三坐标测量机讲义

三坐标测量机讲义

一、 什么是三坐标测量机

如果只是想知道什么是三坐标而不是什么测量机的问题，应该学过一点解析几何吧。在一张纸上画个直角坐标系，那么这张纸（事实上是这张纸所属的平面）上的任何一点都可以表示为（X＝？，Y＝？）这样的表达式。如果你想象有一根直线通过原点垂直于这张纸，那就是第三坐标Z。理论上来说我们所处的这个空间上的任何一点都可以表达为（X＝？，Y＝？，Z＝？）。而且有规律可循的轨迹或者面也可以用相应的一个或几个表达式表现出來。这就是立体解析几何。

简单地说，三坐标测量机就是在三个相互垂直的方向上有导向机构、测长元件、数显装置，有一个能够放置工件的工作台(大型和巨型不一定有)，测头可以以手动或机动方式轻快地移动到被测点上，由读数设备和数显装置把被测点的坐标值显示出来的一种测量设备。显然这是最简单、最原始的测量机。有了这种测量机后，在测量容积里任意一点的坐标值都可通过读数装置和数显装置显示出来。

测量机的采点发讯装置是测头，在沿X，Y，Z三个轴的方向装有光栅尺和读数头。其测量过程就是当测头接触工件并发出采点信号时，由控制系统去采集当前机床三轴坐标相对于机床原点的坐标值，再由计算机系统对数据进行处理和输出。因此测量机可以用来测量直接尺寸，也可以获得间接尺寸和形位公差及各种相关关系，也可以实现全面扫描和一定的数据处理功能，为加工提供数据和测量结果。自动型还可以进行自动测量，实现批量零件的自动检测。

二、三坐标测量机的结构

本实验三坐标测量机外形图见图1 PEAPL小型三坐标测量机 图1

主机机械系统（X、Y、Z三轴或其它）, 测头系统, 电气控制硬件系统, 数据处理软件系统（测量软件）；

悬臂z、y 结构（如图2-a、图2-b所示）、桥式（框架）结构（如图2-c、图2-d所示）、龙门结构（如图2-e、图2-f所示）、卧式镗床结构（如图2-g、图2-h所示）。

图2

三坐标测量机的测量头

软测头（触发式）、硬测头，如图3所示。

图3

三坐标测量机（Coordinate Measuring Machining，简称CMM）是20世纪60年

代发展起来的一种新型高效的精密测量仪器。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。1960年，英国FERRANTI公司研制成功世界上第一台三坐标测量机，到20世纪60年代末，已有近十个国家的三十多家公司在生产CMM，不过这一时期的CMM尚处于初级阶段。进入20世纪80年代后，以ZEISS、LEITZ、DEA、LK、三丰、SIP、FERRANTI、MOORE等为代表的众多公司不断推出新产品，使得CMM的发展速度加快。现代CMM不仅能在计算机控制下完成各种复杂测量，而且可以通过与数控机床交换信息，实现对加工的控制，并且还可以根据测量数据，实现反求工程。目前，CMM已广泛用于机械制造业、汽车工业、电子工业、航空航天工业和国防工业等各部门，成为现代工业检测和质量控制不可缺少的万能测量设备。 三、三坐标测量机的结构材料

三坐标测量机的结构材料对其测量精度、性能有很大影响，随着各种新型材料的研究、开发和应用，三坐标测量机的结构材料也越来越多，性能也越来越好。常见的结构材料主要有以下几种：

1、 铸铁

铸铁是应用较为普遍的一种材料，主要用于底座、滑动与滚动导轨、立柱、支架、床身等。

它的优点是：变形小、耐磨性好、易于加工、成本较低、线膨胀系数与多数被测件（钢件）接近，是早期三坐标测量机广泛使用的材料。至今在有些测量机上仍主要用铸铁材料。

但铸铁也有缺点：易受腐蚀，耐磨性低于花岗石，强度不高。目前铸铁主要用在划线机等测量机上。现在越来越多地为其它材料（如钢板焊件、花岗石）代替。但也有些公司，如瑞士的SIP公司认为铸铁是较为理想的基座材料，它的线膨胀系数与钢接近，在整个机器结构中只采用铁金属材料可避免复杂变形；铸件可经过较长时间的自然时效，有利于保持长期稳定性。

