三坐标测量技术论文.doc

三坐标测量技术摘要：由三个运动导轨，按笛卡儿坐标系组成的具有测量功能的测量仪器，称为三坐标测量机，并且由计算机来分析处理数据（也可由计算机控制，实现全自动测量），是一种复杂程度很高的计量设备。从三坐标测量机的概述、发展趋势、应用、测量时的问题做了大概的介绍。关键词：三坐标；概述；趋势；应用；问题三坐标测量机是近40年发展起来的一种高效率的新型精密测量仪器。它广泛地应用于机械制造、电子、汽车和航空航天等工业领域中。它可以进行零件和部件的尺寸、形状及相互位置的检测。如箱体、导轨、涡轮和叶片、缸体、凸轮、形体等空间型面的测量。此外，还可以用于划线、定中心孔、光刻集成电路等，并可对连续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、效率好、能与柔性制造系统相连接，已成为一类大型精密仪器，故有“测量中心”之称。三坐标测量机在模具行业中的应用相当广泛，它是一种设计开发、检测、统计分析的现代化的智能工具，更是模具产品无与伦比的质量技术保障的有效工具。当今主要使用的三坐标测量机有桥式测量机、龙门式测量机、水平臂式测量机和便携式测量机。测量方式大致可分为接触式与非接触式两种，目前Metris LK的测量机在两项技术上位居世界前列。一、三坐标测量机概述1.什么是三坐标测量机：由三个运动导轨，按笛卡儿坐标系组成的具有测量功能的测量仪器，称为三坐标测量机，并且由计算机来分析处理数据（也可由计算机控制，实现全自动测量），是一种复杂程度很高的计量设备。2.三坐标测量机测量原理：坐标测量机是通过测头系统与工件的相对移动，探测工件表面点三维坐标的测量系统，通过将被测物体置于三坐标测量机的测量空间，利用接触或非接触探测系统获得被测物体上各测点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，由软件进行数学运算，求出待测的几何尺寸和形状、位置及其他几何量数据。因此，坐标测量机具备高精度、高效率和万能性的特点，是完成各种零部件几何量测量与品质控制的理想解决方案。一般地，经过计算，可以拟合形成测量元素，如空间点、直线、圆、球、圆柱、圆锥、圆环、曲面等。3.三坐标测量机的主要组成：1， 主机机械系统（X、Y、Z 三轴或其它）；2， 测头系统；3， 电气控制硬件系统；4， 数据处理软件系统（测量软件）；1工作台 2移动桥架 3中央滑架 4Z 轴 5测头 6电子系统 7辅助气源三坐标测量机的组成4.三坐标测量机的特点及主要用途：从理论上讲，坐标测量机的特点是高精度（达到 m 级）、高效率（数十、数百倍于传统测量手段）、万能性（可代替多种长度计量仪器）。因而多用于产品测绘，复杂型面检测，工夹具测量，研制过程中间测量，CNC 机床或柔性生产线在线测量等方面。一台坐标测量机综合应用了电子技术、计算机技术、数控技术、光栅测量技术（激光技术）、精密机械（包括新工艺、新材料和气浮技术）以及各种类型的测头系统等,能完成多种复杂零件的测量，还可以与计算机辅助设计连用，与加工设备连用等，用于产品的检验（形位测量、复杂型面的测量、工夹具模具测量、与CNC 机床或柔性生产线在线测量），因此坐标测量技术已经在工业质量保证中找到了自己的特定地位。使用坐标测量机可以解决困难的测量问题，提高工作效率，并且节省专用夹具的制造，贮存，维修等工作。尤其在现代工业向高度自动化发展的今天，将CAD/CAM 技术应用于测量机一一加工中心联机系统，测量机一计算机工作站一一数控机床（生产线）的联机系统将得到进一步的推广，在新产品开发和计算机管理的自动生产线上，测量机的使用将越来越多越来越广。5.三坐标测量机在现代设计制造流程中的应用如下图所示：三坐标测量机在现代设计制造流程中的应用二、三坐标测量及的发展趋势从目前国内外三坐标测量机发展情况和科技、生产对三坐标测量机提出的要求看，在今后一段时期内，它的主要发展趋势可以概括为以下几方面（1） 普及高速测量质量与效率一直是衡量各种机器性能、生产过程优劣的两项主要指标。传统的概念是为了保证测量精度，测量速度不宜过高。随着生产节奏不断加快，用户在要求测量机保证测量精度的同时，会对CMM的测量速度提出越来越高的要求。DEA开发出了DCC GAGE 等CNC三坐标测量机，并已正式投放市场。这种测量机采用独立的二段减速系统，可进行高速测量，移动速度305mm/s，加速度为290mm/s2。（2） 新材料和新技术的应用 在传统的铸铁、铸钢基础上，增加了合金、石材、陶瓷等新材料。Zeiss、Sheffield、Leitz、Ferranti（英国）、DEA等世界上的主要三坐标测量机制造厂商，大都采用了重量轻、刚性好、导热性强的合金材料，来制造测量机上的运动机构部件。