三坐标测量技术基础知识

三坐标测量技术基础知识内容摘要：

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， 11 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。 12 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。 二、测头系统 （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 13 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 95 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， 14 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 97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。 15 由于 Z 向导轨是水平安装，故用三组弹簧 1 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。