纳米三坐标测量机

2024-05-22

纳米三坐标测量机（精选10篇）

纳米三坐标测量机篇1

摘要：文中微纳米三坐标测量机在外尺寸测量过程中, 探头与被测件存在接触力变形、摩擦力、还有测头的各向异性等因素, 因此, 对最终的测量精度有一定的影响。为了进一步提高微纳米三坐标测量机的测量精度, 本文提出了通过对量块标准件进行不同角度方向测量, 得到探头在测量外尺寸的不同角度方向测端等效直径。实验结果表明通过10mm厚度量块得到的外尺寸测端等效直径补偿20mm厚度量块, 可以减小一定程度的探头测端直径误差。

关键词：微纳米三坐标测量机,量块,等效直径

0 引言

随着微细加工技术和微电子机械系统技术的快速发展, 多种多样的微型器件相机被加工出来, 如微型涡轮、微型针阵列、微型马达以及汽车发动机中的喷油嘴。这些器件的尺寸形状对测量系统提出更高的要求, 因此, 研制高精度微纳米三坐标测量机来实现对被测件的高精度测量。日本东京大学Kiyoshi Takamasu首次提出了区别于传统三坐标测量机的纳米三坐标测量机应具备的一些技术指标。据此, 国内外一些大学和研究所开始研制微纳米三坐标测量机, 例如德国联邦物理技术研究所 (PTB) 研制的Special CMM、日本东京大学Takamatsu教授于1995年开始研制的Nano-CMM、英国国家物理实验室 (NPL) 研制的小型三维测量机、瑞士联邦计量局 (METAS) 研制的Ultra precision CMM、台湾大学范光照教授研制的Nano-CMM[1]。此外, 中国精密机械研究所 (303所) 、中国长城计量测试研究院、天津大学、清华大学等许多科研院所和高校都对微纳米三坐标测量机进行了深入的研究。

本文研制的微纳米三坐标测量机是来源于科技部“863”计划重点项目, 整个微纳米三坐标测量机系统是由微纳米接触扫描式探头[2] (测头是直径为1mm的红宝石球) 、“331”原则工作台[3,4]以及激光回馈干涉仪[5]的测量系统等部分组成。

1 微纳米三坐标测量机系统

文中研制一台新型微纳米三坐标测量机其测量范围为50×50×50mm, 各轴测长的分辨率为1nm, 测量系统设计总不确定度≤100nm。本文研究的微纳米三坐标测量机主要部分包括零阿贝误差的工作台、微纳接触扫描式探头以及准共路微片激光器回馈干涉仪。其中, 零阿贝误差工作台是基于“331”原则 (即:三轴标尺线相互垂直并交于一点, 并以此三轴测量线为基准建立三维坐标系;由x、y标尺线构成的测量面与x、y轴导轨导向面相互重合;探头中心点与各轴标尺线交点重合, 简称三线共点、三面共面、点面重合) 设计的;接触扫描式探头三轴可以实现20μm的测量范围以及1nm测量分辨率;微片激光回馈干涉仪可以实现50mm的量程, 位移分辨率优于0.1~1nm。图1是微纳米三坐标测量机的实物图。

2 探头测端等效直径测量及误差分析

本文的微纳米三坐标测量机使用的是接触式探头, 采点原理是通过二次触发的方式, 即在对被测件进行测量时, 探头第一时间碰到被测件时, 会继续运动一定的位移直至达到某一触发阈值才会记录下该点的坐标。这段接触后行走的距离则被称为探头触发的预行程, 并且包括了测杆的力变形。由于探头在接触被测件时, 测杆会发生变形、红宝石测球与被测件之间的摩擦力以及红宝石测球的形貌等因素都会对最终的测量精度有影响, 并且测量内尺寸和外尺寸引起的影响是有区别的。设为d0为红宝石测球直径。

在尺寸测量过程中, 被测长度为L1, 被测件的实际尺寸:, 测端的等效直径为d:。因此探头在使用前都要对测头进行测端等效直径的标定[6]。通过上述计算方法, 便可以获得探头的测端等效直径, 以降低测杆变形和探头触发预行程等因素对测量的影响。

本文使用的是被检定过长度为10mm和20mm两种一等量块作为测量基准, 这两种量块的检定值分别为10.000045mm和19.999998mm。由于本文中的微纳米三坐标测量机采点过程中只设计特殊角度, 所以只把量块在几个特殊角度 (0º、30º、45º、60º、90º、120º、135º、150º) 之间切换。量块的测量方法:在量块的一个平面上均匀选取六个点, 得到此平面的最小二乘平面, 在另一个平面上中间位置选取一点, 该点到最小二乘平面的距离作为该量块的长度测量值。量块测量示意图如图4所示。

首先, 按照上述测量方法测量检定值为10.000045mm的一等量块。根据长度测量原理及测端等效直径的测量原理, 得到探头在各个方向的等效直径。表1是10mm厚00级量块特殊方向的长度测量值。

为了验证测端等效外径的修正效果, 本文又进行长度检定值19.999998mm量块特殊方向的测量实验, 并用长度10mm的量块测端等效直径对长度20mm量块测端等效直径进行补偿得其误差, 其测得值如表2所示。

由实验数据处理结果可知, 这种方法在一定程度上减小量块长度测量误差, 但使用上述所述的补偿方法各个特殊方向还会存在一定的误差, 这种误差是由多种因素引起, 包括各个方向的测量力的微弱变化、探头与被测件之间摩擦力变化以及环境因素等, 为了降低这种影响, 在实验过程需要采用多次测量方法, 来降低其对测量结果的影响.

3 结束语

通过对比的实验方法在测量量块长度的实验中, 可以得到很高的测量精度, 但是还存在一定的残余误差, 带来这些误差的主要原因有:测量方法带来的误差;标定的数学模型引入的误差;探头本身引入的误差, 包括各个方向上测力的不同, 以及探头在各个方向上的的重复性的差异;测量机本身的误差;外界环境对测量结果产生的影响。

参考文献

[1]A.Küng, F.Meli, R.Thalmann.Ultraprecision microCMM using a low force 3D touch probe[J].Measurement Science and Technology, 2007 (18) :319-327.

[2]程方, 费业泰.纳米三坐标测量机接触式测头触发控制[J].光学精密工程, 2010, 18 (12) :2603-2609.

[3]黄强先, 余夫领, 宫二敏等.零阿贝误差的纳米三坐标测量机工作台及误差分析[J].光学精密工程, 2013, 21 (03) :664-671.

[4]余夫领.微纳米三坐标测量机误差修正与实验研究[D].合肥工业大学硕士论文, 2013.

[5]张松, 张书练, 任舟.采用Nd:YAG微片激光器的激光回馈干涉仪的研制[J].红外与激光工程, 2011, 40 (10) :1914-1917, 1927.

[6]张国雄.三坐标测量机[M].天津:天津大学出版社, 1999.

纳米三坐标测量机篇2

(一)三坐标测量机的分类与构成三坐标测量机按其工作方式可分为点位测量方式和连续扫描测量方式。点位测量方式是由测量机采集零件表面上一系列有意义的空间点，通过数学处理，求出这些点所组成的特定几何元素的形状和位置。连续扫描测量方式是对曲线、曲面轮廓进行连续测量，多为大、中型测量机。根据三坐标测量机的结构形式及三个方向测量轴的相互配置位置的不同，三坐标测量机可分为悬臂式、桥式、龙门式、立柱式、坐标镗床式等，如图1—48所示。它们各有特点及相应的适用范围如下：(1)悬臂式的特点是结构紧凑、数控机床厂工作面开阔、装卸工件方便、便于测量，但悬臂易于变形，且变形量随测量轴丁轴的位置变化，因此丁轴测量范围受限。(2)桥式测量机结构刚性好，x、y、z方向的行程大，一般为大型机。(3)龙门式的特点是龙门架刚度大，结构稳定性好，精度较高。由于龙门或工作台可以移动，使装卸工件方便，但考虑龙门移动或工作台移动的惯性，龙门式测量机一般为小型机。(4)立柱式适合于大型工件的测量。(5)坐标镗床式的结构与镗床基本相同，结构刚性好，测量精度高，但结构复杂，适用于小型工件。三坐标测量机按测量范围可分为大型、中型和小型。按其精度可分两类：①精密型，一般放在有恒温条件的计量室，用于精密测量，分辨率一般为0．5～21lm；②生产型，数控机床厂一般放在生产车间，用于生产过程检测，并可进行末道工序的精加工，分辨率为5Flm或10怜m。三坐标测量机的规格品种很多，但基本组成大致一样，主要由测量机主体、测量系统、控制系统和数据处理系统组成。1．三坐标测量机的主体三坐标测量机的主体的运动部件包括沿x轴移动的主滑架、沿丁向移动的副滑架、沿z向移动的z轴，以及底座、测量工作台。测量机的工作台多为花岗岩制造，具有稳定、抗弯曲、抗振动、不易变形等优点。

2．三坐标测量机的测量系统三坐标测量机的测量系统包括测头和标准器。三坐标测量机的测头用来实现对工件的测量，是直接影响测量机测量精度、操作的自动化程度和检测效率的重要部件。三坐标测量机的测头可分接触式和非接触式两类。数控机床厂在接触式测量头中又分机械式测头和电气式测头。此外，生产型测量机还可配有专用测头式切削工具，如专用铣削头和气动钻头等。机械接触式测头为具有各种形状(如锥形、球形)的刚性测头、带千分表的测头以及划针式工具。机械接触式测头主要用于手动测量，由于手动测量的测量力不易控制，测量力的变化会降低瞄准精度，因此只适用于一般精度的测量。电气接触式测头的触端与被测件接触后可作偏移，传感器输出模拟位移量信号。这种测头既可以用于瞄准(过零发信)，也可以用于测微(测给定坐标值的偏差)，因此电气接触式测头主要分为电触式开关测头和三向测微电感测头，其中电触式开关测头应用较广泛。非接触式测头主要由光学系统构成，如投影屏式显微镜、电视扫描头，适用于软、薄、脆的工件测量。

