三坐标测量机及其检测方法

三坐标测量机及其检测方法（甄雯，北京电子科技职业学院）三坐标测量机（CoordinateMeasuringMachining，简称CMM）是一种具有几十年发展历史的新型高效精密测量仪器。它的出现，一方面是由于自动机床、数控机床高效率加工以及越来越多复杂形状零件加工需要有快速可靠的测量设备与之配套；另一方面是由于电子技术、计算机技术、数字控制技术以及精密加工技术的发展为三坐标测量机的产生提供了技术基础。现代CMM不仅能在计算机控制下完成各种复杂测量，而且还可以通过与数控机床交换信息，实现对加工的控制，并且还能够根据测量数据，实现逆向工程。目前，CMM已广泛用于机械制造、汽车、航空航天等工业部门，三坐标测量机已成为机械制造、工业设计及质量检测中必不可少的关键设备。1三坐标测量机的基本工作原理几何量测量可分为一维、二维和三维测量，以点为最小测量单位并测量其坐标位置。三坐标测量的基本原理是被测量体放置在测量机工作台，通过测量头精密测量出被测量体在坐标系中（X、Y、Z三轴）的坐标位置，在通过软件运算将这些坐标位置的数值进行处理，再进行拟合形成图形，如平面、圆、球、圆柱、圆锥、曲面等，从而算出尺寸、形状、位置公差及几何数据。2三坐标测量机的结构类型三坐标测量机的结构类型常用的主要有：桥式、龙门式、水平悬臂式、关节臂式等，如图1所示。桥式测量机是使用最为广泛的一种机构形式。其开敞性比较好，视野开阔，上下零件方便。运动速度快，精度比较高。龙门式测量机为中、大型和超大型测量机，适合于航空、航天、造船行业的大型零件或大型模具的测量。一般都采用双光栅、双驱动等技术，有较高的测量精度。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。水平臂式测量机开敞性好，测量范围大，可以由两台机器共同组成双臂测量机，尤其适合汽车工业钣金件甚至整车机构的测量。关节臂式测量机具有非常好的灵活性，适合携带到现场进行测量，对环境条件要求比较低。图1常用三坐标测量机的结构类型3三坐标测量机的组成三坐标测量机一般由测头系统（探头、吸盘、探针、读数头、光栅尺等）、硬件控制系统（控制柜、电气驱动系统）、软件系统（计算机系统、数据处理软件系统）及其它机械部件（花岗岩台面、三轴导轨、减震垫、支撑基架等）所组成，如图2所示。图2三坐标测量机的组成3.1测头系统测量头是三坐标测量机在测量工件时的关键部件，并很大程度影响着测量精度的高低。测量头分为接触式和非接触式两种。接触式测头在测量时直接接触工件，测头发送并回收测量信号；而非接触式测头时不需要实际接触工件。目前常用的测头为接触式测头，其应用范围广、种类多样，测量方便灵活。测头的主要形状如图3。a.圆锥形测头b.圆柱形测头c.球形测头d.半圆形测头e.点测头f.V型测头g.盘形测头h.星形测头图3常见用测头的形状光栅系统是测量机的测长基准。光栅是刻有细密等距离刻线的金属或玻璃，读数头使用光学的方法读取这些刻线计算长度。为了便于计算由于温度变化造成光栅长度变化带来的误差，采用光栅一端固定，另一端放开，使其自由伸缩。另外在光栅尺座预置有温度传感器，便于有温度补偿功能的系统进行自动温度补偿。3.2硬件控制系统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。操作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、设置复位状态功能。图3是一个便携式操作盒示意图及其功能说明。图3操作盒示意图及其按键功能说明3.3软件系统准确、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。