三坐标测量仪学习.docx

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三坐标测量仪学习

三坐标测量仪初步知识

　　一、三坐标测量机的产生

三坐标测量机（CoordinateMeasuringMachining，简称CMM）是20世纪60年代进展起来的一种新型高效的周密测量仪器。

它的显现，一方面是由于数控机床高效率加工和愈来愈多复杂形状零件加工需要有快速靠得住的测量设备与之配套；另一方面是由于电子技术、运算机技术、数字操纵技术和周密加工技术的进展为三坐标测量机的产生提供了技术基础。

现代CMM不仅能在运算机操纵下完成各类复杂测量，而且能够通过与数控机床互换信息，实现对加工的操纵，而且还能够依照测量数据，实现反求工程。

目前，成为现代工业检测和质量操纵不可缺少的全能测量设备。

　　二、三坐标测量机的组成及工作原理

（一）CMM的组成

　　三坐标测量机是典型的机电一体化设备，它由机械系统和电子系统两大部份组成。

（1）机械系统：

一样由三个正交的直线运动轴组成。

X向导轨系统装在工作台上，移动桥架横梁是Y向导轨系统，Z向导轨系统装在中央滑架内。

三个方向轴上均装有光栅尺用以气宇各轴位移值。

人工驱动的手轮及机动、数控驱动的电机一样都在各轴周围。

用来触测被检测零件表面的测头装在Z轴端部。

（2）电子系统：

一样由光栅计数系统、测头信号接口和运算机等组成，用于取得被测坐标点数据，并对数据进行处置。

（二）CMM的工作原理

三坐标测量机是基于坐标测量的通用化数字测量设备。

它第一将各被测几何元素的测量转化为对这些几何元素上一些点集坐标位置的测量，在测得这些点的坐标位置后，再依照这些点的空间坐标值，通过数学运算求出其尺寸和形位误差。

要测量工件上一圆柱孔的直径，能够在垂直于孔轴线的截面I内，触测内孔壁上三个点（点一、二、3），那么依照这三点的坐标值就可计算出孔的直径及圆心坐标OI；若是在该截面内触测更多的点（点1，2，…，n，n为测点数），那么可依照最小二乘法或最小条件法计算出该截面圆的圆度误差；若是对多个垂直于孔轴线的截面圆（I，II，…，m，m为测量的截面圆数）进行测量，那么依照测得点的坐标值可计算出孔的圆柱度误差和各截面圆的圆心坐标，再依照各圆心坐标值又可计算出孔轴线位置；若是再在孔端面A上触测三点，那么可计算出孔轴线对端面的位置度误差。

