三坐标的简介及应用

1、近代三坐标测量技术的发展。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。而提高测量机测量速度这一目的，会为CMM带来以下几个方面的革新。测量机的结构设计改进及材料的变化，结构优化以提高刚性，减轻运动部件的质量；使用轻质材料来降低运动惯性，即由普通使用的花岗石等传统材料转变为密度与杨氏模数之比低的材料、薄壁空心结构等。铝、陶瓷、人工合成材料在测量机中获得了越来越多的应用；高速的动态性能要求提高动态补偿能力，动态误差与测量机的结构参数和运动规程有关。在研究这些特性的基础上，既可以改进测量机的结构设计，提高控制系统性能，又可以进行动态误差补偿，在实现高速测量的同时保证高精度；采用非接触式测头测量方式，在触测情况下，由于工件与测头的接触速度不能太大，这就给测量速度带来了很大的限制。扫描测量方式虽比点位测量方式效率高得多，但仍受触测的限制。采用非接触测头，可避免频繁加速、减速、碰撞等，大大提高测量速度。特别从对可靠性与安全保护提出更高要求看，非接触测头也有很大的优越性；脱机编程技术成为一种趋势，所谓脱机编程技术，就是在编程技术的辅助下，在不上测量机的情况下，在三维图形的环境下完成对测量程序的编制工作。这样不但能有效地提高测量机的实际使用效率，也提高了测量程序的编制效率。脱机编程技术的应用使我们能完全与生产准备及生产过程同步进行测量的准备工作，从而更可以节约宝贵的测量机时。（2）新材料和新技术的应用为确保可靠高速的测量功能，国外十分重视研究机体原材料的选用，最近在传统的铸铁、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。由于新型材料良好的导热性，所以在发生温度分布不均匀时，也能在极短的时间内迅速达到热平稳，将由温度变化所产生的热变形减至最低。为此，近几年引起了厂商的改型高潮，新品种层出不穷。技术指标的进步表现在两个方面：a.最高运动速度达到15m/s以上；b.环境温度要求可降低到20+_4摄示度。其它一些新技术，例如磁悬浮技术也会在测量机及其他测头中获得应用。（３）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，尤其是计算机，设计新的高性近年来，计算机价格一直在降低，而性能愈来愈好。如果能利用批量生产的价廉而性能高的计算机模板（例如80386、80486）来设计专用测量机数字控制系统，那么就可推出新的价廉而性能高的测量机控制系统。另外，也可以用复杂的控制系统进行紧凑设计，以求降低成本。（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。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：在同等精度指标下，测头端部的测头体直径D与测杆长度L的长径比为D/L。其值愈大，其性能愈好。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。在微电子工业中有许多二维图案，如大规模集成电路掩模等，它们是用接触测头无法测量的。近年来国外光学三坐标测量机发展十分迅速。光学三坐标测量机的核心就是非接触测量。与发展非接触测头的同时，具有高精度、较大量程、能用于扫描测量的模拟测头，以及能伸入小孔、用于测量微型零件的专门测头也将获得发展。不同类型的测头同时使用或交替使用，也是一个重要发展方向。（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。为了将三坐标测量机纳入生产线，需要发展与网络通信、建模、CAD、实现反向工程的软件；按样条函数、NURBS等进行拟合、建模以及各种仿真软件也在不断发展。此外，加快普及使用通用测量软件（DMIS）以方便与CAD/CAM的数据交换；同时完善应用于不同类型工件之专用测量软件的开发和使用，最终形成基于同一种平台开发的测量软件族也成为软件革新的一种必然趋势。2、现代三坐标测量与传统测量的比较。三坐标测量机的特点是高精度(达到μm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;只要测量机的测头能够瞄准(或感受)到的地方(接触式或非接触式均可),就可测出它们的几何尺寸和相互位置关系,并借助于测量软件和计算机完成数据处理.这种三维测量方法具有极大的万能性.同时可方便地进行数据处理过程和过程控制.因而不仅在精密检测和产品质量控制上扮演着重要角色,同时在设计、和生产过程控制、模具制造方面发挥着越来越重要的作用,并在汽车工业、航天航空、航海、机床工具、国防军工、电子、模具等领域得到广泛应用.传统测量技术1、对工件需要进行人工的准确及时的调整2、需要多种专用测量仪和多工位测量行难适应测量任务的改变3、与实体标准或运动标准进行测量比较4、尺寸,形状和位置测量需要在不同的仪器上面进行测量5、产生大量不相干的测量数据6、需要手工记录测量数据三坐标测量技术1、不需要对工件进行特殊的调整2、简单的调用所对应的测量软件就可完成测量任务3、与数字或数字模型进行测量比较4、尺寸,形状和位置的判定在一次安装中即可完成5、只输出有用的数据,并完整的生成数字信息6、自动生成图文并茂的报告,CAD设计,统计分析等报告3、三坐标测量技术的发展历史。●1956年，英国Ferranti公司开发了第一台三坐标测量机。