【編者按】三維復(fù)雜曲面精確測量在國內(nèi)外都是個難題毕察，上海大量電子設(shè)備有限公司開發(fā)的“六軸數(shù)控激光三維測量儀”實施結(jié)果表明，所開發(fā)的六軸數(shù)控激光快捷三維測量儀有很好的測量效果，能夠滿足復(fù)雜三維曲面精確測量系枪。

　　測量一般物件所使用的工具和儀器，除了量具(尺磕谅、卡尺)私爷、量規(guī)(步距規(guī))、千分表等測量器具外膊夹，也有利用投影的影像測量儀痒仇、數(shù)控測量顯微鏡來測量物件的二維數(shù)據(jù)。三維型面測量則用探針接觸式三維測量儀邀敲、手提式激光掃描測量儀棒嚼、反射鏡的激光(跟蹤)干涉測量儀等儀器設(shè)備。二維咐准，三維測量是在傳統(tǒng)點對點的直線距離測量基礎(chǔ)上發(fā)展起來的啃掠。二維測量，物件借助燈光投影與放大鏡的作用消李，可以顯現(xiàn)物件的表面輪廓與設(shè)定的二維坐標比對键梆，所測的數(shù)字不是很精準蝉橘，在測量精度要求不是很高的前提下可以快速的測出結(jié)果。正因為二維測量儀測量不出物件更高的精準度畦未，也沒法測量物件的真實三維數(shù)據(jù)润邑，難于滿足精密制造行業(yè)的發(fā)展需要，急需發(fā)展三維測量技術(shù)和三維測量儀保铐。

　　目前所用的三坐標測量儀都是由三個正交的直線運動軸構(gòu)成的哄谆，用測量頭(圓球、圓珠或探針)去碰觸被測物件的表面季春，通過靈敏的接觸感應(yīng)器將碰觸的信號傳到相對應(yīng)的顯示器或電腦上洗搂。這類的三坐標測量機用于比較規(guī)則的三維曲面是比較方便，但要精確測量復(fù)雜三維曲面還是比較困難载弄，不僅測量移動速度受到限值耘拇，而且測量精度難于保證，特別是某些側(cè)面存在凹陷的復(fù)雜三維曲面宇攻，甚至無法測量惫叛。

　　非接觸式手提式激光掃描測量，大多使用在大型的物件測量逞刷。手提式雖然測量速度快嘉涌，但精度不高，常在汽車外型夸浅，大構(gòu)件的造型測量中被采用洛心。被測物件體積愈大，測量時所需要的空間也愈大题篷，操作人員則需上下词身、左右、前后地走動攝取數(shù)據(jù)木砾。

　　激光干涉(跟蹤)測量則用在工具機的精度測量上农灯，可以測量較高的重復(fù)定位精度，也可以測到動態(tài)的物件移動位置瘸劳，但不適宜測量每個點的三維坐標位置品扯，也不適宜用于精密零件、工件妖恨、模具等三維測量捻钢。

　　目前市場上供應(yīng)的三維激光測量機，雖屬非接觸式的掃描測量足沥，但因所采用激光測量頭在精確測量復(fù)雜三維曲面時還是比較困難稻续，不僅測量精度難于保證，對于某些側(cè)面存在凹陷的復(fù)雜三維曲面，甚至無法進行滔菠。

　　二逮碾、六軸數(shù)控激光三維測量儀的基本組成

　　為解決三維復(fù)雜曲面的快速精確測量，作者開發(fā)了如圖1所示的六軸數(shù)控激光快捷三維測量儀批斯，包括：

　　1辞槐、測量機機械系統(tǒng)：

　　(a) 花崗巖為主體的X、Y粘室、Z三軸聯(lián)動基座及測量工作臺(三個正交的直線運動軸構(gòu)成：Y向?qū)к壪到y(tǒng)裝在測量工作臺“4”下面榄檬，引導(dǎo)測量工作臺“4”前后移動;立柱上的橫梁“6”安裝有X向?qū)к壪到y(tǒng)，使激光測量頭“11”左右移動;Z向?qū)к壪到y(tǒng)裝則裝在中央滑架上衔统，引導(dǎo)安裝有激光測量頭“11”的90?旋轉(zhuǎn)夾具“10”上下移動);

　　(b) 兩組可旋轉(zhuǎn)的精密定位夾具裝置(一組360?旋轉(zhuǎn)夾具“12”放置在測量工作臺“4”上鹿榜，能帶動被測物件在XY平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)360?;另一組90?旋轉(zhuǎn)夾具“10”安置在Z軸中央滑架上，能帶動激光測量頭“11”在YZ平面或ZX平面旋轉(zhuǎn)90?);

