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1、先进制造理论与技术小论文三坐标测量技术三坐标测量技术魏准，钟贞涛，王凯，陈旺，廖津余，彭伟（中南大学机电工程学院，长沙 410012）摘要：三坐标测量技术在先进制造技术与科学研究中有广泛应用。本文阐述了三坐标测量机（CMM）的工作原理和基本构成，介绍了测量机的测量系统及特点，描述了三坐标测量机的测量过程，对国内外研究现状作了简单分析，提出 CMM 未来的几个发展趋势。关键词：先进制造技术 三坐标测量机 测量系统 测量精度Coordinate Measuring TechnologyWEI Zhun,ZHONG Zhentao,WANG Kai,CHEN Wang,LIAO Jinyu,PENG
2、 Wei(Central South University of mechanical and electrical engineering,Changsha 410012)Abstract：Three coordinate measuring technology widely used in advanced manufacturing technology and scientific research. This paper expounded the working principle and basic composition of the three coordinate mea
3、suring machine, introduced the measurement system and characteristics of measuring machine, described the measuring process of three coordinate measuring machine, made a simple analysis about the present situation of research at home and abroad, put forward several development trend about the CMM in
4、 the future.Key words：AMT;CMM;measuring system;measuring accuracy1 前言近 30 年来,由于现代工业技术的进步(计算机、集成电路、新材料、气浮技术、传感等), 促进了三坐标测量机（Coordinate Measuring Machine,简称 CMM）的发展 1。作为一种新型高效的精密测量仪器，三坐标测量机已广泛地用于机械制造、电子、汽车和航空航天等工业中。它可以进行零件和部件的尺寸、形状及相互位置的检测，例如箱体、导轨、涡轮和叶片、缸体、凸轮、齿轮、形体等空间型面的测量。此外，还可用于划线、定中心孔、光刻集成线路等，并可对连续
5、曲面进行扫描及制备数控机床的加工程序等。由于它的通用性强、测量范围大、精度高、效率高、性能好、能与柔性制造系统相连接，已成为一类大型精密仪器，有“测量中心”之称。2 三坐标测量机的工作原理与基本构成2.1 三坐标测量机的测量原理（1）测量时把被测件置于测量机的测量空间中；（2）通过机器运动系统带动测头对测量空间内任意位置的被测点瞄准，当瞄准实现时测头即发出读数信号；三坐标测量技术3（3）通过测量系统获得被测物体上各测点的坐标位置；（4）根据这些点的空间坐标值，通过专业测量软件对被测物体的规格尺寸，形状和相互位置关系进行快速和精确（微米级）的计算与输出。因此，三坐标测量实际上是数控加工的逆过程。
