摘要：三维复杂曲面精确测量在国内外都是个难题，作者为解决这个难题，开发了一种六轴数控激光快捷三维测量仪。本文较详细地介绍了六轴数控激光三维测量仪的开发背景、基本组成、工作原理、结构特点。实施结果表明，所开发的六轴数控激光快捷三维测量仪有很好的测量效果，能够满足复杂三维曲面精确测量。

关键词：三维测量仪 六轴数控 激光测量 复杂曲面 精确测量 结构特点

一、引言

测量一般物件所使用的工具和仪器，除了量具(尺、卡尺)、量规(步距规)、千分表等测量器具外，也有利用投影的影像测量仪、数控测量显微镜来测量物件的二维数据。三维型面测量则用探针接触式三维测量仪、手提式激光扫描测量仪、反射镜的激光(跟踪)干涉测量仪等仪器设备。二维，三维测量是在传统点对点的直线距离测量基础上发展起来的。二维测量，物件借助灯光投影与放大镜的作用，可以显现物件的表面轮廓与设定的二维坐标比对，所测的数字不是很精准，在测量精度要求不是很高的前提下可以快速的测出结果。正因为二维测量仪测量不出物件更高的精准度，也没法测量物件的真实三维数据，难于满足精密制造行业的发展需要，急需发展三维测量技术和三维测量仪。

目前所用的三坐标测量仪都是由三个正交的直线运动轴构成的，用测量头(圆球、圆珠或探针)去碰触被测物件的表面，通过灵敏的接触感应器将碰触的信号传到相对应的显示器或电脑上。这类的三坐标测量机用于比较规则的三维曲面是比较方便，但要精确测量复杂三维曲面还是比较困难，不仅测量移动速度受到限值，而且测量精度难于保证，特别是某些侧面存在凹陷的复杂三维曲面，甚至无法测量。

非接触式手提式激光扫描测量，大多使用在大型的物件测量。手提式虽然测量速度快，但精度不高，常在汽车外型，大构件的造型测量中被采用。被测物件体积愈大，测量时所需要的空间也愈大，操作人员则需上下、左右、前后地走动摄取数据。

激光干涉(跟踪)测量则用在工具机的精度测量上，可以测量较高的重复定位精度，也可以测到动态的物件移动位置，但不适宜测量每个点的三维坐标位置，也不适宜用于精密零件、工件、模具等三维测量。

目前市场上供应的三维激光测量机，虽属非接触式的扫描测量，但因所采用激光测量头在精确测量复杂三维曲面时还是比较困难，不仅测量精度难于保证，对于某些侧面存在凹陷的复杂三维曲面，甚至无法进行。

二、六轴数控激光三维测量仪的基本组成

为解决三维复杂曲面的快速精确测量，作者开发了如图1所示的六轴数控激光快捷三维测量仪，包括：

1、测量机机械系统：

(a) 花岗岩为主体的X、Y、Z三轴联动基座及测量工作台(三个正交的直线运动轴构成：Y向导轨系统装在测量工作台“4”下面，引导测量工作台“4”前后移动;立柱上的横梁“6”安装有X向导轨系统，使激光测量头“11”左右移动;Z向导轨系统装则装在中央滑架上，引导安装有激光测量头“11”的90˚旋转夹具“10”上下移动);

(b) 两组可旋转的精密定位夹具装置(一组360˚旋转夹具“12”放置在测量工作台“4”上，能带动被测物件在XY平面内旋转360˚;另一组90˚旋转夹具“10”安置在Z轴中央滑架上，能带动激光测量头“11”在YZ平面或ZX平面旋转90˚);

2、激光传输测量系统：由激光器、光纤传输及激光测量头组成;

3、电脑控制中心：包括工控机及其数据处理、运动控制及3D图形软件;

4、电气控制驱动系统：包括光栅尺、电气驱动器及交流伺服电机等。

1、支架;2、基座;3、光栅尺;4测量工作台;5、立柱;6、横梁;

7、X轴导轨;8、中央滑架;9、Z轴导轨;10、90˚旋转夹具;11;激光测量头;

12、360˚旋转夹具;13、Y轴导轨;14、显示屏;15、电脑控制中心;16、激光器

图1： 六轴数控激光快捷三维测量仪

三、六轴数控激光三维测量仪的工作原理

激光测量工作过程如图2所示。首先将被测物件放置在图1所示的花岗石测量台“4”上的360˚旋转夹具”12”上，操作者则根据被测物件的形状、尺寸大小来设置激光测量头“11”相对被测物件的运动路径和扫描轨迹;激光测量头则把扫描测得的数据传送给电脑控制中心“14”进行数学运算和数据处理后，便可输出被测物件所要测的全部三维几何数值。如需输出相应的三维图形，则应把所测得的数值输送给3D图形重构模块，再输出被测物件的三维图形。

图2 六轴数控激光快捷三维测量仪工作原理框图

如被测物件很复杂，甚至侧面存在凹陷和凹孔，靠激光测量头从上向下扫描检测是无法获得精确的测量数据的。此时可变换坐标系，通过安装在Z轴上的精密定位夹具装置，使激光测量头对准被测物件需测量的表面，经扫描检测所获得的测量数据，输送给电脑进行坐标系变换计算处理后，也可精确输出被测物件所要测的全部三维几何数值。

