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1、,综 述,一、三坐标测量机发展历史,1956年，英国Ferranti公司开发了第一台三坐标测量机,世界上第一个触发测头,1992年全球拥有三坐标测量机46100台，年销售增长率在7%-25%左右。发达国家拥有量高，在欧美、日韩每6-7台机床配备一台三坐标测量机。,我国三坐标测量机生产始于20世纪70年代，年增长率在20%以上。目前，三坐标测量机被广泛应用在汽车、航天、航空、家电、电子、模具等制造领域。,意 义,随着人们生活水平的提高和制造业的快速发展，特别是机床、机械、汽车、航空航天和电子工业，各种复杂零件的研制和生产需要先进的检测技术；同时为应对全球竞争，生产现场非常重视提高加工效率和降低生
2、产成本，其中，最重要的便是生产出高质量的产品。为此，必须实行严格的质量管理，只有在保证高质量生产的前提下，制造业才能生存和发展。因此，为确保零件的尺寸和技术性能符合要求，必须进行精确的测量，因而体现三维测量技术的三坐标测量机应运而生，并迅速发展和日趋完善。三维测量是基于以下的客观要求发展起来的。,二、意义和作用,1、越来越多的工件需要进行空间三维测量，而传统的测量方法不能满足生产的需要。传统的测量方法是指用传统测量工具（如千分表、量块、卡尺等）进行的测量，属相对测量。测量工具本身精度不高，人为误差较大工具量程小、被测工件尺寸、形状受到限制许多形状较复杂的测量任务(如曲面)难以实现且占用机时较长
3、,传统测量工具及手段,2、由于机械加工、数控机床加工及自动加工线的发展，生产节拍的加快，加工一个零件仅有几十分钟或几分钟，要求加快对复杂工件的检测。例如：汽车和摩托车都采用流水生产线，每辆车上有几千甚至上万个零件，这些零件是由专业化厂分散生产，最后集中部装和总装，每隔几分钟就生产出一辆车。,3、在制造业中，大多数产品都是按照CAD数学模型在数控机床上制造完成的，它与原CAD数学模型相比，确定其在加工制造中产生的误差，就需用三坐标测量机进行测量。在三坐标测量机的软件系统中可以用图形方式显示原CAD数学模型，再按照可视化方式从图形上确定被测点，得到被测点的X、Y、Z坐标值及法向矢量，便可生成自动测
4、量程序。三坐标测量机可按法线方向对工件进行精确测量，获得准确的坐标测量结果，也可与原CAD数学模型进行比较并以图形方式显示，生成坐标检测报告（包括文本报告和图表报告），全过程直观快捷，而用传统的检测方法则无法完成。,4、随着生产规模日益扩大，加工精度不断提高，除了需要高精度三坐标测量机的计量室检测外，为了便于直接检测工件，测量往往需要在加工车间进行，或将测量机直接串连到生产线上。检验的零件数量加大，科学化管理程度加强，因而需要各种精度的坐标测量机，以满足生产的需要。,产品加工精度提升的趋势,1950年至2000年 50年内约提升两个数量级 平均每8年加工误差缩小一半我国情况 平均每12年加工误
5、差缩小一半 一般加工精度0.01mm 超精密加工精度0.005m 增长速度比国外低50%，约落后1520年,产品加工精度提升的趋势,加工中心精度提升历程（刀柄 ISO40 或HSK63）工作精度每年提升倍,5、实现逆向（反求）工程的需要，例如随着模具生产的发展，往往采用按制好的工件模型去仿制模具，故需要三维扫描测量出工件轮廓曲线的数据。因此需要与“数控机床”或“加工中心”相配合的三维检测技术。,作用 综上所述，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渡的一个里程碑。三坐标测量机在下述方面对三维测量技术有重要作用。1、实现了对基本的几何元素的高效率、高精度测量与评定
6、，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、提高了三维测量的测量精度，目前高精度的坐标测量机的单轴精度，每米长度内可达1um以内，三维空间精度可达1um-2um。对于车间检测用的三坐标测量机，每米测量精度单轴也达3um-4um。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，自动化程序不断发展，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，而且可以完成CNC的控制功能，可缩短测量时间达95%以上
