（精密仪器及机械专业论文）多维坐标结晶器内腔尺寸自动测量机的研制(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

多维坐标结晶器内腔尺寸自动测量机的研制 摘要 三坐标测量机( c m m ) 是一种通用性强、自动化程度高、高精度、高效 率的测量系统，在先进制造技术和科学研究中有着极为广泛的应用。它将几何 元素的测量转化为几何元素上点集坐标位置的测量，并通过数据处理软件按一 定的算法和评定准则得到几何元素的尺寸、形状、相对位置及误差。三坐标测 量机以精密机械为基础，综合应用了光学、电子技术、计算机技术等先进技术。 它主要包括测量机机体、电气系统、测头和软件系统四大部分。 本课题受企业委托，研制一台专门用于工字钢结晶器内腔尺寸测量的测量 机。该尺寸测量机的实质就是一台三坐标测量机，具有一般三坐标测量机的常 用功能。本文主要结合课题的实际研究过程，介绍了多维坐标结晶器内腔尺寸 自动测量机的研制情况。主要包括尺寸测量机主机的机械结构设计、电气系统 的选型和使用以及软件部分。测量机的软件部分又包括测量数学模型的建立、 测头的校正、坐标系的建立、测量运动的控制、测量路径的规划等等。 本课题的机械部分和电气部分已经基本完成，本文中建立的软件部分也可 以在v c + + 的平台上模拟实现，但具体的实测软件还在调试中。 关键词：三坐标测量机测头校正运动控制路径规划 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fam u l t i d i m e n s i o n a lc o o r d i n a t e m e a s u r i n gm a c h i n ef o rt h ei n s i d e s i z em e a s u r i n g o ft h ei - s t e e lc r y s t a l l i z a t i o nd e v i c e a b s t r a c t ac o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ( c m m ) i sak i n do fw i d e l yu s e d ，h i g h l ya u t o m a t e d m e a s u r i n gm a c h i n ew i t hh i g ha c c u r a c ya n de f f i c i e n c y t h em a i n l yu s e df i e l da r ea d v a n c e d m a n u f a c t u r ea n ds c i e n c er e s e a r c h t h ec m mc o l l e c t st h ep o i n t s c o o r d i n a t e so ft h e g e o m e t r i ce l e m e n t si n s t e a do ft h ee l e m e n t st h e m s e l v e s a c c o r d i n gt os o m ea l g o r i t h m sa n d a s s e s s m e n tr u l e s ，t h ed a t ap r o c e s s i n gs o f t w a r ec a nt u r nt h ec o o r d i n a t e si n t od i m e n s i o n ， f o r ma n dp o s i t i o ne r r o r t h ec m mb a s e do np r e c i s em e c h a n i s mi n t e g r a t e st h ea p p l i c a t i o n o fo p t i c s e l e c t r o n i c sa n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y t h em a j o rp a r t so fc m ma r e ：m a i nb o d y , e l e c t r i c a ls y s t e m ，p r o b es y s t e ma n ds o f t w a r e t h ep r o j e c ti ss p o n s o r e db ya l l e n t e r p r i s et od e v e l o pas p e c i a l i z e dm u l t i d i m e n s i o n a l c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n ef o rt h es i z e m e a s u r i n go ft h ei - s t e e lc r y s t a l l i z a t i o nd e v i c e a c t u a l l yi ti sac