三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在精密加工中的應(yīng)用

三 坐 標(biāo) 測(cè) 量 機(jī) （ Coordinate Measuring Machining，簡(jiǎn)稱 CMM）是近50年發(fā)展起來(lái)的一種高效率的新型精密測(cè)量?jī)x器。它的出現(xiàn)，一方面是由于自動(dòng)機(jī)床、數(shù)控機(jī)床高效率加工以及越來(lái)越多復(fù)雜形狀零件加工需要有快速可靠的測(cè)量設(shè)備與之配套；另一方面是由于電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)以及精密加工技術(shù)的發(fā)展為三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的產(chǎn)生提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

現(xiàn)代 CMM 不僅能在計(jì)算機(jī)控制下完成各種復(fù)雜測(cè)量，而且還可以通過(guò)與數(shù)控機(jī)床交換信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)加工的控制，并且還能夠根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)逆向工程。目前，CMM 已廣泛用于機(jī)械制造業(yè)、汽車工業(yè)、電子工業(yè)、航空航天工業(yè)和國(guó)防工業(yè)等各部門(mén)，成為現(xiàn)代工業(yè)檢測(cè)和質(zhì)量控制不可缺少的萬(wàn)能測(cè)量設(shè)備。 

由于它通用性強(qiáng)，測(cè)量范圍大，精度高，效率高，性能好，能與柔性制造系統(tǒng)相連接，已成為一類大型精密儀器，故有"測(cè)量中心”之稱。

在高精度測(cè)量領(lǐng)域，著名的廠商德國(guó)卡爾?蔡司(Carl Zeiss)公司的CONTURA G2 產(chǎn)品（如圖所示）以其在硬件和軟件配置上具有的優(yōu)勢(shì)，使得連續(xù)掃描測(cè)量和逆向工程測(cè)量完全滿足精密測(cè)量的要求。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的基本工作原理 

幾何量測(cè)量是以點(diǎn)的坐標(biāo)位置為基礎(chǔ)的，它分為一維、二維和三維測(cè)量。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的基本原理是將被測(cè)零件放入它容許的測(cè)量空間，精密地測(cè)出被測(cè)零件在 X、Y、Z 三個(gè)坐標(biāo)位置的數(shù)值，根據(jù)這些點(diǎn)的數(shù)值經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理，擬合形成測(cè)量元素，如圓、球、圓柱、圓錐、曲面等，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算得出形狀、位置公差及其他幾何量數(shù)據(jù)。

CONTURA G2 RDS三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的組成和特性

1）測(cè)頭系統(tǒng)：

測(cè)頭系統(tǒng)包括探頭、吸盤(pán)、探針、讀數(shù)頭、光柵尺。 

2）硬件控制系統(tǒng)： 

C99 控制柜，具備計(jì)算機(jī)輔助誤差修正功能，可對(duì) CMM 和傳感器做實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)修正，確保得到精確的結(jié)果。 

電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括電機(jī)、摩擦滾、鋼帶、皮帶、氣墊（氣浮軸承）、氣管、過(guò)濾器、氣壓表、調(diào)壓閥。

3) 其它機(jī)械部件

包括花崗巖臺(tái)面、三軸導(dǎo)軌、減震墊、支撐基架、Z 軸平衡氣缸、電磁閥等。 

數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)（CALYPSO 測(cè)量軟件），利用該軟件，可把 CAD 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成測(cè)量程序，從而獲得準(zhǔn)確無(wú)誤的檢測(cè)方案。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在精密檢測(cè)中的應(yīng)用 

目前利用 CONTURA G2 RDS 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，對(duì)下圖所示工件的開(kāi)有多條狹縫的表面進(jìn)行了平面度的幾何測(cè)量。 

測(cè)量程序的編制利用了Calypso測(cè)量軟件強(qiáng)大的開(kāi)放式脫機(jī)編程功能，這種編程方法的好處一是只要將設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)的CAD圖紙文件直接輸入到測(cè)量軟件中，就可以進(jìn)行編程。不必等工件加工完成后才可以進(jìn)行程序測(cè)量，可大大提高工作效率。第二是在程序編制完成之后，可以在CAD環(huán)境中直接調(diào)用程序進(jìn)行模擬測(cè)量，對(duì)程序進(jìn)行驗(yàn)證，找出運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤測(cè)量路徑和采點(diǎn)，同時(shí)對(duì)程序進(jìn)行修正，將實(shí)際測(cè)量中可能出現(xiàn)的問(wèn)題降到最低，最大程度的保證了測(cè)量過(guò)程中的安全性。 

