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1、测量及应用,Scan Direct Ltd.,1.测量的基础知识,(1)几何量测量与计量的基本概念测量:以确定量值为目的的一组操作计量:实现单位统一、量值准确可靠的活动,计量的特点可以归纳为准确性、一致性、溯源性及法制性四个方面计量与测量的区别:测量是为确定量值而进行的全部操作,一般不具备计量的四个特点.计量属于测量而又严于一般的测量,在这个意义上,可以狭义的认为,计量是与测量结果置信度有关的、与不确定度联系在一起的规范化的测量总体来讲,我们平时所说的测量都是以测量工件加工尺寸,控制产品加工质量为目的的测量,而且是简化测量,比如说孔径和轴径的测量两点式测量(不考虑孔的锥度,圆度,只以一个截面的
2、一个直径测量值代表整个内孔的直径),面到面的测量实际测量时只测量点到面的距离,即以一个面定位,另外一个面只测一点代替整个面(不考虑面的平面度以及两个面之间的平行度),(2)基准的含义基准及其分类:基准是零件上用来确定其它点、线、面位置所依据的那些点、线、面。按其功用不同,基准可分为设计基准和工艺基准两大类,其中工艺基准又可以按用途不同工艺基准又可分为定位基准、工序基准、测量基准和装配基准。设计基准:是在零件图上所采用的基准,它是标注设计尺寸的起点。定位基准:在加工中用作定位的基准,称为定位基准。它是工件上与夹具定位元件直接接触的点、线或面。工序基准:在工序图上,用来标定本工序被加工面尺寸和位置
3、所采用的基准,称为工序基准。它是某一工序所要达到加工尺寸(即工序尺寸)的起点。测量基准:零件测量时所采用的基准,称为测量基准。装配基准:装配时用以确定零件在机器中位置的基准,称为装配基准。,基准分析实例,对于几何量测量应用来说,定位基准和测量基准是最重要的。为了使测量结果对加工和设计具有最好的参考价值,测量基准、定为基准和设计基准最好统一。,(a)平面2、3的设计基准是平面1,平面5、6的设计基准是平面4,孔7的设计基准是平面l和平面4,而孔8的设计基准是孔7的中心和平面4;加工平面3和6时是通过平面l和4放在夹具上定位的,所以,平面1和4是加工平面3和6的定位基准;加工平面3时按尺寸H2进行
4、加工,则平面l即为工序基准,加工尺寸H 2叫做工序尺寸。,(b)轴心线OO是各外圆和内孔的设计基准,也是两项跳动误差的设计基准,端面A是端面B、C的设计基准;用内孔装在心轴上磨削40h6外圆表面时,内孔表面是定位基面,孔的中心线就是定位基准;钻套以内孔套在心轴上测量外圆的径向圆跳动,则内孔表面是测量基面,孔的中心线就是外圆的测量基准;用卡尺测量尺寸l和L,表面A是表面B、C的测量基准;40h6外圆及端面B即为装配基准。,形位公差项目,单一要素的形状误差是没有相对基准的,而是以本身为基准;关联要素的形状误差有定位要求,但是没有严格的相对基准;位置误差则是有相对性的,即是有严格的测量基准的。,(3
5、)常见测量项目及常规检测方法,内径测量(ID)通止规,带表塞规、带传感器的电子塞规、集成传感器的电子塞规,气动塞规,通用量仪(内径表,内径千分尺),(3)常见测量项目及常规检测方法,外径测量(OD)通止卡规,带表卡规,带传感器卡规,气动卡规,气动环规,通用量仪(卡尺,外径千分尺),激光测径仪,(3)常见测量项目及常规检测方法,花键孔花键通止规,带表塞规,(3)常见测量项目及常规检测方法,花键轴花键通止环规,带表环规,(3)常见测量项目及常规检测方法,孔深测量深度触摸规,带表深度规,带传感器深度规,通用量仪(深度卡尺,深度表),(3)常见测量项目及常规检测方法,锥孔检测锥度塞规,带表塞规,电子塞