m ma n dh a st h ec o n l m o nf u n c t i o n t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n t o ft h es p e c i a l i z e dm u l t i d i m e n s i o n a lc m m a f t e rs u m m a r i z i n gt h em e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，t h e s e l e c t i o na n da p p l i c a t i o no ft h ee l e c t r i c a ls y s t e m ，t h es o f t w a r eo ft h em e a s u r i n gm a c h i n e a r ee m p h a s i z e di nt h ep a p e r t h es o f t w a r ei n c l u d e st h em o d e l i n g ，p r o b eq u a l i f i c a t i o n ， c o o r d i n a t e s s e t t i n g ，d e s i g no f m o t i o nc o n t r o ls y s t e m ，p a t h - p l a r m i n go f m e a s u r e m e n ta n d s o 0 1 1 t h em e c h a n i c a lp a r ta n de l e c t r i cp a r to ft h es p e c i a l i z e dm u l t i d i m e n s i o n a lc o o r d i n a t e m e a s u r i n gm a c h i n eh a v eb e e nc o m p l e t e do nt h ew h o l e 。t h o u g ht h es o f t w a r es y s t e mi ss t i l l i nd e v e l o p i n g ，t h es i m u l a t i o nh a sb e e na c h i e v e do nt h ef o u n d a t i o no f v c + + k e y w o r d s ：c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e s ，p r o b eq u a l i f i c a t i o n ，m o t i o nc o n t r o l ， p a t h - p l a n n i n g 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕士 学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席：刍一妒名j 友t 孑密梭 委员： 钐乞红7 犏馓 归。众洌从芬赧次 翩：嘲鹏夕骘锋屿圆睁 插图清单 图1 1 工字钢结晶器 图1 2 多维坐标结晶器内腔尺寸测量机结构图 图2 1 前哨公司生产的测量机 图2 2g l o b a l 系列 图3 1 测量机结构图 图3 2 测量机结构简图 图3 3 探针示意图 图3 4 星形测头 图3 5 测头电路图 图4 1 位置控制系统框图， 圈4 2 驱动器与编码器连线图 图4 3 驱动器c ni f 口管脚图， 图4 4 运动控制框图 图4 5p c i 8 1 6 4 结构图 图4 6 单脉冲信号图 图4 7 双脉冲信号图 图4 8 梯形速度运动模式 图4 9s 一曲线运动模式 图4 1 0 寄存器工作示意图 图4 1 1 手轮连线示意图 图5 1 坐标系的平移和旋转 图5 2 坐标变换， 图6 1 测头校正示意图 图6 2 多测头标定原理图 图6 3 测量内腔示意图一 图6 4 测量示意图。 图6 5 坐标系示意图 图6 6 触测方法示意图一 图6 7 触测方法示意圈二一 图6 9 倾斜面测量图 卫oj加”挎如扒丝m m孔如强弱卯柏如如钻 表4 1 错误中断表 表4 2 事件中断表 表格清单 2 8 2 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金蟹王些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 _ 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 签字日期：年月臼 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒8 墨王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒胆王些太堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 签字日期；年月 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名 签字日期：年月日 电话： 邮编： 致谢 本人的硕士论文能够顺利完成，首先要感谢导师胡鹏浩副教授在研究生阶 段对我的悉心指导和关心帮助。