由此可见，CMM的这一工作原理使得其具有专门大的通用性与柔性。

从原理上说，它能够测量任何工件的任何几何元素的任何参数。

　　三、三坐标测量机的分类

（一）按CMM的技术水平分类

　　1．数字显示及打印型

　　这种CMM要紧用于几何尺寸测量，可显示并打印出测得点的坐标数据，但要取得所需的几何尺寸形位误差，还需进行人工运算，其技术水平较低，目前已大体被陶汰。

　　2．带有运算机进行数据处置型

　　这种CMM技术水平略高，目前应用较多。

其测量仍为手动或机动，但用运算机处置测量数据，可完成诸如工件安装倾斜的自动校正计算、坐标变换、孔心距计算、误差值计算等数据处置工作。

　　3．运算机数字操纵型

　　这种CMM技术水平较高，可像数控机床一样，依照编制好的程序自动测量。

（二）按CMM的测量范围分类

　　1．小型坐标测量机

　　这种CMM在其最长一个坐标轴方向（一样为X轴方向）上的测量范围小于500mm，要紧用于小型周密模具、工具和刀具等的测量。

　　2．中型坐标测量机

　　这种CMM在其最长一个坐标轴方向上的测量范围为500～2000mm，是应用最多的机型，要紧用于箱体、模具类零件的测量。

　　3．大型坐标测量机

　　这种CMM在其最长一个坐标轴方向上的测量范围大于2000mm，要紧用于汽车与发动机外壳、航空发动机叶片等大型零件的测量。

　　（三）按CMM的精度分类

　　1．周密型CMM

　　其单轴最大测量不确信度小于1×10－6L（

（L为最大量程，单位为mm），空间最大测量不确信度小于（2～3）×10－6L，一样放在具有恒温条件的计量室内，用于周密测量。

　　2．中、低精度CMM

　　低精度CMM的单轴最大测量不确信度大体在1×10－4L左右，空间最大测量不确信度为（2～3）×10－4L，中等精度CMM的单轴最大测量不确信度约为1×10－5L，空间最大测量不确信度为（2～3）×10－5L。

这种CMM一样放在生产车间内，用于生产进程检测。

　　（四）按CMM的结构形式分类

　　依照结构形式，CMM可分为移动桥式、固定桥式、龙门式、悬臂式、立柱式等。

　　第二节三坐标测量机的机械结构

　　一、结构形式

　　三坐标测量机是由三个正交的直线运动轴组成的，这三个坐标轴的彼此配置位置（即整体结构形式）对测量机的精度和对被测工件的适用性阻碍较大。

　　二、工作台

　　初期的三坐标测量机的工作台一样是由铸铁或铸钢制成的，但最近几年来，各生产厂家已普遍采纳花岗岩来制造工作台，这是因为花岗岩变形小、稳固性好、耐磨损、不生锈，且价钱低廉、易于加工。

有些测量机装有可起落的工作台，以扩大Z轴的测量范围，还有些测量机备有旋转工作台，以扩大测量功能。

　　三、导轨

　　导轨是测量机的导向装置，直接阻碍测量机的精度，因此要求其具有较高的直线性精度。

在三坐标测量机上利用的导轨有滑动导轨、转动导轨和气浮导轨，但经常使用的为滑动导轨和气浮导轨，转动导轨应用较少，因为转动导轨的耐磨性较差，刚度也较滑动导轨低。

在初期的三坐标测量机中，许多机型采纳的是滑动导轨。

滑动导轨精度高，承载能力强，但摩擦阻力大，易磨损，低速运行时易产生爬行，也不易在高速下运行，有慢慢被气浮导轨取代的趋势。

目前，多数三坐标测量机已采纳空气静压导轨（又称为气浮导轨、气垫导轨），它具有许多优势，如制造简单、精度高、摩擦力极小、工作平稳等。

　　气浮技术的进展使三坐标测量机在加工周期和精度方面均有专门大的冲破。

目前很多生产厂在寻觅高强度轻型材料作为导轨材料，有些生产厂已选用陶瓷或高膜量型的碳素纤维作为移动桥架和横梁上运动部件的材料。

另外，为了加速热传导，减少热变形，ZEISS公司采纳带涂层的抗时效合金来制造导轨，使其时效变形极小且使其各部份的温度加倍趋于均匀一致，从而使整机的测量精度取得了提高，而对环境温度的要求却又能够放宽些。

　　第三节三坐标测量机的测量系统

　　三坐标测量机的测量系统由标尺系统和测头系统组成，它们是三坐标测量机的关键组成部份，决定着CMM测量精度的高低。

　　一、标尺系统

　　标尺系统是用来气宇各轴的坐标数值的，目前三坐标测量机上利用的标尺系统种类很多，它们与在各类机床和仪器上利用的标尺系统大致相同，按其性质能够分为机械式标尺系统（如周密丝杠加微分鼓轮，周密齿条及齿轮，转动直尺）、光学式标尺系统（如光学读数刻线尺，光学编码器，光栅，激光干与仪）和电气式标尺系统（如感应同步器，磁栅）。

