三坐标测量仪工作原理

发布时间:2019-03-20   来源:未知    
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三坐标测量仪的工作原理
一、三坐标测量机的产生
  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。
  二、三坐标测量机的组成及工作原理
  (一)CMM的组成
  三坐标测量机是典型的机电一体化设备,它由机械系统和电子系统两大部分组成。
  (1)机械系统:一般由三个正交的直线运动轴构成。X向导轨系统装在工作台上,移动桥架横梁是Y向导轨系统,Z向导轨系统装在中央滑架内。三个方向轴上均装有光栅尺用以度量各轴位移值。人工驱动的手轮及机动、数控驱动的电机一般都在各轴附近。用来触测被检测零件表面的测头装在Z轴端部。
  (2)电子系统:一般由光栅计数系统、测头信号接口和计算机等组成,用于获得被测坐标点数据,并对数据进行处理。
  (二)CMM的工作原理
  三坐标测量机是基于坐标测量的通用化数字测量设备。它首先将各被测几何元素的测量转化为对这些几何元素上一些点集坐标位置的测量,在测得这些点的坐标位置后,再根据这些点的空间坐标值,经过数**算求出其尺寸和形位误差。如图9-2所示,要测量工件上一圆柱孔的直径,可以在垂直于孔轴线的截面I内,触测内孔壁上三个点(点1、2、3),则根据这三点的坐标值就可计算出孔的直径及圆心坐标OI;如果在该截面内触测更多的点(点1,2,…,n,n为测点数),则可根据最小二乘法或最小条件法计算出该截面圆的圆度误差;如果对多个垂直于孔轴线的截面圆(I,II,…,m,m为测量的截面圆数)进行测量,则根据测得点的坐标值可计算出孔的圆柱度误差以及各截面圆的圆心坐标,再根据各圆心坐标值又可计算出孔轴线位置;如果再在孔端面A上触测三点,则可计算出孔轴线对端面的位置度误差。由此可见,CMM的这一工作原理使得其具有很大的通用性与柔性。从原理上说,它可以测量任何工件的任何几何元素的任何参数。
  三、三坐标测量机的分类
  (一)按CMM的技术水平分类
  1.数字显示及打印型
  这类CMM主要用于几何尺寸测量,可显示并打印出测得点的坐标数据,但要获得所需的几何尺寸形位误差,还需进行人工运算,其技术水平较低,目前已基本被陶汰。
  2.带有计算机进行数据处理型
  这类CMM技术水平略高,目前应用较多。其测量仍为手动或机动,但用计算机处理测量数据,可完成诸如工件安装倾斜的自动校正计算、坐标变换、孔心距计算、偏差值计算等数据处理工作。
  3.计算机数字控制型
  这类CMM技术水平较高,可像数控机床一样,按照编制好的程序自动测量。
  (二)按CMM的测量范围分类
  1.小型坐标测量机
  这类CMM在其最长一个坐标轴方向(一般为X轴方向)上的测量范围小于500mm,主要用于小型精密模具、工具和刀具等的测量。
  2.中型坐标测量机
  这类CMM在其最长一个坐标轴方向上的测量范围为500~2000mm,是应用最多的机型,主要用于箱体、模具类零件的测量。
  3.大型坐标测量机
  这类CMM在其最长一个坐标轴方向上的测量范围大于2000mm,主要用于汽车与发动机外壳、航空发动机叶片等大型零件的测量。
  (三)按CMM的精度分类
  1.精密型CMM
  其单轴最大测量不确定度小于1×10-6L(L为最大量程,单位为mm),空间最大测量不确定度小于(2~3)×10-6L,一般放在具有恒温条件的计量室内,用于精密测量。
  2.中、低精度CMM
  低精度CMM的单轴最大测量不确定度大体在1×10-4L左右,空间最大测量不确定度为(2~3)×10-4L,中等精度CMM的单轴最大测量不确定度约为1×10-5L,空间最大测量不确定度为(2~3)×10-5L。这类CMM一般放在生产车间内,用于生产过程检测。