不论在课题研究还是在生活的其它方面，胡老 师总是竭尽所能为我提供帮助和指导。胡老师为人师表的学者风范和极富魅力 的个人品质让我由衷敬佩! 非常感谢费业泰教授在这三年来对我的教导和关怀。在我的导师出国学习 期间，费老师对我关爱有加。在进入费老师领导的课题之后，更是对我严格督 导。费老师的学问和个人风范都是我今后学习的楷模j 非常感谢周耀新老师对我的指导和帮助。周老师头脑灵活，具有丰富的工 程经验和理论功底，一直带领我们进行课题研究。感谢陈晓怀等老师对我的关 心和帮助。 感谢师弟章立军，这一年多来他和我一起为了课题而共同努力，特别是后 期，我们的合作更加紧密，并且富有成效。谢谢他的支持! 感谢同学和师弟师妹们，他们在学习和生活上都给我提供了很多便利和帮 助。 感谢我的朋友们。三年的生活，风风雨雨，是你们的陪伴让我以更好的状 态成长。点点滴滴我都铭记于心，我以后会更努力，更成熟。 最后感谢我的父母和弟弟。家庭是我温暖的港湾，是我前进和奋斗的原动 力。 作者；陈宇 2 0 0 5 年4 月 第一章绪论 1 1 引言 三坐标测量机是近五十年来发展起来的大型精密的测量仪器，它集机械、 光学、电气和计算机技术于一体，是当前最重要的几何量测量工具之一。目前 广泛应用于机械制造、电子、汽车和航空航天等工业中。由于它通用型强、测 量范围大、精度高、效率高、性能好且能与柔性制造系统相连接，已成为一类 大型测量精密仪器，有“测量中心”之称。 三坐标测量机作为现代大型精密仪器，既可方便地进行空间三维尺寸的测 量，又可实现在线检测及自动化测量i l 】。它的优点有：1 通用型强，可实现空 间坐标点位的测量，方便地测量出各种零件的三维轮廓尺寸和位置精度；2 钡4 量精确可靠；3 可方便地进行数据处理与软件的程序控制。因此，三坐标测量 机可纳入自动化生产与柔性加工线中，并发挥重要作用。 目前，国内外的三坐标测量机正在迅速发展，并在近几年出现了许多新的 动向和趋势。激光干涉标尺在测量机中得到了更多的应用，从而提高了测量机 的标尺精度，测量机的结构精度特别是重复精度也成为提高测量精度的重点之 一，采取适当的采样策略、减小环境因素带来的影响都可以显著提高测量精度 1 2 ：测量效率随着结构设计的改进、新型材料的使用、测量方式的改善和控制 系统性能的提高而不断提高。 三坐标测量机的软件功能更加强大，不仅包括坐标系的转换、测端半径补 偿、控制软件、数据处理软件还包括误差补偿较件、c a d 和c a m 网络通信软 件、统计软件、专用测量软件等，操作界面日益完善【。三坐标测量的探测技 术尤其是非接触探测技术是近年来发展的重要方向，特别是光学非接触测头在 微电子工业应用十分广泛。激光全息成像技术和c c d 光学传感技术更是近年来 的热点。已经有公司开发出来相关的产品，如英国的t a y l o r h o b s o n 公司的 h o l o m a p p e r 和s u r f a c e 系列【4 j ，就是采用了这种全封闭式的技术，可以测量尺 寸不超过3 0 0 3 0 0 ( 搋血) 的工件平面度和体积。而具有高精度、较大量程、 能用于扫描测量的模拟浏头，以及能伸入小孔、可转位、高灵敏度、高精度， 能完成复杂零件内外形及难于检测部位的测量任务的专用测头也是探测技术发 展的重要趋势。 在材料上，近年来，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，并且极大的改善了测量机的性能【5 1 。基于三角法 的非正交坐标测量系统随着三坐标测量机的车间化越来越广泛地应用于车间大 尺寸测量中，是近年来的重要发展方向之一。而环境因素特别是温度和振动的 影响也是三坐标测量精度研究的热点，在高精度测量机的研发中，这是影响精 度的重耍因素也是研究的难点之一。 国外著名的生产厂家有德国的z e i s s 意大利的c o o r d 3 和d e a 、美国的 b r o w n & s h a r p e ，日本的m i t u t o y o 、英国的d i s c 和l k 等公司。德国w e r t h 公 司的通用型和精密型多功能测量机【6 】【7 】，配有视像测头、接触式测头、可跟踪 8 0 0 倾斜面的激光测头和半径仅为1 2 5 的光纤测头，分辨率达o o lum ，测量 误差可达o 5 + l 5 0 0 um 。该公司的w i n w e r t h 三维测量软件采用了影像处理 技术，具有自动识别测量几何元素的功能，还可以与c a d 系统连接实现自动 编程。美国c i m c o r e 公司的便携式三坐标测量机，其测量臂采用碳素纤维材 料，各关节可以无限旋转，测量无死点，并且在快速更换测头后无需重新校准， 可由软件自动识别。美国f a r 0 公司的便携式三坐标测量机，装有温度补偿器， 测量精度高达4 - 0 0 2 5 m m 。