1、1实验一 三坐标测量机机械结构分析一、实验目的1) 了解精密气浮导轨在精密仪器中的重要作用。2) 了解三坐标测量机的种类，分析其结构特点。3) 理解三坐标测量机支承件的设计与选材。4) 理解三坐标测量机导轨的设计要点。二、实验内容1) 了解三坐标测量机的导轨结构及特点。2) 通过三坐标测量机的基本操作及观察，分析仪器导轨的精度、刚度、平稳性、耐磨性，体会气体静压导轨的设计要点，掌握在不同情况下选用不同类型导轨的方法。3) 利用三坐标测量机测量。4) 通过三坐标测量机的操作及观察，分析仪器支承件的设计要点。三、需用设备三坐标测量机介绍三坐标测量机（Coordinate Measuring Mac
2、hining，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。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。简单地说，三
3、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
4、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。三坐标测量机的测量头分为软测头（触发式） 、硬测头。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
5、材料。至今在有些测量机上仍主要用铸铁材料。2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
6、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
7、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
8、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
9、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 Brow
10、n&Sharp 和德国3Zeiss 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 Tar
11、us 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。三坐标测量机测量方式三坐标测量机 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）；其中
12、，接触测量方式常用于机加工产品、压制成型产品、金属模等的测量。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
13、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。三坐标测量机的分类概念主要有以下四种分类方法: （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，目前已基本被淘汰。 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
14、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 4这类 CMM 在其最长一个坐标轴方向上的测量范围为 5002000mm，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 的结构形式分类 按照结构
15、形式，CMM 可分为移动桥式、固定桥式、龙门式、悬臂式、立柱式等。三坐标测量机的使用任何复杂的几何表面与几何形状，只要测头能感受到的地方，就可以测出他们的几何尺寸和相互位置关系，并借助计算机完成数据处理。1、量测前准备： （a）检查空气轴承压力是否足够（供气压力： 0.6-1.0Mpa，耗气量：0.2 立方米/min ）（b）安装工件 2、测头选择及安装：测头及标准球的标定 定义测头直径校验测头3、量测操作：（a）开启处理机电源 （b）启开打印机开关 （c）参考操作手册，选择所需功能之指令 用鼠标单击“测量”图标；然后单击“被测元素” 图标；工作区将显示该测量元素的标号及测量点数，可根据工作区
16、的提示对测量元素进行删除点、增加点等修改；（d）进行量测，即可得到被测基本元素的实际值。注：测量尺寸误差和形位误差可在操作软件中选择。三坐标测量机的使用环境三坐标测量机为计量仪器高端产品，精度高，对客观环境的要求相对就高了很多，不光是远离震动源，还要考虑空间环境，地平等问题，还要考虑以下几个因素。1. 温度 20 2、湿度小于 60%安装测量机最合适的地方是温度、湿度和振动等都可以被稳定控制的房间，一般不适于有阳光的直射方向，最好朝向为北向或没有窗户，因为阳光对于室内的温度有影响，不利于温度的控制。2. 振动 10 50 Hz机房不要建在有强振源、高噪声区域，如：附近有冲床，压力机，锻造设备，
17、打桩机等。 3. 磁场、电场 不要建在强电场、强磁场附近，如电源断电设备、变压器、电火花加工机床、变频电炉、电弧焊及滚焊机等；以及高粉尘区、腐蚀性气体源附近。对于有害气体车间，必须布置于有害气体车间的上风。 4. 空间 安装地点必须有适当的空间，这样便于机器就位操作和机器正常工作状态下的各种操作，也5有利于室内温度控制。测量机的摆放位置要便于上下零件和方便维修操作且美观和谐。例如：测量机主机和控制系统之间的最小距离是 600mm，尤其应保证测量机和机房的天花板之间预留300mm(或 500mm)左右的最小空间。5.供电电源 保持电源稳定，不稳定的电源会对 CMM 的性能以及测量值产生不良影响，
18、推荐使用自动稳压电源控制器。6.压缩空气：供气压力：0.6-1.0Mpa，耗气量：0.2 立方米 /min由于测量机使用精密的空气轴承，使用真空吸尘器和水清洗空气过滤器，将压缩空气中含有的水分、油分和粉尘等杂志滤除。防止压缩空气中过多的油、水、杂志使测量机产生故障。此外测量机房间必须清洁，没有腐蚀性灰尘和脱落的漆层等。门窗的设计应考虑到机房的保温要求，设备、零件进出的需要。窗户要采用双窗并配置窗帘，机房最好设置过渡间，尽量避免布置在有两面相邻外墙的转角处和在附近有强热源的地方。总之，高精度的计量设备，一定要考虑到以上几个因素，才能保证精度的稳定性。 四、实验步骤1操控三坐标测量机，在机床运动时，仔细观察其导轨运动形式，导轨的材料，导轨截面形状。2分析导轨的精度、刚度、平稳性、耐磨性，体会气体静压导轨的设计要点。3分析导轨误差补偿方式。 4分析支承件的选材。5. 利用三坐标测量机测量。五、思考题1、根据实验观察，分析为什么情况下采用气体静压导轨，其优点和缺点各有哪些，如何提高气浮导轨的性能。2、结合观察，分析花岗石的特性及应用场合。3、结合观察，分析本三坐标测量机导轨的组合形式及其特点。4、思考在精密测控仪器设计中，导轨设计的要点。
