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三坐标技术介绍 作者: 来源: 时间:2018-09-01 点击次数:

一、概述

长度测量是以点的坐标位置为基础的,它分为一维、二维和三维测量。三坐标测量机是一种长度测量仪器,它的基本原理是将被测零件放入它容许的测量空间,精密地测出被测零件在X、Y、Z三个坐标位置的数据,根据这些点的数值经过计算机数据处理,得出被测零件的几何尺寸、形状和位置公差。根据国际上“CMMA”的标准规范,“一台三坐标测量机是对直角坐标系统的具体化”。

现代的测量机是把光学、机械、电子技术和计算机技术融为一体的高精度、高效率的自动化检测设备。三坐标测量机三轴的直线性、导轨的平行性、扭摆和三个坐标的垂直性等,精度都非常高,通过电控系统和计算机及其相应软件可对被测零件的几何尺寸、形状位置公差进行手动、机动或CNC数控测量,并可与CAD/CAM系统连接。它是现代工业检测和质量控制不可缺少的高精度大型测量仪器。

三坐标测量机的特点是高精度(达到mm级)、高效率(数十、数百倍于传统测量手段)、万用性(可替代多种长度测量仪器)。因而多用于产品测绘,复杂型面检测,工夹检具测量,研制过程中间测量,CNC机床或柔性生产线在线测量等。

使用三坐标测量机可以解决困难的测量问题,提高工作效率,并节省专用量具的制造、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技术应用于三坐标测量机——加工中心联机系统,三坐标测量机——计算机工作站——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,三坐标测量机的使用将越来越多越来越广。

现代制造业中的程序控制和质量保证越来越多地依赖三坐标测量机,近20年来在发达国家三坐标测量机已经替代了使用块规和夹具的传统检测方法,它的机动性节省了必备块规的投入,同时也大大降低了传统的质量控制所需的人力和时间。

另外,精密的三坐标测量机集几种测量功能于一机,例如:齿轮测量,凸轮轴测量、圆度测量等等,以上每种测量功能在使用传统测量方法的工厂中都需要单独配备一台专用测量设备。

高质量产品不仅只倚靠制造过程中高质量的加工设备,也要取决于质量控制中所使用的高精度和高重复性的测量设备。

低价、低性能的加工设备与高精度的三坐标测量机的组合仍然可以保证得到高质量的产品,因为只有在公差范围内合格的零件才能通过三坐标测量机的检测。

另一方面,高价格,高质量的加工设备与低价格、低精度的三坐标测量机组合却不能得到高质量的产品。总有一定比例的超差工件能通过低精度测量机的检测,也总有一定比例的合格品被认为是废品。

二、中国和世界三坐标测量机情况情况简介

三坐标测量机自七十年代出现后,随着CNC机床市场的发展而增加了需求,随着计算机技术及数控技术的发展而飞速发展。

到1992年根据国际专业咨询公司的统计:

欧洲拥有15000台 北美17000台 亚洲14100台 共46100台 中国414台,占0.9%

欧洲年销售量2500台 北美2100台 亚洲1331台 共5931台 中国130台,占2.1%

1996年10月28日在天津召开亚太区域工作会议,宣布世界米定义组织设了七个世界性计量课题:

块规比较

长度规(球棒)等比较

热膨胀

多面体

直径标准

三坐标测量机产品比较

纳米测量

因此三坐标测量机仍是几何测量中不可替代的万能的高级测量仪器。96年9月Renishaw公司发表文章认为“三坐标测量机(CMM)在三维测量方面仍为全世界公认为工业上的标准。”而且成为反向工程的重要手段。

1、中国的三坐标测量机行业

中国的三坐标测量机研制工作开始于70年代中期,有北京303所、上海机床厂、北京二机床、北京机床研究所、上海第三机床厂、天津大学等。由于三坐标测量机技术密集性强,涉及到光、机、电等技术领域,限于当时封闭式研制与管理体制,遇到了较大的困难。