铝合金、陶瓷材料以及各种合成材料在三坐标测量机中得到了越来越广泛的应用。（） 控制系统的改进在现代制造系统中，测量的目的越来越不能仅仅局限于成品验收检验，而是向整个制造系统提供有关制造过程的信息，为控制提供依据。从这一要求出发，必须要求测量机具有开放式控制系统，具有更大的柔性。为此，要尽可能利用发展迅速的新的电子工业技术。（4） 测量机测头的发展三坐标测量机除了机械本体外，测头是测量机达到高精度的关键，也是坐标测量机的核心。从整体上考察，近年来无论哪类精密测头主要向着精度更高、尺寸更小、互换性更好、综合功能更强、数字化的方向发展。由于触发式测头成本低、结构简单，并能满足常用的测量要求，在一定时期内仍是市场上应用最多的测头，其发展方向是尺寸小、集成度高、精度高、各向异性小。目前的扫描式测头，因结构复杂、体积大、价格昂贵，影响了其普及应用。.与其他各项技术指标相比，提高测头的性能指标难度最大。理想测头最主要的性能指标是测头接近零件能力的参数。此外，测量机测头的另一个重要趋势是，非接触测头将得到广泛的应用。（5） 软件技术的革新测量机的功能主要由软件决定。三坐标测量机的操作、使用的方便性，也首先取决于软件，测量机每一项新技术的发展，都必须有相应配套的软件技术跟上。发展探测技术，完善测量机配置，成为制造系统的组成部分，发展非正交坐标系测量系统，加强环境问题的研究，加强量值传递、误差检定与补偿研究同样是三坐标测量机的发展趋势。以后越来越多的三坐标测量机将进入车间、服务于生产现场。例如美国Brown &； Sharp公司的Bravo-NT测量机可在汽车生产线上对车身尺寸实施在线测量并充分满足汽车生产线对测量节拍、测量精度和测量可靠性的要求。三、三坐标测量技术的应用三坐标测量机在模具中的应用 三坐标测量机在模具行业中的应用相当广泛，它是一种设计开发、检测、统计分析的现代化的智能工具，更是模具产品无与伦比的质量技术保障的有效工具。当今主要使用的三坐标测量机有桥式测量机、龙门式测量机、水平臂式测量机和便携式测量机。测量方式大致可分为接触式与非接触式两种，目前Metris LK的测量机在两项技术上位居世界前列。模具的型芯型腔与导柱导套的匹配如果出现偏差，可以通过三坐标测量机找出偏差值以便纠正。在模具的型芯型腔轮廓加工成型后，很多镶件和局部的曲面要通过电极在电脉冲上加工成形，从而电极加工的质量和非标准的曲面质量成为模具质量的关键。因此，用三坐标测量机测量电极的形状必不可少。三坐标测量机可以应用3D数模的输入，将成品模具与数模上的定位、尺寸、相关的形位公差、曲线、曲面进行测量比较，输出图形化报告，直观清晰的反映模具质量，从而形成完整的模具成品检测报告。在某些模具使用了一段时间出现磨损要进行修正，但又无原始设计数据（即数模）的情况下，可以用截面法采集点云，用规定格式输出，探针半径补偿后造型，从而达到完好如初的修复效果。当一些曲面轮廓既非圆弧，又非抛物线，而是一些不规则的曲面时，可用油泥或石膏手工做出曲面作为底胚。然后用三坐标测量机测出各个截面上的截线、特征线和分型线，用规定格式输出，探针半径补偿后造型，在造型过程中圆滑曲线，从而设计制造出全新的模具。三坐标测量机在机械制造中的应用在现代化的工厂，不仅是设计和制造环节实现了电脑化和数字化，连同物品出入库管理、生产管理以及各工序管理，凡是与制造相关的一切过程全面依靠计算机统一管理与规划，操作现场的CAD、CAM、CAE 的各个系统均经由网络统一到主计算机进行管理。通过全面依靠无缝连接从设计到生产的各个环节，这些技术实现了制造效率和产品品质较以往的提升，并不断做得更好。以PC-DMIS 为核心的EMS 企业计量解决方案，在企业现有CAD 系统、先进生产管理系统和网络技术的基础上，实现了将用户的计量操作从设计一直延伸到最后的检测，改传统的蓝图打印为现代的无纸数字化检测。以PC-DMIS 为核心的EMS 企业计量解决方案三坐标测量机在汽车行业中的应用汽车零部件具有品质要求高、批量大、形状各异的特点。根据不同的零部件测量类型，主要分为箱体、复杂形状和曲线曲面三类，每一类相对测量系统的配置是不尽相同的，需要从测量系统的主机、探测系统和软件方面进行相互的配套与选择。测量系统的主机： 桥式测量机是实现汽车零部件测量的主力军。这其中，在全球安装超过7500台的GLOBAL系列测量机汽车零部件领域发挥着重要作用。目前Global根据技术配置的不同，分为三个系列，机器的行程范围从最小的500 x 700 x 500 mm一直到最大的2000 x 4000 x 1500 mm，这还不包括专为汽车钣金件而开发的Global eXtra系列。Global的空间测量精度达到了1.5 + 3L/1000 1500 mm，从而为高品质的汽车零部件的制造提供了保障。 