6、2.2 三坐标测量机的基本构成三坐标测量机一般由主机（包括光栅尺）、电器系统 （控制柜）、软件系统（计算机系统）及测头所组成 ，如图 2-1 所示。除硬件以外，软件也是测量机的重要组成部分 2。图 2-1 三坐标测量机示意图三坐标测量机机的结构类型主要有以下几种：悬臂式（图 2-2）、龙门式（图 2-3）、桥式（图 2-4）等几种。悬臂式测量机优点是开敞性较好，但精度低，一般用于小型测量机。桥式测量机承载力较大，开敞性较好，精度较高，是目前中小型测量机的主要结构型式。龙门式测量机一般为大中型测量机，要求有好的地基，相对测量尺寸有足够的测量精度。图 2-2 悬臂式 CMM 图 2-3 龙门式 C
7、MM 图 2-4 桥式 CMM三坐标测量技术43 三坐标测量机的测量系统3.1 测量头测量头是测量机进行测量时发送信号的装置，它是测量机的关键部件，测量头精度的高低很大程度上决定着测量机的测量重复性及精度 3。测量头分为接触式和非接触式。接触式测量头（硬测头）需与待测表面发生实体接触来获得测量信号；而非接触式测量头则不需与待测表面发生实体接触，例如：激光扫描。在可以使用接触式测量头时慎用非接触式测量头，实验室一般只测量尺寸及位置要素的情况下通常采用接触式测量头。测头的主要形状如图 3-1 所示，从左往右依次为尖形测头、球形测头、星形测头、圆盘测头、圆柱测头。图 3-1 测头的主要形状3.2 测
8、量软件 准确、稳定、可靠、精度高、速度快、功能强大、操作方便是对测量机总体性能的要求。就测量机的本体（包括测量头）而言，它只是提取工件表面坐标点的工具。过去，人们一直认为精度高、速度快完全是有测量机硬件部分决定。实际上，由于补偿技术的发展，算法及控制软件的改进，测量机精度在很大程度上依赖于软件。测量机软件成为决定测量机性能的主要因素，这一点已普遍被人们所认识。PC- DMIS 就是这么一款功能强大的 CAD 通用测量软件。其功能简要介绍如下：（1）基本尺寸及形位误差的测量，同时具备下拉菜单及图形界面方便操作；（2）可直接与 CAD 软件相连接，进行测量比对；（3）可利用其内部语言环境，或外部
9、VB/VC 进行编程，实现自动测量；（4）检测数据可直接与 EXCEL 连接，导出进行脱机分析、编程及反向工程；（5）具有一些特殊的测量模块，实现特殊测量要求，如：薄壁件的测量。3.3 控制柜及操纵盒 控制柜是建立和保持测量机硬件系统与计算机软件相互联系的桥梁。操纵盒使得操作者可手动控制测量机的机械运动，并可控制紧急情况、设置轴运动速度、设置复位状态功三坐标测量技术5能。表 3-1 就是一个便携式操纵盒示意图及其功能说明。表 3-1 便携式操纵盒示意图及其功能说明标号 操作功能说明 操作盒示意图1 电机加电按钮，按下后电机上电指示灯亮2 方向摇杆，左右为 X 轴方向，前后为 Y 轴方向，旋转摇
10、杆为 Z 方向3 急停按钮，按下后三轴电机掉电，顺时针旋转1/4 圈，按钮弹起4 指示系统已准备进入自动模式5 指示所有电机已激活6 删除测量点7 添加测量点8 灯亮时，指示 X 轴方向不能手动移动9 灯亮时，指示 Y 轴方向不能手动移动10 灯亮时，指示 Z 轴方向不能手动移动11 移动速度切换键，灯亮，慢速12 灯亮时，测量机按工件坐标系移动13 激活操作盒摇杆，灯亮，摇杆可以使用14 自动测量模式键，测量机由软件程序控制15 电机断电键16 测量确认键，当测量点数满足元素要求后，按确认键，完成测量4 三坐标测量机的特点三坐标测量机的出现是标志计量仪器从古典的手动方式向现代化自动测试技术过
11、渡的一个里程碑。三坐标测量机在三维测量方面有以下显著优势：（1）解决了复杂形状表面轮廓尺寸的测量，例如箱体零件的孔径与孔位、叶片与齿轮、汽车与飞机等的外廓尺寸检测；（2）提高了三维测量的精度，目前精度的坐标测量机的单轴精度，每米长度内可达以内，三维空间精度可达 。对于车间检测用的三坐标测量机，每米测量精um1um2度单轴也可达 ；34（3）由于三坐标测量机可与数控机床和加工中心配套组成生产加工线或柔性制造系统，从而促进了自动化生产线的发展；（4）随着三坐标测量机的精度不断提高，自动化程度不断发展，促进了三维测量技术的进步，大大地提高了测量效率。尤其是电子计算机的引入，不但便于数据处理，而且可以