 八十年代为引进与自创阶段。303所引进了DEA的IOTA系列。上海机床厂及新天光学仪器公司引进了Leitz的生产权。青岛前哨公司采用自力更生及选用国外器件集成的办法生产三坐标测量机。到90年代初基本形成了三个基地,即北京303所、青岛前哨、上海机床厂等,年产60台左右。当时由于中国机械行业主要精力放在加工设备的换代上,所以对计量设备的需求不是很迫切,许多外国三坐标测量机公司也不把中国作为一个重要市场。

从90年代中期开始,由于国家对质量工作的重视,企业自身认识的提高,合资独资企业的增长,数控设备的增加,国内对三坐标测量机的需求开始增长,特别是中国经济发展的前景引起国外公司的兴趣,再加长世界三坐标测量机市场不景气的情况,造成了目前虽然数量不大的中国三坐标测量机市场上产生了激烈的竞争。中国三坐标测量机生产厂又受到了一次巨大的冲击,哪些性能价格比差、又不能发挥技术优势充分满足用户要求,以及售后服务差的厂家就出现了萎缩的趋势。

2、世界三坐标测量机生产厂

三坐标测量机世界年销售量6000余台,中国每年销售150—300台,不是一个大行业,因而不可能养活几千人的大公司,三坐标测量机公司一般在几十人到几百人。随着电子产品和计算机的大幅度降价,三坐标测量机从高利润变成低利润,世界几乎所有的三坐标测量机厂家都不同程度的亏损。因此,90年代初三坐标测量机行业产生了几次大兼并。

首先德国Leitz公司为瑞士Wield公司收购,后来又卖给美国Brown&Sharp公司,继之1995年世界最大的国有测量机公司意大利DEA公司出售给美国Brown&Sharp公司成为第一集团。

德国Zeiss公司合并了Mauser公司及另外一家美国公司形成第二集团。

第三集团为日本三丰公司。

三、三坐标测量机主要结构形式

由布局分,可分为悬臂式、桥式、龙门式、镗床式。(见图一)

一、悬臂式,可分为Z轴移动和Y轴移动两种。其优点为允许贴近被测零件操作,消耗材料少;缺点为测量范围受刚性限制,立柱,横梁受力变形影响精度。

二、桥式,适用于大型机械零件的测量。

三、龙门式,可分为龙门移动式和固定龙门式两种:

A、龙门移动式,其优点为刚性结构好,工作台承重能力大,开放性好;缺点为单边驱动时扭摆大,光栅偏置时阿贝误差较大。

B、固定龙门式,其优点为负载变化时机械变形小,整机刚性强,中央驱动偏摆小,光栅在工作台中央,阿贝误差小,X、Y方向的运动相互独立,不产生相互影响,半闭式气浮导轨刚性好;缺点是工作台承重能力小。

四、镗床式,易接近操作,精度高,工作台双向移动机构复杂。

 

四、三坐标测量机控制系统

从控制系统的角度划分,三坐标测量机可以分为手动型、机动型、CNC型三种模式。

1、手动型三坐标测量机

三坐标测量机在X、Y、Z三个方向装有三根光栅尺,测头在接触工件的一瞬间,发出触测信号,控制系统将X、Y、Z的三根光栅的当前坐标数值锁存下来,传送给计算机,这样就完成了一个坐标点的采集,计算机对这些单独的坐标点数据分析计算出工件的形位公差。

从框图上可以看出,所有信号的流程都是单方向的,没有形成闭环控制。手动型三坐标测量机成本低,适用于对精度和效率要求不太高,而对价格又要求较低的用户。

2、机动型三坐标测量机

从框图上可以看出,机动型三坐标测量机比手动型三坐标测量机多了驱动系统、电机/测速机组和手动盒。

机动型三坐标测量机的运行是由手动盒来控制的。操纵杆的偏移方向即是机器运动的方向,偏移角度控制着机器的运行速度。与手动型三坐标测量机比较起来,机动型三坐标测量机具有了速度环,降低了操作人员的工作强度,提高了工作效率,但计算机仍然只承担计算的任务,没有参与到控制中来。实际上,机动型三坐标测量机是一种从手动到CNC的过渡过渡产品。