6、规,气动塞规,(3)常见测量项目及常规检测方法,锥轴检测锥度环规,带表环规,电子塞规,气动塞规,(3)常见测量项目及常规检测方法,内螺纹检测螺纹通止塞规,带表螺纹规,通用量仪(测长仪),(3)常见测量项目及常规检测方法,外螺纹检测螺纹通止环规,带表螺纹规,通用量仪(测长仪),(3)常见测量项目及常规检测方法,槽宽检测通止规,电子塞规,气动塞规,(3)常见测量项目及常规检测方法,厚度检测通止卡规,带表卡规,气动卡规,(3)常见测量项目及常规检测方法,孔口倒角深度检测倒角触摸规,带表倒角深度规,带传感器倒角深度规,特殊锥面深度规,(3)常见测量项目及常规检测方法,外倒角检测倒角样板,带表倒角规,带
7、传感器倒角规,通用量仪(轮廓度仪),(3)常见测量项目及常规检测方法,孔距检测通止塞规,带表孔距规,带传感器孔距规,通用量仪(三座标测量机),(3)常见测量项目及常规检测方法,孔同轴度检测通止塞规,电子塞规,气动塞规,(3)常见测量项目及常规检测方法,平面度检测带表机械检具,带传感器机械检具,通用量仪(三座标测量机),(3)常见测量项目及常规检测方法,孔位置度检测综合检具(带通止规,或带表,或带传感器),通用量仪(三座标测量机),(3)常见测量项目及常规检测方法,多面距离、位置度检测综合检具(带通止规,或带表,或带传感器),通用量仪(三座标测量机),(4)常见测量项目及激光检测,内径及内沟槽测
8、量(ID),超大大内径(300以上)测头直接照射测量(精度高)一般内径(50300)用大Periscope或倾斜照射测量(精度较高)小内径(650)用小型Periscope测量(目前精度较低),(4)常见测量项目及激光检测,外径测量(OD),适用于大直径高精度测量(一般尺寸(小于100mm)的直径测量由于有激光测径仪很方便地完成检测,所以单纯的直径测量中激光测量没有什么优势),(4)常见测量项目及激光检测,花键孔(与内孔测量相近),超大大内径(300以上)测头直接照射测量(精度高)一般内径(50300)用大Periscope或倾斜照射测量(精度较高)小内径(650)用小型Periscope测量
9、(目前精度较低),(4)常见测量项目及激光检测,花键轴,在齿形较小的花键检测中,由于三坐标测量机不方便测量,激光测量有一定的优越性(小齿形,高效率),(4)常见测量项目及激光检测,孔深测量,小孔深度测量中有一定的优越性,特别是非钢材质(同轴高精度Z向测量,非接触,小孔直径最小可以达到um级),(4)常见测量项目及激光检测,锥孔检测机械行业常见锥孔一般有装配要求,由于锥孔一般精度要求较高,激光测量没有什么优势,只有要求非接触时优势才比较明显。,锥轴检测由于常规检测很成熟,精度也很高,激光测量没有什么优势,只有要求非接触时优势才比较明显。,(4)常见测量项目及激光检测,内螺纹检测,一般螺纹由于精度
10、要求不高,不需要定量检测。在石油管道螺纹(有密封性要求)方面,可能有较高的定量检测要求。激光测量由于非接触、效率高,优势比较明显。,(4)常见测量项目及激光检测,外螺纹检测,一般螺纹由于精度要求不高,不需要定量检测。在石油管道螺纹(有密封性要求)方面,可能有较高的定量检测要求。激光测量由于非接触、效率高,优势比较明显。另外还有精度要求很高的螺纹丝杠、蜗杆、滚刀等,由于传统测量为接触测量,效率相对较低,激光测量有一定的优越性。,(4)常见测量项目及激光检测,槽宽检测在允许做接触测量的应用中,槽宽测量有多种成熟测量手段,激光测量没有优势。只有在精度要求较低(0.3mm以上),或被测对象材质柔软,或