r e n i s h a w 公司的测头一直是三坐标测量界的领路 着，它的触发式测头速度高达2 点秒，而接触式扫描测头采用磁性连接，速度 可达3 0 0 m m s ，非接触式光学扫描测头中，点激光测头重复性o 0 0 2 m m ，精度 达0 0 t m m ，扫描速度为5 0 点秒：线激光测头的采样率1 9 2 0 0 点秒，精度则 高达8 2 0um 。我国的主要生产厂家有青岛的海克斯康公司( 原青岛前哨公 司) ，它占有了中国5 5 以上的市场。该公司的g l o b a l 系列测量机具有通用 的设计框架，控制系统和软硬件结合，采用全铝技术、精密三角梁技术、钢丝 增强闭环同步带驱动等，处于国内领先水平。 1 2 课题来源与研究目的 本课题的项目名称为：多维坐标结晶器内腔尺寸自动测量机。委托方为马 鞍山钢铁股份有限公司第三炼钢厂。 热轧h 型钢是截面为工字形的长条钢材，是建筑钢结构中使用的重要钢材， 特别是在一大批国家重点工程项目中得到了广泛的应用。热轧h 型钢以其优越 的性能广泛使用于民用建筑锅结构和工业构筑钢结构中，还有大跨度钢桥构件、 机械设备制造、车辆及船舶制造、抗震防火等临时建筑；海上石油平台等。 翻1 1 工字钢结晶器 马鞍山钢铁股份有限公司是我国最 大h 型钢生产基地。工字钢结晶器是生产 h 型钢的模具，如图1 1 所示，其内腔尺 寸精度的离低直接影响工字钢的尺寸精 度。该公司引进了德国西门子的全套自动 化生产线，生产出的工字钢结晶器具有较 高的精度和优良的品质。为了确保工字钢 结晶器在使用一段时间后的尺寸磨损在 规定的公差范围内，必须定期对其内腔进 行尺寸检测。从而确保工字钢生产线合格 生产的要求。而目前国内各钢铁公司大都采用标准量具如游标卡尺对结晶器进 行手工测量，只能测得有限几个尺寸，不仅精度低，而且测量结果并不能完全 描述结晶器的磨损情况。因此需要设计高精度的专用测量机对结晶器内腔进行 自动检测。 图1 2 多维坐标结晶器内腔尺 寸测量机结构图 本课题提出的尺寸测量机基于 三坐标测量原理。除了具有般三 坐标测量机的各项功能，还能进行 针对工字钢结晶器的自动测量。自 动测量结束后，经过相关的数据处 理，得到工字钢结晶器的主要参数， 并根据已知指标进行相关判断，给 出结晶器的磨损情况报告。 一般三坐标测量机的结构类型 川有桥框式( 可分为移动桥式和固 定桥式) 、龙门式和悬臂式( 包括水 平臂式) 、坐标镗式、卧镗式、仪器 台式、极坐标式。由于工字钢结晶 器的测量地点是在车问内，考虑到 装夹的方便和结晶器的形状要求， 本项目提出的尺寸测量机结构方案为悬臂式。工作台为双层结构，实现x y 方 向的运动。 测量机的运动控制系统使用数字式交流伺服系统。这种伺服系统的驱动器 对交流伺服电机轴后端部的光电编码器进行位置采样，在驱动器和电机之间构 成位置和速度的闭环控制系统。位置控制分辨高，可靠性好。 通常高精度的三坐标测量机其位置环的采样，直接采自装在最后一级机械 上的位置反馈元件( 如光栅尺、磁栅尺、旋转编码器等) ，而伺服电机上的编码 器仅作为速度环的反馈，这样就可以消除机械上存在的一切间隙，并且还可以 对机械传动上出现的误差进行补偿，达到真正全闭环的功能，实现高精度的位 罱控制。但是工业现场条件极为恶劣，而光栅尺磁栅尺等位置反馈元件对环境 要求很高，显然难以应用。再综合精度要求和经济因素，可以采用半闭环控制 系统，即位置环的反馈采样取自伺服电枫的编码器，对于传动链上的间隙及误 差依靠后继软件补偿克服，形成半闭环的位置控制系统。 该尺寸测量机的设计示值范围；9 0 0 ( 高) 8 0 0 ( 长) x 6 0 0 ( 宽) m m ； 最小分辨率：0 0 0 2 m m ；测量不确定度：u 一0 0 5 m m 。 1 3 论文研究的主要内容 本论文根据课题的实际研究情况，主要介绍多维坐标结晶器内腔尺寸自动 测量机的整机研制所涉及的主要技术和相关内容。 1 1 简单介绍了三坐标测量机的基础知识，包括三坐标测量杌的历史、发展、 组成和分类情况。 2 ) 介绍了结晶器内腔尺寸测量机的机械设计与结构情况，包括测量机的主 机、精密滚动导轨副、滚珠丝杆副和电气测头的选型设计。 3 】详细介绍了结晶器内腔尺寸测量机的控制系统。分别有测量机的驱动机 构一一交流伺服电机、三轴运动控制系统、手动( 手轮) 控制系统和电 气控制柜的结构设计以及电源等。 4 ) 介绍了基本的三坐标测量机的测量数学模型，并给出了结晶器内腔尺寸 测量机所用到的数学模型的程序实现。 5 ) 介绍了结晶器内腔尺寸测量机的软件系统设计，以及测头校正、探测方 法、机器坐标系与零件坐标系的建立、测量路径的设计等等，对这些核 心技术进行了研究。 4 第二章三坐标测量机简介 三坐标测量机是近几十年来随着电子技术、计算机技术的发展而发展起来 的一种精密测量仪器。在汽车工业、机械制造工业、电子工业、船舶工业和航 天航空工业中，三坐标测量机检测着各种各样的零件：从精密零件到冲压或板 余件，从细小零件到汽车整车，从量规到粗糙的铸件和柔软的零件，以及模具、 精密铸件等。既可以进行零件和部件的尺寸、形状的测量，又可以进行相互位 置和各种形状位置误差的测量，还可用于划线、光刻集成线路、数控测量等， 对各种空间自由曲面等复杂形面的检测尤为适用。 