●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于汽车、家电、电子、模具等制造领域。第二章、三坐标测量机的分类及机械结构。1、三坐标的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。他首先将各被测几何元素的测量转化为对这些元素上一些点集坐标位置的测量，在测得这些点的坐标后，再根据这些点的空间坐标值，经过数学运算求出其尺寸和行位误差。1、三坐标的分类三坐标测量机有不同的操作需求、测量范围和测量精度，这些对选用三坐标测量机是很重要的。根据中国仪器超市资料，按三坐标测量机结构可分为如下几类：1.2.移动桥架型(Movingbridgetype)移动桥架型，为最常用的三坐标测量机的结构，轴为主轴在垂直方向移动，厢形架导引主轴沿水平梁在方向移动，此水平梁垂直轴且被两支柱支撑于两端，梁与支柱形成“桥架”，桥架沿着两个在水平面上垂直和轴的导槽在轴方向移动。因为梁的两端被支柱支撑，所以可得到最小的挠度，且比悬臂型有较高的精度。3.床式桥架型(Bridgebedtype)床式桥架型，轴为主轴在垂直方向移动，厢形架导引主轴沿着垂直轴的梁而移动，而梁沿着两水平导轨在轴方向移动，导轨位于支柱的上表面，而支柱固定在机械本体上。此型与移动桥架型一样，梁的两端被支撑，因此梁的挠度为最少。此型比悬臂型的精度好，因为只有梁在轴方向移动，所以惯性比全部桥架移动时为小，手动操作时比移动桥架型较容易。3.柱式桥架型(Gantrytype)柱式桥架型，与床式桥架型式比较时，柱式桥架型其架是直接固定在地板上又称为门型，比床式桥架型有较大且更好的刚性，大部分用在较大型的三坐标测量机上。各轴都以马达驱动，测量范围很大，操作者可以在桥架内工作。4.固定桥架型(Fixedbridgetype)固定桥架型，轴为主轴在垂直方向移动，厢形架导引主轴沿着垂直轴的水平横梁上做方向移动。桥架(支柱)被固定在机器本体上，测量台沿着水平平面的导轨作轴方向的移动，且垂直于和轴。每轴皆由马达来驱动，可确保位置精度，此机型不适合手动操作。5.L形桥架型(L-Shpaedbridgetype)L形桥架型，这个设计乃是为了使桥架在轴移动时有最小的惯性而作的改变。它与移动桥架型相比较，移动组件的惯性较少，因此操作较容易，但刚性较差。6.轴移动悬臂型(Fixedtablecantileverarmtype)轴移动悬臂型，轴为主轴在垂直方向移动，厢形架导引主轴沿着垂直轴的水平悬臂梁在轴方向移动，悬臂梁沿着在水平面的导槽在轴方向移动，且垂直于轴和轴。此型为三边开放，容易装拆工件，且工件可以伸出台面即可容纳较大工件，但因悬臂会造成精度不高。此型早期很盛行，现在已不普遍。7.单支柱移动型(Movingtablecantileverarmtype)单支柱移动型，轴为主轴在垂直方向移动，支柱整体沿着水平面的导槽在轴上移动，且垂直轴，而轴连接于支柱上。测量台沿着水平面的导槽在轴上移动，且垂直轴和轴。此型测量台面、支柱等具很好的刚性，因此变形少，且各轴的线性刻度尺与测量轴较接近，以符合阿贝定理。8.单支柱测量台移动型(Singlecolumnxytabletype)单支柱测量台移动型，轴为主轴在垂直方向移动，支柱上附有轴导槽，支柱被固定在测量仪本体上。测量时，测量台在水平面上沿着轴和轴方向作移动。9.水平臂测量台移动型(Movingtablehorizontalarmtype)水平臂测量台移动型，厢形架支撑水平臂沿着垂直的支柱在垂直(轴)的方向移动。探头装在水平方向的悬臂上，支柱沿着水平面的导槽在轴方向移动，且垂直轴，测量台沿着水平面的导槽在轴方向移动，且垂直于轴和轴。这是水平悬臂型的改良设计，为了消除水平臂在轴方向，因伸出或缩回所产生的挠度。10.水平臂测量台固定型(Fixedtablehorizontalarmtype)水平臂测量台固定型，其构造与测量台移动型相似。此型测量台固定，、轴均在导槽内移动，测量时支柱在轴的导槽移动，而轴滑动台面在垂直轴方向移动。11.水平臂移动型(Movingramhorizotalarmtype)水平臂移动型，轴悬臂在水平方向移动，支撑水平臂的厢形架沿着支柱在轴方向移动，而支柱垂直轴。支柱沿着水平面的导槽在轴方向移动，且垂直轴和轴，故不适合高精度的测量。除非水平臂在伸出或回收时，对因重量而造成的误差有所补偿。目前应用在车辆检验工作。12.闭环桥架型(Ringbridgetype)闭环桥架型，由于它的驱动方式在工作台中心，可减少因桥架移动所造成冲击，为所有三坐标测量机中最稳定的一种。2、对三坐标测量机的工作环境要求坐标测量机属于长度计量的设备、需要一定的环境要求。1、环境温度环境温度：20℃±2℃温度的空间梯度：1℃/m³温度的时间梯度：2℃/8h2、环境湿度一般要求：40%～60%为最好。3、压缩空气压缩空气输入压力：0.4MPa～0.6MPa。压缩空气中不能含有水、油、杂质。如果所使用的测量机有要求以测量机要求为准。4、震动由于震动的测试比较困难，所以按周围环境条件要求。a、厂房周围不应有干线电路；b、厂房内不应有与测量机同时工作的吊车；c、厂房内和周围不应有冲床或大型压力机等震动比较大的设备；d、测量机不应安装在楼上。如果以上a～c的条件不满足时，需要做专用地基或采用减震器等防震措施。5、电源除使用机型特殊要求，一般测量机使用电源为220V±10V50HZ；要求有稳压装置或USP能源。6、单独接地线要求有单独接地线、接地