3.1 3.1 3.1 3.1 接触式测量法接触式测量法接触式测量法接触式测量法3.2 3.2 3.2 3.2 非接触式测量法非接触式测量法非接触式测量法非接触式测量法3.3 3.3 3.3 3.3 断层数据测量方法断层数据测量方法断层数据测量方法断层数据测量方法3.4 3.4 3.4 3.4 三维数据测量方法的选择三维数据测量方法的选择三维数据测量方法的选择三维数据测量方法的选择3.5 3.5 3.5 3.5 测量数据误差分析测量数据误差分析测量数据误差分析测量数据误差分析第三章逆向建模点云数据获取第三章逆向建模点云数据获取产品表面数字化 产品表面数字化（点云数据获取）：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坐标数据，在此基础上，就可以进行复杂曲面的建模、评价、改进和制造。点云数据获取方点云数据获取方法分类法分类3.1 接触式测量三坐标测量机（三坐标测量机（CMMCMM）Coordinate Measuring MachineCoordinate Measuring Machine 一种高效率的新型精密测量仪器，是一种具有很强柔性一种高效率的新型精密测量仪器，是一种具有很强柔性的大型精密三坐标测量设备。的大型精密三坐标测量设备。 广泛应用于对各类零件的自动检测和测量。广泛应用于对各类零件的自动检测和测量。 三坐标测量机具有适应性强功能完善等特点。三坐标测量机具有适应性强功能完善等特点。坐标测量原理坐标测量原理: : 被测物体置于三坐标机的测量空间，可获得被测物体置于三坐标机的测量空间，可获得被测物体置于三坐标机的测量空间，可获得被测物体置于三坐标机的测量空间，可获得被测物体上各测点的坐标位置，根据这些点的空间被测物体上各测点的坐标位置，根据这些点的空间被测物体上各测点的坐标位置，根据这些点的空间被测物体上各测点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经计算可求出被测对象的几何尺寸、形状坐标值，经计算可求出被测对象的几何尺寸、形状坐标值，经计算可求出被测对象的几何尺寸、形状坐标值，经计算可求出被测对象的几何尺寸、形状和位置。和位置。和位置。和位置。21ZYX3OIAOI 测量工件上一圆柱孔的直径，可以在垂直于孔轴线的截面测量工件上一圆柱孔的直径，可以在垂直于孔轴线的截面I I内，触测孔壁上的三个点（点内，触测孔壁上的三个点（点1 1、2 2、3 3），根据这三点的坐标值），根据这三点的坐标值即可计算出孔的直径及圆心即可计算出孔的直径及圆心O OI I坐标坐标。 基于坐标测量原理3.3.13.3.1三坐标测量机的组成三坐标测量机的组成: : 作为一种测量仪器，三坐标测量机需要三作为一种测量仪器，三坐标测量机需要三个方向的标准器（标尺），利用导轨实现沿相应个方向的标准器（标尺），利用导轨实现沿相应方向的运动，还需要三维测头对被测量进行探测方向的运动，还需要三维测头对被测量进行探测和瞄准。此外，测量机还具有数据自动处理和自和瞄准。此外，测量机还具有数据自动处理和自动检测等功能，需要由相应的电气控制系统与计动检测等功能，需要由相应的电气控制系统与计算机软硬件实现。算机软硬件实现。 坐标测量机可分为坐标测量机可分为 主机，测头系统和电气系统主机，测头系统和电气系统 三大部分。三大部分。3.1.1.三坐标测量机的组成3.1.1.三坐标测量机的组成43615X2Y 主机主机( (机械系统机械系统) )电气系统电气系统 测头测头1. 主机:框架结构 标尺系统 导轨 驱动装置 平衡部件 转台与附件 3.1.1.三坐标测量机的组成 1.主机Z轴平衡部件Z轴驱动Z轴标尺X轴驱动X轴标尺框架导轨X轴标尺X轴驱动3.1.1.三坐标测量机的组成 2.三坐标测量机的测头系统 1）测头系统的组成： 测头座测头座 传感器传感器 加长杆加长杆 测端测端 3.1.1.三坐标测量机的组成2. 