2 1 三坐标测量机技术的历史 随着光栅的出现，英国f e r r a n t i 公司于1 9 5 6 年生产出第一台三坐标测量机， 可以测量任意物件的尺寸、形状和位鼹，当时被称为万能测量机。四年后d e a 推出大型三坐标测量机，量程为2 5 0 0 1 6 0 0 6 0 0 m m 。随后r e n i s h a w 公司引 发了测头技术的进步，推出了接触式触发测头。在1 9 7 4 年b r o w n & s h a r p 公司 着眼于控制系统，开发了数控测量机，并于1 9 8 9 年研制了基于c a d 系统的测 量软件。现如今，随着三坐标测量技术突飞猛进的发展，三坐标测量机已经广 泛应用于实际生产和研究开发的各个领域 图2 1 前峭公司生产的测量机 图2 2g l o b a l 系列 我国三坐标测量机的研制开始于七十年代中期，这些研制单位有北京3 0 3 所、上海机床厂、北京第二机床厂、北京机床研究所、上海第三机床厂、天津 大学等，由于技术密集性较高，涉及光、机、电等技术领域，限于当时封闭式 的研制与管理方法，遇到较大困难。7 0 年代以仿制为主的测量机，由于各种困 难，并没有形成产品，到8 0 年代，许多公司转而引进国外的生产许可证生产。 9 0 年代在中国形成了两个主要的测量机基地：青岛前哨公司和3 0 3 所。 中国进入w t o 后，前哨朗普公司加入了b r o w n & s h a r p l e i t z d e a 前哨朗 普一j o h a n s s o n 集团，在中国测量机行业中起了重要作用，成为在甄太地区的重 要研发、生产、技术支持基地，软件亦具有p c d m l s 及q u i n d o s 等世界知 名软件。 2 2 三坐标测量机技术的发展 三坐标测量机基于三维测量技术，其原理就是坐标测量原理。从理论上来 说，三维测量可对空间任意处的点、线、面及相互位置进行测量。三维测量的 原理是：将被测物体置于三坐标测量机的测量空间，通过测头系统和被测物体 的相对移动，探测被测物体上各测点的三维坐标值，根据这些点的空间坐标值， 经过相关的数据处理和运算，求出被测物体的几何尺寸、形状、位置和其它相 关参数。 三坐标测量机对三维测量技术的发展有着重要作用。它解决了复杂形状表 面轮廓尺寸的测量，如箱体零件的孔径与孔位、叶片与齿轮、汽车与飞机等的 外廓尺寸的检测；提高了三维测量的测量精度，达到了亚微米级，重复定位精 度可达o 5 删以内，三维空间精度可达0 4 8 a n 以内；与数控机床和加工中心配 套使用，促进了自动化生产线的发展：随着自动化程度的提高，大大提高了测 量效率。当代三维测量技术是在三坐标测量机的基础上发展起来的，而三坐标 测量机的发展又丰富、完善了三维测量技术。 当前，三坐标测量机的主要发展方向有： 1 更高的测量精度根据超精加工、微纳技术和科学研究的发展要求，原 有的微米级三坐标测量机已经迫切需要提高到纳米级的精度。主要采 取提高标尺精度、结构精度，减小环境因素的影响，优化采样策略等 措施。 2 ，提高测量效率改进测量机的结构设计，减轻运动件的重量，提高控制 系统的性能，采用飞测和扫描测量方式，对动态误差进行补偿，提高 软件的运行速度等。 3 发展探测技术，完善测量机的配置大力发展非接触测头、模拟测头和 专用测头，优化多测头的使用，完善测头的各种附件。 4 采用新材料，运用新技术开发应用铝合金、陶瓷材料和其它合成材料 如微晶玻璃、碳化纤维等，运用诸如磁悬浮技术的新技术。 5 发展软件技术，发展智能测量机增强程序与自动化检测的功能，开发 研制各种新型测量软件，以适应不同的要求。 6 ，成为制造系统的一部分三坐标测量机越来越多地用于生产环境，进入 制造系统。当然，需要提高工作可靠性，增强环境适应能力，具有开 放式的控制系统，较高的运行速度和测量节拍。同时，也要有较完善 的软件功能，能与制造系统的网络交换数据，有建模和生成c a d 、c a m 软件的功能。 7 发展非正交坐标系测量系统，并且发展非正交坐标系测量机的软件， 在测头标定时，既可以通过标准件标定，也可以冗余测量来自标定。 8 加强量值传递，误差检定与补偿的研究单项误差合成总误差的方法在 某些场合逐渐被实物基准误差检定法所取代，但是两种方法各有优缺 点，应该具体情况具体分析。除了传统的机构误差和简单热变形误差。 动态误差和复杂热变形误差的补偿是近年来的研究热点。 2 3 三坐标测量机的组成三坐标测量机种类繁多、形式各异、性能多样，所测 对象和放置环境条件也不尽相同，但大体上是由若干具有一定功能的部分组合 而成。 作为一种测量仪器，三坐标测量机主要是比较被测量与标准量，并将比较 结果用数值表示出来。三坐标测量机需要三个方向的标准器( 标尺) ，利用导轨 实现沿相应方向的运动，并由三维测头对被测量进行探测和瞄准。测量机同时 还具有数据处理、自动检测和绘图等功能，这些功能是由相应的电气控制系统 与计算机测量软硬件实现的。 三坐标测量机可分为主机、测头、控制系统和软件四大部分。 2 3 1 主机 三坐标测量机的主机主要包括六大项：框架结构、标尺系统、导轨、驱动 机构、平衡部件、转台与附件。 