  (四)按CMM的结构形式分类
  按照结构形式,CMM可分为移动桥式、固定桥式、龙门式、悬臂式、立柱式等,见下节。
  第二节 三坐标测量机的机械结构
  一、结构形式
  三坐标测量机是由三个正交的直线运动轴构成的,这三个坐标轴的相互配置位置(即总体结构形式)对测量机的精度以及对被测工件的适用性影响较大。
  二、工作台
  早期的三坐标测量机的工作台一般是由铸铁或铸钢制成的,但近年来,各生产厂家已广泛采用花岗岩来制造工作台,这是因为花岗岩变形小、稳定性好、耐磨损、不生锈,且价格
  低廉、易于加工。有些测量机装有可升降的工作台,以扩大Z轴的测量范围,还有些测量机备有旋转工作台,以扩大测量功能。
  三、导轨
  导轨是测量机的导向装置,直接影响测量机的精度,因而要求其具有较高的直线性精度。在三坐标测量机上使用的导轨有滑动导轨、滚动导轨和气浮导轨,但常用的为滑动导轨和气浮导轨,滚动导轨应用较少,因为滚动导轨的耐磨性较差,刚度也较滑动导轨低。在早期的三坐标测量机中,许多机型采用的是滑动导轨。滑动导轨精度高,承载能力强,但摩擦阻力大,易磨损,低速运行时易产生爬行,也不易在高速下运行,有逐步被气浮导轨取代的趋势。目前,多数三坐标测量机已采用空气静压导轨(又称为气浮导轨、气垫导轨),它具有许多优点,如制造简单、精度高、摩擦力极小、工作平稳等。
  气浮技术的发展使三坐标测量机在加工周期和精度方面均有很大的突破。目前不少生产厂在寻找高强度轻型材料作为导轨材料,有些生产厂已选用陶瓷或高膜量型的碳素纤维作为移动桥架和横梁上运动部件的材料。另外,为了加速热传导,减少热变形,ZEISS公司采用带涂层的抗时效合金来制造导轨,使其时效变形极小且使其各部分的温度更加趋于均匀一致,从而使整机的测量精度得到了提高,而对环境温度的要求却又可以放宽些。
  第三节 三坐标测量机的测量系统
  三坐标测量机的测量系统由标尺系统和测头系统构成,它们是三坐标测量机的关键组成部分,决定着CMM测量精度的高低。
  一、标尺系统
  标尺系统是用来度量各轴的坐标数值的,目前三坐标测量机上使用的标尺系统种类很多,它们与在各种机床和仪器上使用的标尺系统大致相同,按其性质可以分为机械式标尺系统(如精密丝杠加微分鼓轮,精密齿条及齿轮,滚动直尺)、光学式标尺系统(如光学读数刻线尺,光学编码器,光栅,激光干涉仪)和电气式标尺系统(如感应同步器,磁栅)。根据对国内外生产CMM所使用的标尺系统的统计分析可知,使用最多的是光栅,其次是感应同步器和光学编码器。有些高精度CMM的标尺系统采用了激光干涉仪。
(一)测头
  三坐标测量机是用测头来拾取信号的,因而测头的性能直接影响测量精度和测量效率,没有先进的测头就无法充分发挥测量机的功能。在三坐标测量机上使用的测头,按结构原理可分为机械式、光学式和电气式等;而按测量方法又可分为接触式和非接触式两类。
  1.机械接触式测头
  机械接触式测头为刚性测头,根据其触测部位的形状,可以分为圆锥形测头、圆柱形测头、球形测头、半圆形测头、点测头、V型块测头等(如图9-5所示)。这类测头的形状简单,制造容易,但是测量力的大小取决于操作者的经验和技能,因此测量精度差、效率低。目前除少数手动测量机还采用此种测头外,绝大多数测量机已不再使用这类测头。
  2.电气接触式测头
  电气接触式测头目前已为绝大部分坐标测量机所采用,按其工作原理可分为动态测头和静态测头。
  (1)动态测头
  测杆安装在芯体上,而芯体则通过三个沿圆周1200分布的钢球安放在三对触点上,当测杆没有受到测量力时,芯体上的钢球与三对触点均保持接触,当测杆的球状端部与工件接触时,不论受到X、Y、Z哪个方向的接触力,至少会引起一个钢球与触点脱离接触,从而引起电路的断开,产生阶跃信号,直接或通过计算机控制采样电路,将沿三个轴方向的坐标数据送至存储器,供数据处理用。