依照对国内外生产CMM所利用的标尺系统的统计分析可知，利用最多的是光栅，第二是感应同步器和光学编码器。

有些高精度CMM的标尺系统采纳了激光干与仪。

　　二、测头系统

（一）测头

　　三坐标测量机是用测头来拾取信号的，因此测头的性能直接阻碍测量精度和测量效率，没有先进的测头就无法充分发挥测量机的功能。

在三坐标测量机上利用的测头，按结构原理可分为机械式、光学式和电气式等；而按测量方式又可分为接触式和非接触式两类。

　　1．机械接触式测头

　　机械接触式测头为刚性测头，依照其触测部位的形状，能够分为圆锥形测头、圆柱形测头、球形测头、半圆形测头、点测头、V型块测头等（如图9-5所示）。

这种测头的形状简单，制造容易，可是测量力的大小取决于操作者的体会和技术，因此测量精度差、效率低。

目前除少数手动测量机还采纳此种测头外，绝大多数测量机已再也不利用这种测头。

　　2．电气接触式测头

　　电气接触式测头目前已为绝大部份坐标测量机所采纳，按其工作原理可分为动态测头和静态测头。

（1）动态测头

　　测杆安装在芯体上，而芯体那么通过三个沿圆周120°散布的钢球安放在三对触点上，当测杆没有受到测量力时，芯体上的钢球与三对触点均维持接触，当测杆的球状端部与工件接触时，不论受到X、Y、Z哪个方向的接触力，至少会引发一个钢球与触点离开接触，从而引发电路的断开，产生阶跃信号，直接或通过运算机操纵采样电路，将沿三个轴方向的坐标数据送至存储器，供数据处置用。

　　可见，测头是在触测工件表面的运动进程中，刹时进行测量采样的，故称为动态测头，也称为触发式测头。

动态测头结构简单、本钱低，可用于高速测量，但精度稍低，而且动态测头不能以接触状态停留在工件表面，因此只能对工件表面作离散的逐点测量，不能作持续的扫描测量。

目前，绝大多数生产厂选用英国RENISHAW公司生产的触发式测头。

（2）静态测头

　　静态测头除具有触发式测头的触发采样功能外，还相当于一台超小型三坐标测量机。

测头中有三维几何量传感器，在测头与工件表面接触时，在X、Y、Z三个方向均有相应的位移量输出，从而驱动伺服系统进行自动调整，使测头停在规定的位移量上，在测头接近静止的状态下搜集三维坐标数据，故称为静态测头。