3、CNC(数控)型三坐标测量机

CNC型三坐标测量机不但具有了速度环,更主要的是增加了位置环。此时,计算机的功能得到了极大的发挥,它不再只是被动的计算数据,而是主动地参入到控制中来,控制三坐标测量机根据指定的方式运行。

由于实现了自动测量,大大地提高了工作效率,特别适用于生产线和批量零件的检测。由于排除了人为因素,可以保证每次都以同样的速度和同样的方向触测,从而使测量精度也有了很大的提高。

 

五、三坐标测量机系统组成

 1、材料

三坐标测量机制造材料对其精度、测量效率和价格影响很大,主要要求如下:

导热性(热均匀好—差):铝¾®钢¾®陶瓷¾®花岗石

热膨胀(系数小—大):陶瓷¾®花岗石¾®钢¾®铝

弹性模量(高—低):陶瓷¾®钢¾®铝¾®花岗石

硬度(高—低):陶瓷¾®花岗石¾®钢¾®铝

抗拉强度(高—低):钢¾®陶瓷¾®铝¾®花岗石

比重(小—大):铝¾®陶瓷¾®花岗石¾®钢

目前两种材料组合:陶瓷+花岗石+钢(在温湿度条件好的情况下适用,但成本高)

                  铝+钢+花岗石(在温度梯度大,但可以加温度补偿情况下,适用于低成本高速运行。

2、传动机构

要求:平稳性好

中间环节少(少—多):直线电机¾®斜轮¾®带传动¾®磨擦轮¾®谐波齿轮

结构小(小—大):斜轮¾®直线电机¾®谐波齿轮¾®带传动¾®磨擦轮

刚性好(高—低):齿轮齿条¾®蜗轮蜗杆¾®斜轮¾®带传动

干涉性小(好—差):带传动¾®斜轮¾®磨擦轮

大尺寸传动适用性(高—低):齿轮齿条¾®固定磨擦杆(带)¾®带传动¾®斜轮传动

目前: 

大型:用齿轮或固定杆磨擦传动。

中型:磨擦(带)传动,固定杆。

小型:斜轮或磨擦带传动。

3、光栅尺

有金属的和玻璃的几种,它在1mm的间距内能刻有10~100条刻线,每条刻线的间距为10~100mm。

以德国Heidenhain的金属光栅尺190/40为例:光栅尺的刻线间距为40mm(20mm为腐蚀吸收线,20mm为反射线)。读数头为玻璃光栅,内部装有发光二极管和六个反向并联的硅光电池。光从读数头的窗口中照射在光栅尺上,当光栅尺与读数头发生相对运动时,由于光的反射和吸收,读数头内的硅光电池的输出电流也不断变化,形成了两路相位为90度、幅值为7~16mA的正弦波,从而感知了位置和方向的改变。

对光栅尺的基本要求:线性好

节距小,以免细分误差,同时提高分辨率

与Heidenhain光栅通用

读数头与光栅尺间距要大,以免划伤

对环境要求低,抗潮湿,抗油污,抗划伤

易于安装、更换

尺寸便于更换以减少库存

易于运输

与被测零件的相同膨胀系数

4、细分器

读数头输出的是周期为10~100mm的微电流信号,细分器的任务就是对这电流信号进行放大、细分和整形。常见的细分器的细分倍数一般有5倍、10倍、25倍、50倍几种,最后控制器在计数时,再进行软件四细分,即可以使测量机的计数分辨率达到1mm~0.1mm。

5、测头

三坐标测量机测头主要有触发式测头(开关测头)、扫描测头(量化测头)、非接触式测头(激光CCD)三种。

开关测头:普通的触发式测头实际上是一个五维或六维的开关,当测头触测工件的一瞬间,开关断开,发出触测信号,这个信号作为控制器的中断信号,锁存三路光栅计数器的数值,记录下当前三个坐标的位置。