(二)三坐标测量机的测量方法一般点位测量有三种测量方法：直接测量、数控机床厂程序测量和自学习测量。(1)直接测量方法(即手动测量)。操作员将决定的顺序利用键盘输入指

令，系统逐步执行的操作方式，测量时根据被测零件的形状调用相应的测量指令，以手动或数控方式采样，其中数控方式是把测头拉到接近测量部位，系统根据给定的点数自动采点。测量机通过接口将测量点坐标值送入计算机进行处理，并将结果输出显示或打印。(2)程序测量方法。将测量一个零件所需要的全部操作按照其执行顺序编程，以文件形式存入磁盘，测量时按运行程序控制测量机自动测量。该方法适用于成批零件的重复测量。零件测量程序的结构一般包括以下内容： 1)程序初始化。如指定文件名、存储器置零、对不同于缺省条件的某些条件给出有关选择指令。2)测头管理和零件管理。如测头定义或再校正、数控机床厂临时零点定义、数学找正、建立永久原点等。3)测量的循环。①定位，使测头在进入下一采样点前，先进入定位点(使测头接近采样点时可避免碰撞工件的位置)；②采样处理，包括预备指令和操作指令，如测孔指令前先给出采样点数、孔的轴线理论坐标及直径等参数的指令；③测量值的处理；④关闭文件结束整个测量过程。(3)自学习测量方法。操作者对第一个零件执行直接测量方式的正常测量循环中，借助适当命令使系统自动产生相应的零件测量程序，对其余零件测量时重复调用。该方法与手I编程相比，省时且不易出错。但要求操作员熟练掌握直接测量技巧，注意操作的目的是获得零件测量程序，严格掌握操作的正确性。自学习测量过程中，系统可以两种方式进行自学习：对于系统不需要对其进行任何计算的指令，如测头定义、参考坐标系的选择等指令，系统采用直接记录方式。数控机床厂许可记录方式用于测量计算的有关指令，只有在操作者确认无误时才记录，如测头校正、零件校正等指令。当测量循环完成或在执行程序的过程中发现操作错误时，可中断零件程序的生成，进入编辑状态修改，然后再从断点启动。(三)三坐标测量机的应用(1)多种几何量的测量。测量前必须根据被测件的形状特点选择测头并进行测头的定义和校验，并对被测件的安装位置进行找正。1)触头的定义和校验。在测量过程中，当触头接触零件时，计算机将存人测头中心坐标，而不是零件接触点的实际坐标，因而触头的定义包括触头半径和测杆的长度造成的中心偏置，以及多触头测量时各个触头定义代码。测量触头的校验还包括使计算机记录各触头沿测量机不同方向测同一测点时的长度差别，以便实际测量时系统能自动补偿。触头的定义和校验可直接调用测头管理程序、参考点标定和测头校正程序来进行，将各触头分别测量固定在工作台上已标定的标准球或杯准块，计算机即将各测头测量时的坐标值计算出各触头的实际球径和相互位置尺寸，并将这些数据存储于寄存器作为以后测量时的补偿值。经过校验的不同触头测同一点，数控机床厂可得到同样的测量结果。2)零件的找正。指在测量机上用数学方法为工件的测量建立新的坐标基准。测量时，工件任意放置在工作台上，其基准线或基准面与测量机的坐标轴(x、y、z轴的移动方向)不需要精确找正，为了消除这种基准不重合对测量精度的影响，用计算机对其进行坐标转换，根据新基准计算校正测量结果。因此，这种零件找正的方法称为数学找正。零件找正的主要步骤有：①根据采用的三维找正或二维找正方法，确定初始参考坐标系；②运行找正程序；③选定第一坐标轴；④调用相应子程序进行测量并存储结果；⑤选第二坐标轴；⑥调用相应子程序进行测量并存储结果。对于三维找正中的第三轴，系统自动根据右手坐标准则确定。工件测量坐标系设定后，即可调用测量指令进行测量。三坐标测量机测量被测工件的形状、位置、中心和尺寸等方面的应用举例。(2)实物程序编制。对于在数控机床上加工的形状复杂的零件，当其形状难于建立数学模型使程序编制困难时，常常

纳米三坐标测量机篇3

[关键词]三坐标测量机、测量机绘图、叶片型面、数据处理、AUTOCAD。

[中图分类号]C37 [文献标识码]A [文章编号]1672-5158（2013）06-0093-01

我厂是制造航空发动机专业化厂，工厂购进一台意大利DEA公司生产的IOTAl203D型三坐标测量机，主要是用来进行各种航空发动机叶片广以及叶型弦宽公差等等。随着我国航空工业的不断发展，对叶片型面公差的要求越来越严，手工处理已不能适应发展的需要。为此，我们在掌握了测量机的软、硬件的基础上，对我厂意大利DEA公司的IOTA1203D型三座标测量机进行技术改造，实现了微机仿真三座标机终端的功能，实现了数据的双向传递，以AUTOCAD绘图软件为平台的基础上，建立了叶片型面图形数据处理系统，叶片型面实测数据处理比较直观、准确，满足了工厂生产科研的需要。

一、叶片型面测量数据处理和图形显示系统

系统主要以AUTOCAD为平台，进行数据处理及图形显示，同时利用HELP语言、VB语言编制了辅助处理和接口转换程序和叶片型面测量专用程序等支持软件，实现了三坐标测量机测量得到的数据与AUTOCAD（计算机辅助设计软件包）进行相互转换功能，并在计算机屏幕上显示出来，这样可监测三坐标测量机的测量过程，随时发现和修正测量中的问题，从而提高了测量数据的可靠性。

二、三坐标测量机进行标准的叶片齿形放大图的绘制

我厂生产的叶片，无论是军品还是民品，对榫齿的精度要求很高，而且种类多，随着投影检测技术在生产中的广泛应用，我厂通过对现有三坐标测量机进行技术改造后，在保持原有的测量功能上，增加了平板绘图的功能，能进行精密的齿形放大图的绘制。

实现三测机绘图需要完成两项工作：

（1）、绘图笔架和专用绘图平板的制作：

绘图笔架是根据所用绘图笔的外形，并根据在三坐标测量机上的装夹方式而设计的绘图，采用绘图机上用的绘图水笔和真空油笔。

专用绘图平板的制作：

实现三坐标测量机绘图，主要是为了绘制测量用精密放大图，对绘图的线条、尺寸要求很严。

（2）、绘图软件的编制：

三坐标测量机所带微机采用HELP语言，内存128K，在此基础上，我们建立了三坐标测量机接受的数据结构，在微机上成功编制了数据转换接口程序，能够将AUTOCAD编辑的图形转换成三坐标绘图数据。

三坐标机绘图主要是利用三坐标机连续定位的功能。绘制放大图时尽量用细笔画，以减小检验员的瞄准误差，设计图上线宽一般要求0.20mm。影响放大图的绘制精度主要有以下几个方面：

1、三坐标机定位精度A1：A1=2+4*L/1000（L取1000）=6（um）

2、图板不平带来的误差A2：因为设计的绘图笔架都带有伸缩性，能可靠保证绘图笔在进行放大图绘制中始终保持与图纸明胶板接触，图板不平影响放大图线条的粗细不均。一般图板调整到1000mm范围上差0.30～0.50mm即可。在这个范围内，误差很小，可忽略不计

3、绘图笔架内外套简间隙带来的误差A3：绘图笔架是自行设计的，内外套筒间隙要求±0.01mm，内套筒是固定绘图笔的，画笔总的有效长度是内套筒长度的两倍。

4、总的误差A=+SQRT（A1^2+A3^2）=±0.021（mm），总的误差A只有放大图公差的1/5左右，完全满足精密放大图的绘制。

三、应用

从项目交付至今，在工厂各类型叶片检测中发挥了突出的作用。

在叶片检测上，先后对工厂某型发动机，动力涡轮、日本三菱重工一导二导、德国蒂森公司、法国SNECMA公司、意大利新比隆公司等叶片进行了检测，满足了工厂质量评审、质量审核的要求。

该项目交付使用后，在叶片测绘以及在叶片制造过程中进行工艺评审发挥了作用。在叶片制造过程中进行某一工序时，由于工艺装备、加工设备等因素，产生工检矛盾，应用该系统提供的功能，对叶片能进行快速、准确的测量，为工艺部门查找原因，修定工艺路线提供了参数。通过图形，加工人员可清淅地看到有余量的地方，余量有多大，指导加工人员进行加工，保证了生产顺利进行，能缩短产品试制周期，提高了叶片生产效率。

该顶目交付验收后，在测量机保持原有全部测量功能上，增加了平板绘图的功能，能进行精密的齿形放大图的绘制。据了解，利用三坐标机进行绘图，国内许多厂家都做过偿试，但像我厂这样绘制精密的投影检测用放大图（最大能画A0幅面）还不多。自交付应用以来，共计为工厂绘制各类放大图200多张，为工厂节省开支近20万元。

参考文献

[1]《微机原理与接口技术》贾智平，主编

[2]《IOTA型三坐标测量机使用说明书》中国航空精密机械研究所

[3]《HELP语言梗概》

[4]《误差理论与数据处理》梁晋文，陈林才，何贡，编著

纳米三坐标测量机篇4

近年来,微细加工技术的快速发展使得产品的导向趋于微型化,出现了各种微型机械和MEMS器件[1]。这些微型机械的几何特征尺寸在数十微米至数毫米之间,这些尺寸的测量不确定度要求达到数十纳米至数百纳米。受限于测球尺寸和测头系统性能等因素,传统三坐标测量机无法满足这些器件的三维精密测量要求。近代干涉仪和扫描探针显微镜等虽然分辨力在向着纳米和皮米量级发展[2,3,4],但测量范围小、探针短,也不能满足这些器件的三维测量要求,且扫描探针显微镜在垂直方向上的量程很小,不是真正意义上的三维测量仪器。因此发展体积小、精度高的微纳米三坐标测量机技术成为当务之急。