11、明确要求非接触测量(气动测量也不允许)的时候,激光测量才有优势。,厚度检测在允许做接触测量的应用中,厚度测量有多种成熟测量手段,激光测量没有优势。只有在被测对象材质柔软,或明确要求非接触测量(气动测量也不允许)的时候,激光测量才有优势。,(4)常见测量项目及激光检测,孔口倒角深度检测在常规加工中,由于孔口倒角的作用主要是便要装配,精度要求不高,常规的测量方法能够满足应用,激光测量没有优势。只有在倒角精度要求很高(0.1mm以下)时,或者被测对象材质柔软,或者明确要求非接触测量(气动测量也不允许)的时候,激光测量才有优势。,外倒角检测在常规加工中,外倒角主要作用是去毛刺和美观,精度要求不高,常规
12、的测量方法能够满足应用,激光测量没有优势。只有在倒角精度要求很高(0.1mm以下)时,或者被测对象材质柔软,或者明确要求非接触测量(气动测量也不允许)的时候,激光测量才有优势。,(4)常见测量项目及激光检测,孔距检测在允许接触测量的应用中,激光测量没有优势(需要至少三轴的运动平台,测头回转,精度不高,效率也不高)。只有在被测对象材质柔软,或明确要求非接触测量(气动测量也不允许)的时候,激光测量才有优势。,孔同轴度检测在允许接触测量的应用中,激光测量没有优势(需要至少三轴的运动平台,测头回转,精度不高,效率也不高,被测孔深度较小)。只有在被测对象材质柔软,或明确要求非接触测量(气动测量也不允许)
13、的时候,激光测量才有优势。,(4)常见测量项目及激光检测,平面度和轮廓度检测在精度要求较高,测量点要求很多,效率要求高的应用中,激光测量有明显优势。在被测材质时柔软材质或不允许测量损伤时,激光测量是最有效的方法。,孔位置度检测在允许接触测量的应用中,激光测量没有优势(需要至少三轴的运动平台,测头回转,精度不高,效率也不高)。只有在被测对象材质柔软,或明确要求非接触测量(气动测量也不允许)的时候,激光测量才有优势。在被测孔位置度要求较低(0.3mm以上),效率很高的应用中,激光测量也是合适的。,2.案例分析(1)钢带厚度测量,要求:测量对象:钢带厚度材质和表面情况:不锈钢,典型漫反射金属表面被测
14、尺寸和公差:(0.035-0.35)mm1.5um测量效率:0.3秒/点使用环境:车间现场温度条件:1035度(车间有空调,但是没有控温要求)震动条件:有强烈震动(检测设备在钢带上料机和冲床之间)动态或静态检测:近似于静态检测,2.案例分析(1)钢带厚度测量,测头类型选择:被测对象为漫反射金属表面,使用环境为冲压加工车间,环境比较恶劣,Conoprobe比较适合(Smart Conoprobe适用于计量室等较好的使用环境,Nano Conoprobe适用于透明材质的检测,HD型Conoprobe适用于高亮表面的测量),Conoprobe,Smart Conoprobe,Nano Conopro
15、be,2.案例分析(1)钢带厚度测量,测头精度(透镜规格)选择:被测对象公差为3um,厚度变动(不同型号工件类型)为0.315mm,所以可以选择最高精度的测头透镜F16,精度(Precision):2um,测量范围(Working Range):0.6mm,工作距离(Standoff):12mm:。精度、测量范围、工作距离这三项是选择测头的关键要素。精度满足测量要求是测量设备最起码的要求;测量范围则是影响系统结构的一项重要指标,它将决定测量系统是否需要配置运动轴来实现测头和被测工件之间的相对运动。一般测量中,测量设备的整体系统精度为被测对象被测公差的1/10 1/20,被测公差特别高的情况下,
16、测量设备的整体系统精度为被测对象被测公差的1/31/5,但是绝对精度一般不低于3um,即按照被测公差和比例计算得出的测量设备整体系统精度小于3um的,按照3um来要求。具体应用中,测量设备的系统精度指标由买卖双方来确定。,2.案例分析(1)钢带厚度测量,测量部分及工件定位:由于被测对象公差只有3um,而且钢带是快速移动的(200冲/分钟),无法使用固定定位基准来测量钢带,所以必须配置两个测头上下布置,由两个测头的测量数据叠加,直接得到被测钢带的厚度。这样的测量方式可以实现高效测量(不需要对零件准确定位),同时基本上可以消除震动对测量结果的影响(只要两个测头之间没有相对运动,两测头测量结果叠加后