7、。5、随着激光扫描技术的不断成熟，同时满足了高精度测量（质量检测）和激光扫描（逆向工程）多功能复合型的三坐标测量机发展更好地满足了用户需求，大降低用户投入成本，提高工作效率。,三、原理 三坐标测量机是由三个相互垂直的运动轴X，Y，Z建立起一个直角坐标系，测头的一切运动都在这个坐标系中进行；测头的运动轨迹由测球中心点来表示。测量时，把被测零件放在工作台上，测头与零件表面接触，三坐标测量机的检测系统可以随时给出测球中心点在坐标系中的精确位置。当测球沿着工件的几何型面移动时，就可以得出被测几何型面上各点的坐标值。将这些数据送入计算机，通过相应的软件进行处理，就可以精确地计算出被测工件的几何尺寸、形状
8、和位置公差等。,如图所示，测量孔1和2的中心距，先在孔1和2各测至少3点，计算出各自的圆心坐标值，然后计算两点的距离，同时可以测量外形尺寸、孔径、孔的圆度和圆柱度、两孔轴线的平行度、轴线与基面的垂直度、工件表面的平面度等。,输出:X=2.0 I=0 D=4Y=2.0 J=0 R=2Z=2.5 K=1,四、组成、分类、结构,三坐标测量机是精密的测量仪器，它集机、光、电等于一体。随着电子技术、计算机技术的发展，三坐标测量机由手动数显逐步发展到目前的CNC控制的高级阶段。测量机机械结构最初是在精密机床基础上发展起来的。如美国Moore公司的测量机就是由坐标镗床坐标磨坐标测量机逐步发展起来的，又如瑞士
9、的SIP公司的测量机就是在大型万能工具显微镜光学三坐标测量仪基础上逐步发展起来的。这些测量机的结构都没有脱离精密机床及传统精密测试仪器的结构。,从测量机应用的机械材料种类来看，由原来的铸铁结构发展到低碳钢焊接结构及花岗石导轨结构。有的大型汽车测量（立柱工作台或地轨式测量机）采用了铝制构件作为精密导轨。为了减轻自身重量，有些重要零件还用了碳素纤维及陶瓷材料。以下是坐标测量机主机的各种结构。,1、三坐标测量机的基本组成 测量机一般由主机（包括光栅尺），电气系统及测头所组成，如下图所示：图1.1三坐标测量机基本组成除硬件以外，软件也是测量机的重要组成部分。,2、按机械结构分类 按照机械结构分类，测量
10、机的主要结构形式可分为：2.1、移动桥式 2.2、固定桥式 2.3、固定工作台悬臂式 2.4、龙门式（高架桥式测量机）2.5、L型桥式 2.6、移动工作台悬臂式 2.7、水平悬臂式 2.8、柱式,2.1、移动桥式 移动桥式是当前三坐标测量机的主流结构。有沿着相互正交的导轨而运行的三个组成部分，装有探测系统的第一部分装在第二部分上，并相对其作垂直运动，第一和第二部分的总成相对第三部分作水平运动，第三部分被架在机座的对应两侧的支柱支承上，并相对机座作水平运动，机座承载工件。移动桥式坐标测量机是目前中小型测量机的主要结构型式，承载能力较大，本身具有台面，受地基影响相对较小，开敞性好，精密比固定桥式稍
11、低。,图2.1移动桥式BQC系列坐标测量机优点：（1）结构简单，结构刚性好，承重能力大；（2）工件重量对测量机的动态性能没有影响。缺点：（1）X向的驱动在一侧进行，单边驱动，扭摆大，容易 产生扭摆误差；（2）光栅是偏置在工作台一边的，产生的阿贝臂误差较 大，对测量机的精度有一定影响；（3）测量空间受框架影响。,2.2、固定桥式 这类测量机有沿着相互正交的导轨而运动的三个组成部分，装有探测系统的第一部分装在第二部分上并相对其作垂直运动，第一和第二部分的总成沿着牢固装在机座两侧的桥架上端作水平运动，在第三部分上安装工件。高精度测量机通常采用固定桥式结构，经过改进这类测量机速度可达400mm/S,加