除硬件以外，软件也是测量机的重要组成部分。数据处理软件系统（测量软件），利用该软件，可把CAD数据转变成测量程序，从而获得准确无误的检测方案。就测量机的本体（包括测量头）而言，其作用是提取工件表面坐标点的工具。由于补偿技术的发展，算法、控制软件的改进，软件功能的增强，使得测量机软件成为决定测量机性能的主要因素，在很大程度上测量机的测量精度依赖于软件水平。3.4其它机械部件工作台（一般采用花岗石），用于摆放零件支撑桥架。工作台放置零件时，一般要根据零件的形状和检测要求，选择适合的夹具或支撑。要求零件固定要可靠，不使零件受外力变形或其位置发生变化。导轨是气浮块运动的轨道，是测量机的基准之一。压缩空气中的油和水及空气中的灰尘会污染导轨，造成导轨道直线度误差变大，使测量机的系统误差增大，影响测量精度。小型测量机采用支架支撑测量机工作台，中、大型测量机一般采用千斤顶支撑工作台。都采用三点支撑，在一个支撑的一侧，有两个辅助支撑，只起保险作用。每个支撑都有一个海绵的减震垫，能够吸收振幅较小的震动。4三坐标测量机的具体测量步骤工件测量的具体流程如图：测量工件前必须对工件进行测量要求的分析，这是三坐标测量机应用中一个最基本的环节，主要分析被测零件的测量内容、工件基准、装夹位置、装夹方式等。图4三坐标测量的具体流程测头校准是三坐标测量机进行工件测量前必不可少的一个重要步骤。因为一台测量机可能会配备有多种不同形状及尺寸的测头及配件，不同的侧头其参数信息（如直径、角度等）是不尽相同的，在测量时不同的侧头参数其设置的补偿是不同的，所以必须要进行测头校准以保证其测量精度。建立测量坐标系有三个步骤，并且有其严格的顺序：先测量一个平面将其定义为“基准面”，也就是建立了Z轴的正方向；再测一条线将其定义为“X轴”或“Y轴”；最后选择或测一个点将其设置为坐标原点。X、Y、Z轴的确定使用“右手定则”，操作者面向机器，则食指指向为X轴正方向；中指指向为Y轴正方向；大拇指的指向为Z轴正方向。工件测量的主要检测项目是基本元素，所谓基本元素就是直接通过对其表观特征点的测量就可以得到结果的测量项目，如：点、线、面、圆、圆柱、圆锥、球、环带等。测量一个圆上的三个点就可以知道这个圆的圆心位置及直径，这就是所谓的“三点确定一个圆”，如果多测一个点就可以得到圆度，所以为提高测量准确度就要适当的增加点数。通过对已测得的基本元素进行构造得出（如：角度、交点、距离、位置度等），而并非是直接测量得到的几何特征进行形位公差分析。最后，根据需要进行检测结果的输出以及报告的制作。5结束语三坐标测量机的出现，完成了计算机控制下的各种复杂几何量的测量。由于操作中工作基准的选择、测量方法的选择和坐标测量机在软硬件方面的客观局限性所造成的误差。因此，在应用中更好地掌握并不断地加深理解其工作原理和性能，熟悉其工作和测量过程对完成、提高并拓展三坐标测量技术将发挥重大的作用参考文献[1]康蓉娣.三坐标测量机及其精密检测应用[J].舰船防化,2008,(6):53-56.[2]白月飞.浅谈三坐标测量机及其应用[J].设计与研究,2009,(6)[3]赵丹阳,宋满仓,王敏杰.三坐标测量机技术改造关键技术[J].计量技术,2004,(3):26-27.[4]张作鹏，陈学奎.浅谈三坐标测量机及其应用[J].广西轻工业,2009,(7)[5]李明,印祯民.三坐标测量机及其应用[J].机械工人,2002,(1)：23-25.甄雯，女，1983.11，北京，教研室主任，讲师单位地址：北京市朝阳区金台路甜水园甲1号，100026工作单位：北京电子科技职业学院主要研究方向：金属材料、精密测量技术联系方式：13810497576E-mail：[e-mail]