目前,国内外一些研究机构都已致力于微纳米三坐标测量机技术的研究开发,如美国的NIST[5,6]、德国的PTB[7,8,9]、英国的NPL[10,11,12]、日本的东京大学[13]、荷兰的Eindhoven工业大学[14,15,16,17]、合肥工业大学[18,19,20,21,22,23,24,25,26,27]、中航工业北京长城计量测试技术研究所[28]、天津大学[29,30,31]等。上述研究机构在微纳米三坐标测量机(micro-nano coordinating measuring machine,简称微纳米CMM)研究上取得了一些进展,但离成熟和应用还有很大差距,目前还有一些关键技术需要解决。其中,三维测头触发技术作为微纳三维测量技术的核心,是目前国内外都关注的主要研究热点和难点[32,33]。本文对国内外微纳米CMM测头的研究现状和进展进行了综述,重点介绍了近年出现的新型测头系统及其测量技术,并对微纳米CMM测头的发展趋势进行了展望。

1 微纳米CMM测头技术要求和分类

测头是测量机实现高精度测量的关键之一,也是坐标测量机的核心部件之一[33]。由于微纳米CMM的测量精度高、测量尺寸小,相对于普通CMM的测头,微纳米CMM的测头有如下要求:为了能够实现微机械和MEMS器件的三维测量,测头顶端的探球直径要求在数十至数百微米以内;测头测杆的直径小于测头测球的直径,因此,无论是从测力导致的测量点弹性变形考虑,还是从测力引起的测头测杆变形考虑,微纳米CMM测头的测力应尽可能小,一般在毫牛量级以内;微纳米CMM的测量不确定度一般在亚微米量级甚至更小,作为测量机的一部分,测头的测量不确定度一般要求控制在几纳米至数十纳米量级;微纳米CMM一般要求有纳米量级的驱动和测量分辨力,因此,微纳米CMM测头也应具有纳米量级的触发分辨力或测量分辨力。

针对微纳米CMM测头要求的特殊性,有关学者正在采用不同触发原理、不同结构、不同工作方式来研究开发微纳米测头系统,目前已经取得了一些进展和成果。分析目前的研究现状,微纳米CMM测头一般可分为接触式测头、非接触式测头两类。接触式测头是测头测球与被测工件直接接触,采集轮廓点三维坐标,然后进行数据处理,进而得到被测件三维轮廓信息。非接触式测头目前主要指光学非接触式测头,如激光三角法测头,是根据光学原理,利用光束(通常为激光束)从被测物表面反射到接收器中来获取表面形貌数据。非接触式测头可分为一维测头(离焦法、干涉法等)、二维测头(物面扫描法、光学傅里叶法等)和三维测头(摩尔条纹法等)[32]。除此之外,针对微纳米CMM测头的特殊要求和上述两类测头存在的不足,还有研究者采用一些新原理和新技术研制了新型测头。

2 接触式测头研究进展

接触式微纳米测头的基本结构一般可分为测头基体、微测杆测球、灵敏杠杆机构和检测系统四部分。微测杆测球与被测件接触,为能测量尽可能小的尺寸,接触测球越小越好;灵敏杠杆用于将微测杆测球的运动转换为检测系统被测对象的直线运动,因此要求该机构灵活、可靠且对称性好,此外为了实现有效测量,该机构的刚度要高;检测系统是将灵敏杠杆机构输出的机械运动信号转换为电信号,要求检测灵敏度高。根据所用检测系统即传感器不同,有以下几类典型的接触式微纳米三维测头。

2.1 基于电容(电感)传感检测系统的微纳米测头

英国National Physical Laboratory(NPL)研制了以电容传感器构建检测系统、以铍青铜悬臂为主构建灵敏杠杆机构的微纳米测头系统[10,11,12],其实物图和结构示意图见图1。在该测头中,测头基体材料为因瓦合金;灵敏杠杆机构由三根固定于测头基体且呈120!均匀分布的铍青铜悬臂、三根直径为3mm并呈120!分布的碳化钨管、厚度为1mm的铝盘构成;微测杆的材料采用碳化钨丝,微测球的材料采用氮化硅。三根铍青铜悬臂前端分别与三根碳化钨管刚性连接,并可上下运动,其位移大小分别由三个电容传感器检测。

测量时,测头测球触碰到被测件,测球与被测件之间的测力使测球位置发生变化,带动铍青铜悬臂的前端上下微动,从而使相对应的三个电容传感器的输出发生变化,由该变化量计算出测头测球在空间的三维位置变化。该微测头系统移动质量为370mg,测杆呈微锥形,最大直径为200μm、最小为30μm,长度为1~3mm,测球直径为300μm,测量范围为±20μm、分辨力为3nm,悬臂是各向同性的,刚度为10N/m,且测杆变形10μm时其测头接触力小于100μN,三维测量不确定度为50nm。

荷兰IBS Precision Engineering超精密三维接触式测头Triskelion probe[34,35]的结构和测量原理如图2所示,该测头的灵敏杠杆机构和微位移检测系统与图1的NPL测头基本一致。测头基体的悬架部分由一块整体金属薄片加工而成,灵敏杠杆机构由呈120°分布的三叉形刚性架杆、三根挠性悬臂及连接两部分的刚性目标盘构成,测杆连接于刚性架杆的中心位置上。测头位置的位移变化由三个超精密电容传感器测量,测头系统的整个刚性件及弹性悬臂材料为因瓦合金。测头测杆材料为碳化钨,测杆长8.5mm,顶端红宝石测球直径为500μm(目前Triskelion系列中研发出的宝石测球直径最小为35μm)。测头系统刚度为70N/m(各向同性),测力小于500μN,测量范围各向大于±10μm,分辨力为3nm,三维不确定度小于15nm。

瑞士Swiss Federal Office of Metrology(METAS)研发了质量小、可进行扫描测量的微测量力超精密3D测头[36],其机构如图3所示。测头的灵敏杠杆机构在X、Y、Z方向上都采用了挠性铰链支撑的并联运动机械结构,各轴与水平方向呈45°,所采用的并行运动结构限制了测头的旋转运动,即测头只有X、Y、Z方向上的三个直线运动自由度,其位移由电感传感器测量。除此之外,该结构的柔性铰链连接处的壁厚仅有60μm,使测头刚度只有20N/m,对力非常灵敏。测杆测头的自身重力用永久磁铁来补偿,确保Z向的测力很小。测头的有效运动质量为7g。测球直径100~300μm,低速测量时,接触测力小于500μN,各轴重复性可达5nm,测量不确定度为50nm,测量范围为±200μm。

2.2 基于光学传感检测系统的微纳米测头

德国联邦物理技术研究所(physikalisch technische bundesanstalt,PTB)研制的基于Werth的三坐标测量机(special CMM)由一个光学坐标测量系统和两个接触式三维微传感系统组成,两接触式微传感系统分别安装在测量机两Z向轴上,形成接触式双测头系统[7,8,9]。其中一轴采用光纤测杆、光纤测头、光学成像系统及CCD来实现2D/3D接触测量,另一轴基于硅薄膜及压阻元件构成三维接触式测头,测球置于测量机内置CCD焦点位置,如图4所示。在图4a中,对XY面内的二维测量,光经光纤入射至测球,经测球返回的散射光经光学系统成像于CCD感光面上,当测球与被测件接触产生相对位移,则测球所成像在CCD上位置改变。在Z向的光纤测杆上附着有一个测球,该测球经另一光学系统成像于第二个CCD上并取像,该测球、光学系统和CCD可实现Z向测量。两套系统结合实现3D测量。该测头中,测头和测杆材料均为玻璃光纤,测杆直径为15μm,尖端测球直径为25μm。测力小于1μN,测量重复性为25nm,分辨力为10nm。该测头可实现宽30μm、深100μm的微槽内尺寸测量。光纤测头系统主要用于小孔、小坑及高长宽比的微结构特性测量,如测量直径小于50μm的微型孔的粗糙度、波纹度及内壁形貌;接触式测头主要用于实现低测力三维测量。

合肥工业大学的接触触发式测头[18,19]是在自主研发的非接触式光学聚焦测头基础上,使用四只DVD光学读取头作为位移传感器而开发的三维纳米测头,其结构示意图和悬挂机构示意图见图5。在图5b中,刚性悬浮盘由4根钼丝悬线弹性固定,由光纤和金属套管构建的测杆固定于悬浮盘正下方,该结构构成了机械灵敏杠杆。当测杆上的光纤球头在三维方向受力时,会导致悬浮盘四臂上的反射镜在垂直方向上移动,其位移量分别由图5a中的4个DVD光学读取头检测。对四路DVD信号进行处理后就可得到光纤球头在三维方向上的微位移,从而实现三维触发测量。在该测头中,光纤测球直径为310μm,球度和偏心距离小于1μm;测头系统单方向重复精度优于10nm,预行程变化量在OXY平面内优于15nm,测力大小依赖于触发门槛电压的设定,当触发门槛电压为10mV时,OXY平面内测力平均值为110μN,在Z方向测力平均值为59μN。

1.反射镜2.钼丝悬线3.光纤球头4.测杆5.悬浮盘6.测头架

2.3 基于压阻式应变计传感检测系统的微纳米测头

荷兰Eindhoven工业大学[14,15,16,17]研制的测头原理与NPL测头的原理相似,区别在于使用的传感器是压阻式应变计。如图6所示,测头基体由硅刻蚀制成;灵敏杠杆机构由铝合金三角架、硅悬臂及刚性架杆构成;传感元件为多晶硅压阻式应变计。测杆测头固定于铝合金三角架上,三组应变计集成于硅悬臂并构成惠斯通桥,通过感测各悬臂变形来计算测头位置变化。测杆长8mm,测球直径为300μm,测速(不破坏被测件)为1mm/s,分辨力为1.2nm,三维不确定度为25nm,计算刚度XY面内160N/m、Z向800N/m,测量为100μm。

1.铝合金三角架2.硅悬臂3.测杆测头4.压阻传感器位置

德国PTB的双测头系统中,一轴为光纤测头(图4),另一轴基于硅薄膜制成凸出的三维测头,如图7所示。与Eindhoven工业大学的应变计测头原理相似,也是基于硅基体的微测头系统,该硅晶片测头基体宽1mm,厚30μm;使用的压阻元件为位移传感器,其功能与应变计相似,但灵敏度更高。压阻感应元件连接于硅晶片中间层上方构成惠斯通桥,感测接触测针引起的变形并输出测量信息。图7所示测头中,测杆长5mm,直径500μm,红宝石测球直径300μm,横向测力小于1mN,测量不确定度为80nm,X、Y向分辨力为3nm,Z向分辨力为5nm,X、Y向量程为20μm,Z向量程为5μm。

