三维测量技术相关论文检索报告
1 三维测量技术概述
三维测量已经成为制造业中的一项重要的技术，它在工业检测、逆向工程等领域占有重要的地位。目前，三维测量方法多种多样，其原理也各不相同。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。根据测量探头是否和零件表面接触，三维数据的获取方法基本上可分为两大类，即接触式与非接触式。
2接触式测量方法
在接触式测量方法中，三坐标测量机(CMM)是应用最为广泛的一种测量设备[1]。三坐标测量机(Coordinate Measuring Machining，简称CMM)是20世纪60年代发展起来的一种新型高效的精密测量仪器。它的出现，一方面是由于自动机床、数控机床高效率加工以及越来越多复杂形状零件加工需要有快速可靠的测量设备与之配套；另一方面是由于电子技术、计算机技术、数字控制技术以及精密加工技术的发展为三坐标测量机的产生提供了技术基础。目前，CMM已广泛用于机械制造业、汽车工业、电子工业、航空航天工业和国防工业等各部门，成为现代工业检测和质量控制不可缺少的万能测量设备[2]。
三坐标测量机一般由主机(包括光栅尺)、电器系统(控制柜)、软件系统(计算机系统)及测头所组成。除硬件以外，软件也是测量机的重要组成部分。
三坐标测量机的结构类型主要有以下几种：悬臂式、桥式、龙门式等几种。悬臂式测量机优点是开敞性较好，但精度低，一般用于小型测量机。桥式测量机承载力较大，开敞性较好，精度较高是目前中小型测量机的主要结构型式。龙门式测量机一般为大中型量机。要求有好的地基，相对测量尺寸有足够的测量精度。
3 三坐标测量机相关研究现状
随着技术的不断成熟和检测要求的不断提高，三坐标测量机正在朝高精度，耐环境等方法不断发展[3]。
1．高精度型三维测量机
在高精度化方面，Nikon公司制造了TRAISTATIONSH830型CNC三维测量机。其总体造型为高刚性龙门式结构，X、Y、Z三轴全部采用陶瓷材质的导轨，并采用不会因x向运动而对z轴导轨r测头)产生螺旋扭矩的特殊结构，即在x向导轨中部设有长孔，使得x轴导轨成为双轨形式 于是，作x向运动时，测头在双轨之间f中部长孔中)移动。因此，其空间测量精度误差u ≤(1．8+21／1000) m，为这一级别测量机的最高精度水平 对周围使用环境温度要求，由传统的20°C土0.5°C放宽为20°C±2°C，大幅度地提高了测量机的耐环境性能。
3．耐环境型三维测量机
卡尔?蔡司公司的UMC型、UPMC及ZMC型三维测量机，全部采用了温度补偿专用软件“CAA”(Computer Aided Accuracy，计算机辅助精密化)。利用温度传感器分别准确地测出X、Y、Z三轴所有基准标尺及工件的温度，由专用软件CAA在测量机开始工作时自动地读出这些温度值；在测量机正式工作时，对由于测量机实际工作环境温度偏离标准温度(2O℃)而造成的测量误差，会自动地进行线性补偿，从而增强了三维测量机对环境的适应能力，即
三维凋量机的实际工作环境温度范围可放宽到15°C至30°C。可见其使用范围不限于研究室、实验室等，而是可以直接走向生产现场。
4．大型测量机
由“兰克苔拉蒿布匈”开发的大型垒自动测量机，可用于长lm、重lt的大型发动机组件、曲轴的圆度、圆柱度等几何形状的测量，是面向汽车制造业的新产品，包括自动定心，自动调平在内的所有测量轴的动作，全部是由软件和操纵杆进行控制。
5．曲面测量机
由Mitntoyo开发的新产品一一“CV—I 426”型非球曲面测量机，是超高精度轮廓测量的理想设备。在对眼镜的镜片、视频投影设备镜面等非球形曲面进行测量时，利用测针扫描被测工件表面，通过机内的激光垒息标尺，能够高精度地捕捉工件轮廓形状数据。其分辨率为0.025μm(z轴)、0.1μ m(x轴)、测量压力为30N。
7．手动型三维测量机
Brown S Sharpe公司对精密计量室使用的普通型三维测量机实施小型化改进后，开发出了适于生产车间现场使用的手动式小型三维测量机(Micro ValEM )，不但可操作性好，而且价格低廉r约400万日元) 该机X、Y、Z各轴均设有微调旋钮，既可进行小孔测量，又可通过CCD摄像机进行非接触式测量。其特殊铝合金的本体移动部件配以高刚性空气静压导轨结构，可以轻松自如地操作控制；且因移动部件与测量平板完全分离，故其可操作性甚佳。
4非接触式测量方法
