经济型三座标测量机设计.docx
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经济型三座标测量机设计
1前言
三坐标测量机(CoordinateMeasuringMachining,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。
近40年来,它广泛地用于机械制造、电子、汽车和航空航天等工业中。
它可以进行零件和部件的尺寸、形状及相互位置的检测,例如箱体、导轨、祸轮、叶片、缸体、凸轮、齿轮、形体等空间型面的测量。
此外,还可用于划线、定中心孔、光刻集成线路等,并可对连续曲面进行扫描及制备数控机床的加工程序等。
由于它的通用性强、测量范围大、精度高、性能好、能与柔性制造系统相连接,已成为一类大型精密仪器,故有“测量中心”之称。
三坐标测量机作为现代大型的精密测量仪器,已经越来越显示出它的重要性和广阔的发展前景。
它可方便地进行空间三维尺寸的测量,可实现在线检测及自动化测量。
它的优点是:
通用性强,可实现空间对坐标点位的测量,方便地检测出各种零件的三维轮廓尺寸和位置精度;测量精确可靠;可方便地进行数据处理与程序控制。
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。
我国自70年代开始引进研制三坐标测量及以来,也有了很大发展。
我国的主要生产厂家有中国航空精密机械研究所、青岛前哨英柯发测量设备有限公司、上海机床厂、北京机床研究所等。
1.1三坐标测量机的需求和研究意义
近年来,工业生产有了很大的发展,特别是机床、机械、航空航天和电子工业兴起后,各种复杂零件的研制和生产需要先进的检测技术与仪器,因而体现三维测量技术的三坐标测量机应运而生,并迅速发展。
三坐标是基于以下客观要求发展起来的:
(1)越来越多的零件需要三维测量,而传统的测量方法已近不能满足生产的需要。
(2)由于机械加工。
数控机床加工及自动加工线的发展,生产节拍的加快,加工一个零件仅有几十分钟或几分钟,要求加快对复杂工件的检测。
(3)随着生产规模日益的扩大,加工精度不断提高,除了需要高精度三坐标测量机在计量室检测外,为了便于直接检测工件还需在生产线或者加工车间进行。
其检测数量加大,科学化管理程度加强,因而需要各种精度的坐标测量机。
(4)实现反向工程的需要。
由此可知,CMM的出现标志了计量仪器领域的重大变革,在测试技术领域起到了里程碑的作用。
三坐标测量机对测量技术的重要作用主要表现在:
(1)成功解决了像箱体零件的孔径与空位、叶片与齿轮、汽车与飞机等的外轮廓尺寸检测的问题。
(2)精确度得以提升,有些坐标测量机的单轴精度可达到0.001㎜。
(3)数控机床和加工中心配套组成的生产线甚至柔性制造系统都离不开三坐标测量仪。
这些不见得配合使用可有效提高效率。
1.2三坐标测量机的发展历程、现状和动态
1.2.1三坐标测量机的发展历程及其分类
三坐标测量机广泛地用于机械制造、电子工业、汽车和航空航天等工业中。
它不仅可用作零件和部件的尺寸形状及相互位置的检测,例如箱体、导轨、涡轮和叶片、缸体、凸轮、齿轮、型体等空间型面的测量,而且能与柔性制造系统相连接以实现设计、制造和检测一体化。
由于它的通用性强,测量范围大、精度高、效率高、性能好,因此世界上第一台测量机是英国FERRANTI公司于1956年研制成功,当时的测量方式是测头接触工件后,靠脚踏板来记录当前坐标值,然后使用计算器来计算元素间的位置关系。
自1959年世界上第一台三坐标测量机在英国制造出来,仅四十多年的历史,它就取得了飞速的发展,至今已经历了几个发展阶段,并逐渐形成了以下几种类型:
(1)手动数字显示及打印型
这种类型坐标测量机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,带有电传打印系统的坐标测量机虽然解决了数据打印问题,但记录下来的数据仍需要人工进行运算。