17、的结果还是准确的钢带本身的厚度)。为了保证钢带测量时测量光轴与被测表面垂直,我们设置了具有偏心调整滚轮的展平装置,即工件定位装置。,2.案例分析(1)钢带厚度测量,工件的上料:由于测量是不间断自动进行的,设备必须保证钢带上下料的顺利进行,同时不能引入太大的测量误差,所以设备必须有相应的上下料机构和钢带定位结构。在本应用中,由于冲床本身有上料进料的牵引力,我们只要使钢带从测量设备出来时与冲床钢带进口基本同向,即可利用冲床来完成钢带在测量设备上的进出动力。辅助功能部件:为了减小震动对系统的损害,和造成松动的可能性,减震还是必须考虑的,在此,设备的基座上安装四个减震地脚。其他的结构由于没有影响到测量
18、精度,只是完成部件的连接和支承。,2.案例分析(1)钢带厚度测量,温度补偿的考虑:由于被测对象的公差只有3um,而使用环境温度变化很大,为了减小温飘对测量结果的影响,我们引入温度补偿的功能,对绝大部分的温飘进行补偿,使使用环境的温度变化对测量结果的影响最小化。报警和反馈:在测量结果超出设定区域后,测量系统报警,并给输出信号到冲床,将冲床停止,避免废品的产生。现场人员发现报警后,应及时处理,以便尽快恢复生产。其他考虑:清洁,保护,防尘,防油污等。,2.案例分析(1)钢带厚度测量,系统结构示意图,2.案例分析(1)钢带厚度测量,系统控制示意图,2.案例分析(2)拖车车轴测量,要求:测量对象:车轴材
19、质和表面情况:合金钢,磨削加工表面,漫反射,粗糙度:约被测尺寸和公差:外径(60120),外径公差:2540um;轴向距离120300mm,轴向距离公差:40um测量效率:90秒/件使用环境:车间现场温度条件:1035度(车间有空调,但是没有控温要求)震动条件:有较强无规律震动(不远处有珩车)搬运工件自动化程度:全自动在线100%测量,2.案例分析(2)拖车车轴测量,工件图纸:,工件照片:,2.案例分析(2)拖车车轴测量,测头类型选择:被测对象为漫反射金属表面,使用环境为加工车间,环境比较恶劣,Conoprobe比较适合。,Conoprobe,2.案例分析(2)拖车车轴测量,测头精度(透镜规格
20、)选择:被测对象最小公差为25um,考虑到工件被测表面的台阶高度差,以及旋转透镜测量轴向距离时测头不会碰到工件,综合考虑好,选择测头透镜F50,精度(Precision):6um,测量范围(Working Range):8mm,工作距离(Standoff):42mm。由于被测对象台阶高(半径差)已经超出了测头的测量范围,所以测头需要安装在径向运动的运动轴上,来满足径向尺寸的测量。同时,为了实现多个截面的直径测量,以及轴向尺寸的测量,测头必须做轴向运动和定位。在做轴向尺寸的测量时,为了提高测量精度,需要将测头旋转一个角度,使测头激光可以直接照射到被测轴肩表面,采用坐标叠加计算来测量轴向距离。,2
21、.案例分析(2)拖车车轴测量,测量周期的确定:由于被测截面较多,被测位置轴向距离较大(大于2米),采用单个测头做多次运动完成所有测量的时间较长,无法满足客户要求的测量周期(90秒/件)。经过计算后,决定使用2个测头,每个测头分别安装在一个3轴(2个直线运动轴1个回转轴)运动平台上实现对单端的尺寸测量(径向尺寸和轴向尺寸),在此配置下,测量周期大概在80秒左右,可以满足测量周期。,2.案例分析(2)拖车车轴测量,测量部分及工件定位:为了实现直径测量,考虑到精度和成本,在此应用中我们考虑使用单个测头测量半径后换算得到直径值。由于从半径到直径的换算对测量误差有放大(有计算公式D=2R知道误差放大倍数