德国Zeiss公司的F25型三坐标测量机测头系统[37]如图8所示,同时配备接触式和光学测量传感系统,根据不同情况两传感系统可独立测量或相互配合,在同一坐标系下实现二维、三维测量。光学传感测头系统由视觉摄像头和物镜构成,主要用于表面、边缘和其他二维测量,以及接触式测头不能实现的极小或极灵敏试样的测量,尤其是易受损的软材料。它的三维接触式扫描测头系统与PTB的接触式三维测头Boss Probe基本构成相似,如图9所示,测杆连接6.5mm×6.5mm带有集成压阻组件的硅芯片(压电薄膜),该芯片通过刻蚀、沉积技术形成挠性件,可以在单点或扫描模式下检测测头的位置变化。测杆材料为玻璃碳,直径允许范围50~500μm,最大长度4mm,测端测球直径允许范围100~700μm,分辨力为1nm,重复性小于50nm,测力小于500μN。

荷兰Xpress Precision Engineering公司的Gannen XP测头系统[38],基底也是硅晶片,使用的传感器为压阻元件,可以实现超低不确定度的点测量和扫描测量,通过压阻应力计的测量校正测头信号,该测头的偏差主要由温度变化引起。如图10所示,测杆长6mm,测杆刚度大于150N/m,顶端测球直径为120~500μm,测球刚度为400N/m,测头测力为400μN/μm,整体三维不确定度为45nm,整个量程内任一方向的重复性可达2nm。

国内天津大学精密测试技术与仪器国家重点实验室及上海市计量测试技术研究院联合研制了MEMS三维微触觉测头[29,30],测量时,测杆端部所测量的位移变化或力的变化使微梁上的应力发生变化,并通过分布在梁上的压阻元件检测,通过惠斯通电桥及后续放大调理电路处理,输出电压信号,从而实现微位移或微力的高精度测量。测杆和测球采用超精密加工技术制成,中心连接体和敏感梁构成的悬挂系统采用标准MEMS体硅工艺加工。测头在轴向、同向横向、异向横向三个方向的测量标准差分别为42nm、6.05μm、6.16μm。

总结上述研究,接触式测头目前研究较多,测头样机的可靠性好、精度较高。缺点是测头测端与被测表面接触时产生的测力会引起被测件表面和测球的变形或损伤,不能测量软质表面,尤其是接触瞬间会使测端测球产生“高尔夫球效应”[39];随着测头测杆越来越细(直径目前可小至数十微米)、测球越来越小(直径小于100μm[6,17]),测球与试样表面原子间的各种作用力对测头的影响越来越严重[39,40];同时,为了降低测力的影响,要求降低测头力灵敏杠杆中弹性元件的弹性常数,这会降低测头机械系统的刚度,使测头的动态响应大大降低[41]。目前研制的测头系统性能还不稳定,有待完善。

3 非接触式测头的研究进展

非接触式测头一般采用光学方法进行测量,依据一定光学原理配以光路设计进行测量。

前文所描述的德国Zeiss公司F25型三坐标测量机上的Viscan光学扫描测头即为二维非接触式测头,如图11所示。采用CCD影像系统,LED(绿光,532nm)环形光源可根据亮度和方向进行编程来降低阴影对光学图像的影响,再配一个光学系统以放大探测器的测量区域。二维光学测头系统精度为400nm,重复性小于200nm。

日本大阪大学的光学测头[42,43,44]基于单光束光阱捕获技术,捕获直径为8μm的玻璃微球微探头探球,如图12所示。微球在光阱力和自身重力作用下达到动态平衡。当捕捉激光经过声光偏转器调制后,捕捉激光在水平方向上扫描,从而使微球在径向产生受迫振动。该微球振动的振幅通过另外一路He-Ne激光进行测量。当微球受到外力导致振幅变化时,即可实现三维测量和定位。根据频率响应测试测得测头径向弹性常数估计值为4.1×10-5N/m,系统纵向分辨力约10nm,可测倾斜角小于15°的表面,测量重复性为32nm,置信水平95%时感测不确定度为64nm。

合肥工业大学的非接触式光学聚焦测头[20,21,22,23]如图13所示,使用DVD激光读取头。根据DVD读数头的自动聚焦原理,采用四象限光电二极管传感器探测误差信号,反馈驱动音圈马达,驱动物镜DVD/CD至可聚焦位置并锁焦,当精密平台移动时,由四象限测出的信号得出被测件形貌。所使用的DVD读取头性能参数如下:光学系统数值孔径NA=0.6,激光束波长λ=650nm,光点直径约为860nm。量程为2μm,分辨力为800nm/V。

非接触式测头与被测件无接触,优点是没有测量力和摩擦力,测量速度和采样频率高,可用于测量柔软材料;缺点是灵敏度受物表特性,如颜色、光度、粗糙度等的影响较大。目前光学非接触式测头所能实现的分辨力和不确定度指标较接触式测头低。

4 其他新型测头研究进展

由于上述各种形式测头存在的不足及应用条件的制约,目前研究人员还采用新的工作原理和技术开发了其他形式的微纳米三坐标测头。

日本Mitutoyo公司的UMAP视像系统振动测头[6,45]如图14所示,采用了从振动扫描法中发展出来的一项技术。使用超小振动测针,通过接触式扫描获得被测件表面形貌,并能通过视像测头对所需细微区域进行放大或进行一般的视像测量(视像照明系统采用同轴环形灯———白光LED)。测量过程中,测头以一定振幅振动,轻敲接触到被测件时振幅衰减,当振幅衰减至超过触发电压时检出该信号,测头与被测件分离后振幅恢复至接触前状态以备下一点测量。测头测杆长2mm,直径为10μm,测端测球直径为30μm,测头系统长径比为66.7,测力为1μN,测量重复性小于100nm,分辨力为10nm,量程为200μm。

另外如美国的Insitu.Tec.Inc.公司研制了基于驻波技术的接触式微测头[46],将波长为632.8nm的偏振光与一单模光纤耦合,并通过石英晶体振荡器驱动该光纤横向摆动,当光纤自由端与被测件接触时,返回光通过光纤传递给光纤耦合器并最终由光电探测器检测;英国Renishaw公司的Revo接触式扫描测头[47]采用同步运动和五轴扫描技术,且使用“端部感应”的创新方法在超高速下极近地接触物体表面采集超高精度的测量点数据,在碳纤维空心测针架内部利用激光束检测探针接触物体表面产生的轻微弯曲,装配不同的测针可以实现三维触发、三维扫描、粗糙度检测等功能,该种测头的突出优点是测量速度高(测速可达500mm/s)、数据采集速度高(最大6000点/s)、可极大降低测量机高速移动产生的动态误差,但对微纳米CMM来说,在测头的测量不确定度和测头尺寸方面需要进一步改进;我国天津大学房丰洲等[48,49]研究的碳纳米管探针利用网状碳纳米管的高弹性模量和良好的弹性弯曲能力、机械性能,将生长有序的碳纳米管焊接到普通原子显微镜探针末端构成具有较大长径比的碳纳米管探针,分辨力高达3nm,适用于生物等软材料的非破坏性扫描测量,其不足之处在于目前只能用于一维纳米扫描;哈尔滨工业大学研究了基于球形电容极板的超精密非接触式三维测头[50],测头球形测端外表面设有球形电容极板,并通过信号导线输出传感信号,传感器采用电容信号转换与处理电路。最大可测深径比达100∶1以上,分辨力小于5nm,且在空间三维任意方向都具有一致的传感特性,为大深径比、深宽比的深孔及内腔体高精度测量提供了有效的参考途径。

还有一种新的微纳米测头研究方向,即构建谐振测头。日本Matsuoka等[51,52]尝试研制了压电驱动器驱动、双十字形磷青铜薄板谐振测头,使测头以自定义的5次共振频率呈倒钟摆式谐振,通过十字形薄板上的应变计检测测头与物体表面接触时产生的微变,测头测力低于50μN,重复性小于500nm。它的不足之处在于对测头结构参数要求严格、各项重复性较差(重复性标准差最大为300nm)、测头顶端运动不明确,此外还要考虑驱动器发热引起的测头变形。东京大学Lebrasseur等研究开发的谐振测头[52,53]是在测头左右两端配备驱动器驱动测头谐振,测头与试样接触时发生微偏转,分别对左右两侧产生拉力、推力,引起拉伸、挤压,产生大小相等符号相反的频率改变,以此构建完整的轮廓测量系统达到微纳米检测的目的。利用灵敏元件的谐振特性,合肥工业大学目前正在研制谐振振动触发的三维纳米测头[25,27,54]。分别以聚偏氟乙烯(PVDF)和压电微音叉为谐振器件,与一体化微测杆测球组合构建三维谐振触发测头。经实验验证,在X、Y、Z三个方向上均能达到纳米量级灵敏度及测量分辨力,其中基于PVDF的三维谐振触发测头三维测量分辨力达到亚纳米量级,测量力可达纳牛级。

上述新概念测头目前还处于研究阶段,得到了一些初步的研究成果,从原理上证明了可行性,但需要进一步进行应用性和可靠性研究。

5 结论

目前,国内外很多研究机构在研究微纳米三维测头,已经突破了一些技术瓶颈,取得了一些学术研究成果,但总体上来说,至今还没有研制成功一种可靠的、得到广泛认可的、可满足微器件和微型零件三维测量要求的商用微纳米三维测头。针对目前的研究成果、存在的问题和应用需求,今后微纳米三维测头的研究中,应重点注重下面几个方面:

(1)测球尺寸。测球直径仍显较大,现有的测球直径一般都在数十微米至数百微米。为了能够测量更小的槽宽,需要研制直径更小、性能更稳定的测球。

(2)接触式测头测量力。对于接触式测头,测球越小,由测力引起的测球和试样表面的变形或磨损越大;同时,测球越小,测杆要求越细,由测力引起的测杆变形越大。因此,要求接触式测头的测力越小越好。但当测力小到与原子间作用力相当时,会出现测球与试样间的粘连现象。因此,测头测力需要在两者之间折中、平衡。

(3)测速。对于接触式测头,为了保证小的测量力,测头的灵敏杠杆机构的刚度很小,从而导致了测头的谐振频率低、动态响应慢,甚至测球在碰撞试样表面的瞬间产生“高尔夫球效应”,大大降低测量速度。因而提高接触式测头的测量速度及自身的抖动问题,是微纳米测头研究中需要重视的一个方面。

(4)测量不确定度。微器件等尺寸精度的提高要求相应工艺、计量达到与之相匹配的精度水平,体现在测头部分即要求更高分辨力和测量不确定度。

(5)测头测球的标定。测头测球的尺寸误差和形位误差(偏心误差和球度误差)会引起测量误差,测球校正是必须解决的问题。由于三维测头的三维测量或定位误差一般要求在数十纳米以内,而目前的测头测球误差很难在制造上保证在数纳米甚至数十纳米以内,因此对测头测球的标定是今后研究中应关注的一个方面。

(6)测头的一致性。良好的测头要求在三维方向上的灵敏度和测力是均匀的、一致性的。

(7)测头的互换性。目前,微纳米三维测头还处于研究开发阶段,要实现未来的商业化,还需要解决测头的互换性问题。

从目前获得的接触式测头和光学非接触测头特性看,在微纳米测量中存在着各种制约。一些新型测头,如谐振测头有可能实现微纳米真三维测量。总体来看未来无论是传统经典微纳米CMM测头或是基于各种新原理新技术的测头,如何克服各种技术瓶颈、形成完备的技术体系仍需要展开广泛深入的研究。

三坐标测量机在模具生产中的应用篇5

模具质量保证的有效工具

三坐标测量机在模具行业中的应用相当广泛，它是一种设计开发、检测、统计分析的现代化的智能工具，更是模具产品无与伦比的质量技术保障的有效工具。当今主要使用的三坐标测量机有桥式测量机、龙门式测量机、水平臂式测量机和便携式测量机。测量方式大致可分为接触式与非接触式两种，目前Metris LK的测量机在两项技术上位居世界前列。

模具的型芯型腔与导柱导套的匹配如果出现偏差，可以通过三坐标测量机找出偏差值以便纠正。在模具的型芯型腔轮廓加工成型后，很多镶件和局部的曲面要通过电极在电脉冲上加工成形，从而电极加工的质量和非标准的曲面质量成为模具质量的关键。因此，用三坐标测量机测量电极的形状必不可少。三坐标测量机可以应用3D数模的输入，将成品模具与数模上的定位、尺寸、相关的形位公差、曲线、曲面进行测量比较，输出图形化报告，直观清晰的反映模具质量，从而形成完整的模具成品检测报告。在某些模具使用了一段时间出现磨损要进行修正，但又无原始设计数据(即数模)的情况下，可以用截面法采集点云，用规定格式输出，探针半径补偿后造型，从而达到完好如初的修复效果。

当一些曲面轮廓既非圆弧，又非抛物线，而是一些不规则的曲面时，可用油泥或石膏手工做出曲面作为底胚。然后用三坐标测量机测出各个截面上的截线、特征线和分型线，用规定格式输出，探针半径补偿后造型，在造型过程中圆滑曲线，从而设计制造出全新的模具。

正确使用三坐标测量机对其使用寿命、精度起到关键作用，应注意以下几点。 (1)工件吊装前，要将探针退回坐标原点，为吊装位置预留较大的空间;工件吊装要平稳，不可撞击三坐标测量机任何构件。 (2)正确安装零件，安装前确保符合零件与测量机的等温要求。 (3)建立正确的坐标系，保证所建的坐标系符合图纸的要求，才能确保所测数据准确。 (4)当编好程序自动运行时，要防止探针与工件的干涉，故需注意要增加拐点。 (5)对于一些大型较重的模具、检具，测量结束后应及时吊下工作台，以避免工作台长时间处于承载状态。

模具理想的数字化工具

1974年美国Brown&Sharpe推出全球第一台数控测量机，之后PC-DMIS率先把强大的CAD功能引入测量软件，从此三坐标测量机就以其高精度高柔性以及优异的数字化能力，成为现代制造业尤其是模具工业设计、开发、加工制造和质量保证的重要手段。我侧重谈一下测量机对于模具工业的两个重要作用。

第一，测量机能够为模具工业提供质量保证，是模具制造企业测量和检测的最好选择。测量机在处理不同工作方面的灵活性以及自身的高精度，使其成为一个主仲裁者。在为过程控制提供尺寸数据的同时，测量机可提供入厂产品检验、机床的校验、客户质量认证、量规检验、加工试验以及优化机床设置等附加性能。高度柔性的三坐标测量机可以配置在车间环境，并直接参与到模具加工、装配、试模、修模的各个阶段，提供必要的检测反馈，减少返工的次数并缩短模具开发周期，从而最终降低模具的制造成本并将生产纳入控制。第二，测量机具备强大的逆向工程能力，是一个理想的数字化工具。通过不同类型测头和不同结构形式测量机的组合，能够快速、精确的获取工件表面的三维数据和几何特征，这对于模具的设计、样品的复制、损坏模具的修复特别有用，

此外，测量机还可以配备接触式和非接触式扫描测头，并利用PC-DMIS测量软件提供的强大的扫描功能，完成具备自由曲面形状特征的复杂工件CAD模型的复制。无需经过任何转换，可以被各种CAD软件直接识别和编程，从而大大提高了模具设计的效率。

具体来说，在模具制造企业中应用测量机完成设计和检测任务时，要密切关注测量基准的选择、测头的标定和选择、测点数及测量位置的规划、坐标系的建立、环境的影响、局部几何特征的影响、CNC控制参数等多方面的因素。这当中的每一个因素，都足以影响测量结果的精确和效率。海克斯康在中国拥有3000余家客户操作培训的长期经验，形成了一整套从初级、中级到高级培训的完整体系，我们对于正确使用测量机的理解如下。

首先，选用适宜的设备和正确的检测策略。并且要经过必要的论证，从精度、效率和测量手段等方面衡量测量机是否满足工作目标的需要。

其次，测量人员要经过必要的培训，熟悉测量目标并能够胜任工作的需要。此外，应当对所有的测量设备和测量过程的技术指标进行定期评价和总结。

最后，论证测量结果的一致性。模具工业必不可少的关键设备随着现代制造业的迅猛发展，特别是汽车制造业的发展，对模具设计和制造的要求也日益提高，三坐标测量机已成为模具制造中必不可少的关键设备。

三坐标测量机是精密的数控检测设备，其精度高于一般的数控机床，被广泛应用在模具、汽车、航空、航天、机械等制造业，可对产品的几何尺寸和形位公差进行精确检测。在美国和欧洲的工业发达国家，测量机已经非常普及，大约每七台数控机床要配备一台三坐标测量机。

三坐标测量机除了具备常规的几何尺寸和形位公差检测功能外，在逆向工程技术和曲面坐标检测方面具有特殊的优势，非常适于模具制造业。逆向工程技术是根据已经存在的产品模型或样品，经过三坐标测量机对各项几何尺寸和曲面的测量，反向推出产品设计数据(数字模型或设计图纸)的过程。因此利用逆向工程技术，就可以根据客户提供的样件很方便地制造出模具或直接加工出产品，这在模具制造、汽车、摩托车等行业中有广泛的应用。

三坐标测量机作为数字化的测量设备，通过曲线和曲面的测量可获取工件表面的三维坐标数据，再利用逆向工程CAD技术获得产品的CAD数学模型，进而利用CAM系统完成产品的制造。逆向工程技术用先进的计算机数字图形技术表达复杂的工件形状，可取代以实物为基础的传统的外形传递方法，缩短产品的开发试制周期，降低成本。

在模具制造业，大多数模具都是按照CAD数学模型在数控机床上制造完成的，它与原CAD数学模型相比，确定其在加工制造中产生的误差，就需用三坐标测量机进行测量。

在三坐标测量机的软件系统中可以用图形方式显示原CAD数学模型，再按照可视化方式从图形上确定被测点，得到被测点的X、Y、Z坐标值及法向矢量，便可生成自动测量程序。三坐标测量机可按法线方向对工件进行精确测量，获得准确的坐标测量结果，也可与原CAD数学模型进行比较并以图形方式显示，生成坐标检测报告(包括文本报告和图表报告)，全过程直观快捷，而用传统的检测方法则无法完成。

使用三坐标测量机可减少测量误差，保证产品的精度和质量，满足设计与制造的需要，对提高产品的市场竞争力具有重要推动作用，对模具制造业的技术进步有很大的促进作用，因此三坐标测量机在模具制造业中有十分广阔的应用前景。

浅谈三坐标测量机及其应用篇6

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[1]。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。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。

2 三坐标测量机的组成及结构类型

三坐标测量机一般由主机(包括光栅尺)、电器系统(控制柜)、软件系统(计算机系统)及测头所组成,如图1所示。除硬件以外,软件也是测量机的重要组成部分[2]。

三坐标测量机机的结构类型主要有以下几种:悬臂式、桥式、龙门式等几种,如图2所示。悬臂式测量机优点是开敞性较好,但精度低,一般用于小型测量机。桥式测量机承载力较大,开敞性较好,精度较高是目前中小型测量机的主要结构型式。龙门式测量机一般为大中型测量机,要求有好的地基,相对测量尺寸有足够的测量精度。

3 三坐标测量机的测量系统

3.1 测量头

测量头是测量机进行测量时发送信号的装置,它是测量机的关键部件,测量头精度的高低很大程度上决定着测量机的测量重复性及精度[3]。

测量头分为接触式和非接触式。接触式测量头(硬测头)需与待测表面发生实体接触来获得测量信号;而非接触式测量头则不需与待测表面发生实体接触,例如:激光扫描。在可以使用接触式测量头时慎用非接触式测量头,实验室一般只测量尺寸及位置要素的情况下通常采用接触式测量头。测头的主要形状如图3。