框架结构是指测量机的主体机械结构，是工作台、立柱、桥框、壳体等机 械结构的集合体。标尺系统是测量机的重要组成部分，是决定仪器测量功能和 精度的一个重要环节。三坐标测量机使用的标尺有线纹尺、精密丝杆、感应同 步器、光栅尺、磁尺及激光波长等。标尺系统还包括数显电气装置。导轨是测 量机实现三维运动的重要部件。测量机一般采用滑动导轨、滚动导轨和气浮导 轨等。很多测量机采用气浮静压导轨，它的气动装置主要包括：气源、稳压器、 过滤器、气管、分流器等。驱动机构是测量机的重要运动机构，可实现手动、 机动和软件控制伺服运动的功能。在测量机上一般采用的驱动装置有丝杆丝母、 滚动轮、钢丝、齿形带、齿轮齿条、光轴滚动轮等传动，而驱动一般用伺服电 机、直线电机和步进电机等。平衡部件主要用于z 轴的框架结构中。它的功能 是平衡z 轴的重量，使z 轴上下运动时无偏重干扰，z 向测力稳定。z 轴平衡 系统有重力平衡、弹力平衡和空气平衡【9 】三大类型。转台使测量机增加一个转 动运动的自由度，便于某些种类零件的测量。转台包括分度台、单轴回转台、 万能转台( 二轴或三轴) 和数控转台等。用于坐标测量机的附件很多，一般指 基准平尺、角尺、步距规、标准球、标准立方体、测微仪及用于自检的高精度 检测样板等。 2 3 2 三维测头 三维测头是三维测量的传感器，它可在三个方向上感受瞄准信号和微小位 移，以实现瞄准与测微两种功能。测量机的测头主要有硬测头、电气测头、光 学测头等，此外还有测头回转体等附件。铡头有接触式和非接触式之分a 按输 出信号分，有用于发信号的触发式测头和用于扫描的瞄准式测头、测微式测头。 2 3 3 控制系统 控制系统是测量机的电气控制部分。主要包括单轴与多轴联动控制、外围 设备控制、通信控制、逻辑控制和保护控制等。其中三轴运动控制主要通过伺 服电机驱动器来实现，它封装了指令发生器和位置调节器，和执行机构共同完 成测量进给。对于测头的控制也是电气系统的重要内容，包括三轴数据锁存、 同步采样脉冲控制、测头偏移过冲保护、紧急制动、接触位移闽值设定等等， 有的测量机还包括自动更换测头系统。 2 3 4 软件系统 三坐标测量机可以采用各种计算机，一般有p c 机、工控机和工作站等。 三坐标测量机的软件系统包括控制软件和数据处理软件。控制软件可以实现三 坐标测量机的所有动作，如坐标变换、测头校正、测量动作、测头保护与紧急 情况处理等，可用于基本几何元素及相互关系的测量、形状及位置误差测量、 曲线与曲面测量等。数据处理软件则将测量动作所得数据进行相关数学计算和 处理，获得面向用户的测量结果。有些软件还有绘图功能，支持统计分析和表 格功能等等。 2 4 三坐标测量机的分类 2 , 4 1 按照结构形式分类 三坐标测量机按照结构形式可以分为七大类：由平板测量原理发展起来的 桥框式( 可分为移动桥式和固定桥式) 、龙门式和悬臂式( 包括水平臂式) ：由 镗床发展起来的坐标镗式和卧镗式：由测量显微镜演变而成的仪器台式；从极 坐标原理发展起来的极坐标式。 2 4 2 按照测量机的测量范围分类 按照三坐标测量机的测量范围，可将它分为小型、中型与大型。 小型三坐标测量机主要用于测量小型精密的模具、刀具、工具与集成线路 板等。这些零件的精度较高，因而要求测量机的精度也高。它的测量范围，一 般是x 轴方向小于5 0 0 r a m 。它可以是手动的。也可以是数控的。常用的结构形 式有仪器台式、卧镗式、坐标镗式、悬臂式、移动桥式与极坐标式等a 中型坐标测量机的测量范围在x 轴方向为5 0 0 m m 2 0 0 0 m m 。这种类型规 格最多，需求量也最大，主要用于对箱体、模具类零件的测量。操作控制有手 动、机动和自动三种、它的精度等级多为中等，也有精密型的。从结构形式看， 几乎包括仪器台式和桥式等所有形式。 大型三坐标测量机的测量范围在x 轴方向应大于2 0 0 0 m m ，主要用于汽车 与飞机外壳、发动机与推进器叶片等大型零件的检测。它的自动化程度较高， 多为c n c 型，也有手动和机动的。精度等级一般为中等或低等。结构形式多为 龙门式( c n c 型，中等精度) 或水平臂式( 手动或机动，低等精度) 。此外。 还有一些采用非正交坐标系的大型三坐标测量机。 2 4 3 按照测量精度分类 按照测量精度有低等精度、中等精度和高精度的测量机。低等精度的主要 是具有水平臂的三坐标划线机。中等精度及一些低精度测量机常称为生产型测 量机。生产型的通常在工业现场、车间和生产线上使用，也有一部分在实验室 使用。高精度的称为精密型或计量型，主要在计量室和实验室使用。 低、中、高精度三坐标测量机大体上可以这样划分：低精度测量机的单轴 最大测量不确定度大体在1 1 酽l 左右，而空间最大测量不确定度为( 2 3 ) 1 0 一l ，其中l 为最大量程；中等精度的三坐标测量机，其单轴与空间最大测 量不确定度分别为l 1 0 。l 和( 2 3 ) 1 0 。l ：精密型的则分别小于1 1 0 - 6 l 和( 2 3 ) 1 0 l 。当然，划分不是绝对的，随着生产技术的进步与误差补偿 技术的应用，也随着对产品质量要求的提高，测量机从测量不确定度在不断减 小。现在已经出现一些超高精度的测量机，例如在l m 量程下空间测量精度为 亚微米级的测量机，以及一些小量程的纳米级的三坐标测量机。 