　　2缰冤、激光傳輸測量系統(tǒng)：由激光器犬缨、光纖傳輸及激光測量頭組成;

　　3喳魏、電腦控制中心：包括工控機及其數(shù)據(jù)處理棉浸、運動控制及3D圖形軟件;

　　4、電氣控制驅(qū)動系統(tǒng)：包括光柵尺刺彩、電氣驅(qū)動器及交流伺服電機等迷郑。

　　1、支架;2创倔、基座;3嗡害、光柵尺;4測量工作臺;5、立柱;6却值、橫梁;
　　7卑竹、X軸導(dǎo)軌;8、中央滑架;9私闭、Z軸導(dǎo)軌;10砾漓、90?旋轉(zhuǎn)夾具;11;激光測量頭;
　　12、360?旋轉(zhuǎn)夾具;13宽用、Y軸導(dǎo)軌;14闭榛、顯示屏;15、電腦控制中心;16跌缩、激光器

圖1 六軸數(shù)控激光快捷三維測量儀

　　三衍肥、六軸數(shù)控激光三維測量儀的工作原理

　　激光測量工作過程如圖2所示。首先將被測物件放置在圖1所示的花崗石測量臺“4”上的360?旋轉(zhuǎn)夾具”12”上雀肠，操作者則根據(jù)被測物件的形狀刀念、尺寸大小來設(shè)置激光測量頭“11”相對被測物件的運動路徑和掃描軌跡;激光測量頭則把掃描測得的數(shù)據(jù)傳送給電腦控制中心“14”進行數(shù)學(xué)運算和數(shù)據(jù)處理后，便可輸出被測物件所要測的全部三維幾何數(shù)值。如需輸出相應(yīng)的三維圖形罗卿，則應(yīng)把所測得的數(shù)值輸送給3D圖形重構(gòu)模塊史隆，再輸出被測物件的三維圖形。

圖2 六軸數(shù)控激光快捷三維測量儀工作原理框圖

　　如被測物件很復(fù)雜曼验，甚至側(cè)面存在凹陷和凹孔泌射，靠激光測量頭從上向下掃描檢測是無法獲得精確的測量數(shù)據(jù)的。此時可變換坐標系鬓照，通過安裝在Z軸上的精密定位夾具裝置熔酷，使激光測量頭對準被測物件需測量的表面，經(jīng)掃描檢測所獲得的測量數(shù)據(jù)豺裆，輸送給電腦進行坐標系變換計算處理后拒秘，也可精確輸出被測物件所要測的全部三維幾何數(shù)值。

　　四臭猜、六軸數(shù)控激光三維測量儀的結(jié)構(gòu)特點

　　1躺酒、花崗巖為主體的X、Y蔑歌、Z三軸聯(lián)動基座：

　　以天然花崗石材料為主要構(gòu)件做成的測量儀基座(圖1中的“1”)：將X羹应、Y、Z三軸分別裝置于主體的底座上和立柱及橫梁(龍門式)上次屠，三組驅(qū)動器及伺服電機脆逊，各自驅(qū)使三軸傳動結(jié)構(gòu)在底座與橫梁上分別移動或三軸聯(lián)動。傳動結(jié)構(gòu)也各自由三組精密螺桿加直線導(dǎo)軌或傳送帶加汽浮裝置組成拇蟋。本結(jié)構(gòu)在測量工件或物件時可以將該工件或物件及激光傳感器(傳統(tǒng)所使用的接觸式探針)做相對應(yīng)的左右棒鞍、前后、上下三維空間的位移蓖搅。

　　花崗石取自天然材料崖蟀，可以精加工，成型后質(zhì)量穩(wěn)定翩汰，熱變形小吹迎，能經(jīng)久耐用，作為測量儀主體結(jié)構(gòu)箫废，確保測量時的精密要求础姚，也方便安裝所有的傳動部件，耐磨譬功，硬度高更是構(gòu)成汽浮裝置的最佳結(jié)構(gòu)體填恬。

　　傳動部件采用精密螺桿加直線導(dǎo)軌或傳動帶加汽浮組裝置，三軸同時還必須附加光柵或磁柵奋隶，以便可以調(diào)整擂送、修正悦荒、補償轉(zhuǎn)動時因螺桿螺距，傳動帶齒輪等部件造成的誤差嘹吨，確保每次位移或重復(fù)定位的精度要求搬味。