3.2 测量软件

准确、稳定、可靠、精度高、速度快、功能强大、操作方便是对测量机总体性能的要求。就测量机的本体(包括测量头)而言,它只是提取工件表面坐标点的工具。过去,人们一直认为精度高、速度快完全是有测量机硬件部分决定。实际上,由于补偿技术的发展,算法及控制软件的改进,测量机精度在很大程度上依赖于软件。测量机软件成为决定测量机性能的主要因素,这一点已普遍被人们所认识[4]。

从软件功能上可分为以下几种:通用测量软件,专用测量评价软件,统计分析软件和各类驱动、补偿功能软件。软件也由最初的DOS操作系统软件进入现在的Windows操作系统软件,并且已经将CAD技术引入到测量软件,使测量机的功能得以大幅提升。

PC-DMIS就是这么一款功能强大的CAD通用测量软件。其功能简要介绍如下:

(1)基本尺寸及形位误差的测量,同时具备下拉菜单及图形界面方便操作;

(2)可直接与CAD软件相连接,进行测量比对;

(3)可利用其内部语言环境,或外部VB/VC进行编程,实现自动测量;

(4)检测数据可直接与EXCEL连接,导出进行脱机分析、编程及反向工程。

(5)具有一些特殊的测量模块,实现特殊测量要求,如:薄壁件的测量。

3.3 控制柜及操纵盒

控制柜是建立和保持测量机硬件系统与计算机软件相互联系的桥梁。操纵盒使得操作者可手动控制测量机的机械运动,并可控制紧急情况、设置轴运动速度、设置复位状态功能。图4就是一个便携式操纵盒示意图及其功能说明。

4 三坐标测量机的具体测量步骤

4.1 测头校准

测头校准是三坐标测量机进行工件测量前必不可少的一个重要步骤。因为一台测量机配备有多种不同形状及尺寸的测头和配件,为了准确获得所使用测头的参数信息(包括直径、角度等),以便进行精确的测量补偿达到测量所要求的精度,所以必须要进行测头校准[5]。

4.2 建立坐标系

测量较为简单的几何尺寸(包括相对位置)使用机器坐标系就可以了。而在测量一些较为复杂的工件需要在某个基准面上投影或要多次进行基准变换时,测量坐标系(或称为工件坐标系)的建立在测量过程中就显得尤为重要了。

建立测量坐标系有三个步骤,并且有其严格的顺序。具体是:

(1)确定空间平面,即选择基准面。

(2)确定平面轴线,即选择X或Y轴。

(3)设置坐标原点。

实际操作中先测量一个面将其定义为“基准面”,也就是建立了Z轴的正方向;再测一条线将其定义为“X轴”或“Y轴”;最后选择或测一个点将其设置为坐标原点,这样一个测量坐标系就建立完成了。若同时需要几个测量坐标系,可以将其命名并存储,再以同样的方法建立第二个、第三个测量坐标系,测量时灵活调用即可。

对于坐标系方向我们使用的是“右手定则”。如图5,使用右手的大拇指,食指和中指使这三个指头尽量出现相互垂直关系,然后面对机器;食指的指向为X轴正方向;中指的指向为Y轴正方向;大拇指的指向为Z轴正方向。

4.3 工件测量

(1)测量分析

测量工件前必须对工件进行测量要求的分析,这是三坐标测量机应用中一个最基本的环节。工件测量的具体流程如下:

(2)基本元素的测量

所谓基本元素就是直接通过对其表观特征点的测量就可以得到结果的测量项目,如:点、线、面、圆、圆柱、圆锥、球、环带等。测量一个圆上的三个点就可以知道这个圆的圆心位置及直径,这就是所谓的“三点确定一个圆”,如果多测一个点就可以得到圆度误差,所以为提高测量准确度就要适当的增加点数。

(3)构造相关几何量

某些几何量是无法直接测量得到的,必须通过对已测得的基本元素进行构造得出(如:角度、交点、距离、位置度等)。同一面上两条线可以构造一个角度(一个交点),空间两个面可以构造一条线。这些在测量软件中都有相应的菜单,按要求进行构造即可。

(4)检测报告

检测报告的出具必须根据测量要求来完成。需要出具检测报告时,在测量软件初始化时必须作好相应选项,否则无法生成报告。每一个测量结果都可以选择是否出现在报告中,这要根据测量要求的具体情况而设定。报告形成后就可以选择“打印”来输出。

5 结束语

由于三坐标测量机的出现,完成了计算机控制下的各种复杂测量。虽然坐标测量机有许多测量方面的优点,但如果使用不当仍然会存在很大的测量误差,测不准的原因可分为工作基准的选择、测量方法的选择和坐标测量机在软硬件方面的客观局限性所造成的误差。所以在使用的过程中认识了其结构和工作原理,熟悉其工作和测量过程,对正确使用和提高其测量精度将大有帮助。

参考文献

[1]张志成.测量技术新发展[J].汽车制造业,2004(,4):34-35.

[2]潘亚林陈晓怀余新友.提高三坐标测量机应用精度的分析与计算[J].低温与超导,2004(,3):22-24.

[3]赵丹阳宋满仓王敏杰.三坐标测量机技术改造关键技术[J].计量技术,2004(,3):26-27.

[4]李凯.三坐标测量机探针校准的误差分析[J].物理测试,2004,(4):38-40.

纳米三坐标测量机篇7

三坐标测量曲线和曲面必须通过测量点的法向矢量进行打点, 否则在三坐标机数据处理及测头半径补偿时将产生投影余弦的误差, 如何得到测量点的法向矢量数据信息主要有2条途径。

一是从三坐标机测量软件平台直接获取, 见图1。

二是利用CAD软件平台获取, 见图2。

以上2种取点方法具有不同特点。

方法一, 因为是在三坐标测量机的测量软件平台上读取被测零件的CAD数模, 在CAD数模上取点后获得测量点的坐标值和矢量值, 因此可直接测量, 不需要考虑数据从CAD到测量软件的转化问题。但是三坐标测量机软件的CAD数模的编辑功能不如普通CAD的编辑功能, 不能任意地加截面、加直线。取点时的条件设置功能也不如普通C A D, 所以难以取得有规则的某些点。另外, 当需要取点数量较多时所用时间较多, 故影响三坐标机的测量利用率, 所以该方法适用于CAD数模上取点比较简单、随机且测量点数不多的情况。

方法二, 因为CAD软件本身具有强大的编辑功能, 在选择各不同曲面时, 可对图形曲面, 尤其是内腔曲面加些截面, 得到交线后需要按设置点数均匀取点, 或需要按曲面曲率大小不同取疏密不同的点时都比较方便。如果被测曲面大, 需要加若干个截面, 取点数多, 就越体现其优势。但问题是从CAD平台到测量平台之间需要数据转换, 要有数据接口。为此我们用VB语言编制了通用性的FormUG2数据转换接口程序, 针对UG2输出点的几何属性信息框中的数据格式, 取出需要的X、Y、Z、I、J、K数据, 按TXT文件格式排列, 而且可以不受取点数量限制。在测量平台中为了读取TXT文件中的数据, 并能自动打点, 我们又用VB语言编制了通用性的blade程序, 即自动读取测量点, 在被测件坐标系内自动测量的程序, 也不受打点数量限制, 并将测量结果文件储存在指定的目录。这样, 在CAD数模上取点方便, 编程测量也比较流畅且简单可行。

2 二类不同被测曲面的不同检测方法

当被测件本身可以找到特征元素用于建立零件坐标, 坐标系原点在被测件上, 完全可用上述流程操作, 例如车灯、内饰件、发动机气缸体的气道型腔等可以通过安装孔或定位点的测量来建立零件坐标。汽车发动机零件“下进”的气道曲面和液力变矩器中重要零件“导轮”的叶片都有明确的基准, 通过测量夹具定位能直接建立零件坐标, 然后测量曲面。见图3。

当被测件本身找不到特征元素可以用于建立零件坐标时, 如液力变矩器中的涡轮叶片, 零件坐标原点是叶片的回转中心, 不在零件上, 为了测量叶片的面轮廓度, 就需要插入另外一段流程。

汽车液力变矩器中的涡轮叶片, 被测件本身可以通过测量某要素来建立零件坐标, 加上复杂曲面和边缘的加工误差, 其正确定位有困难。见图4、图5。

首先必须设计测量夹具, 在CAD中将被测件安装定位到夹具上, 并建立零件坐标系与夹具坐标系的转换关系 ( (1) 对夹具的定位可靠性必须进行MSA分析合格, (2) 因为夹具制作存在误差, 被测件定位点加工也会有误差, 使得实际夹具定位及坐标转换后与理论坐标之间还会存在不可忽略的误差, 所以必须进行数次最佳拟合, 在测量软件中运用“Best fi t”功能修正由于定位的偏差而造成的坐标转化的偏差) , 同样可以按上述流程获取测量点的TXT文件, 然后在编制测量程序时, 首先对夹具测量建立夹具坐标系, 按转换关系转换到零件坐标系, 再执行通用性的blade程序, 即可打点测量曲面, 并自动输出测量结果。

3 输出曲线、曲面检测数据结果的图形报告

在曲面测量的流程中还有一个重要特点是被测曲面与指定截面交线的测量结果图形输出报告, 见图6。图6是我公司为SGM配套的液力变矩器其中的一个泵轮壳冲压成形时测量回转体曲面轮廓度的部分图形报告。因为泵轮壳是回转体, 所以过回转中心的2个垂直截面与曲面相交的曲线进行测量, 得到4个曲线组成的1份报告。该报告是用VB语言编制的接口, 将测量数据文件转换到Excel平台, 然后利用Excel的绘图功能, 画出理论、上/下公差及实际测量结果4条曲线。为了能在1份报告中放入4个图形, 又能把误差明显地表达出来, 我们采用上、下公差和实际测量结果3条曲线均在各个点的法向矢量上放大50倍, 得到上述图形报告。在图形中有超差点的状态, 又有轮廓度数值。经过数年的实践, 无论是新产品试制, 还是批量生产过程的监控, 都获得一目了然的效果。根据图形报告, 结合现场加工的信息, 能分析出各种缺陷。如冲压压力不足的图形特点;模具个别弹簧断裂的图形特点;钢板屈服极限造成的材料局部堆积增厚的图形特点等。测量结果图形输出报告是快速初步判断, 进而采取措施的重要依据。在排除隐患后可得出如图7所示的合格产品质量图形报告。经过多年坚持至今, 已经为过程产品质量保持稳定状态发挥了巨大的作用。

