造业如汽车业等大规模生产的需要，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。在加工设备提高功效、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和复杂零件加工业的发展；平板加高度尺加卡尺的检验模式已完全不适用现代柔性制造和更多复杂
18、形状工件的测量需要，所有这些促进和推动了现代坐标测量技术的发展。测量机的发展可划分为三代：第一代：世界上第一台测量机是英国的FERRANTI公司于1959年研制成功，当时的测量方式是测头接触工件后，靠脚踏板来记录当前坐标值，然后使用计算器来计算元素间的位置关系。1964年，瑞士SIP公司开始使用软件来计算两点间的距离，开始了利用软件进行测量数据计算的时代。70年代初，德国ZEISS公司使用计算机辅助工件坐标系代替机械对准，从此测量机具备了对工件基本几何元素尺寸、形位公差的检测功能。第二代：随着计算机的飞速发展，测量机技术进入了CNC控制机时代，完成了复杂机械零件的测量和空间自由曲线曲面的测量，
19、测量模式增加和完善了自学习功能，改善了人机界面，使用专门测量语言，提高了测量程序的开发效率。第三代：从90年代开始，随着工业制造行业向集成化、柔性化和信息化发展，产品的设计、制造和检测趋向一体化，这就对作为检测设备的三坐标测量机提出了更高的要求，从而提出了第三代测量机的概念。其特点是：（1）具有与外界设备通讯的功能；（2）具有与CAD系统直接对话的标准数据协议格式；（3）硬件电路趋于集成化，并以计算机扩展卡的形式，成为计算机的大型外部设备【1】。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。主要有一下几种类型：（1）桥式测量机，可满足现代制造企业生产的90%工件的检测
20、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
21、，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。1.2 三坐标测量的重要性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
22、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。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
23、、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。1.3 三坐标测量机发展现状由于零件加工尺
24、寸精度要求的不断提高，坐标测量机(CMM)在机械工业中的地位也显得越来越重要，它综合应用了电子、计算机和光栅等技术，近年来有了很大发展。随着新型结构、最新材料及计算机的广泛应用，增强了CMM的应用功能，提高了它的测量精度，使其更易于操作，适用性更强。 从其发展趋势看，多功能型测量机的总体趋势是通过导轨副的陶瓷化来实现高精度化，通过新的扫描与探测技术来实现高速化；手动测量机则偏重于便于操作的特点，通过采用铝制溜板来实现轻质化，从而适应高速运动的需要，使操作方便、迅速、高效的进行。随着自动化加工技术的不断发展，高精度高速度的在线测量成为必要，CMM 作为高效精密检测仪器必须由计量室搬向车间，以满足
25、现代化生产的需要。 因此必须提高CMM 的精度和可靠性，降低其对操作环境的敏感性，以提供精确可靠的检测结果。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。1.3.1 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 & Sha
26、rpe）、日本的三丰（Mitutoyo）等公司。总体来说，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，可以廉价地提高极其精度；(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
27、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)系列品种齐全，“三化”即标准化、通用化、系列化程度高。1.3.2 国内概况国内三坐标测量机研制工作始于70年代中期，并由我所率先推出第一台商品化CMM，78年在西飞172厂，哈飞公司先后投入使用，80年代中国开始引进国外先进技术，并对国外技术消化吸收，到目前为止，国内测量机生产基地有：北京303研究所、成都工具研究所、北京机电研究院、西安爱德华、北京立科。其中303研究所一直处于同行业领头位置。国内引进较多的是Zeiss、Br
28、own&Sharpe、Leitz、DEA(Digitl Electronic Autom)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。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
29、，有待进一步开发研究。1.4研究内容本论文主要阐述现代三坐标测量机的原理及其分类，并较为详细介绍各技术中坐标测量仪的代表性的型号，以及对现代坐标测量方法（激光跟踪、室内GPS、激光雷达等）归纳、总结，得出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 三坐标测量技术的基本原理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
30、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。坐标测量技术的原理：任何形状都是由空间点组成的，所有的几何量测量都可以归结为空间点的测量，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。坐标测量机的基本原理是将被测零件放入它允许的测量空间，精确地测出被测零件表面的点在空间三个坐标位置的数值，将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，经过数学计算的方法得出其形状、位置公差及其他几何量数据。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
31、（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。在测量技术上，光栅尺及以后的容栅、磁栅、激光干涉仪的出现，革命性地把尺寸信息数字化，不但可以进行数字显示，而且为几何量测量的计算机处理，进而用于控制打下基础。 世界上第一台现代意义上的三坐标测量机：1956年世界上出现了由英国Ferra的公司开发的首台用光栅作为长度基准并用数字显示的现代意义上的三坐标测量机，如图2-1所示。图2-1 世界上第一台现代意义上的三坐标测量机1962年，作为FI灯(菲亚特)汽车公司质量控制工程师的Fraorinco Sarto
32、rio先生，在意大利都灵市创建了DEA，成为世界上第一家专业制造坐标测量设备的公司，同时在公司的命名上还富有前瞻性地预见到数字技术的广泛应用，并继而在推动大型零部件精密测量方面发挥着重要作用。 1963年10月，DEA公司的第一台行程为25001600600mm的龙门式测量机ALPHA(也是世界上第一台龙门式测量机，如图2-2所示)，出现在米兰的欧洲机床展览会上，从而开创了坐标测量技术的新领域，并使得几何量质量控制技术成为工业生产的重要因素。图2-2 世界上第一台龙门式测量机在随后的年代里，DEA相继推出其手动和数控测量机，并率先采用气浮技术，配备了各种触发、扫描测头、非接触光学测头，开发了具有强大CAD