例如在测量机上测量孔距,实际上测得的是孔上各点的x与Y坐标,需要进行计算处理才能得出结果,人工计算工作量很大,所以这类测量机目前己被淘汰。
(2)带有计算机进行数据处理型
带有小型电子计算机的测量机的数据系统由三部分组成:
即数据输入部分、数据处理部分与数据输出部分。
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。
并且可以预先储备一定量的数据,通过计量软件存储所需测量件的数学模型,对曲线表面轮廓进行扫描测量。
此类型的三坐标测量机采用手动或机动皆可。
(3)计算机数字控制型(CNC)
带有小型电子计算机数据处理的测量机虽解决了数据处理问题,但测量过程仍然是手动或机动的,对一些大型零件(如汽车外壳、叶片或航空工业与空间技术中的一些具有曲线表面的零件)和一些精度要求较高或对测力有一定要求的零件(如非金属材料或薄壁零件等)的测量,手工操作既费力,又不能保证检验精度,因此发展出计算机数字控制坐标测量机。
这种测量机可像数控机床一样可按照编制好的程序自动进行测量。
计算机将贮存在磁盘中的程序读入,经信息处理,通过数控伺服机构控制测量机按程序自动测量,并将测量的结果输入计算机,按测量要求进行数据处理并自动打印数据或磁盘等形式输出。
1.2.2三坐标测量机的发展现状
三坐标测量机是近30年才发展起来的,国外著名的厂家有HEXAGON集团(Leitz公司、DEA公司、Brown&Sharpe公司)、Zeiss公司、三丰公司等。
我国从八十年代开始引进研制三坐标测量机,除青岛前哨朗普公司外,北京航空精密机械研究所(303所)、北京机床研究所、上海机床厂、昆明机床厂、新天光学仪器厂等也都先后涉足三坐标领域。
他们基本都是引进国外的生产许可证,但由于种种原因,生产的一直是国际上八十年代水平的产品,市场占有率逐年下降,现在大部分已退出三坐标测量机市场。
前哨朗普公司走的是吸收学习、自主开发之路。
随着QIC数控系统的推出,大大提高了我国数控测量技术的整体制造水平,增强了公司产品在国际市场的竞争能力,改变了我国在数控测量领域依赖国外进口的局面。
我们公司的产品已占领了国内53%的三坐标测量机市场,而其它所有国内公司的市场占有率总和不到5%,其余市场被国外几个公司瓜分。
前哨朗普现在已经遥遥领先于国内同行的水平,跻身于国际三坐标测量机集团的前列,替代了进口。
(1)国外概况
国外三坐标测量机生产厂家较多,系列品种很多,大多数都有划线功能。
著名的国外生产厂家有德国的蔡司(Zeiss)和莱茨(Leitz)、意大利的DEA、美国的布郎-夏普、日本的三丰等公司。
总的来说,国外机器有以下特点:
a.绝大多数机器总体布局为悬臂式,空间敞开性好,便于安装大的零件或整车.b.采用"AutoCAD"’和有限元法进行优化设计,结构较合理,造型优美;c.专项开发力量强,专用软件和附件较多,能满足更多用户的特殊需要;d.移动构件多数用合金铝材,移动件质量尽可能小,做到高刚性、低惯性;e.配有21项误差补偿软件,可以廉价地提高机器精度;f.配有32位DSP连续轨迹控制系统,它是一种性能优于CPU的数据信号处理器,是超大规模集成电路。
它除了有较高的运算和控制功能外,还有内部存储的许多可供开发的高级语言程序;g.绝大多数机器采用Renishow公司(英国)的电测头,功能齐全,质量可靠;h.配有功能齐全的控制测量软件、专用和误差修正软件;i.机器的性能高度稳定可靠,使用寿命长;j.三坐标测量机与计算机工作站和数控机床联网;k.三坐标测量机技术近十多年来突飞猛进发展,特别是数控系统和测量软件每二三年便更新一代;l.系列品种齐全,“三化”(即标准化、通用化、系列化)程度高。
(2)国内概况
我国自20世纪70年代开始引进、研制三坐标测量机以来,也有了很大发展。