针对汽车零部件制造过程中提出的现场测量请求，便携式的关节臂测量机提供了方便、快捷的解决方案。 探测系统：测量机是探测工件表面点三维坐标的测量系统，因此能够以适当的方式进行空间点坐标的采集，是坐标测量系统完成被测工件测量与分析的关键。目前，除了应用最多的触发式测头完成箱体类零部件的测量任务外，各种接触式扫描测头、非接触光学测头和激光扫描测头也在更多的被汽车零部件业界的用户所采用，完成复杂形状零部件的测量，功能更强，效率更高。 软件系统：软件正成为反映测量系统忧劣的重要指标，软件的易用性、对于尺寸和形状的评价能力、以及强大的CAD功能、可定制的报告输出和系统的扩充性能，能够大大提升对汽车零部件供应商的产品质量，以及作为优秀供应商的能力，需要重点了解和考虑。 四、三坐标测量技术检测规划问题1测头和测头方向的选择三坐标测头可视为一种传感器, 只是其结构、功能较一般传感器更为复杂。按测量方法, 测量头可分为接触式测头和非接触式测头两类, 其中接触式测头便于拾取三向尺寸信号, 应用得更为广泛。由于多数测量机附带的测头种类单一和条件所限, 因此关于测头选择的问题很少被讨论。对有些工件, 由于测量元素的位置不同、形状不同, 往往需要不同的测头,。2测量点数的确定及其分布因为测量的过程是通过测球与对每个测量点合并相交检测项的观点, 即对于同一检测基本元素上不同的公差检测项, 可在分别满足不同公差项检测要求的前提下, 合并检测点来达到减少检测点的目的。3检测路径的规划检测路径规划是确定测头在测量空间的运动轨迹, 即工件上所测量点的检测顺序。目前几乎所有的测量机都是以检测面作为最小的检测单位,这就要求必须测量完一检测面后, 才能进行下一检测面的测量。基于上述情况下, 为了提高检测效率和测量精度, 在进行路径规划时就需要考虑下列2 个方面的因素: 一是在检测过程中测头和测头变换的次数最少; 二是测头运动的轨迹应最短。4碰撞检查及碰撞规避在CMM 对工件进行测量时, 必须为测头找到一条合理、可靠的运动路径, 即在测头的移动不与其它工件或夹具发生碰撞的前提下, 获得到达终点的最优路径。此类问题都属于空间布置问题,主要解决2 个问题: 一是运动的测头是否与工件或夹具发生碰撞; 二是运动物体所走的路径是否最佳。具体到检测规划上, 就是要对形成的检测路径做必要的碰撞检查, 如果发生碰撞, 则应利用防碰算法, 找出合理的避障点, 确定测头新的防碰路径, 以保证检测的顺利完成。四、三坐标测量机的生产厂家 目前，国内外三坐标测量机正迅速发展。国外著名的生产厂家有德国的蔡司（Zeiss）和莱茨（Leitz）、意大利的DEA、美国的布朗夏普（Brown&Sharp）、日本的三丰（Mitutoyo）等公司。我国的主要生产厂家有中国航空机密机械研究所、青岛前哨英柯发测量设备有限公司、上海机床厂、北京机床研究所、哈尔滨量具刃具厂、昆明机床厂和新天光学仪器厂等。现在，我国具有年产几百台各种型号三坐标测量机的能力。参考文献及引用网址南京工程学院 三坐标测量机陈林才 精密仪器设计http:/www.jxcad.com.cn/topic_947979.html 中国CAD机械论坛http:/elec.wanfangdata.com.cn/qikan/periodical.articles/zgjxgc/zgjx2000/0001/000154.htm 张国雄http:/www.cnjaten.cn/Article/View_Article_27_433.html 东莞市嘉腾仪器仪表有限公司http:/www.ybzhan.cn/st13851/news_10405.html 江苏虹润仪表有限公司http:/www.zidonghua.com.cn/News/detail.asp?id=29979 中国金属加工在线http:/blog.sina.com.cn/s/blog_66f532460100ky66.htmlhttp:/www.gongkong.com/webpage/paper/200707/A-9658-5206C605E87B.htm 中国工程网http:/www.testmart.cn/cn/news/NewsText/124143.html http:/www.docin.com/p-35727615.htmlhttp:/www.chem17.com/st108854/Article_80900.htmlhttp:/www.cnsb.cn/html/news/146/show_146173.htmlhttp:/tieba.baidu.com/f?kz=888750401http:/www.docin.com/p-37888598.html 9