  可见,测头是在触测工件表面的运动过程中,瞬间进行测量采样的,故称为动态测头,也称为触发式测头。动态测头结构简单、成本低,可用于高速测量,但精度稍低,而且动态测头不能以接触状态停留在工件表面,因而只能对工件表面作离散的逐点测量,不能作连续的扫描测量。目前,绝大多数生产厂选用英国RENISHAW公司生产的触发式测头。
  (2)静态测头
  静态测头除具备触发式测头的触发采样功能外,还相当于一台超小型三坐标测量机。测头中有三维几何量传感器,在测头与工件表面接触时,在X、Y、Z三个方向均有相应的位移量输出,从而驱动伺服系统进行自动调整,使测头停在规定的位移量上,在测头接近静止的状态下采集三维坐标数据,故称为静态测头。静态测头沿工件表面移动时,可始终保持接触状态,进行扫描测量,因而也称为扫描测头。其主要特点是精度高,可以作连续扫描,但制造技术难度大,采样速度慢,价格昂贵,适合于高精度测量机使用。目前由LEITZ、ZEISS和KERRY等厂家生产的静态测头均采用电感式位移传感器,此时也将静态测头称为三向电感测头。图9-7为ZEISS公司生产的双片簧层叠式三维电感测头的结构。
  测头采用三层片簧导轨形式,三个方向共有三层,每层由两个片簧悬吊。转接座17借助两个X向片簧16构成的平行四边形机构可作X向运动。该平行四边形机构固定在由Y向片簧1构成的平行四边形机构的下方,借助片簧1,转接座可作Y向运动。Y向平行四边形机构固定在由Z向片簧3构成的平行四边形机构的下方,依靠它的片簧,转接座可作Z向运动。为了增强片簧的刚度和稳定性,片簧中间为金属夹板。为保证测量灵敏、精确,片簧不能太厚,一般取0.1mm。由于Z向导轨是水平安装,故用三组弹簧2、14、15加以平衡。可调弹簧14的上方有一螺纹调节机构,通过平衡力调节微电机10转动平衡力调节螺杆11,使平衡力调节螺母套13产生升降来自动调整平衡力的大小。为了减小Z向弹**受剪切力而产生变位,设置了弹簧2和15,分别用于平衡测头Y向和X向部件的自重。在每一层导轨中各设置有三个部件:①锁紧机构:如图9-7b所示,在其定位块24上有一凹槽,与锁紧杠杆22上的锁紧钢球23精确配合,以确定导轨的“零位”。在需打开时,可让电机20反转一角度,则此时该向导轨处于自由状态。需锁紧时,再使电机正转一角度即可。②位移传感器:用以测量位移量的大小,如图9-7c所示,在两层导轨上,一面固定磁芯27,另一面固定线圈26和线圈支架25。③阻尼机构:用以减小高分辨率测量时外界振动的影响。如图9-7d所示,在作相对运动的上阻尼支架28和下阻尼支架31上各固定阻尼片29和30,在两阻尼片间形成毛细间隙,中间放入粘性硅油,使两层导轨在运动时,产生阻尼力,避免由于片簧机构过于灵敏而产生振荡。
  (3)光学测头
  在多数情况下,光学测头与被测物体没有机械接触,这种非接触式测量具有一些突出优点,主要体现在:
 
 
1)由于不存在测量力,因而适合于测量各种软的和薄的工件;
2)由于是非接触测量,可以对工件表面进行快速扫描测量;
3)多数光学测头具有比较大的量程,这是一般接触式测头难以达到的;
4)可以探测工件上一般机械测头难以探测到的部位。近年来,光学测头发展较快,目前在坐标测量机上应用的光学测头的种类也较多,如三角法测头、激光聚集测头、光纤测头、体视式三维测头、接触式光栅测头等。下面简要介绍一下三角法测头的工作原理。
 
(二)测头附件
  为了扩大测头功能、提高测量效率以及探测各种零件的不同部位,常需为测头配置各种附件,如测端、探针、连接器、测头回转附件等。
  1.测端