三坐标测量机的测头系统三坐标测量机的测头系统 测头座 定义测头角度定义测头角度A角（绕角（绕X轴转动的角度，顺时针为负，逆时针为正。轴转动的角度，顺时针为负，逆时针为正。）B角（绕角（绕Z转动的角度）转动的角度）B2211A(b)(a)关节旋转测座关节旋转测座测座的A角以7.5 分度从0 旋转到105 A 角旋转角旋转关节旋转测座关节旋转测座B角从-180 到180 以7.5 的分度(按顺时针、逆时针)旋转B 角旋转角旋转传传 感感 器器 传传 感感 器器正如正如TP20这样的测头，包这样的测头，包括括3个电子接触器，当测杆个电子接触器，当测杆接触物体使测杆偏斜时，接触物体使测杆偏斜时，至少有一个接触器断开，至少有一个接触器断开，此时机器的此时机器的X、Y、Z光栅被光栅被读出。这组数值表示此时读出。这组数值表示此时的测杆球心位置。的测杆球心位置。接触器断开加长杆测端(探针) 测端(探针) 测端(探针)测头的选用测头的选用扫描测头的应用范围（1）应用于有形状要求的零件的轮应用于有形状要求的零件的轮 廓的测量。廓的测量。（2）对于未知曲面的测量。对于未知曲面的测量。 3.电气系统电气系统 电气控制系统电气控制系统 计算机硬件部分计算机硬件部分 测量机软件测量机软件 打印与绘图装置打印与绘图装置 3.1.1.三坐标测量机的组成三坐标测量机的组成三坐标测量机的组成三坐标测量机的组成 （1 1）主机）主机 框架结构框架结构 标尺系统标尺系统 导轨导轨 驱动装置驱动装置 平衡部件平衡部件 转台与附件转台与附件（2 2）三维测头）三维测头 即三维测量传感器，它可在三个方向上感受瞄准信号即三维测量传感器，它可在三个方向上感受瞄准信号和微小位移，以实现瞄准和测微两项功能。和微小位移，以实现瞄准和测微两项功能。（3 3）电气系统）电气系统 包括电气控制系统、计算机硬件部分、测量机软件、包括电气控制系统、计算机硬件部分、测量机软件、打印和绘图装置打印和绘图装置 3.1.2 三坐标测量机的分类 1 按自动化程度分类按自动化程度分类数显及打印、带小型计算机、数显及打印、带小型计算机、CNC 2 按结构形式与运动关系分类按结构形式与运动关系分类 桥式、龙门式、水平臂式、关节臂等桥式、龙门式、水平臂式、关节臂等 3 按测量范围分类按测量范围分类小型、中型、大型小型、中型、大型 4 按精度分类按精度分类 低精度、中等精度、高精度低精度、中等精度、高精度 移动桥式三坐标测量机 水平臂式坐标测量机 双水平臂式坐标测量机 用双水平臂式坐标测量机测量汽车龙门式龙门式关节臂(机械手)式测量机 测量方法：操作者手持测量手臂，末端探针接触被测量物体表面时按下按钮，记录坐标和探针手柄方向，通过串口线传到各种软件包上精度低，范围大精度低，范围大返回 、基本测量软件、基本测量软件1)1)运动管理功能：包括运动方式选择、运动进度选运动管理功能：包括运动方式选择、运动进度选择、测量速度选择。择、测量速度选择。2)2)测头管理功能：包括测头标定、测头校正、自动测头管理功能：包括测头标定、测头校正、自动补偿测头半径和各向偏值、测头保护及测头管理。补偿测头半径和各向偏值、测头保护及测头管理。3)3)零件管理功能：确定零件坐标系及坐标原点、不零件管理功能：确定零件坐标系及坐标原点、不同工件坐标系的转换。同工件坐标系的转换。4)4)辅助功能：坐标系、地标平面、坐标轴的选择；辅助功能：坐标系、地标平面、坐标轴的选择；公制、英制转换及其他各种辅助功能。公制、英制转换及其他各种辅助功能。5)5)输出管理功能：输出设备选择、输出格式及测量输出管理功能：输出设备选择、输出格式及测量结果类型的选择等。结果类型的选择等。6)6)几何元素测量功能几何元素测量功能3.1.33.1.3三坐标测量机软件分类三坐标测量机软件分类 、专用测量软件：、专用测量软件： 指在基本测量软件平台上开发的针对某种具有特定用途指在基本测量软件平台上开发的针对某种具有特定用途的零部件的测量与评价软件。通常包括：齿轮、螺纹、凸轮、的零部件的测量与评价软件。