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三坐标测量机的组成及工作原理

三坐标测量机(Coordinate Measuring Machining,简称CMM)是一种三维尺寸的精密测量仪器,主要用于零部件尺寸、形状和相互位置的检测。是基于三坐标测量原理,即将被测物体置于三坐标测量机的测量空间,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,经过数学运算,求出被测的几何尺寸、形状和位置,来判断被测产品是否达到加工图纸所标国标公差的范围内。又称三坐标测量仪或三次元。    

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三坐标测量仪是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。

1960年,英国FERRANTI公司研制成功世界上第一台三坐标测量机,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等为代表的众多三坐标测量机生产公司不断推出新产品,使得CMM的发展速度加快。

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,三坐标测量仪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。         

三坐标测量机按照结构形式分类可分为移动桥式结构、固定桥式结构、龙门式结构、悬臂式结构、立柱式结构等等。    

三坐标测量机的组成及工作原理 

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(一)CMM的组成 

三坐标测量机是典型的机电一体化设备,它由机械系统和电子系统两大部分组成。        

(1)机械系统:一般由三个正交的直线运动轴构成。X向导轨系统装在工作台上,移动桥架横梁是Y向导轨系统,Z向导轨系统装在中央滑架内。三个方向轴上均装有光栅尺用以度量各轴位移值。人工驱动的手轮及机动、数控驱动的电机一般都在各轴附近。用来触测被检测零件表面的测头装在Z轴端部。 

(2)电子系统:一般由光栅计数系统、测头信号接口和计算机等组成,用于获得被测坐标点数据,并对数据进行处理。 

CMM的工作原理 

三坐标测量机是基于坐标测量的通用化数字测量设备。它首先将各被测几何元素的测量转化为对这些几何元素上一些点集坐标位置的测量,在测得这些点的坐标位置后,再根据这些点的空间坐标值,经过数学运算求出其尺寸和形位误差。要测量工件上一圆柱孔的直径,可以在垂直于孔轴线的截面I内,触测内孔壁上三个点(点1、2、3),则根据这三点的坐标值就可计算出孔的直径及圆心坐标OI;如果在该截面内触测更多的点(点1,2,„,n,n为测点数),则可根据最小二乘法或最小条件法计算出该截面圆的圆度误差;

如果对多个垂直于孔轴线的截面圆(I,II,„,m,m为测量的截面圆数)进行测量,则根据测得点的坐标值可计算出孔的圆柱度误差以及各截面圆的圆心坐标,再根据各圆心坐标值又可计算出孔轴线位置;如果再在孔端面A上触测三点,则可计算出孔轴线对端面的位置度误差。由此可见,CMM的这一工作原理使得其具有很大的通用性与柔性。从原理上说,它可以测量任何工件的任何几何元素的任何参数。 

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三坐标测量机的分类 

(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,目前已基本被陶汰。        

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        

这类CMM在其最长一个坐标轴方向上的测量范围为500~2000mm,是应用最多的机型,主要用于箱体、模具类零件的测量。       

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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的精度分类 

1.精密型CMM 

其单轴最大测量不确定度小于1×10-6L(L为最大量程,单位为mm),空间最大测量不确定度小于(2~3)×10-6L,一般放在具有恒温条件的计量室内,用于精密测量。 

2.中、低精度CMM 

低精度CMM的单轴最大测量不确定度大体在1×10-4L左右,空间最大测量不确定度为(2~3)×10-4L,中等精度CMM的单轴最大测量不确定度约为1×10-5L,空间最大测量不确定度为(2~3)×10-5L。这类CMM一般放在生产车间内,用于生产过程检测。 

(四)按CMM的结构形式分类        

按照结构形式,CMM可分为移动桥式、固定桥式、龙门式、悬臂式、立柱式等。 

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