图8是液力变矩器重要零件导轮叶片轮廓测量图形报告, 图9是发动机“下进”零件气道内腔轮廓测量图形报告, 在图形上点击其中任一测量点, 可立即显示其坐标数据。

在三坐标机的软件中有一种形式的图形输出报告, 即在被测零件的图形上对每个测量点都引出数据框, 如图10是液力变矩器涡轮叶片的测量图形报告, 显示每个点的理论值和测量值, 当测量点多到一定量时, 数据框就会布满整个报告版面, 从中要找出有问题的点则感觉不是很容易。所以, 我们更改为采用图11形式的报告, 图中既有超差点的状态, 又有轮廓度数值且比较直观。图11是以零位线作为理论曲线, 设立上、下公差线, 然后用实际测量点描述的曲线。每枚叶片测量分内、外2条曲线, 所以有2幅曲线图。

纳米三坐标测量机篇8

1 三坐标测量机的基本工作原理

三坐标测量机是指在一个六面体的空间范围内, 能够表现几何形状、长度及圆周分度等测量能力的仪器, 它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, 具有能够放置工件的工作平台, 测头可以以手动或机动方式快速的移动到被测点上, 由读数、数显装置把被测点的坐标值显示出来的一种测量设备。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。其测量过程就是将被测零件放入它已允许的测量空间, 根据零件上的设计基准、加工要求, 建立一个空间坐标系, 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采集坐标相对于测量仪绝对原点坐标的坐标值, 精密地测量出被测零件表面的点在空间3个坐标位置的数值, 将这些点的坐标数值经过测量软件的数据处理, 拟合形成测量元素, 如圆、球、圆柱、圆锥、曲面等, 经过数学计算的方法得出其形状、位置公差及其它几何量的数据。

2 影响接触式CMM测量精度的原因以及减小测量误差的方法

2.1 测头的选择

测头部分是测量机的重要部件, 测头根据其功能有:触发式、扫描式、非接触式 (激光、光学) 等。触发式测头是使用最多的一种测头。测头是坐标测量机的一部分, 主要用来触测工件表面, 当测头的机械装置移位时, 将产生信号触发并采集一个测量数据。一般的测头都是由测头体、一个测针杆和测球组成, 它与测座连接。最常见的测球的材料是红宝石, 因为红宝石是目前已知的最坚硬的材料之一, 虽然红宝石是最常用的测球材料, 但其它材料可能更适合进行接触扫描测量。在扫描测量时, 测球沿着工件表面滑行, 会产生摩擦磨损, 在测量某些材料, 这种长期接触会导致测球材料从测球球面上被磨除 (磨粒磨损) , 其残留的微小颗粒会导致测球和测量件的工作表面被轻微划伤, 从而在测球表面上形成一个微小的“平面”, 或工件材料被粘着到测球上 (粘结磨损) , 以上无论哪一种情况, 都会影响测球的圆度。当测球的磨损部位与工件经常保持接触时, 这种圆度误差就会不断增大, 测球的圆度误差会使CMM损失高达10%的潜在测量精度。红宝石测球的制造精度水平是用等级来定义的, 而一个测球的等级取决于其相对于理想球体的最大偏差。最常用的两种测球等级为5级和10级 (其球度误差分别为0.13μm和0.25μm) , 只有极少的情况不适宜采用红宝石球。高强度下对铝材料制成的工件进行测量时, 由于粘结磨损通常发生在测球材料与测量工件具有化学亲和力的情况下, 从相对较软的铝件上转移到测球上的材料可能生成一层“涂层”, 从而降低测球的球度精度, 选择氮化硅测球较好;对铸铁材料工件进行高强度测量时, 选择使用硬度更高的氧化锆测球。由于天然的红宝石价格比较昂贵, 所以大多数CMM测杆顶端的测球都采用人造红宝石球, 其主要成分是氧化铝, 其测针结构示意图如图1所示。

2.2 测球直径的校正方法

三坐标测量机的测头校正时, 最先校正的测针作为测针组坐标的原点, 其原理如图3所示, 用测球对标准球进行测量 (通常测量5个点) , 在球极上测一点, 球赤道面上均匀的测4个点。对于较高精度的测量, 采用9点测量法, 即在球极上测一点, 球赤道面上均匀的测4个点, 即球极和球赤道面之间的中间面上再采集4个点。三坐标测量机通过对标准球的测量, 测球半径得到了补偿, 测点坐标值从而进行了测球半径补偿。

2.3 测头校正时接触测点位置对测头半径二维补偿误差的影响

测头校正是保证测量精度的基础, 测头校正时接触点的位置是在测头校正过程中引起误差的重要因素之一, 如图2 (a) 所示。因为测头接触工件时, 三坐标测量机接收到得坐标值是红宝石球头中心点的坐标。显然三坐标测量机将自动从接触点沿着测量逼近方向回退一个测头半径值, 但补偿后的点并非是真正的接触点, 而是测头沿着测量逼近方向上的点, 这样就会在正确的逼近方向上产生补偿误差。产生误差的大小与测头的直径及该工件与直角坐标系中坐标轴的夹角有关, 测针轴线与被测面法线的夹角α越大, 误差就会越大。用CMM进行零件测量时, 理论上, 测头的球半径应为零, 测头和工件接触为测头中心, 得到的数据就是测头中心的坐标值, 而非测头与被测件接触点的坐标值。但实际上, 测头是有半径的, 从而需要对测头直径进行校正, 即进行测头球心轨迹曲面域和测头半径补偿, r为测球半径, α为测量逼近方向和正确逼近方向之间的夹角, δ为补偿误差。由图2 (b) 所知, 补偿误差δ:

由式 (1) 可以看出, 测球半径r越小, 补偿误差δ也越小, 因此当进行点位测量时, 应选用尽可能小的测球。当测针轴线与被测面法线的夹角角度α为0时, 其测球半径补偿误差δ也为0, 角度α越大, 其补偿误差δ也越大, 所以测量时要尽可能使测量逼近方向与被测表面法矢相一致, 在测头校正测量时, 应尽可能使测针轴线与被测面垂直, 使测头沿着被测表面的法线方向移动, 以减小测球半径的补偿误差。

2.4 测针长度对测头半径补偿误差的影响

测针在测量时, 使用的测杆越长, 则测头产生的弯曲和偏斜就越大, 由图3可知。

因为实际测量时, 除了测头体安装时产生的轴间平移, 还有轴 (测杆) 会发生倾斜, 所产生的测头半径补偿误差δ=Lsinα (L为测杆长度, α为测杆倾角) , 误差δ与测杆的长度和角度成正比, 当测针在校正后对标准球进行测量时, 其测量结果是随着测针长度的增加, 其偏差也随着增大, 其测量精度随着测杆长度的增加而降低, 因此长测杆并不适合测量所有的工件特征。虽然测杆并不会直接引起这种特定的误差, 但测杆长度会将误差放大, 当测头从不同的方向与工件接触时, 因触发所需要的测量力不同, 就会引起预行程的变化, 从而产生这种误差, 用标准测球对测头进行校准可以减小这种预行程误差。测杆的挠性会放大预行程的变化, 虽然钢也适合制造一些短测杆, 但硬质合金是刚性最好的测杆材料。然而由于硬质合金密度大, 因此不适合用于长测杆, 陶瓷测杆通常可用于既需要刚性好, 又要求重量轻的测量工作。由于测杆会随着温度波动而变化, 对三坐标测量机的测量误差造成很大的影响, 所以选用适当长度的接长杆材料, 在环境条件发生变化的情况下, 获得更好的稳定性和一致性更好的测量结果。具有低热膨胀系数的材料是首选的测杆材料 (尤其是在使用长测杆时) , 因为热膨胀量取决于长度。碳纤维是最常用的长测杆和接长杆材料, 因为这种材料既硬又轻。钛合金兼具良好的强度﹑稳定性和密度, 非常适合用于制造测杆的金属零件 (如接头和活动关节) , 因此测针针杆一般使用非磁性的不锈钢针或碳钨纤维的针杆, 以保证测针的刚性, 测针的有效工作长度使得测针接触零件时可获得精确的测点位置, 测针直径球头尺寸和测针有效工作长度的选取取决于被测零件, 在条件允许的情况下, 尽量选择测针直径较大、测杆较短的测针, 以保证最大的测针/测杆距, 获得最佳的有效工作长度和测针刚性。

3 结论

在接触式三坐标测量机中, 其中接触式测头的动态误差补偿, 测头半径补偿技术, 测球校正和补偿, 正确选择和使用测头、测杆和正确的建立零件坐标系等方法是减小三坐标测量机测量误差的几个关键因素, 直接影响到测量工件的测量精度, 以及数据的准确度和真实度, 本文总结了产生测量误差的特点, 并提出了减小误差的措施, 为提高产品的测量精度提供了有力的依据。可以肯定, 以接触式三坐标测量机为代表的三维测量技术在整个机械行业, 乃至整个机加工、模具设计、逆向设计等行业都有非常广阔的应用前景。

参考文献

[1]张国雄.三坐标测量机[M].天津:天津大学出版社, 1999, 8.

[2]王红敏, 石沛林.坐标测量机的测头及测针半径误差补偿[J].工具技术, 2003, 7.

[3]海克斯康测量技术 (青岛) 有限公司.实用坐标测量技术[M].北京:化学工业出版社, 2007.

[4]石照耀, 韦志会.精密测头技术的演变与发展趋势[J].工具技术, 2007.

[5]马晓丽, 马中, 陈艾华.误差分析[J].农业机械学报, 2007, 11.