静态测头沿工件表面移动时，可始终维持接触状态，进行扫描测量，因此也称为扫描测头。

其要紧特点是精度高，能够作持续扫描，但制造技术难度大，采样速度慢，价钱昂贵，适合于高精度测量机利用。

目前由LEITZ、ZEISS和KERRY等厂家生产的静态测头均采纳电感式位移传感器，现在也将静态测头称为三向电感测头。

图9-7为ZEISS公司生产的双片簧层叠式三维电感测头的结构。

　　测头采纳三层片簧导轨形式，三个方向共有三层，每层由两个片簧悬吊。

转接座17借助两个X向片簧16组成的平行四边形机构可作X向运动。

该平行四边形机构固定在由Y向片簧1组成的平行四边形机构的下方，借助片簧1，转接座可作Y向运动。

Y向平行四边形机构固定在由Z向片簧3组成的平行四边形机构的下方，依托它的片簧，转接座可作Z向运动。

为了增强片簧的刚度和稳固性，片簧中间为金属夹板。

为保证测量灵敏、精准，片簧不能太厚，一样取。

由于Z向导轨是水平安装，故用三组弹簧二、14、15加以平稳。

可调弹簧14的上方有一螺纹调剂机构，通过平稳力调剂微电机10转动平稳力调剂螺杆11，使平稳力调剂螺母套13产生起落来自动调整平稳力的大小。

为了减小Z向弹簧片受剪切力而产生变位，设置了弹簧2和15，别离用于平稳测头Y向和X向部件的自重。

　　在每一层导轨中各设置有三个部件：

①锁紧机构：

如图9-7b所示，在其定位块24上有一凹槽，与锁紧杠杆22上的锁紧钢球23精准配合，以确信导轨的“零位”。

在需打开时，可让电机20反转一角度，那么现在该向导轨处于自由状态。

需锁紧时，再使电机正转一角度即可。

②位移传感器：

用以测量位移量的大小，如图9-7c所示，在两层导轨上，一面固定磁芯27，另一面固定线圈26和线圈支架25。

③阻尼机构：

用以减小高分辨率测量时外界振动的阻碍。

如图9-7d所示，在作相对运动的上阻尼支架28和下阻尼支架31上各固定阻尼片29和30，在两阻尼片间形成毛细间隙，中间放入粘性硅油，使两层导轨在运动时，产生阻尼力，幸免由于片簧机构过于灵敏而产生振荡。

　　（3）光学测头

在多数情形下，光学测头与被测物体没有机械接触，这种非接触式测量具有一些突出优势，要紧体此刻：

1）由于不存在测量力，因此适合于测量各类软的和薄的工件；2）由于是非接触测量，能够对工件表面进行快速扫描测量；3）多数光学测头具有比较大的量程，这是一样接触式测头难以达到的；4）能够探测工件上一样机械测头难以探测到的部位。

最近几年来，光学测头进展较快，目前在座标测量机上应用的光学测头的种类也较多，如三角法测头、激光聚集测头、光纤测头、体视式三维测头、接触式光栅测头等。

下面简要介绍一下三角法测头的工作原理。

（二）测头附件

　　为了扩大测头功能、提高测量效率和探测各类零件的不同部位，常需为测头配置各类附件，如测端、探针、连接器、测头回转附件等。

　　1．测端

　　关于接触式测头，测端是与被测工件表面直接接触的部份。

关于不同形状的表面需要采纳不同的测端。

图9-9为一些常见的测端形状。

　　2．探针

　　探针是指可改换的测杆。

在有些情形下，为了便于测量，需选用不同的探针。

探针对测量能力和测量精度有较大阻碍，在选历时应注意：

1）在知足测量要求的前提下，探针应尽可能短；2）探针直径必需小于测端直径，在不发生干与条件下，应尽可能选大直径探针；3）在需要长探针时，可选用硬质合金探针，以提高刚度。

假设需要专门长的探针，可选用质量较轻的陶瓷探针。

　　3．连接器

　　为了将探针连接到测头上、测头连接到回转体上或测量机主轴上，需采纳各类连接器。

经常使用的有星形探针连接器、连接轴、星形测头座等。

　　4．回转附件

　　关于有些工件表面的检测，比如一些倾斜表面、整体叶轮叶片表面等，仅用与工作台垂直的探针探测将无法完成要求的测量，这时就需要借助必然的回转附件，使探针或整个测头回转必然角度再进行测量，从而扩大测头的功能。