2、 钢

钢主要用于外壳、支架等结构，有的测量机底座也采用钢。一般采用低碳钢，而且必须要进行热处理。

钢的优点是刚性和强度好。

它的缺点是容易变形，这是因为钢在加工之后，内部的残余应力释放导致变形。

钢材料的又一优点是可用焊接件。在80年代初期焊接件成功地应用于测量机及机器人。与铸铁件相比较，焊接件有以下优点：

a、 焊接构件经过充分地人工时效后可获得较高的稳定性。

b、 能获得较高刚度，设计的灵活性比铸件要好，钢构件比铸铁轻。更为突出的是，在许可条件下，可以焊接出空腔甚至多腔结构的封闭型高强度薄壳零件。在这方面，铸件是难以达到的。

c、 焊接件的尺寸可以得到很好的控制。成批生产条件下，靠夹具保证焊接件的尺寸；在单件或小批量生产时则靠工人的技术掌握。目前可以将误差控制在±1mm以内，因此在外形设计和加工余量上都可以得到控制。当然，焊接件质量的优劣在很大程度上依赖于配套设备的性能。如专用的夹具、弯板以及自动焊接设备等。目前，采用这种构件的厂家有中国航空精密研究所等，其产品的代号为SZC-1065、SZC-654及IOTA。国外也有许多制造商将焊接结构应用到三坐标测量机中，如意大利DEA公司的BETA，DELTA，LAMBDA。

3、 花岗石

花岗石比钢轻，比铝重，是目前应用较为普遍的一种材料。

花岗岩的主要优点是变形小、稳定性好、不生锈，易于作平面加工，易于达到比铸铁更高的平面度，适合制作高精度的平台与导轨。目前许多三坐标测量机采用这种材料。如Leitz和Zeiss三坐标测量机，大部分采用花岗石材料。国内具有代表性的有青岛前哨公司的ZC系列全花岗石固定桥式高精度三坐标测量机。它的基座、工作台、桥框、各轴导轨、Z轴等全用花岗岩制造。花岗石可用于作工作台、角尺、立柱、横梁、导轨、支架、壳体等。由于花岗石的热膨胀系数小，很适合与气浮导轨配合。

花岗石也存在不少缺点，主要是：虽然可以用粘贴的方法制成空心结构，但较麻烦；实心结构质量大，不易加工，特别是螺钉孔和光孔难以加工，不能将磁力表架吸附到其上，造价高于铸铁；花岗石材质较脆，粗加工时容易崩边；遇水会产生微量变形。使用中应注意防水防潮，禁止用混水的清洗剂擦拭花岗石表面，也应防止静压气体中的水分对导轨的影响。

4、 陶瓷 陶瓷是近年来发展很快的材料。它是将陶瓷材料压制成形后烧结，再研磨而得。

它的特点是多孔、质量轻（密度约为3g/cm3 ）、强度高、易加工、耐磨性好、不生锈，适于作Y轴和Z轴导轨。

陶瓷的缺点是制作设备造价高、工艺要求也较高，而且毛胚制造复杂，所以使用这种材料的测量机不多。目前德国Zeiss公司、英国LK公司、日本东京精密公司的一些三坐标测量机采用陶瓷材料。