[6]费业泰.误差理论与数据处理[M].北京:机械工业出版社, 2004.

[7]李柱.互换性与测量技术基础 (上册) [M].北京:计量出版社, 1984, 10.

纳米三坐标测量机篇9

转轮是水轮机的核心部件,叶片又是转轮的 “心脏”,叶片的结构比较复杂,加工及质量检测也比较困难,其加工质量的好坏直接关系到水能转换为电能的效率。逆向反求得到的实体模型不仅可用于叶片五轴联动数控加工,也可为水轮机叶片数控加工后的检测和维修等工作提供依据[1,2,3]。本文以某企业逆向反求设计生产的混流式水轮机叶片为依据,通过分析实际加工生产的叶片结构特点和加工方法,确定了快速的外观质量检测方案,利用三坐标测量机实现复杂型面高效、准确的检测和误差评定。

1 测量方法的对比选择

1.1 常规检测方法的不足

(1)由于叶片是复杂型面且不规则,无法很好地找到可以与数模坐标系进行拟合的坐标系元素(点、线、面),假如采用迭代法来拟合坐标系,叶片上也几乎没有相互垂直的元素,不能很好地保证零件与数模坐标系完全一致,对后续检测也没有多大意义。

(2)测量结果最终以点的形式输出表示,由于测量时的触测矢量与标准矢量不一致会导致产生余弦误差,特别是在曲率变化大的部位测量误差更大,测量数据更不可靠。

(3)为了保证测头移动时不发生干涉,每测量一个叶片需要多次更换测头角度,且每次更换测头角度都要重新校验,浪费了很多准备工作时间。

(4)如果坐标系迭代成功,由于在检测叶顶线位置时边缘较小,因此PC-DMIS自动获取点比较不容易,给检测带来一定的难度。

1.2 本案测量方法

本案测量叶片时,先把叶片装夹在胎具辅助装置(见图1)上,然后使用BS8650-L/CS三坐标激光扫描测量机(见图2)对逆向反求设计加工的叶片进行点数据测量。利用软件的套索功能,将扫描所得的点数据与逆向反求所得的实体数模进行拟合比对,从而判定叶片各关键部位指标的合格性,从而达到对叶片快速、准确高效的检测及误差评定。

2 本案的实施

2.1 测量背景

本案介绍的混流式叶片(见图3)是一种表面不规则、曲率变化大、空间扭曲程度大且加工难度大的复杂曲面体,它是由正背面、与上冠和下环相接的带状回转面、进出水边曲面及进水边头部曲面等构成的曲面体[4]。本案主要介绍一些无法用常规测量手段测量的叶片重要参数,见表1。

2.2 检测方案的实施

2.2.1 胎具辅助装置的提供

混流式叶片是没有任何基准的不规则自由曲面,加工及检测过程中装卡定位就显得很困难。这里将采用正、背面胎具定位,焊块搭焊和螺钉把合且具有良好效果的胎具装夹定位方式来确定工件参考点,实施找正,同时也解决叶片正、背型面错位问题。本案检测利用如图1所示的胎具实现找正,即把叶片定位装夹在胎具上,再将胎具固定在三坐标测量机上[5]。胎具辅助装置的应用很好地解决了传统检测方法中准确找坐标系的问题,为叶片快速创新检测方法的实施奠定了基础。

2.2.2测量方法及过程

测量过程如下:

(1)将叶片固定安置在胎具辅助装置上,打开扫描软件,通过BS8650-L/CS三坐标测量机分别对叶片正、反面进行扫描。

(2)扫描结束后,对图形进行处理,并得到点云数据,如图4所示。

(3)导入逆向反求设计所得的实体数模(见图5),利用软件的套索功能,将扫描所得的点数据与逆向反求所得的实体数模进行拟合比对,并得到检测结果。

(4)数据处理分析。首先对上缘板面数据进行处理,从上缘板面数据可以看出,该部位的面轮廓度为0.2mm;其次,对下缘板面轮廓度数据进行处理,下缘板面数据如图6所示,可以看出,该部位的面轮廓度为0.15mm。

接着对工作面前缘面轮廓度、工作面后缘面轮廓度、工作面中部面轮廓度进行处理。工作面前缘面轮廓度、工作面后缘面轮廓度、工作面中部面轮廓度这些参数涵盖了叶片工作面整体轮廓的外形误差,可反映出叶片工作面的实际加工状况。从测试数据可以看出,叶片该部位的前缘面轮廓度为0.13 mm、后缘面轮廓度为0.14mm、中部面轮廓度为0.18mm。

本次检测的叶片重要参数检测评定结果如表2所示。

由表2可知,本次检测的叶片参数均符合标准要求。

3 结束语

本文所述的检测方法是在基准无法准确获取的前提下,利用胎具辅助装置及三坐标测量机扫描得到的点云,并通过软件的套索功能与实体数模拟合比对,实现叶片表面重要数据的快速、准确检测。这种创新性的检测方法考虑的是叶片整体,而非个别特定区域或细节,使得检测结论更完整可靠。同时这种方法摒弃了传统的三坐标采点的测量方法,使测量更快速方便,可大大提高工作效率。这种方法现已在多个型号的水轮机叶片上使用,同时其应用范围正在向飞机螺旋桨叶片及潜艇叶片的检测领域延伸。

摘要：介绍了一种利用三坐标测量机的强通用性和快速检测的稳定性,巧妙结合脱机编程软件,并借助胎具辅助装置快速检测叶片的方法,实现了复杂型面的自动化检测和误差评定,同时很好地保证了数据的完整性和准确性。这种检测方法快速高效地解决了一些传统的测量问题,将会在未来曲面制造检测中得到广泛应用。

关键词：三坐标测量机,叶片,快速创新检测,误差评定

参考文献

[1]钟国坚.基于UG的水轮机叶片的逆向反求[J].机械,2012(3):24-27.

[2]曹锟,姚志明.水轮机原理及水力设计[M].北京:清华大学出版社,1991.

[3]赖喜德.基于虚拟产品开发技术的叶轮优化设计[J].兵工技术学报,2002,62(5):37-40.

[4]阴艳超,赖喜德,郭成.大型混流式叶片的多轴联动数控加工编程技术[J].CAD/CAM与制造业信息化,2005(6):92-94.

三坐标球头测量系统误差分析篇10

关键词：三坐标,测量,测头,系统,补偿,误差

1 现状分析

在三坐标测量中, 对于测量软件中测头系统补偿误差存在两个观点, 第一个观点:测量机厂家海克斯康认为其补偿系统误差很小, 对于我们公司现有产品的测量精度要求完全可以满足, 我们现在在测量中是打开测头补偿系统进行测量的;第二个观点:608 所和西工大认为测头系统补偿有一定的误差, 所以在测量时关闭测头补偿系统。最近在测量叶轮中, 有设计人员提出了测头选取的大小会一定的测量误差, 对零件的测量结果有一定的影响, 针对该问题, 我们决定作以理论和实际的分析研究, 得到确切的结论。

2 球头补偿原理

2.1 测头的定义及校验

在对工件进行检测之前, 需要对所使用的测杆进行定义及校验。在PC-DMIS的测头功能中按照实际采用的测杆配置进行定义, 并添加所用到的测头角度。之后用标准球对其进行校验, 得到正确的球径和测头角度。

2.2 校验测头的目的

在进行工件测量时, 在程序中出现的数值是软件记录测杆红宝石球心的位置, 但实际是红宝石球表面接触工件, 这就需要对实际的接触点与软件记录的位置沿着测点矢量方向进行测头半径、位置的补偿, 消除以下三方面误差:

(1) 理论测针半径与实际测针半径之间的误差。

(2) 理论测杆程度与实际测杆长度的误差。

(3) 测头旋转角度之误差。

通过校验消除以上三个误差, 得到正确的补偿值。因此, 校验结果的准确度, 直接影响工件的检测结果。

3 观点说明

3.1 错误观点

一部分人认为, 在实际测量是, 每测量一个元素, 系统都可以自动区分测球半径的补偿方向, 计算正确的补偿半径。在采点开始后, 测量软件将在沿着测针接触工件的方向上对测球进行半径补偿。但被补偿点并非真正的接触点, 而是测头沿着测针接触工件方向的延长线上的一个点。这样就造成了测头半径补偿误差, 产生误差的大小与测球的半径与该工件被测面与笛卡尔坐标轴的夹角有关, 夹角越大, 误差越大, 详见图1。

3.2 正确观点

软件在获取每一个触测点时, 得到的是测针红宝石球球心点的位置, 我们最终想要获得的是红宝石球与工件表面接触的特征点, 这两个点之间的间距为触测方向 (矢量方向) 上的测针半径值, 这就需要通过测头补偿来实现, 即将红宝石球心点沿测针触测方向 (矢量方向) 补偿测针半径之后, 得到工件的特征点, 而不是竖直方向的延长点。

4 测量验证

从研究三坐标测量系统的补偿原来我们可以发现, 正常经过校验的测头, 打开补偿控制要求, 理论上不会出现测量误差。为了验证测头打开补偿状态测量误差, 进行了不同球径在平面与曲面的测量对比。

4.1 平面测量

(1) 使用准1.5 球头测量平面上的一点, 重复测量10 次, 得到测头校验精度为0.002mm。

(2) 使用准2 球头测量平面上的一点, 重复测量10 次, 得到测头校验精度为0.002mm。

(3) 使用准3 球头测量平面上的一点, 重复测量10 次, 得到测头校验精度为0.001mm。

(4) 使用准5 球头测量平面上的一点, 重复测量10 次, 得到测头校验精度为0.001mm。

4.2 曲面测量

(1) 使用准5 球头测量曲面上的一点, 重复测量10 次, 得到测头校验精度为0.001mm。

(2) 使用准2 球头测量曲面上的一点, 重复测量10 次, 得到测头校验精度为0.002mm。

(3) 使用准3 球头测量曲面上的一点, 重复测量10 次, 得到测头校验精度为0.001mm。

(4) 使用准5 球头测量曲面上的一点, 重复测量10 次, 得到测头校验精度为0.001mm。