脫機(jī)編程時(shí)測(cè)量軟件應(yīng)設(shè)置為脫機(jī)工作模式。首先將預(yù)先在CAD環(huán)境下建立的模型直接導(dǎo)入測(cè)量軟件中（如下圖）。該測(cè)量軟件采用了圖形化可視界面，簡(jiǎn)明易用，包含了基本的CAD功能，如放大、縮小、平移、旋轉(zhuǎn)、著色（陰影）等功能，軟件的直接的CAD接口，適用于所有重要的CAD格式，不會(huì)導(dǎo)致公差問(wèn)題及精度的損失。 

第二步建立工件坐標(biāo)系開(kāi)始測(cè)量。坐標(biāo)系的建立采用常用的面線點(diǎn)（3-2-1）方式，然后選擇平面(Plane)測(cè)量元素，雙擊該平面元素，對(duì)其中測(cè)量策略進(jìn)行設(shè)置。由于待測(cè)平面比較特殊，上面并列有多條狹縫，而正因?yàn)槿绱瞬胖率蛊矫娑瘸畲嬖诳赡苄?。為了得到全面精確可信的測(cè)量結(jié)果，根據(jù)廣度均分的原則將測(cè)量路徑選擇為多義線（Polyline），這樣使采集到的點(diǎn)盡可能的覆蓋到整個(gè)平面上。使用鼠標(biāo)在工件模型上點(diǎn)擊所要采點(diǎn)的位置，此時(shí)工件模型上會(huì)顯示所采點(diǎn)的位置及其矢量方向。根據(jù)所測(cè)量的幾何要素的需要，可進(jìn)行多次采點(diǎn)。當(dāng)采夠所需要的點(diǎn)數(shù)后再在采點(diǎn)窗口中點(diǎn)確定，系統(tǒng)將會(huì)驅(qū)動(dòng)虛擬測(cè)頭進(jìn)行采點(diǎn)，并擬合出要測(cè)的幾何元素及其圖形。多義線測(cè)量界面如下圖所示。

下一步應(yīng)對(duì)測(cè)量路徑多義線再進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)置，其中包括分別根據(jù)實(shí)際情況對(duì)探針?biāo)俣纫约安杉狞c(diǎn)的個(gè)數(shù)的設(shè)定，接著應(yīng)修改平面元素的評(píng)價(jià)方法，設(shè)置為最小二乘法并選擇去除粗大誤差，確定即可。

元素測(cè)量完成后，應(yīng)對(duì)測(cè)量幾何平面度進(jìn)行評(píng)價(jià)。在菜單中選擇形狀和位置公差中的平面度，然后雙擊該平面度圖標(biāo)，選擇測(cè)量完的平面元素，輸入設(shè)計(jì)公差數(shù)值確定完成。平面度評(píng)價(jià)界面如上圖所示。 

在測(cè)量程序自動(dòng)運(yùn)行之前，為了防止在實(shí)際測(cè)量中發(fā)生探針與待測(cè)工件意外碰撞應(yīng)設(shè)置安全平面，如下圖所示。 

最后將編制完成的測(cè)量程序保存，通過(guò)聯(lián)機(jī)實(shí)際測(cè)量，得到如下圖的平面度測(cè)量的結(jié)果報(bào)告。從報(bào)告中可以直觀的得到相關(guān)的測(cè)量元素和坐標(biāo)數(shù)值及所有測(cè)量數(shù)據(jù)。用戶可根據(jù)需要給出實(shí)際尺寸、公差值、與理論值的偏差、超差情況等詳細(xì)的信息，對(duì)報(bào)告頭自己定義，保存后可隨時(shí)調(diào)看。

