坐标测量技术 原书第2版

序
自首台计算机辅助坐标测量机出现以来，坐标测量技术的发展经历了从单纯的两点测量到带补偿的多点测量的转变，加工测量技术也因此发生了根本性的改变。坐标测量技术诞生于20世纪70年代，本书第1版出版于1999年，从那时起与加工技术相关的测量技术不仅在工件几何尺寸和几何形状的测量方面，而且在仪器设备及其应用方面，特别是光学和计算机断层扫描技术及传感器技术方面获得了极大的进展和变化。随着电子元件的微型化，信息和通信技术也同时经历了爆炸式的发展，这也促进了新测量方案的设备研发。与此同时，测量技术在应用广度、几何尺寸大小、测量速度、表面采样密度和测量不确定度上也发生了很大的变化，在GPS（产品几何技术规范）中，统一地定义和描述了工件多变的形状、尺寸和表面特征。总体来说，如今的坐标测量机除了基本原理以外都和第一代完全不同了。故而，需要更进一步地审视这些新技术，把这些变化和新的解决方案用实践的眼光去评估，去仔细分析并了解它们新的应用范围。
本书基本保留了第1版的主题，并补充了坐标测量技术中一些重要的传感器技术（如激光跟踪仪、计算机断层扫描和多传感器测量技术），此外还增加了适合于坐标测量技术培训的内容。
由于测量系统复杂性的增加、测量任务范围的扩大、对物理特性间相互影响深入的了解、新增的一些检测原理和对测量精度要求的提高以及应用可能性的扩展等原因，本书的相关内容交由在坐标测量技术领域内的知名专家来编写。有经验的测量工程师会在本书中发现很多著名专家的名字，这保证了本书内容的正确性、专业性和权威性。
本书可应用于：
1.需要更多地了解坐标测量技术和需要更好地了解测量结果实现过程的测量工作从业者。
2.生产企业非测量领域但需要根据测量结果做出决策的专业人员。
3.需要确定测量的尺寸、公差，并且需要考虑其相互作用以及验证细节问题的设计工程师。
4.想学习坐标测量技术的大学生或其他感兴趣者。
本书可作为坐标测量技术综合性介绍的入门专业书和参考书。
感谢对本书出版做出贡献的所有作者。我在审阅过程中考虑了所有作者提出的重要意见，并且采纳了其中绝大多数意见。由于本书由不同的作者共同完成，虽然审阅统稿时已非常仔细，但仍存在不一致的地方，读者们可以把它们看作是可接受的技术多样性表达。
特别感谢我的同事Laura Shaw和Philipp Krmer，感谢他们在校订稿件细节和处理书稿时付出的努力。
衷心地感谢提供给我们信息、图片和草图的企业、组织和个人。封面是Ingrid Gaus女士根据出版社的总体设想而设计的，感谢她,她的努力提高了本书的吸引力。
最后感谢Carl Hanser出版社，感谢Volker Herzberg先生在本书多次延迟交稿时所保持的耐心和友好的合作。

目录
译者序
序
作者简介
第1章绪论1
1.1加工测量技术的目的与测量对象1
1.2工件的几何形状5
1.3对形状测量和检验的分类6
1.4长度、角度的单位及回溯8
1.5生产用测量机和辅助设备9
1.6坐标测量技术和坐标测量机10
1.7多传感器测量机13
1.8发展历史15
参考文献17
第2章测量任务19
2.1测量的目的19
2.2几何特征的规范19
2.2.1公称几何体的表现形式19
2.2.2 国际公差原则中的独立原则20
2.2.3线性尺寸21
2.2.4几何公差公差带23
2.2.5形状公差25
2.2.6基准和基准体系26
2.2.7位置公差29
2.3互换性验证30
2.3.1分离31
2.3.2提取32
2.4滤波34
2.5拟合35
2.6产品几何技术规范及检验37
参考文献39
第3章基本原则和设备技术 40
3.1传统测量40
3.1.1两点尺寸40
3.1.2三点尺寸41
3.1.3正弦台41
3.1.4两点距离42
3.1.5平面上的孔中心距42
3.1.6传统测量技术的总结42
3.2坐标测量技术的基本原理43
3.2.1点的探测和拟合计算43
3.2.2替代面和替代线44
3.2.3测点的最小数量44
3.2.4探测点的数量46
3.2.5工件坐标系的举例46
3.2.6不同的拟合标准46
3.2.7位置偏差的定义47
3.2.8坐标测量技术的体系48
3.2.9传统测量技术与坐标测量技术的比较51
坐标测量技术原书第2版目录3.3设备技术53
3.3.1设备结构53
3.3.2探针、校正、多重探针、测头半径的修正58
3.4辅助设备60
3.4.1换针设备60
3.4.2旋转测头座61
3.4.3转台61
3.4.4扫描62
3.4.5自动更换工件63
3.4.6减小环境对坐标测量机的影响63
3.5替代测量法63
3.6形状偏差的测量64
参考文献65
第4章用于坐标测量的传感器68
4.1接触式测量68
4.1.1引言和基础知识68
4.1.2用于接触式探测的传感器71
4.1.3测量偏差 75
4.1.4用于坐标测量技术的接触式三维探测系统实例82
4.1.5接触式探测系统及附件的使用86
参考文献86
4.2视觉传感器87
4.2.1成像系统87
4.2.2照明系统89
4.2.3照相技术91
4.2.4图像分析软件92
4.2.5图像处理传感器在坐标测量机中的安装95
参考文献97
4.3非接触式距离传感器97
4.3.1测量的基本原理98
4.3.2带傅科刀口的距离传感器99
4.3.3三角测量传感器100
4.3.4摄影测量101
4.3.5条纹投影102
4.3.6变焦103
4.3.7共聚焦距离传感器103
4.3.8白光干涉105
4.3.9锥光距离传感器106
参考文献107
4.4扫描探针显微技术108
4.4.1简介与基础知识108
4.4.2具有扫描探针显微技术的坐标测量技术111
参考文献113