还可以按照其它的指标对三坐标测量机进行分类，这里就不一一论述了。 2 5 本章小结 本章首先介绍了三坐标测量机的历史主要是在中国的发展历史。然后介绍 了三坐标测量机的核心技术一一三维测曩技术的发展情况及其发展趋势。本章 的第三节主要介绍了三坐标测量机的组成，包含主机、三维测头、电气系统和 软件系统四大块内容。随后按照三种主要的划分方法对三坐标测量机进行了简 单的分类。在第四节还概要介绍了长度测量的相关标准及主要参数的概念。 叠 第三章内腔尺寸测量机机械设计与结构 多维坐标结晶器内腔尺寸自动测量机以三坐标测量原理为基础，采用精密 滚珠丝杠兼作传动件和测量件，通过电触式开关测头对结晶器内腔进行自动或 手动检测。测量时，运动控制系统驱动测头沿内腔作点位探测，采集一系列测 量点的空间坐标值，经过数据处理和误差修正，得到满足测量要求的结果。该 测量机既可根据结晶器型号自动测量，又可实时定义测量路径及相关测量参数， 让用户自主测量。既是专用测量机又能满足通用测量要求。 图3 1 测量机结构图 图3 2 测量机结构简图 3 1 测量机主机 测量机主机由x 工作台1 、y 工作台3 、z 向立柱4 、横梁6 、测杆7 等组 成，如图3 1 所示。x y 工作台直接建立在机座上，形成双层工作台，带动立柱 4 作x y 向运动。测秆7 固定在横梁6 上，由横梁6 带动测杆7 在立柱4 上作z 向运动。三轴导轨均为四方向等载荷型滚动直线导轨，具有随动性好、定位精 度高、运动刚度高、可校性好等优点。 测量机使用松下交流伺服电机2 、5 作为驱动电机，并通过内循环垫片预紧 螺母式滚珠丝杠9 传动，将伺服电机的动作传递给工作台和测量臂，进而带动 测头8 的动作。同时，滚珠丝杠9 还是测量件，它具有3 级精度，可充分保证 测量系统的精度。它代替传统三坐标测量机中使用的光栅系统，简化了系统结 构，降低了系统的复杂性和对测量环境的要求，提高其稳定性，当然也降低了 系统造价。 3 2 导轨 在精密测量仪器中，导轨部件是最重要的部件之一。导轨部件由运动支承 1 0 和支承导轨( 导轨体) 组成。导轨部件的功能是不仅能可靠地承受9 1 力n 载荷， 更主要的是能保证运动件的定位及运动精度，以及与有关部件的相互位置精度， 这对于三坐标测量机非常重要。常用的有滑动摩擦导轨、滚动导轨与空气轴承 导轨等。 3 2 1 导轨设计中应该注意的问题 ( 1 ) 定位及过定位的导轨设计过定位有自身的缺点，如导轨加工的直线度 及平面度的精度要高；调整点或线接触的气浮轴承的导轨很困难。但在 高精度的测量机中，过定位仍广泛使用，如双v 过定位导轨，可以获得 良好的平均效应。但在一般情况下，导轨的设计均应符合限制五个自由 度的设计原则，这对于装调是有利的。 ( 2 ) 卸荷( 卸载) 装置在一般工作台上都会遇到这个问题。可以在导轨上 装卸载荷轴承来调整卸荷力的大小。 ( 3 ) 导轨直线度的调整 这主要出现在悬臂梁的三坐标测量机和某些导轨很 长( 如龙门式) 的三坐标测量机中。为了补偿测量运动时悬臂的变形， 通常可以采取两种措施。 1 ) 在导轨加工时，故意让导轨的导向面具有一定的误差，这样可以在一 定程度上补偿由于重力变形产生的误差。 2 1 采用预变形调整机构，使悬臂梁产生一定的预变形，从而使它的导轨 面形状发生变化，达到补偿由于重力变形产生的误差的目的。 ( 4 ) 蠕动问题这主要产生在横向跨距很大的龙门式三坐标测景机中。为了 减小蠕动可以采用防滞后滑座、消隙装置或两边同时驱动等措施。 3 2 2g g b 2 5 a a 四方向等载荷型滚动直线导轨副 综合各方面的因素，多维坐标结晶器内腔尺寸自动测量机的导轨采用南京 工艺装备厂生产的g g b 2 5 a a 四方向等载荷型滚动直线导轨副。 滚动直线导轨副0 0 l 是由导轨、滑块、钢球、返向器、保持架、密封端盖及 挡板等组成。当导轨与滑块作相对运动时，铜球就沿着导轨上的经过淬硬和精 密磨削加工而成的四条滚道滚动，在滑块端部钢球又通过返向装置( 返向器) 进入返向孔后在进入滚道，钢球就这样周而复始地进行滚动。返向器两端装有 防尘密封端盖，可有效地防止灰尘、屑末进入滑块内部。 g c b 型四方向等载荷型滚动直线导轨副具有以下优点。 ( 1 ) 滚动壹线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球，使滑块与导轨 之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，大大降低了二者之间的运动摩擦阻力，从而获 得： 1 动、静摩擦力之差很小，随动性极好，即驱动信号与机械动作滞后的时 间间隔极短，有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度； 2 驱动功率大幅度下降，只相当于普通机械的十分之一； 3 与v 型十字交叉滚子导轨相比，摩擦阻力可下降约4 0 倍； 4 适应高速直线运动，其瞬时速度比滑动导轨提高约1 0 倍； 5 能实现高定位精度和重复定位精度； ( 2 ) 能实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度； ( 3 ) 成对使用导轨副时，具有“误差均化效应”，从而降低基础件( 导轨 安装面) 的加工精度要求，降低基础件的机械制造成本与难度； ( 4 ) 导轨副滚道截面采用合理比值的圆弧沟槽，接触应力小，承接能力及 刚度比平面与钢球点接触时大大提高，滚动摩擦力比双圆弧滚道有明显降低； ( 5 ) 导轨采用表面硬化处理，使导轨具有良好的可校性，心部保持良好的 机械性能； ( 6 ) 简化了机械结构的设计和制造。 