12、完成 CNC 的控制功能，可缩短测量时间达 95%以上。表 4-1 列出了三坐标测量机与传统测量方法的效率对比。三坐标测量技术6表 4-1 三坐标测量机与传统方法测量的效率对比表测量时间/h被测工件 传统方法 三坐标测量机汽缸 4.00 0.33泵的转轴 2.15 0.20透平叶片 7.30 0.26钻模板 30.00 0.43电机转子 3.30 0.22铝合金件 3.00 0.14齿轮箱 5.30 0.27凸轮 7.00 0.12阀体 3.36 0.18当然，三坐标测量机也存在一些缺点，如：机座固定，常温，汽浮，恒湿，维护成本高等。5 三坐标测量仪的测量过程5.1 测头校验测头校验是三坐标测
13、量机进行工件测量的三坐标测量第一步，也是很重要的一步。在测头校验的过程中，我们要做的是根据工件形状、尺寸选择合适的测头、测针，现在主流的测头测针都是雷尼绍的，在测量软件中会有匹配。选好后，我们还要进行校准，以达到测量所要求的精度。5.2 建坐标系建立工件的坐标系，如果有工件的模型的话，也要建模型坐标系，然后把工件坐标系与模型坐标系拟合。建坐标系三个要素是：一要确定一个基准平面，二要确定一个平面轴线，即 X 轴或者 Y 轴，三要确定一个点，作为坐标原点。5.3 工件测量坐标系建好后就可以进行正常的测量了。首先,对工件进行分析，对工具的基本元素进行测量，例如点、线、面、圆、圆柱、圆锥等。然后，就是
14、根据工件的形状，用基元素进行形状的公差分析最后，根据要求输出检测报告。三坐标测量技术76 国内外三坐标测量机的研究现状世界上第一台测量机是在 1959 年由英国制造的。现在，国内外的应用已相当普遍。根据国际专业咨询公司统计，三坐标测量机的销售增长率在 7%25%左右。发达国家拥有量较高,但增长率逐年下降，大约为 7%10%；发展中国家拥有量较低，但增长率不断提高，大约为 15%25%。目前，国内外三坐标测量机正迅速发展，世界上生产测量机的厂商已超过 50 家，品种规格也已达 300 种以上。6.1 国外现状国外三坐标测量机具有以下特点：绝大多数机器总体布局为悬臂式，空间敞开性好，便于安装大的零
15、件或整车；专项开发力量强，专用软件和附件较多，能满足更多用户的特殊需要；移动构件多数用合金铝材，移动件质量尽可能小，做到高刚性、低惯性；机器的性能高度稳定可靠，使用寿命长；系列品种齐全，“三化”（即标准化、通用化、系列化）程度高。6.2 国内现状 国内三坐标测量机近十年来发展也较快，但同国外相比还有一定差距，主要有以下几方面：系列品种较少，“三化”程度低；新产品开发周期长，元件和材料配套难；机加工周期长等；产品的稳定性较差，特别是电控系统，可靠性较差，故障率较高，寿命相对低，与计算机工作站和数控机床联网问题，仅有极少数测量机刚刚起步，多数机器还没开始这项工作，有待进一步开发研究。7 三坐标测量
16、机的发展趋势科技与生产的发展对三坐标测量机不断提出新的、更高的要求。7.1 提高测量精度为了提高测量机的测量精度,需要采取一系列综合性措施：（1）提高标尺精度 随着廉价、便于使用的半导体激光器的发展，激光干涉标尺将在测量机中得到较多应用。特别是对于大型三坐标测量机，这种“无形”标尺更有其独特的优点。在采用激光干涉标尺时，一是不要让激光产生的热影响测量机的精度，激光器常放在隔热舱外；二是要注意折射率的补偿 4。（2）提高结构精度 其中包括测量机主机、分度台、测头及其附件的精度。这里尤为重要的是提高它的重三坐标测量技术8复精度。系统误差可以通过软件补偿的方法来减小其影响。（3）减小环境因素带来的影响 特别要注意避免复杂力变形与热变形，这要从结构和环境控制两方面采取措施。（4）适当的采样策略 5采样策略对被测参数的测量不确定度有很大影响。应当说，目前对采样策略的研究还很不够。测量机应具有智能功能，能针对被测参数及精度要求，实现最佳采样策