通過(guò)利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在對(duì)工件的測(cè)量應(yīng)用中，高效率采集到了大量精確、詳細(xì)的測(cè)量數(shù)據(jù)，完成了以前用其它測(cè)量工件平面度量具（如刀口尺等）無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)具備了高精度高柔性以及優(yōu)異的數(shù)字化能力。在高質(zhì)量產(chǎn)品的制造中使用精密的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)可減少測(cè)量誤差，保證產(chǎn)品的精度和質(zhì)量，滿足設(shè)計(jì)與制造的需要， 加深理解并更好地掌握其工作原理和性能對(duì)完成并拓展裝備研制中精密零部件的質(zhì)量檢驗(yàn)必將發(fā)揮重大的作用。

國(guó)際三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)生產(chǎn)商

?？怂箍等鴺?biāo)：

海克斯康三坐標(biāo)是?？怂箍导瘓F(tuán)旗下的一個(gè)子產(chǎn)業(yè)，擁有100多個(gè)分支機(jī)構(gòu)。青島前哨國(guó)有制改革期間，將其三坐標(biāo)產(chǎn)業(yè)出售給?？怂箍?，也就是現(xiàn)在的青島?？怂箍瞪a(chǎn)基地。海克斯康三坐標(biāo)旗下還有DEA、Brown & Sharpe、Leitz、Romer、Cimcore、Sheffield、Starret、CEJ、Leica等品牌，涵蓋了高中低端產(chǎn)品市場(chǎng)，在中國(guó)市場(chǎng)占有率最高。

德國(guó)蔡司ZEISS、溫澤Wenzel、東京精密、日本三豐：

均在中國(guó)設(shè)立生產(chǎn)基地，主要位于上海、蘇州等地。主要生產(chǎn)中小尺寸的自動(dòng)化三坐標(biāo)和手動(dòng)式三坐標(biāo)。在中國(guó)市場(chǎng)占有一定的份額。

其他三坐標(biāo)品牌：

意大利COORD3，德國(guó)MORA（已被AEH并購(gòu)）、英國(guó)LK等，基本以代理商為主，在本國(guó)享有較高知名度，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額較少。

國(guó)內(nèi)三坐標(biāo)生產(chǎn)商

臺(tái)灣智泰

成立于1996年的臺(tái)灣企業(yè)，在國(guó)內(nèi)有深圳、昆山兩個(gè)生產(chǎn)基地。產(chǎn)品系列較多，包括分析儀器、三坐標(biāo)儀、影像儀等系列。

西安愛(ài)德華

德國(guó)AEH測(cè)量在華投資企業(yè)，該公司是90年代中期成立的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)專業(yè)生產(chǎn)廠家，主要生產(chǎn)中小尺寸的生產(chǎn)型測(cè)量機(jī)（其中包括CNC全自動(dòng)類型和手動(dòng)類型），其三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)屬于中低價(jià)位系列。

青島弗爾迪

青島前哨國(guó)有制改革期間，一部分資深三坐標(biāo)測(cè)量專家自主創(chuàng)業(yè)的企業(yè)，擁有十年左右的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，主要生產(chǎn)中小尺寸的CNC自動(dòng)式和手動(dòng)式測(cè)量機(jī)，擁有三坐標(biāo)研發(fā)生產(chǎn)專利，青島地區(qū)三坐標(biāo)培訓(xùn)基地、三坐標(biāo)檢測(cè)基地。

北京303所

國(guó)有研究所性質(zhì)，國(guó)內(nèi)最早研究三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的單位之一。主要產(chǎn)品為航空類、測(cè)量機(jī)、數(shù)控機(jī)床等。

其他代理商

三坐標(biāo)測(cè)量行業(yè)算是儀器儀表行業(yè)的新興行業(yè)，經(jīng)過(guò)這幾年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)代理三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的貿(mào)易類公司越來(lái)越多，其中企業(yè)資質(zhì)良莠不齊，主要是代理中低端市場(chǎng)產(chǎn)品。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)作為現(xiàn)代大型精密儀器，已越來(lái)越顯示出它的重要性和廣闊發(fā)展前景。它可方便的進(jìn)行空間三維尺寸的測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)及自動(dòng)化測(cè)量。