由于滚动直线导轨副的特殊结构，使其具有垂直向上、向下和左右水平四 方向额定载荷相等，且额定载荷大，刚性好，刚度高，三个方向抗颠覆力矩能 力大，能满足多维坐标结晶器内腔尺寸自动测量机的使用要求。 3 3 测量机的传动机构 三坐标测量机中传动系统是指x 、y 、z 三向的传动系统。对传动系统的主 要要求是传动平稳、爬行小、刚度高，同时不会产生较大的震动与噪声。主要 有丝杆传动、钢带传动、齿形带传动、齿轮齿条传动、摩擦轮传动以及气压传 动等。应该根据具体情况选用合适的传动系统。 3 3 1 丝杆传动 丝杆传动即螺旋传动，它是精密机械中常用的一种传动形式。其主要作用 是将旋转运动变为直线运动。在三坐标测量机中，主要是实现位移的传动。即 在计算机的指令下，传动机构能将运动部件准确地移到所需位置。从原理上说， 三坐标测量机是根据标尺系统反馈回来的信息去确定运动部件是否已达到所需 位置。传动机构的传动误差不会直接引起定位误差。但若传动机构精度不高， 或有空程、爬行等现象，便会延长寻觅准确位置的时间，甚至来回搜索，乃至 难以准确定位。丝杆传动具有精度高、分辨力高、空程与回程误差小等特点， 这对实现精确定位是有利的。丝杆传动还具有自锁性能，在z 向驱动时，z 轴 的自重不会带动丝杆传动，而当丝杆停止运动时，运动部件也不会在惯性力或 重力作用下继续运动，此时，z 轴的重力通过传动螺母作用在丝杆上，即丝杆 对螺母的反作用力平衡了z 轴的重力。这对于z 轴很重要，即使z 轴平衡不好， 也不会在自重作用下自行下垂，损坏测头。 丝杆传动比大有利于提高分辨力，实现精确定位，但却不利于实现快速驱 动。在有的测量机快速驱动时，将丝杆的螺母打开，改用其它方式( 包括手动) 直接驱动运动部件。 多维坐标结晶器内腔尺寸自动测量机的传动系统采用南京工艺装备厂生产 的f f z d 型内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠副。 滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋 转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动】，它是传统滑动丝杠的 进一步延伸发展。滚珠丝杠副因优良的摩擦特性使其广泛的应用于各种工业设 备、精密仪器。尤其是近几年来，滚珠丝杠副作为数控机床直线驱动执行单元， 在机床行业得到广泛应用，极大的推动了机床行业的数控化发展。 3 3 2 滚珠丝杠副的特点 1 传动效率高滚珠丝杠副的滚珠将力与运动在丝杠与螺母之间传递，以极小 滚动摩擦代替了传统丝杠的滑动摩擦，使滚珠丝杠副传动效率达到9 0 以 上，整个传动副的驱动力矩减少至滑动丝杠的1 3 左右，发热率也因此得以 大幅降低。 2 定位精度高滚珠丝杠副温升小，并可在加工过程中对丝杠采取预拉伸和预 紧消除轴向间隙等措施以补偿热伸长，使丝杠副具有高的定位精度和重复定 位精度。 3 可实现微进给滚珠丝杆副为点接触滚动运动，工作中摩擦阻力小、灵敏度 高、启动时无颤动，没有滑动丝杠粘滞摩擦，消除了在传动过程中可能出现 的爬行现象，可精密地控制微量进给。 4 无侧隙、刚性高 滚珠丝杠副可以加预压，由于预压力可使轴向间隙达到负 值，进而得到较高的刚性( 滚珠丝杠内通过给滚珠加预压力，在实际用于机械 装置等时，由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强) 。 5 滚珠丝杠副使用寿命长，可靠性高由于对丝杠滚道形状的准确性、表面硬 度、材料的选择等方面加以严格控制，滚珠丝杠的寿命远高于滑动丝杠，并 且具有较高的抗疲劳性和精度保持性。 3 4 测头 三坐标测量机是用测头来触测被测零件采集信号的。不同的零件需要选择 不同功能的测头进行测量。三坐标测量机的功能、工作效率、精度与测头密切 相关。坐标测量机的发展促进了新型测头的研制，而新型测头的出现又使测量 机的功能更加完善。 3 4 1 测头的功用和类型 三坐标测头实际上是一种结构、功能比较复杂的传感器。其两大基本功能 是测微( 即测出与给定的标准坐标值的偏差量) 和触发瞄准并过零发讯。 按结构原理，测头可分为机械式、光学式和电气式等。机械式主要用于手 动测量；光学式多用于非接触式测量；电气式多用于接触式的自动测量。根据 坐标测量机的自动化要求，测头主要采用电学与光学原理进行信号转换。 按照测量方法，测头可分为接触式和非接触式两类【”l 。接触式测头可分为 硬测头与触发式测头两类。硬测头多为机械式测头，主要用于手动测量。触发 式测头的测端与被测件接触后，测端可作偏移，传感器输出开关信号或模拟信 号