通常包括：齿轮、螺纹、凸轮、自由曲线、自由曲面等自由曲线、自由曲面等 3.1.33.1.3三坐标测量机软件分类三坐标测量机软件分类1.3.4 1.3.4 测量过程测量过程 下一节1 1、 测量前的准备测量前的准备（1 1）测头标定）测头标定（2 2）工件找正）工件找正2 2、 数据测量规划数据测量规划沿着特征方向走，顺着法向采。沿着特征方向走，顺着法向采。（）规则形状的数据采集规划（）规则形状的数据采集规划（）自由曲面的数据采集规划（）自由曲面的数据采集规划1.3.4 测量过程测量过程1 测头标定1) 1) 校验测头的目的校验测头的目的(1)计算测头的等效直径计算测头的等效直径 (2)计算各个转换角度之间的相互位置关系计算各个转换角度之间的相互位置关系1 测头标定1 测头标定1 测头标定DD测头标定测头标定原理原理等效直径等效直径 d=D-D探头在直径为D的标准球上采多于5个点,球心拟合出直径为D的球1 1 测头标定测头标定 2 2）校验测头的一般步骤）校验测头的一般步骤（1）将测头系统正确配置并安装在三坐标测量机）将测头系统正确配置并安装在三坐标测量机的主轴上；的主轴上；（2）为满足被测量工件的测量需要，添加相应测）为满足被测量工件的测量需要，添加相应测 头角度；头角度；（3）设置相应参数，在标准球上采不少于）设置相应参数，在标准球上采不少于5点；点；（4）软件自动计算出测头的等效直径和各个角度）软件自动计算出测头的等效直径和各个角度之间的相互位置关系。之间的相互位置关系。返回1 机器坐标系（x,y,z）2 基准坐标系（x0,y0,z0）3 工件坐标系（x,y,z）2 2 建立工件坐标系建立工件坐标系三个坐标系三个坐标系2 2 建立工件坐标系建立工件坐标系 1）建立坐标系的步骤：（1）在可作为基准的平面上采多于三个点，用）在可作为基准的平面上采多于三个点，用该面的法线方向作为第一个轴，将其找正；该面的法线方向作为第一个轴，将其找正；（2）在可作为基准的另一个面上采多于两个点）在可作为基准的另一个面上采多于两个点作为一条直线（该面的法线方向应与第一个面作为一条直线（该面的法线方向应与第一个面垂直），将直线的法线方向旋转到第二轴；垂直），将直线的法线方向旋转到第二轴； ( (3）在垂直于前两个基准面的另一个基准面上）在垂直于前两个基准面的另一个基准面上采点，确定坐标原点采点，确定坐标原点。 2 2 建立工件坐标系建立工件坐标系建坐标系三步曲：建坐标系三步曲： 建立坐标系有三步，建立坐标系有三步，而且很重要的是不要而且很重要的是不要搞乱它的顺序。搞乱它的顺序。（1 1）零件的找正）零件的找正 所有建立坐标系的第一步是在零件上测所有建立坐标系的第一步是在零件上测量一个平面来把零件找正。其目的是保证量一个平面来把零件找正。其目的是保证测量时总是垂直零件表面而不是垂直于机测量时总是垂直零件表面而不是垂直于机器坐标轴。器坐标轴。 （1）零件的找正）零件的找正测量点2测量点1测量点3（2 2）旋转到轴线）旋转到轴线 测量点1测量点2（3 3）设置原点）设置原点测量点12 2 建立工件坐标系建立工件坐标系 2）选择基准的原则（1)1)认真研究图纸，了解加工过程；认真研究图纸，了解加工过程；（2)2)优先考虑使用情况；优先考虑使用情况；（3)3)测量基准应足够大，尽量能够含盖被测测量基准应足够大，尽量能够含盖被测 量元素；量元素； (4)(4)基准面必须是精加工面；基准面必须是精加工面； (5) (5)将测量基准与设计基准和加工基准统一。将测量基准与设计基准和加工基准统一。返回3 3 数据测量规划数据测量规划测量规划的目的 3 3 数据测量规划数据测量规划3 3 数据测量规划数据测量规划1）一般几何形状的数据采集规划一般几何形状的数据采集规划 2）自由曲面的数据采集规划自由曲面的数据采集规划 返回描述各规则元素所需最少数据点元素名称最少点数备注点 1直线 2 注意方向性 圆弧 3平面 3圆柱 4 注意点的分布