三坐标测量机设计文档

第一章概论
1.1三坐标测量机的发展现状
三坐标测量机是近些年来发展起来的一种高效的新型精密测量仪器。

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、涡轮和叶片、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、效率高、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。

进入60年代以来，工业生产有了很大的发展，特别是机床、机械、汽车、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，并迅速发展和日趋完善。

三坐标测量机的出现是标志计量仪器从古典的手动方式向现代化自动测试技术过渡的一个里程碑。

三坐标测量机在生产的各个方面对三维测量技术有着重要作用。

三坐标测量机作为现代大型精密仪器，已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，可以实现在线检测及自动化测量。

它的优点是：①通用性强，可实现空间坐标点的测量，方便地测量出各种零件的三维轮廓尺寸和位置精度；②测量精确可靠；③可方便地进行数据处理与程序控制。

因而它可纳入自动化衙门和柔性加工线中，并成为一个重要的组成部分。

三坐标测量机基于坐标测量原理。

坐标测量机的发展与其它事物一样，是由简单到复杂逐步形成的。

早期出现的测长机可在一个坐标方向上进行工件长度的测量，即是单坐标测量机，仅完成一维测量。

后来出现的万能工具显微镜具有X与Y两个坐标方向移动的工作台，可测
量平面上各测点的坐标位置。

因此，从理论上讲，三维测量可对空间任意处的点、线、面及相互位置进行测量。

随着现代科学技术的飞速发展和对测量方法的深入研究，在机电行业中人们对三维坐标测量技术的要求也越来越高。

物体的三维轮廓以及形位测量已被广泛应用于机械制造、航海、航空航天等领域。

目前物体三维轮廓测量的主要方法有导轨式三坐标机的高精度接触测量、激光点扫描和激光线扫描式三坐标轮廓测量、激光散斑物体轮廓高精度显微全场测量。

在这些诸多的测量方法中，激光散斑物体轮廓测量法测量精度最高，属非接触和全场测量，测量速度高，但其测量范围小。

此外，导轨式三坐标机的测量精度高，已被广泛采用。

但它只能进行接触测量，并且测量速度很慢。

导轨式三坐标测量机己经成为一种比较成熟的传统测量设备，它经历了三代产品：第一代测量机由手动（或机动）测量，测量结果由人工处理，效率极低。

第二代测量机在第一代测量机的基础上，由微机处理测量结果，形成了微机化测量机。

第三代测量机在第二代的基础上，配备上相应的程序控制和数据图形化软件处理系统，可以实现全自动测量。

其中，第三代是目前的主要产品。

特别是近二十年来 随着微机和光电技术的迅猛发展，三坐标机已成为多个高科技领域诸多技术的融合产品，包括了微机、精仪、光电传感、数据分析和人工智能等多项应用技术。

目前，国内外三坐标测量机正迅速发展。

国外著名的生产厂家有德国的蔡司(Zeiss)和莱茨(Leitz)、意大利的DEA、美国布朗—夏普(Brown & Sharpe)、日本的三丰(Mitutoyo)等公司、我国自70年代开始引进研制三坐标测量机以来，也有较大的发展。

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、哈尔滨量具刃具厂、昆明机床厂和新天光学仪器厂等。

如今，我国已经具有年产几百台各种型号三坐标测量机的能力。

1.2三坐标测量机测量原理
简而言之，将被测物体置于三坐标测量空间，通过坐标机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。

导轨式三坐标测量机是近二十年来发展起来的一种以精密机械为基础，综合光栅与激光干涉、计算机、应用电子等先进技术的测量设备，在国内外得到了广泛的应用。

其主要特征是具有X、Y、Z三个坐标方向的导轨。

目前，导轨式三坐标测量机己被广泛地应用于机械制造、仪器制造、电子、汽车、计量中心、航空和航天等多个工业和研究行业，用来测量机械零件的几何尺寸、相对位置和形位误差，包括零件空间曲面、汽车白身等多项工作。

1.3三坐标测量机的组成
三坐标测量机各类繁多、形式各异、性能多样，所测对象和放置环境条件也不尽相同，但大体上都由若干个具有一定功能的部分组合而成。

作为一种测量仪器，三坐标测量机主要是比较被测量与标准量，并将比较结果用数值表示出来。

三坐标测量机需要3个方向的标准器（标尺），利用导轨实现沿相应方向的运动，还需要三维测头对被测量进行探测和瞄准。

此外，测量机还具有数据处理和自动检测等功能，需要由相应的电气控制系统与计算机软硬件实现。

三坐标测量机可以分为主机、测头、电气系统三大部分。

1.3.1 主机
主机可以分为框架结构、标尺系统、导轨、驱动装置、平衡部件、转台与附件等
1.3.2 三维测头
三维测头即三维测量的传感器，它可在三个方向上感受瞄准信号和微小位移，以实现瞄准与测微两种功能。

测头主要有硬测头、电气测头、光学测头等，此外还有测头回转体等附件。

测头有接触式和非接触式之分。

1.3.3 电气系统
电气系统可以分为电气控制系统、计算机硬件部分、测量机软件、打印与绘图装置等。

第二章坐标测量机的设计与分析
三坐标测量机是精密的测量仪器，它集机、光、电、算于一体。

随着电子技术、计算机技术的发展，三坐标测量机由手动数显逐步发展到目前的CNC控制的高级阶段。

测量机机械结构最初是在精密机床的基础上发展起来的。

考虑到三坐标测量机是一个庞大而复杂的机器，而自身的能力及精力有限，本设计文档仅对三坐标测量机涉及到的机械构造进行简要设计及初步的应力分析。

方案采用如下：
设计内容采用方案
坐标测量机结构形式移动桥式
坐标测量机的结构材料导轨：铸铁；底座：花岗石；支架：钢标尺系统光栅测量系统
导轨滚动式导轨
驱动机构X轴：齿轮齿条传动；
Y轴：丝杠传动；
Z轴：蜗轮副传动机构（实现Z轴平衡）；
三坐标测头球形测头
控制系统CNC型控制系统
测头系统及其控制触发式测头
设计总效果图如下：
2.1 坐标机测量结构
三坐标测量机的结构形式可归纳为七大类：由平板测量原理发展起来的悬臂式、桥框式和龙门式，这三类一般称为坐标测量机；由镗床发展起来的立柱式和卧镗式，这两类测量机一般称为万能测量机；由测量显微镜演变而成的仪器台式，又可称为三坐标测量仪；极坐标式，它是从极坐标原理发展起来的。