第5章先进仪器仪表工程学基础114
5.1激光跟踪仪114
5.1.1引言114
5.1.2应用案例117
5.1.3测量不确定度和标准118
5.1.4新技术122
5.1.5总结和展望123
参考文献123
5.2关节臂坐标测量机124
5.2.1关节臂坐标测量机的操作124
5.2.2带线性引导的Z轴关节臂坐标测量机124
5.2.3多关节臂坐标测量机126
5.2.4关节臂坐标测量机的检测129
参考文献130
5.3 3D纳米测量和纳米定位设备130
5.3.1引言130
5.3.2纳米定位设备和纳米测量设备的技术现状131
5.3.3激光干涉仪长度测量技术133
5.3.4用于纳米测量仪的激光干涉仪138
5.3.5纳米坐标测量机139
参考文献150
5.4X射线断层摄影术151
5.4.1X射线的产生153
5.4.2图像记录154
5.4.3机械结构与辐射防护155
5.4.4体积和测量点计算156
5.4.5X射线法的测量误差157
5.4.6X射线断层坐标测量机应用领域的扩展159
5.4.7X射线断层摄影坐标测量机的应用161
参考文献162
5.5光学测量系统163
5.5.1三角测量原理163
5.5.2主动三角测量法对工件表面的非接触式光学检测165
5.5.3被动三角测量法对工件表面的光学检测167
5.5.4摄影测量跟踪系统的几何测量168
5.5.5光线传播时间法的非接触式光学几何测量170
5.5.6镜面的光学几何测量171
参考文献171
5.6多传感器测量172
5.6.1多视角的光学测量系统172
5.6.2多传感器三坐标测量仪176
参考文献180
5.7室内GPS（全球定位系统）181
5.7.1iGPS的工作原理及组成181
5.7.2测量系统的缩放183
5.7.3测量系统中不均匀的误差分布183
5.7.4应用示例：机器人控制184
参考文献185
5.8集成进机床的测量技术185
5.8.1制造测量技术的定义和分类185
5.8.2预处理和后处理测量技术185
5.8.3三维校准的潜力186
5.8.4集成在机床上的传感器188
5.8.5在线测量技术188
5.8.6气动在线测量技术190
5.8.7未来发展191
参考文献191
第6章由设计图经检验计划再到检测计划193
6.1检验规划介绍193
6.1.1资料审查193
6.1.2特征识别194
6.1.3检验特征的选择194
6.1.4完成检验特征的处理（适用）195
6.1.5与专业领域协调196
6.1.6检验计划的编写196
6.1.7检验计划的内容196
6.2坐标测量技术中检验特征的处理196
6.2.1引言196
6.2.2分析检验任务197
6.2.3定义测量策略198
6.2.4确定测量流程214
6.2.5测量准备216
6.3用于坐标测量技术检验规划的软件支持218
参考文献218
第7章由检测计划经编程、执行和评定直至测量结果表示220
7.1编程220
7.1.1用于坐标测量机编程的软件221
7.1.2用于输入信息的计算机辅助接口：CAD和规划软件223
7.1.3仿真和干涉控制228
7.1.4计算机辅助的测量程序的传输229
7.1.5生产中自动化系统的编程230
7.1.6特殊测量任务的编程232
7.2坐标（点）的测量与评定233
7.2.1测量：运行测量程序233
7.2.2评定：从测量点导出信息233
7.3结果的表示和传输242
7.3.1测量报告的生成及其类型243
7.3.2计算机测量结果的传输244
参考文献246
第8章特殊的测量任务251
8.1复杂几何体的测量任务谱252
8.1.1用解析几何描述的待测零件（功能已知）252
8.1.2待测零件数值逼近几何描述254
8.2测量任务的定义255
8.2.1标定点的测量任务定义255
8.2.2沿着标定线的测量任务定义256
8.2.3通过3D形貌的测量任务定义256
8.3测量策略的定义257
8.3.1选择和评价准则257
8.3.2与设备结合的测量策略258
8.3.3测量程序编制和检测过程编程的阶段258
8.4校准262
8.4.1复杂待测零件的校准方法262
8.4.2按工件基体或者功能确定的基准面的校准263
8.4.3自由曲面的校准263
8.4.4相似变换的校准266
8.4.5零件表面校准266
8.5测量数据评定268
8.5.1自由造型曲面测量数据评定268
8.5.2齿轮测量的特殊情况273
8.5.3特殊的评定方法274
8.6以功能为导向的检验275
8.6.1坐标测量技术中数字的功能检验原理275
8.6.2圆柱齿轮表面承压图测量实例276
参考文献276
第9章测量不确定度和测量值的可回溯性278
9.1计量可回溯性278
9.2确定测量不确定度279
9.2.1测量不确定度结算280
9.2.2校准工件的测量不确定度的计算288
9.2.3通过仿真计算测量不确定度289
9.2.4系统偏差的修正289
9.3坐标测量机的验收和监督291
9.3.1探测偏差293
9.3.2长度测量偏差294
9.4检测过程和测量系统的适用性验证296
参考文献298
第10章经济性300
10.1成本300
10.2测量的用途和成果301
10.2.1评估测量成果的参考模型301
10.2.2方法304
10.3评定方法306
10.3.1合格评定（定型评定）306
10.3.2过程能力的研究308
10.3.3统计过程控制312
参考文献314
第11章培训316
11.1引言316
11.2培训形式317
11.3现代培训方案CMTrain318
11.4未来培训展望320
参考文献322