  对于接触式测头,测端是与被测工件表面直接接触的部分。对于不同形状的表面需要采用不同的测端。图9-9为一些常见的测端形状。
 
  2.探针
  探针是指可更换的测杆。在有些情况下,为了便于测量,需选用不同的探针。探针对测量能力和测量精度有较大影响,在选用时应注意:1)在满足测量要求的前提下,探针应尽量短;2)探针直径必须小于测端直径,在不发生干涉条件下,应尽量选大直径探针;3)在需要长探针时,可选用硬质合金探针,以提高刚度。若需要特别长的探针,可选用质量较轻的陶瓷探针。
  3.连接器
  为了将探针连接到测头上、测头连接到回转体上或测量机主轴上,需采用各种连接器。常用的有星形探针连接器、连接轴、星形测头座等。
  4.回转附件
  对于有些工件表面的检测,比如一些倾斜表面、整体叶轮叶片表面等,仅用与工作台垂直的探针探测将无法完成要求的测量,这时就需要借助一定的回转附件,使探针或整个测头回转一定角度再进行测量,从而扩大测头的功能。
  常用的回转附件为测头回转体。它可以绕水平轴A和垂直轴B回转,在它的回转机构中有精密的分度机构,其分度原理类似于多齿分度盘。在静盘中有48根沿圆周均匀分布的圆柱,而在动盘中有与之相应的48个钢球,从而可实现以7.5o为步距的转位。它绕垂直轴的转动范围为360o,共48个位置,绕水平轴的转动范围为0o~105o,共15个位置。由于在绕水平轴转角为0o(即测头垂直向下)时,绕垂直轴转动不改变测端位置,这样测端在空间一共可有48×14+1=673个位置。能使测头改变姿态,以扩展从各个方向接近工件的能力。目前在测量机上使用较多的测头回转体为RENISHAW公司生产的各种测头回转体,
 
  第四节 三坐标测量机的控制系统
  一、控制系统的功能
  控制系统是三坐标测量机的关键组成部分之一。其主要功能是:读取空间坐标值,控制测量瞄准系统对测头信号进行实时响应与处理,控制机械系统实现测量所必需的运动,实时监控坐标测量机的状态以保障整个系统的安全性与可靠性等。
二、控制系统的结构
  按自动化程度分类,坐标测量机分为手动型、机动型和CNC型。早期的坐标测量机以手动型和机动型为主,其测量是由操作者直接手动或通过操纵杆完成各个点的采样,然后在计算机中进行数据处理。随着计算机技术及数控技术的发展,CNC型控制系统变得日益普及,它是通过程序来控制坐标测量机自动进给和进行数据采样,同时在计算机中完成数据处理。
  1.手动型与机动型控制系统
  这类控制系统结构简单,操作方便,价格低廉,在车间中应用较广。这两类坐标测量机的标尺系统通常为光栅,测头一般采用触发式测头。其工作过程是:每当触发式测头接触工件时,测头发出触发信号,通过测头控制接口向CPU发出一个中断信号,CPU则执行相应的中断服务程序,实时地读出计数接口单元的数值,计算出相应的空间长度,形成采样坐标值X、Y和Z,并将其送入采样数据缓冲区,供后续的数据处理使用。
  2.CNC型控制系统
  CNC型控制系统的测量进给是计算机控制的。它可以通过程序对测量机各轴的运动进行控制以及对测量机运行状态进行实时监测,从而实现自动测量。另外,它也可以通过操纵杆进行手工测量。CNC型控制系统又可分为集中控制与分布控制两类。
  (1)集中控制
  集中控制由一个主CPU实现监测与坐标值的采样,完成主计算机命令的接收、解释与执行、状态信息及数据的回送与实时显示、控制命令的键盘输入及安全监测等任务。它的运动控制是由一个独立模块完成的,该模块是一个相对独立的计算机系统,完成单轴的伺服控制、三轴联动以及运动状态的监测。从功能上看,运动控制CPU既要完成数字调节器的运算,又要进行插补运算,运算量大,其实时性与测量进给速度取决于CPU的速度。
  (2)分布式控制