12、速度达到3000mm/S2，承重达2000KG，典型的固定桥式有目前世界上精度最好的出自德国LEITZ公司的PMM-C测量机。,优点：（1）结构稳定，整机刚性 强，中央驱动，偏摆小；（2）光栅在工作台的中央，阿贝误差小；（3）X、Y方向运动相互独立，相互影响小。缺点：（1）被测量对象由于放置在 移动工作台上，降低了 机动的移动速度，承载 能力较小；（2）基座长度大于2倍的量程，所以占据空间较大；（3）操作空间不如移动桥式 开阔。,图2.2 PMM-C固定桥式测量机,2.3、固定工作台悬臂式 这类坐标测量机有沿着相互正交的导轨而运动的三个组成部分，装有探测系统的第一部分装在第二部分上并相对第三部
13、分作水平运动，第三部分以悬臂状被支撑在一端，并相对机座作水平运动，机座承载工件。,图2.3固定工作台悬臂式坐标测量机优点：结构简单，测量空间开阔。缺点：悬臂沿Y向运动时受力点的位置随时变化，从而产生不同的变形，造成测量的误差较大，因此，悬臂式测量机只能用于精度要求不太高的测量中，一般用于小型测量机。,2.4、龙门式（高架桥式测量机）这类测量机有沿着相互正交的导轨而运动的三个组成部分，装有探测系统的第一部分装在第二部分上并相对其作垂直运动，第三部分在机座两侧的导轨上作水平运动，机座或地面承载工件。龙门式坐标测量机一般为大中型测量机，要求较好的地基，立柱影响操作的开阔性，但减少了移动部分重量，有利
14、于精度及动态性能的提高，正因为此，近来亦发展了一些小型带工作台的龙门式测量机，龙门式测量机最长可到数十米，由于其刚性要比水平臂好，因而对大尺寸而言可具有足够的精度。典型的龙门式测量机如来自意大利DEA公司的ALPHA及DELTA和LAMBA系列测量机。,图2.4 龙门式坐标测量机优点：（1）结构稳定，刚性好，测量范围较大；（2）装卸工件时，龙门可移到一端，操作方便，承载能力强。缺点：因驱动和光栅尺集中在一侧，造成的阿贝误差较大，驱动不够平稳。,2.5、L型桥式 这类坐标测量机有沿着相互正交的导轨而运动的三个组成部分，装有探测系统的第一部分，装在第二部分上并相对其作垂直运动，第一和第二部分的总成
15、相对第三部分作水平运动，第三部分在机座平面或低于平面上的一条导轨和在机座上另一条导轨的两条导轨上作水平运动，机座承载工件。L型桥式坐标测量机是综合移动桥式和龙门式测量机优缺点的测量机，有移动桥式的平台，工作开敞性较好，又像龙门式减少移动的重量，运动速度、加速度可以较大，但要注意辅腿的设计。图2.5 L型桥式坐标测量机,2.6、移动工作台悬臂式 这类坐标测量机有沿着相互正交的导轨而运动的三个组成部分，装有探测系统的第一部分装在第二部分上并相对其作垂直运动。第三部分以悬臂被支承在一端，并相对机座作水平运动。第三部分相对机座作水平运动并在其上安装工件。此类测量机载力不高，应用较少。图2.6 移动工作
16、台悬臂式坐标测量机模型,2.7、水平悬臂式 这类坐标测量机有沿着相互正交的导轨而运动的三个组成部分，装有探测系统的第一部分装在第二部分上并相对其作水平运动。第一和第二部分的总成相对第三部分作垂直运动。第三部分相对机座作水平运动，并在机座上安装工件。如果进行细分，可以为水平悬臂移动式坐标测量机，固定工作台水平悬臂式坐标测量机，移动工作台水平悬臂坐标测量机。水平臂测量机在X方向很长，Z向较高，整机开敞性比较好，是测量汽车各种分总成、车身时最常用的测量机。图2.7 水平悬臂式坐标测量机,2.8、柱式 这类坐标测量机有两个可移动组成部分，装有探测系统的第一部分相对机座作垂直运动。第二部分装在机座上并相对其沿水平方向运动，在该部分上安装工件。柱式坐标测量机精度比固定工作台悬臂测量机为高，一般只用于小型高精度测量机，适于要求前方开阔的工作环境。图2.8 柱式坐标测量机模型,3、按驱动方式分3.1手动型：由操作员手工使其三轴运动来实现采点，其结构简单，无电机驱动，价格低廉。缺点是测量精度在一定程度上受人的操作影响，多用于小尺寸或测量精度不很高的零件检测；3.2机动型：与手动型相似，只是运动采点通过电机驱动来实现，这种测量机不能实现编程自动测量；3.3自动型：也称CNC型，由计算机控制测量机自动采点（当然也可实现上述两种一样的操作），通过编程实现零件自动测量，且精度高。,本章节完,