　　2、兩組可旋轉(zhuǎn)的精密定位夾具裝置

　　其中一個360?旋轉(zhuǎn)夾具蟀拷，能調(diào)整轉(zhuǎn)速及帶有刻度與工件安裝孔位的轉(zhuǎn)盤碰纬，安裝在夾具轉(zhuǎn)盤上的被測工件(如螺桿、曲軸问芬、傳動軸等)也隨之同步悦析、同軸心旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度根據(jù)測量需要選定此衅。 360?旋轉(zhuǎn)盤大小也視被測工件的大小決定强戴。

　　另一個為90?旋轉(zhuǎn)夾具，安裝在Z軸上挡鞍，能在YZ平面或ZX平面旋轉(zhuǎn)的90?旋轉(zhuǎn)骑歹，旋轉(zhuǎn)角度視被測工件形狀及安裝要求而定。

　　3胀爸、激光測量頭

　　激光測量頭采用高精度2D激光位移傳感器夜墓，安裝固定在Z軸90?旋轉(zhuǎn)定位夾具“10”的下方。操作時轉(zhuǎn)動定位夾具可以將被測量的物件構(gòu)成二維(2D)的完整掃描展稼，檢測出被測量物件每個點的數(shù)據(jù)束多，經(jīng)電腦數(shù)據(jù)運算處理后輸出精確的三坐標數(shù)據(jù)骏庙。

　　4俩堡、電腦控制中心

　　電腦控制中心采用功能強、容量大辣棉、運行快氏诽、高清晰度顯示屏的電腦(計算機)，安裝有運動控制和激光測量控制軟件狰赘、數(shù)據(jù)處理軟件及3維圖形重構(gòu)軟件壳凳。

　　5、采用光纖技術(shù)將激光器產(chǎn)生的激光束柔性地傳輸?shù)郊す鉁y量頭(高精度2D激光位移傳感器)扮人，且允許激光測量頭任意移動和轉(zhuǎn)動浆左，為實現(xiàn)六軸數(shù)控激光快捷三維測量創(chuàng)造了條件。

　　6训措、六軸運動控制軟件：分別控制X伪节、Y、Z三軸的電機绩鸣，準確地驅(qū)使三軸聯(lián)動怀大、移位。軟件必須與三軸上的光柵或磁柵信號輸出、輸入程序互連化借。安裝工件置于工作臺上的旋轉(zhuǎn)盤與裝夾傳感器的兩個定位夾具之旋轉(zhuǎn)也由軟件控制潜慎。

　　7、具備可以接受自激光傳感器之掃描數(shù)據(jù)并加以整理蓖康、篩選以及計算的專用軟件铐炫。所需軟件目前全球尚無現(xiàn)成的可以借用，有待自已與多所大學(xué)及科學(xué)研究單位合作蒜焊，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)完成驳遵。

　　“6”與“7”的軟件相容、互動才能精密準確地應(yīng)用本發(fā)明的六軸數(shù)控激光快捷三維測量儀山涡，獲得預(yù)想效果堤结。

　　五、實施效果

　　上海大量電子設(shè)備有限公司開發(fā)的“六軸數(shù)控激光三維測量儀”已向國家知識產(chǎn)權(quán)局申請了專利(發(fā)明專利號2012101718513爱饲，實用新型專利號2012202473608)肢阿，2012年11月9日至12日參加了第七屆國際發(fā)明展覽會，經(jīng)展會專家的嚴格評審乳嘁，被評為國際發(fā)明展會銀獎甸赏，并由國際發(fā)明者協(xié)會聯(lián)合會主席安德拉斯先生和中國發(fā)明協(xié)會理事長朱麗蘭女士頒發(fā)了獎?wù)屡c獎狀。

　　1寻适、天然花崗巖材料熱變形小藏崇，是精密測量業(yè)界普遍采用的基本構(gòu)件，目前國內(nèi)加工的條件已經(jīng)具備凤婆，原材料更無需進口短揉。全面推廣使用本項發(fā)明的三維測量儀對國內(nèi)的精密測量技術(shù)水平提高，或是節(jié)能減排以及工業(yè)自動化的進程中都會有很大的幫助非畜。

　　2刚肠、本項開發(fā)成果的軟、硬件加以熟練的應(yīng)用技術(shù)亦弛，其實施的效果達到預(yù)期目標冒晰。在全球廣泛應(yīng)用之后，有助于推動精密制造與精密測量行業(yè)的發(fā)展竟块，在節(jié)省人力資源與增加生產(chǎn)力方面效果也是可觀的壶运。

　　3、本項開發(fā)成果浪秘，有助于解決復(fù)雜三維曲面精確測量難題蒋情。不僅可以獲得較高的測量精準度(直線測量精度在0.005mm以內(nèi))，而且對于某些側(cè)面存在凹陷的復(fù)雜三維曲面也可以進行精密測量秫逝。

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