22、为2倍),在此我们考虑了更为准确的校准方式,减少了测量误差。为了实现轴向距离的测量,测头安装在一个回转轴上,以便转动一定角度后对轴肩进行测量。因为测量方式是半径测量再换算到直径,此处测量基准为V型滚轮的中心,即V型滚轮是工件的定位基准。,2.案例分析(2)拖车车轴测量,工件的上料:由于测量设备是镶嵌到生产线上的,测量是不间断自动进行的,设备必须保证车轴在测量设备内部的上下料的顺利进行,同时还要保证设备与生产线的可靠对接。在本应用中,我们设置了前后对接滚道,与生产线对接,完成工件的自动传递。在已测工件流出口处,设置了放置不合格工件的滚道。辅助功能部件:由于测量之前工件进行了磨削加工,工件表面有冷
23、却液残留。为了减小工件被测表面冷却液或残渣对测量结果的影响,工件被测表面的清洁是必须考虑的,在此,在设备的第一段对接滚道上,设置了工件表面气喷清洁。,2.案例分析(2)拖车车轴测量,温度补偿的考虑:由于被测对象的形体较大,被测尺寸较大,热胀冷缩对测量数据有较明显的影响,而且使用环境温度变化很大,为了减小温飘对测量结果的影响,我们引入温度补偿的功能,对绝大部分的温飘进行补偿,使使用环境的温度变化对测量结果的影响最小化。报警和反馈:测量设备是镶嵌到生产线上的,在测量结果超出设定区域后,测量系统给出声光报警,并停止检测。现场人员发现报警后,应及时处理,以便尽快恢复生产。其他考虑:清洁,保护,防尘,防
24、油污等。,2.案例分析(2)拖车车轴测量,测量示意图,设备整体示意图,2.案例分析(2)拖车车轴测量,系统控制示意图,2.案例分析(3)轨道车车轴测量,要求:测量对象:车轴材质和表面情况:合金钢,磨削加工表面,漫反射,粗糙度:约测量尺寸和公差:外径(100216),外径公差:27um;轴向距离16552467mm,轴向距离公差:1mm。要求每个截面直径测量3个位置(120度分布)测量效率:4分钟/件使用环境:车间现场温度条件:1035度(车间没有控温要求)震动条件:有较强无规律震动(不远处有珩车)搬运工件自动化程度:全自动在线100%测量,2.案例分析(3)轨道车车轴测量,工件图纸:,工件照片
25、,2.案例分析(3)轨道车车轴测量,测头类型选择:被测对象为漫反射金属表面,使用环境为加工车间,环境比较恶劣,Conoprobe比较适合,Conoprobe,2.案例分析(3)轨道车车轴测量,测头精度(透镜规格)选择:被测对象最小公差为27um,考虑到工件被测表面的台阶高度差,以及旋转透镜测量轴向距离时测头不会碰到工件,综合考虑后选择测头透镜为F50,精度(Precision):6um,测量范围(Working Range):8mm,工作距离(Standoff):42mm。由于被测对象台阶高(半径差)已经超出了测头的测量范围,所以测头需要安装在径向运动的运动轴上,来满足径向尺寸的测量。由于客户
26、要求测量精度很高(3um左右),为了提高测量精度,在此应用中采用对向布置两个测头的方式,直接测量直径。,2.案例分析(3)轨道车车轴测量,测量周期的确定:由于测量周期足够长(4分钟),在此采用单个测量模块沿轴向扫描测量的方式完成直径和轴向长度的测量,在此配置下,测量周期大概在200秒左右,可以满足测量周期。,2.案例分析(3)轨道车车轴测量,测量部分及工件定位:为了实现高精度直径测量,在此应用中采用对向布置两个测头的方式,直接测量直径。由于被测对象台阶高(半径差)已经超出了测头的测量范围,所以测头需要安装在径向运动的运动轴上,来满足径向尺寸的测量。在做轴向尺寸的测量时,由于公差很大(1mm),