　　经常使用的回转附件为如图9-11a所示的测头回转体。

它能够绕水平轴A和垂直轴B回转，在它的回转机构中有周密的分度机构，其分度原理类似于多齿分度盘。

在静盘中有48根沿圆周均匀散布的圆柱，而在动盘中有与之相应的48个钢球，从而可实现以°为步距的转位。

它绕垂直轴的转动范围为360°，共48个位置，绕水平轴的转动范围为0°～105°，共15个位置。

由于在绕水平轴转角为0°（即测头垂直向下）时，绕垂直轴转动不改变测端位置，如此测端在空间一共可有48×14＋1＝673个位置。

能使测头改变姿态，以扩展从各个方向接近工件的能力。

目前在测量机上利用较多的测头回转体为RENISHAW公司生产的各类测头回转体，

　　第四节三坐标测量机的操纵系统

　　一、操纵系统的功能

　　操纵系统是三坐标测量机的关键组成部份之一。

其要紧功能是：

读取空间坐标值，操纵测量对准系统对测头信号进行实时响应与处置，操纵机械系统实现测量所必需的运动，实时监控坐标测量机的状态以保障整个系统的平安性与靠得住性等。

　　二、操纵系统的结构

　　按自动化程度分类，坐标测量机分为手动型、机动型和CNC型。

初期的坐标测量机以手动型和机动型为主，其测量是由操作者直接手动或通过操纵杆完成各个点的采样，然后在运算机中进行数据处置。

随着运算机技术及数控技术的进展，CNC型操纵系统变得日趋普及，它是通进程序来操纵坐标测量机自动进给和进行数据采样，同时在运算机中完成数据处置。

　　1．手动型与机动型操纵系统

　　这种操纵系统结构简单，操作方便，价钱低廉，在车间中应用较广。

这两类坐标测量机的标尺系统一样为光栅，测头一样采纳触发式测头。

其工作进程是：

每当触发式测头接触工件时，测头发出触发信号，通过测头操纵接口向CPU发出一个中断信号，CPU那么执行相应的中断效劳程序，实时地读出计数接口单元的数值，计算出相应的空间长度，形成采样坐标值X、Y和Z，并将其送入采样数据缓冲区，供后续的数据处置利用。