5、 铝

三坐标测量机主要是使用高强度铝合金。这是近几年发展最快的新型材料。

铝材料的优点是质量轻、强度高、变形小、导热性能好，并且能进行焊接，适合作测量机上的许多部件。应用高强度铝合金是目前的主要趋势。

近年来，各国不断推出新型材料应用于三坐标测量机。美国推出的6000号铝合金，各项性能都较好。这种材料的最大特点是不易变形，是理想的导轨材料。目前美国Brown&Sharp和德国Zeiss采用了这种材料，因此桥框质量减小，变形也减小，适用于快速测量。在德国Zeiss的产品UMC850中，轴和轴的导轨采用了最新研制的合金材料CARAT（带陶瓷涂层的抗时效铝合金），由于其导热系数大、温度梯度小，所以不易产生复杂热变形。为减小其伸缩变形，在测量机外部加隔温罩，而且在导轨的右平板上下两面装有若干个温度传感器，在检测出温度变化后即由计算机对由于线膨胀而产生的热变形进行补偿。

总之，三坐标测量机结构材料的发展经历了由金属到陶瓷、花岗石，再由这些自然材料发展到铝合金的过程。现在，各种合成材料的研究也在深入进行，德国Zeiss、英国LK及Tarus公司均开始采用碳素纤维作结构件。随着对精度要求的不断提高，对材料性能要求也越来越高。可以看出，三坐标测量机的材料向着轻便、变形小、易加工的方向发展。

四、三坐标测量仪工作原理

三坐标测量机CMM的测量方式根据所需测量产品特性通常可分为接触式测量、非接触式测量和接触与非接触复合式测量，目前三坐标测量机已经广泛应用于汽车、航天工业、模具及机加工领域并在学校科研单位也得到了广泛使用对提升国内产品总体竞争力取到不不可忽视的作用。三坐标测量仪的测量方法分：

1、接触式探针测量三坐标测量仪（最常用使用最普遍）；

2、影像复合式三坐标测量仪；

3、激光复合式三坐标测量仪（主要应用于产品测量与逆向抄数扫描）；

三坐标测量机CMM的测量方式通常可分为接触式测量、非接触式测量和接触与非接触并用式测量。其中，接触测量方式常用于机加工产品、压制成型产品、金属膜等的测量。为了分析工件加工数据，或为逆向工程提供工件原始信息，经常需要用三坐标测量机对被测工件表面进行数据点扫描。三坐标测量机的扫描操作是应用DMIS程序在被测物体表面的特定区域内进行数据点采集，该区域可以是一条线、一个面片、零件的一个截面、零件的曲线或距边缘一定距离的周线等。将被测物体置于三坐标测量空间，可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，经计算求出被测物体的几何尺寸，形状和位置。基本原理就是通过探测传感器（探头）与测量空间轴线运动的配合，对被测几何元素进行离散的空间点位置的获取，然后通过一定的数学计算，完成对所测得点（点群）的分析拟合，最终还原出被测的几何元素，并在此基础上计算其与理论值（名义值）之间的偏差，从而完成对被测零件的检验工作。

DMIS简介 1984年伊利诺斯技术研究中心和数家主要三坐标测量机生产厂商及用户发起了旨在实现测量机数据交换的CAM—I项目。随着1990年DMIS 2.1被认可为CAD数据和测量机接口的ANSI标准(ANSI CAM—I 101)，许多公司纷纷采用DMIS作为测量程序的编程语言，坐标测量机生产商也纷纷推出了带有DMIS前、后处理器的测量系统。1996年发布了DMIS3．0，目前最新的DMIS标准是DMIS4．0。

DMIS语言主要由测量控制语句和测量要素定义两部分组成，其中测量控制语句包括流程控制语句(主要是条件和循环)和机器参数选择和控制(测量臂和探针的选择、探针的运动等)。测量要素定义包括被测几何元素、公差带、坐标系及其

他描述CAD模型的数据。

DMIS的语法结构类似于NC编程语言APT，在主词和附词之间用“／”隔开，JUMPTO指令实现分支和循环。一般而言，DMIS程序由以下几部分组成：

a．定义机器运行模式和显示设备等；

b．定义测量臂和探针；

c．定义变量；

d．定义公差带；

e．建立坐标系；

f．测量几何要素；

g．评定几何要素。

如图l所示，可以通过多种方法得到DMIS文件。