扫描测头:测头输出量与测头偏移量成正比,尺寸真实反映,精度高,采点速度快。

非接触测头:适用于平面的多孔的柔性零件测量,但精度较低。

多测头系统的发展从更换测头到更换测杆,目前正在研制测头可旋转测量系统。测头主要生产厂家为英国Renishaw和德国Zeiss 、Leitz, Renishaw仍占据世界市场的90%。

6、电机

决大多数的三坐标测量机采用的是直流电机/测速机伺服机组,也有少数采用直线电机、步进电机、交流伺服机组等。由于三坐标测量机精度高,在测量时又经常高速地正反向切换,若每分钟采集100个点,则电机就必须每分钟正反向切换200次,而且要求运行平稳。因此,三坐标测量机所选用的电机性能要求很高,它要求起动力矩大,起动电压低,时间响应快。

7、驱动器

驱动器的性能直接影响机器的运行特性。在80年代,三坐标测量机上一般采用的是晶体管线性放大驱动系统;进入90年代后,PWM驱动系统,即脉宽调制驱动系统,在高精度伺服控制领域得到了最为广泛的应用,它的调速比高、响应速度快、起动性能好、线路简单可靠,较常规的驱动方式具有无可比拟的优点。

PWM驱动器是按一个固定的频率来接通和断开直流电源,并根据输入信号的大小改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短,通过改变电机电压的“占空比”来改变平均电压的大小,从而控制电机的转速。

电流环的作用:减小电源电压波动的影响,提高控制力矩的线性度,以使系统恒流起动、制动,同时防止功率转换电路及电机过电流。

速度环的作用:稳定电机转速,提高系统刚性,改善系统阻尼,减少非线性度。测速元件可以有多种,如:直流测速发电机、光电式编码器等。

8、控制器

控制器是整个数控系统的核心,它一般具有运动控制、计数、保护等功能。

80年代:控制器一般是以8位或16位的微处理器为核心,集成度低,功能少,速度慢,体积大,开发困难。一般一个控制器由主控板、轴控板、计数板、扩充板、母板等等组成,整个数控系统的体积小的有半个写字台这么大,大的甚至有1.6米多高,内部结构复杂,故障率高,给维修带来了很大困难。

90年代:最先进的控制器是以32位DSP为核心,它的功能强,速度快,集成度高,整个控制器都集成在一块板上。控制指令从汇编语言发展到了高级语言,易于开发。

9、软件

三坐标测量机的软件是测量机系统非常重要的部分,它直接面对用户,其功能和易操作性对用户选择三坐标测量机往往起到决定性的作用。因此,各三坐标测量机生产厂家都投入大量人力、物力开发功能强大、操作简便的系统软件,如:DEA的TUTOR for Windows、Leitz的QUINDOS等。同时每家公司又都推出了功能各异方便实用的专用软件,如:齿轮、凸轮、统计、曲线曲面、扫描软件等。

三坐标测量机的软件是随着计算机软件技术和硬件技术发展的,早期的软件受计算机硬件水平的限制,其软件只是最基本的软件,编程与操作的技术难度较大;后来,由于计算机技术的高度发展,计算机硬件的高度集成化,出现了DOS、WINDOWS等高级系统软件,使编程和操作难度大大降低。DOS下的软件大多是问答式软件,仍然无法很好的解决功能强大和容易操作之间的矛盾。直到WINDOWS的出现,使测量软件具备了一个更加广阔的天地,其图形显示的窗口和简单方便的编程功能,加之强大的多媒体功能,给操作者创造了非常直观高效的工具。

目前世界大多数三坐标测量机厂商使用Windows95平台,最新的测量软件的特征是图形显示、多媒体帮助和使用高级语言编程,操作和编程日益简单高效。三坐标测量机软件正在向着智能化的方向发展。

 

 

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