　　2．CNC型操纵系统

　　CNC型操纵系统的测量进给是运算机操纵的。

它能够通进程序对测量机各轴的运动进行操纵和对测量机运行状态进行实时监测，从而实现自动测量。

另外，它也能够通过操纵杆进行手工测量。

CNC型操纵系统又可分为集中操纵与散布操纵两类。

（1）集中操纵

　　集中操纵由一个主CPU实现监测与坐标值的采样，完成主运算机命令的接收、说明与执行、状态信息及数据的回送与实时显示、操纵命令的键盘输入及平安监测等任务。

它的运动操纵是由一个独立模块完成的，该模块是一个相对独立的运算机系统，完成单轴的伺服操纵、三轴联动和运动状态的监测。

从功能上看，运动操纵CPU既要完成数字调剂器的运算，又要进行插补运算，运算量大，其实时性与测量进给速度取决于CPU的速度。

（2）散布式操纵

　　散布式操纵是指系统中利用多个CPU，每一个CPU完成特定的操纵，同时这些CPU和谐工作，一起完成测量任务，因此速度快，提高了操纵系统的实时性。

另外，散布式操纵的特点是多CPU并行处置，由于它是单元式的，故维修方便、便于扩充。

如要增加一个转台只需在系统中再扩充一个单轴操纵单元，并概念它在总线上的地址和增加相应的软件就能够够了。

　　三、测量进给操纵

　　手动型之外的坐标测量机是通过操纵杆或CNC程序对伺服电机进行速度操纵，以此来操纵测头和测量工作台按设定的轨迹作相对运动，从而实现对工件的测量。

三坐标测量机的测量进给与数控机床的加工进给大体相同，但其对运动精度、运动平稳性及响应速度的要求更高。

三坐标测量机的运动操纵包括单轴伺服操纵和多轴联动操纵。

单轴伺服操纵较为简单，各轴的运动操纵由各自的单轴伺服操纵器完成。

但当要求测头在三维空间按预定的轨迹相关于工件运动时，那么需要CPU操纵三轴按必然的算法联动来实现测头的空间运动，如此的操纵由上述单轴伺服操纵及插补器一起完成。

在三坐标测量机操纵系统中，插补器由CPU程序操纵来实现。

依照设定的轨迹，CPU不断地向三轴伺服操纵系统提供坐标轴的位置命令，单轴伺服操纵系统那么不断地跟踪，从而使测头一步一步地从起始点向终点运动。

　　四、操纵系统的通信

　　操纵系统的通信包括内通信和外通信。

内通信是指主运算机与操纵系统二者之间彼此传送死令、参数、状态与数据等，这些是通过联接主运算机与操纵系统的通信总线实现的。

外通信那么是指当CMM作为FMS系统或CIMS系统中的组成部份时，操纵系统与其它设备间的通信。

目前用于坐标测量机通信的要紧有串行RS－232标准与并行IEEE－488标准。

　　第五节三坐标测量机的软件系统

　　现代三坐标测量机都配备有运算机，由运算机来搜集数据，通过运算输出所需的测量结果。

其软件系统功能的强弱直接阻碍到测量机的功能。

因此各坐标测量机生产厂家都超级重视软件系统的研究与开发，在这方面投入的人力和财力的比例在不断增加。

下面对在三坐标测量机中利用的软件作简要介绍。

　　一、编程软件

　　为了使三坐标测量性能实现自动测量，需要事前编制好相应的测量程序。

而这些测量程序的编制有以下几种方式。

（一）图示及窗口编程方式

　　图示及窗口编程是最简单的方式，它是通过图形菜单项选择择被测元素，成立坐标系，并通过“窗口”提示选择操作进程及输入参数，编制测量程序。

该方式仅适用于比较简单的单项几何元素测量的程序编制。

（二）自学习编程方式

　　这种编程方式是在CNC测量机上，由操作者引导测量进程，并键入相应指令，直到完成测量，而由运算机自动记录下操作者手动操作的进程及相关信息，并自动生成相应的测量程序，假设要重复测量同种零件，只需挪用该测量程序，即可自动完成以前记录的全数测量进程。

该方式适合于批量检测，也属于比较简单的编程方式。

　　（三）脱机编程

　　这种方式是采纳三坐标测量机生产厂家提供的专用测量机语言在其它通用运算机上预先编制好测量程序，它与坐标测量机的开启无关。

编制好程序后再到测量机上试运行，假设发觉错误那么进行修改。

其优势是能解决很复杂的测量工作，缺点是容易犯错。

　　（四）自动编程

　　在运算机集成制造系统中，通常由CAD/CAM系统自动生成测量程序。

三坐标测量机一方面读取由CAD系统生成的设计图纸数据文件，自动构造虚拟工件，另一方面同意由CAM加工出的实际工件，并依照虚拟工件自动生成测量途径，实现无人自动测量。

这一进程中的测量程序是完全由系统自动生成的。

　　二、测量软件包

　　测量软件包可含有许多种类的数据处置程序，以知足各类工程需要。

一样将三坐标测量机的测量软件包分为通用测量软件包和专用测量软件包。

通用测量软件包主若是指针对点、线、面、圆、圆柱、圆锥、球等大体几何元素及其形位误差、彼此关系进行测量的软件包。

通常各三坐标测量机都配置有这种软件包。

专用测量软件包是指坐标测量机生产厂家为了提高对一些特定测量对象进行测量的测量效率和测量精度而开发的各类测量软件包。

如有很多三坐标测量机配备有针对齿轮、凸轮与凸轮轴、螺纹、曲线、曲面等常见零件和表面测量的专用测量软件包。

在有的测量机中，还配备有测量汽车车身、发动机叶片等零件的专用测量软件包。

　　三、系统调试软件

　　用于调试测量机及其操纵系统，一样具有以下软件。

（1）自检及故障分析软件包：

用于检查系统故障并自动显示故障类别；

（2）误差补偿软件包：

用于对三坐标测量机的几何误差进行检测，在三坐标测量机工作时，按检测结果对测量机误差进行修正；

　　（3）系统参数识别及操纵参数优化软件包：

用于CMM操纵系统的总调试，并生成具有优化参数的用户运行文件；

　　（4）精度测试及验收测量软件包：

用于按验收标准测量检具。

　　四、系统工作软件

　　测量软件系统必需配置一些属于和谐和辅助性质的工作软件，其中有些是必备的，有些用于扩充功能。

（1）测头治理软件：

用于测头校准、测头旋转操纵等；

（2）数控运行软件：

用于测头运动操纵；

　　（3）系统监控软件：

用于对系统进行监控（如监控电源、气源等）；

　　（4）编译系统软件：

用此程序编译，生成运行目标码；

　　（5）DMIS接口软件：

用于翻译DMIS格式文件；

　　（6）数据文件治理软件：

用于各类文件治理；

　　（7）联网通信软件：

用于与其他运算机实现双向或单向通信。