国内引进较多的是:
/蔡司(Zeiss)和莱茨(Leitz)、意大利的DEA、美国的布郎-夏普、日本的三丰等公司的产品。
而国内的生产单位也已经有了很大的发展,主要的生产厂家有中国航空精密机械研究所、青岛前哨英柯发测量设备有限公司、上海机床厂、北京机床研究所、哈尔滨量具刃具厂、昆明机床厂和新天光仪器厂等。
现在,我国具有年产几百台各种型号三坐标测量机的能力。
国内三坐标测量机近十年来发展也较快,但同国外相比还有一定差距,主要有以下几方面:
系列品种较少,“三化”程度低;新产品开发周期长,主要原因是元件和材料配套难;机加工周期长等;产品的稳定性较差,特别是电控系统,可靠性较差,故障率较高,寿命相对低,此外软件功能相对少些,特别是专用软件更少,与计算机工作站和数控机床联网问题,仅有极少数测量机刚刚起步,多数机器还没开始这项工作,有待进一步开发研究。
1.2.3三坐标测量机的发展动态
目前国内外正在探索简单、快速、易行而精度高的测试方法,比如用误差综合修正法来提高三坐标测量机的精度。
三坐标测量机的测量精度及工作效率与测量头密切相关。
研制高精度的测量头是三坐标测量机研究的重要方面。
先进制造技术、各种工程项目与科学实验的需要也对三坐标测量机不断提出新的、更高的要求。
三坐标测量头的主要作用是能实现三维瞄准,有的三向测量头还能用作测微。
三坐标测量机测头的精度要求高,一般高精度类型测量头的单向重复精度要达0.1微米,三向综合精度要达0.2-0.5微米。
某些情况下,不仅要求三坐标测量头能瞄准并发出信号,还要求它能实现测量,这时要求它有较大的测量范围,线性好且精度高。
从目前国内外三坐标测量机发展情况和科技生产对三坐标测量机提出的要求来看,其发展趋势可以概括为以下几方面:
(1)提高测量精度和普及高速测量。
精密级的三坐标测量机测量空间任何一点的坐标精度均可达到微米级。
但是现代的超精加工、科学研究中往往提出纳米级的精度要求。
质量与效率一直是衡量各种机器性能、生产过程优劣的两项主要指标。
传统的概念是为了保证测量精度,测量速度不宜过高。
随着生产节奏不断加快,用户在要求测量机保证测量精度的同时,会对CMM的测量速度提出越来越高的要求。
(2)提高测量效率。
现代的生产节奏不断加快,要求测量在保证必要测量精度的同时,还要有较高的效率。
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。
由于新型材料良好的导热性,所以在发生温度分布不均匀时,也能在极短的时间内迅速达到热平稳,将由温度变化所产生的热变形减至最低。
为此,近几年引起了厂商的改型高潮,新品种层出不穷。
技术指标的进步表现在两个方面:
a.最高运动速度达到15m/s以上
b.环境温度要求可降低到20±4℃
(3)发展新型测头技术。
三坐标测量机除了机械本体外,测头是测量机达到高精度的关键,也是坐标测量机的核心。
与其他各项技术指标相比,提高测头的性能指标难度最大。
理想测头最主要的性能指标是测头接近零件能力的参数:
在同等精度指标下,测头端部的测头体直径D与测杆长度L的长径比为D/L。
其值愈大,其性能愈好。
在采用非接触式测头的情况下,不仅可以在测量机的连续运动过程中对工件进行“飞测”,而且可以同时对一个面进行测量。
具有高精度、较大量程、能用于扫描测量的模拟测头,以及能伸入小孔、用于测量微型零件的专门测头也将获得发展。
不同类型的测头同时使用或交替使用,也是一个重要发展方向。
(4)采用新材料,运用新技术。
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,德国Zeiss公司的CARAT技术就是采用铝合金制作高速运行的三坐标测量机。
(5)软件智能技术。
发展智能测量机,现代测量机软件越
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