  分布式控制是指系统中使用多个CPU,每个CPU完成特定的控制,同时这些CPU协调工作,共同完成测量任务,因而速度快,提高了控制系统的实时性。另外,分布式控制的特点是多CPU并行处理,由于它是单元式的,故维修方便、便于扩充。如要增加一个转台只需在系统中再扩充一个单轴控制单元,并定义它在总线上的地址和增加相应的软件就可以了。
  三、测量进给控制
  手动型以外的坐标测量机是通过操纵杆或CNC程序对伺服电机进行速度控制,以此来控制测头和测量工作台按设定的轨迹作相对运动,从而实现对工件的测量。三坐标测量机的测量进给与数控机床的加工进给基本相同,但其对运动精度、运动平稳性及响应速度的要求更高。三坐标测量机的运动控制包括单轴伺服控制和多轴联动控制。单轴伺服控制较为简单,各轴的运动控制由各自的单轴伺服控制器完成。但当要求测头在三维空间按预定的轨迹相对于工件运动时,则需要CPU控制三轴按一定的算法联动来实现测头的空间运动,这样的控制由上述单轴伺服控制及插补器共同完成。在三坐标测量机控制系统中,插补器由CPU程序控制来实现。根据设定的轨迹,CPU不断地向三轴伺服控制系统提供坐标轴的位置命令,单轴伺服控制系统则不断地跟踪,从而使测头一步一步地从起始点向终点运动。
  四、控制系统的通信
  控制系统的通信包括内通信和外通信。内通信是指主计算机与控制系统两者之间相互传送命令、参数、状态与数据等,这些是通过联接主计算机与控制系统的通信总线实现的。外通信则是指当CMM作为FMS系统或CIMS系统中的组成部分时,控制系统与其它设备间的通信。目前用于坐标测量机通信的主要有串行RS-232标准与并行IEEE-488标准。
  第五节 三坐标测量机的软件系统
  现代三坐标测量机都配备有计算机,由计算机来采集数据,通过运算输出所需的测量结果。其软件系统功能的强弱直接影响到测量机的功能。因此各坐标测量机生产厂家都非常重视软件系统的研究与开发,在这方面投入的人力和财力的比例在不断增加。下面对在三坐标测量机中使用的软件作简要介绍。
  一、编程软件
  为了使三坐标测量机能实现自动测量,需要事前编制好相应的测量程序。而这些测量程序的编制有以下几种方式。
  (一)图示及窗口编程方式
  图示及窗口编程是最简单的方式,它是通过图形菜单选择被测元素,建立坐标系,并通过“窗口”提示选择操作过程及输入参数,编制测量程序。该方式仅适用于比较简单的单项几何元素测量的程序编制。
  (二)自学习编程方式
  这种编程方式是在CNC测量机上,由操作者引导测量过程,并键入相应指令,直到完成测量,而由计算机自动记录下操作者手动操作的过程及相关信息,并自动生成相应的测量程序,若要重复测量同种零件,只需调用该测量程序,便可自动完成以前记录的全部测量过程。该方式适合于批量检测,也属于比较简单的编程方式。
  (三)脱机编程
  这种方式是采用三坐标测量机生产厂家提供的专用测量机语言在其它通用计算机上预先编制好测量程序,它与坐标测量机的开启无关。编制好程序后再到测量机上试运行,若发现错误则进行修改。其优点是能解决很复杂的测量工作,缺点是容易出错。
  (四
四、系统工作软件
  测量软件系统必须配置一些属于协调和辅助性质的工作软件,其中有些是必备的,有些用于扩充功能。
  (1)测头管理软件:用于测头校准、测头旋转控制等;
  (2)数控运行软件:用于测头运动控制;
  (3)系统监控软件:用于对系统进行监控(如监控电源、气源等);
  (4)编译系统软件:用此程序编译,生成运行目标码;
  (5)DMIS接口软件:用于翻译DMIS格式文件;
  (6)数据文件管理软件:用于各类文件管理;
  (7)联网通讯软件:用于与其他计算机实现双向或单向通讯。

图说天下

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