三维形状测量方法及发展趋势

　　随着科学技术和工业生产的迅猛发展,许多领域越来越多地提出了对三维工件尺寸和形状参数测量的要求。目前人们虽然已经成功地开发出许多种测量方法及仪器,但是由于它们都存在成本、测量范围、测量精度及测量速度等多方面的限制,还不能满足科技和生产发展的需要。本文针对国内外的发展现状,对现有的三维工件测量方法进行概述,指出它们存在的优缺点,并根据需要对它们的发展趋势进行了预测。

　　1　接触测量法

　　1.1　三坐标测量机

　　三维接触式测量方法是由传统的探针式的接触测量方法发展而来的,目前三坐标测量机是该方法发展的成功典范和主要的使用工具。三坐标测量机是近几十年来发展起来的一种多功能的测量仪器,是一种高精度、综合性很强的几何量测量设备。它以精密机械为基础,综合应用了精密仪器设计、电子技术、计算机技术、软件应用技术和传感技术等高技术成果,能对三维复杂工件的尺寸、形状及其相对位置进行高精度测量。

　　三坐标测量机一般主要由主体结构、测长系统、坐标显示装置、计算机、测头系统,以及打印机、显示器等终端设备几大部分组成。其相互关系如图1所示。其中测头通过机械结构与测量主体固连,测头信号直接与坐标显示系统相连,测头通过这两部分与测量机其他部分协调配合完成测量任务。

　　1.2　三坐标测量机的发展现状、优缺点及趋势分析

　　1.2.1　测头系统的发展

　　在三坐标测量机中,直接实现对工件测量的部件是测头,它直接影响测量机的测量精度、操作的自动化程度和检测效率,因此各国研制生产坐标机的厂家和科研人员都要花费较多的精力研究高性能的测头。三坐标机测头可视为一种传感器,只是其种类、结构原理、性能较一般测头复杂得多。

　　随着光电技术的进步,出现了综合光学和接触式测头的优点的光学接触式测头[1,2],它对测量微型工件特别是微型孔径有显著的优点。其主要原理是通过光学成像系统和CCD摄像机来确定探测球体的位置。图2为测头系统原理图,将传光光纤3拉伸、弯曲,作为“测杆”置于光学放大系统的光轴上,在其前端粘有或利用热熔化的方法形成的微型触测球体。微型触测球体被调整到光学系统的物平面上,并由光纤的另一端的冷光源4照明,通过光纤传光照亮“测杆”前端的触测球体。被照明的触测球体通过光学放大系统成像在CCD上,形成亮斑,当系统触测微型工件5时(触测球体相对于CCD移动),亮斑的位置发生变化。光斑中心位置的变化可利用图像处理软件以亚元素的精度计算出来,则工件空间的坐标值可由三维CNC控制运动单元和亮光斑的位置的变化综合给出。系统测量时的触测到位信号由图像处理单元对亮光斑中心位置实时给出,当触测球体没有接触工件时,亮光斑的中心位置相对于CCD是不变的;当测球触测工件时,亮光斑的中心位置发生变化,当它的变化超过一定阈值时,发出触测到位采样信号,并可进行位移补偿。所给阈值的大小根据测量力的大小而定,一般情况下要求测量力小于10μN。