27、在此直接采用扫描取阶跃点坐标的方式测量轴向尺寸。由于是直接测量直径和轴向距离,在此工件的定位误差对测量结果的影响不大,所以在此采用了简单的工件定位由滚道导轨表面和滑架的挡块来实现工件相对测量架的定位。,2.案例分析(3)轨道车车轴测量,工件的上料:本测量设备是单独的测量设备,但是需要自动上下料(在滚道前端有储料区,人工吊装一定数量的车轴到储料区后,设备自动运行并完成一批车轴的测量)。本设备上下料是基于重力的原理的重力滚道。辅助功能部件:(无),2.案例分析(3)轨道车车轴测量,温度补偿的考虑:由于被测对象的形体较大,被测尺寸较大,热胀冷缩对测量数据有较明显的影响,而且使用环境温度变化很大,为了
28、减小温飘对测量结果的影响,我们引入温度补偿的功能,对绝大部分的温飘进行补偿,使使用环境的温度变化对测量结果的影响最小化。报警和反馈:测量设备具有报警功能,在测量结果超出设定区域后,测量系统给出声光报警,并停止检测。现场人员发现报警后,应及时处理,以便尽快恢复生产。其他考虑:清洁,保护,防尘,防油污等。,2.案例分析(3)轨道车车轴测量,测量示意图,设备整体示意图,2.案例分析(4)小型轴类测量,工件类型:工件类型:轴类零件和块型零件测量对象:长径比大的轴类零件:外部轴向尺寸,径向尺寸;长径比小的轴类零件:外部轴向尺寸,部分内部轴向尺寸,径向尺寸,特点:非接触,没有测量力,可以检测基本所有材质的
29、零件;非接触测量,效率高;可编程测量路径,柔性好。适用于精度要求不是太高的测量;,Conoprobe,Smart Conoprobe,Nano Conoprobe,2.案例分析(4)小型轴类测量,运动轴说明,样机照片,案例方案示意图,2.案例分析(5)螺纹的检测,检测项目及定义:螺距:相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离中径:一个假想圆柱或圆锥的直径,该圆柱或圆锥的母线通过牙型上沟槽和凸起宽度相等的地方。大径:与外螺纹牙顶或内螺纹牙底相切的假想圆柱或圆锥的直径小径:与外螺纹牙底或内螺纹牙顶相切的假想圆柱或圆锥的直径,2.案例分析(5)螺纹的检测,激光测量螺纹的特点:可以测量螺纹的多项参数;非
30、接触,没有测量力,可以检测基本所有材质的零件;非接触测量,效率高;可编程测量路径,柔性好。,2.案例分析(6)蜗轮叶片的检测,工件示意图,样机照片,实测结果图,2.案例分析(6)蜗轮叶片的检测,激光测量叶片的特点:测量点可以取非常多;非接触,没有测量力,可以检测基本所有材质的零件;非接触测量,效率高;可编程测量路径,柔性好。,2.案例分析(7)透明材质的检测,工件类型:高亮、透明表面玻璃硅片潮湿涂层镜面,特点:纳米级精度,最小步距可达1微米(光斑最小尺寸:1um).可检测透明玻璃厚度、涂层厚度.可检测孔、凹槽可与其他光学元器件集成如:显微镜和自动对焦设备等测量速度:3000点/秒 多种工作模式
31、可选(时钟模式,外部触发模式)可集成摄像机进行远程监控,Nano Conoprobe,2.案例分析(7)透明材质的检测,涂层厚度示意图,应用照片,测量数据图,2.案例分析(7)透明材质的检测,透明材质检测的其他应用,2.案例分析(8)其他应用,外齿轮检测,内齿轮检测,复杂形状检测,汽车零件检测,2.案例分析(8)其他应用,光学镜片检测,可转位刀片检测,精密塑料检测,汽车玻璃检测,3.激光测量的特点,非接触,没有测量力,可以检测所有材质;高速度,每秒检测3000点,测量效率很高;高精度,高达1微米;有多种测头,可以满足不同表面特性和材料类型有多种精度的测头可选,可以满足不同精度要求的应用可编程测量路径,柔性好。,4.适用与不适用的应用,适合行业(目前为止),机械加工行业汽车玻璃行业高要求螺纹检测曲面检测(叶片)半导体制造行业,不适合激光测量的应用,单一尺寸检测小孔径深孔的孔径检测(孔径6mm以下),Thank You!恭请指导!,
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