四、六轴数控激光三维测量仪的结构特点

1、花岗岩为主体的X、Y、Z三轴联动基座：

以天然花岗石材料为主要构件做成的测量仪基座(图1中的“1”)：将X、Y、Z三轴分别装置于主体的底座上和立柱及横梁(龙门式)上，三组驱动器及伺服电机，各自驱使三轴传动结构在底座与横梁上分别移动或三轴联动。传动结构也各自由三组精密螺杆加直线导轨或传送带加汽浮装置组成。本结构在测量工件或物件时可以将该工件或物件及激光传感器(传统所使用的接触式探针)做相对应的左右、前后、上下三维空间的位移。

花岗石取自天然材料，可以精加工，成型后质量稳定，热变形小，能经久耐用，作为测量仪主体结构，确保测量时的精密要求，也方便安装所有的传动部件，耐磨，硬度高更是构成汽浮装置的最佳结构体。

传动部件采用精密螺杆加直线导轨或传动带加汽浮组装置，三轴同时还必须附加光栅或磁栅，以便可以调整、修正、补偿转动时因螺杆螺距，传动带齿轮等部件造成的误差，确保每次位移或重复定位的精度要求。

2、两组可旋转的精密定位夹具装置

其中一个360˚旋转夹具，能调整转速及带有刻度与工件安装孔位的转盘，安装在夹具转盘上的被测工件(如螺杆、曲轴、传动轴等)也随之同步、同轴心旋转，旋转角度根据测量需要选定。 360˚旋转盘大小也视被测工件的大小决定。

另一个为90˚旋转夹具，安装在Z轴上，能在YZ平面或ZX平面旋转的90˚旋转，旋转角度视被测工件形状及安装要求而定。

3、激光测量头

激光测量头采用高精度2D激光位移传感器，安装固定在Z轴90˚旋转定位夹具“10”的下方。操作时转动定位夹具可以将被测量的物件构成二维(2D)的完整扫描，检测出被测量物件每个点的数据，经电脑数据运算处理后输出精确的三坐标数据。

4、电脑控制中心

电脑控制中心采用功能强、容量大、运行快、高清晰度显示屏的电脑(计算机)，安装有运动控制和激光测量控制软件、数据处理软件及3维图形重构软件。

5、采用光纤技术将激光器产生的激光束柔性地传输到激光测量头(高精度2D激光位移传感器)，且允许激光测量头任意移动和转动，为实现六轴数控激光快捷三维测量创造了条件。

6、六轴运动控制软件：分别控制X、Y、Z三轴的电机，准确地驱使三轴联动、移位。软件必须与三轴上的光栅或磁栅信号输出、输入程序互连。安装工件置于工作台上的旋转盘与装夹传感器的两个定位夹具之旋转也由软件控制。

7、具备可以接受自激光传感器之扫描数据并加以整理、筛选以及计算的专用软件。所需软件目前全球尚无现成的可以借用，有待自已与多所大学及科学研究单位合作，在现有基础上进行二次开发完成。

“6”与“7”的软件相容、互动才能精密准确地应用本发明的六轴数控激光快捷三维测量仪，获得预想效果。

五、实施效果

上海大量电子设备有限公司开发的“六轴数控激光三维测量仪”已向国家知识产权局申请了专利(发明专利号2012101718513，实用新型专利号2012202473608)，2012年11月9日至12日参加了第七届国际发明展览会，经展会专家的严格评审，被评为国际发明展会银奖，并由国际发明者协会联合会主席安德拉斯先生和中国发明协会理事长朱丽兰女士颁发了奖章与奖状。

1、天然花岗岩材料热变形小，是精密测量业界普遍采用的基本构件，目前国内加工的条件已经具备，原材料更无需进口。全面推广使用本项发明的三维测量仪对国内的精密测量技术水平提高，或是节能减排以及工业自动化的进程中都会有很大的帮助。

2、本项开发成果的软、硬件加以熟练的应用技术，其实施的效果达到预期目标。在全球广泛应用之后，有助于推动精密制造与精密测量行业的发展，在节省人力资源与增加生产力方面效果也是可观的。

3、本项开发成果，有助于解决复杂三维曲面精确测量难题。不仅可以获得较高的测量精准度(直线测量精度在0.005mm以内)，而且对于某些侧面存在凹陷的复杂三维曲面也可以进行精密测量。

参考文献

1、Larsson SOREN;KJELLANDER J A P An industrial robot and a laser scanner as a flexible solution towards an automatic system for reverse engineering of unknown objects [外文会议] 2004

2、杜立彬、高晓辉、夏进军、刘宏 一种新型激光三维扫描测量仪的研制 激光技术 2005 29 (4)

3、李剑峰、朱建华、汤青、陈力、徐敏、郭永康 机器人-三维扫描系统联合扫描及其工业应用 光电工程 2007 34(2)

4、冯其波光学测量技术与应用 清华大学 2008-05-01出版

5、王淑珍 谢铁邦 一种新型三维表面形貌测量仪的研制及应用 -润滑与密封 2009.5.月34 (5) 85-88

作者简介：

杨超翔，1979年生，男，上海大量公司总经理，工程师。2000年6月毕业于美国罗杰斯特大学，获光

学工程和经济学双学士学位。2002年7月来上海发展，主要从事光学工程及机械自动化方面的开发和研究，

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杨振步: 1946年生，男，上海大量公司技术总监，博士，高级工程师。专业特长：机械工程及特种加工设备。地址：上海市金都路618号(201108)，电话：021-64976336 E-mail：shanghai@troop-online.com