目前非接触式测量的主要设备是三维激光扫描仪。其特点为扫描速度快，采取非接触测量对被测物体没有损伤。以便携式扫描仪柯尼卡美能达910为例，，可实现多次多方向扫描，对被测物体大小没有严格的限制。每次扫描时间3秒以内。测量点密集，每次扫描480 x640个激光点。适合于复杂曲面的测量。但其测量精度较接触式测量要低，一般为0.1左右[4]。
实际当中几何量测量一般可以分为两种类型，一类以截面尺寸、空间交点及圆柱、圆锥等为对象，适合于接触探测的测量任务；另一类以大量细小的孔或槽为对象，或者以易划伤、薄壁工件为对象，适合于非接触探测的测量任务。近年来，随着CCD摄像测量、激光测量等技术的发展，已经使非接触式坐标测量机在解决第二类测量问题时的适用性、准确性和高效率足以与接触式测量机在解决第一类测量问题时相媲美，同时还使非接触式测量由原来的纯二维测量发展为三维测量技术。激光测头采用激光点光源作为测量工具，其光电位敏元件作为位置探测器。安装在缩束透镜组后的半导体激光器LD 发出的光束经其缩聚后，再经过光阑形成一束直径和发射角很小的发射光束投射在被测物表面上，这样便形成一光斑的漫反射光，又由接收透镜收集，成像于光敏器件PSD光敏面上。在进行测量时，测头的激光器投射在被测物体表面上的光点，通过透镜在PSD上的光敏元输出电脉冲信号到驱动器中，再经过接口电路传给计算机。通过计算机中的测量软件模块叠加计算，获得待测工件曲面上待测点的三维坐标数据。计算机按一定规律记录存储，从而完成待测工件的测量[5]。
5非接触式测量方法相关研究现状
现在非接触式测量发展较快的既包括原子力、扫描电子显微镜等直接测量方式，又包括了光学散射、散斑、投影等间接测量方法。同时非光学方法的非接触式测量方法也有很大进展，如超声检测法等[6]。非接触式测量方法及研究现状介绍如下。
1 光散射法
光散射法测量表面粗糙度是利用几何光学原理：一束光照射到物体表面后，必定会发生反射和散射现象，反射光和散射光的强弱反映出物体的表面粗糙度情况。对于表面粗糙度值
较小的表面，反射光斑的光能较强，散射光带宽度较窄；反之，表面粗糙度值较大的表面，反射光斑的光能较弱，而散射光带则较宽。光散射测量表面粗糙度精度高，且所用仪器结构简单，调试方便，在线检测领域有相当广泛的应用。例如，L.Rovati等应用光散射原理研制出了一种光学传感器以测量木板的表面粗糙度[7]。C.J.Tay等应用光学散射原理，组成光学散射测量系统，实现对表面粗糙度的高精度测量，经过与原子力显微镜的测量结果进行比对，测量结果相当接近[8]。
2 光学干涉法
干涉测量法通过相干光照射到被测表面，之后通过与参考光进行比较测得粗糙度数值。典型的干涉测量方法有x射线干涉测量、差动干涉测量、同轴干涉测量仪、双焦干涉仪、光外差干涉仪等[9]。例如，I．Bennion等在所研制的光学色散仪可改变空间波长的基础上提出了空间扫描方法来测量表面粗糙度[10] 。马小军等通过相移干涉法对聚苯乙烯，聚 甲基苯乙烯微球的内表面粗糙度进行了测量，其测量数据与原子力显微镜的测量数据在同一量级
[11]。Roy Blunt等通过白光干涉的方法对不同材料表面进行粗糙度的测量[12]。
3 散斑法
散斑是指一束光经物体表面反射后， 由于物面轮廓的高低不平、由于反射光在观察板处发生干涉引起的斑点样分布现象[9]。在一定范围内散斑对比度和表面粗糙度之间存在线性关系。这种方法用于表面粗糙度的在线测量，可以获得比较好的粗糙度分辨率。例如，刘恒彪等通过模拟计算随机粗糙表面的多色散斑场，分析了测量系统因素对测量结果的影响
[13]。Zhao Gao等提出了一种分析反射成分密度的方法实现陕速、准确的对散斑图像进行分析[14]。
4 激光衍射投影法激光衍射投影法是利用激光照射到被测表面，并反射到观察板上，通过分析由激光衍射形成的衍射投影实现对被测表面粗糙度的测量。通过反射光放大后的功率谱的分布可以得到衍射投影的分布密度情况，从而计算出被测表面的粗糙度值。例如，日本近畿大学的研究人员经过多年的研究和改进，建立了一种依靠衍射投影方式来测量表面粗糙度的方法[15]。
5 超声检测法
近年来，超声检测技术也越来越多地应用于对表面粗糙度的测量中。超声声束与一定表面面积接触，其测量结果反映了表面一定范围的总体平均粗糙度，而且反映的是被测材料表面组织的三维信息。例如，卢超等通过超声反射频谱的方法，建立起了反射系数和表面均方根粗糙度系数ST的理论模型[16]。J．R．Gatabi等应用多普勒超声检测方式进行了表面粗糙度的测量[17]。
6参考文献
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