按功能不同，上述各型皆可设计成专用的和通用的。

在本次设计中，我采用的是移动桥式。

移动桥式三坐标测量机是目前应用最广泛的一种结构形式。

它主要由四部分组成：工作台、桥框、滑架、主轴。

其中工作台是固定不动的，桥框可沿工作台上的导轨沿X向运动，滑架可沿桥框横梁上的导轨沿Y向运动，主轴可沿Z向运动。

被测工作安放在工作台上，测头则装在主轴上。

这种形式的三坐标测量机结构结单、紧凑、刚度好，具有较开阔的空间。

工件安装在固定的工作台上，承载能力较强，工件质量对测量机的动态性能没有影响。

中小型测量机，无论是手动的，还是数控的，多数采用这种形式。

2.1.1 导轨
在此次设计中，我采用的滚动导轨。

导轨支承结构如下图：
导轨支承结构与框架之前用滚柱作中介，如下图：
其中导轨与滚柱的材料均选用铸铁材料，应用Autodesk Inventor对所设计的导轨进行应力分析，给导轨底面添加约束，在下图的箭头方向加以1000N的力：
分析结果如下：
从分析结果中我们可以看到，在较大压力作用下，导轨左侧的部分的变形较为严重，所以在设计框架的时候，应特别注意框架的自重的影响，以免导轨产生变形，导致测量不准。

除了对导轨的受力分析，我还对导轨上的滚柱进行相应的受力分析，把滚柱放在一平面上
固定，并在另一面上施加一定的压力：
仿真结果如下：
在导轨与工作台之间我设计了以下部件作为导轨与工作台的中介，在这个支承台的水平面上有几个螺钉孔，用于将其固定在导轨之上，同时在此支承的外缘还有几个螺钉孔，主要用于
添加弹性元件，用于设计工作台的位置及固紧等。

部分装配效果图：
2.1.2 工作台
在此次设计中，我采用传统的花岗石作为工作台，结构图如下：
在仿真中，我选择了其中一面作为固定面，在相对的一面上加载荷：
得到如下分析结果：
从仿真结果可知，工作台受力后变形在同一表面上表现为同一性，没有凹凸不平的现象。

2.1.3 桥框
桥框结构图如下：
设计选用钢材，同样用仿真的方法对桥框进行受力分析：
分析结果如下：
从仿真结果可以看到，桥梁中央部分受力发生的变形最为明显，在实际设计中，我们可以根据其受的重力与外加载荷，使桥梁在反方向有一定的变形，从根源上消除误差，使得测量机的测量结果更加可靠。

2.1.4 滑架
本次的三坐标设计并不在于把整个机器的每个部件都设计得很到位，而是一个大体的结构设计，所以在设计中我适当简化了一些部件，比如滑架的结构图：
为了避免繁琐的工作量，我把它精简成如上图所示结构，一个矩形孔用于在桥框中滑行，另外又打了一个孔，用于主轴的Z方向上的运动。

所选材料与桥框一致。

2.1.5 测头
设计的测头分为两个部分，部分一为主轴，用于在Z轴方向下运动：
该部件已经简化为几个不同半径的轴的叠加，在尖端部分我预留了5个孔，这5个孔是用来装加测头的感触单元，感触单元如下图所示：
该感触单元由一根细轴和一个球状体连接而成，材料选用钢材，因为该部件是与被测物体直接接触的部分，我进行了如下仿真将右端固定，并在左端的球状部分加上Y轴的大小为10N 的力：
运行仿真分析后，结果如下：
2.2 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。

常用的结构材料有铸铁、钢、花岗石、陶瓷、铝等。

铸铁作为一种应用较普遍的材料，主要用于底座、滑动与滚动导轨、立柱等地方，它具有变形小、耐磨性好、易于加工、成本低、线膨胀系统与多数被测件相近等优点。

在本设计中，导轨和滚柱均采用铸铁作为加工材料。

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。

钢有刚性和强度好等优点，但其容易变形，因为加工之后，内部的残余应力释放容易导致变形，本设计中，桥框、滑件和测头部件均采用钢作为加工材料。

花岗石比钢轻，比铝重，也是目前应用较为普遍的一种材料。

它具有变形小、稳定性好、不生锈，易于作平面加工等优点，目前很多三坐标测量机均采用这种材料作为底座加工材料，在本设计中，工作台的材料的选用就是花岗石。

2.3 标尺系统
标尺系统，也称为测量系统，是坐标测量机的重要组成部分。

在设计坐标测量机时，恰当地选择测量系统，对于提高整机精度是十分重要的。

这是因为测量系统直接影响坐标测量机的精度、性能和成本。

另外，不同的测量系统，对坐标测量机的使用环境也有不同的要求。

目前国内外坐标测量机上使用的测量系统的种类很多。

按它们的性质分，这些测量系统可以分为机械式测量系统、光学式测量系统和电气式测量系统。

根据对目前国内外生产的测量机所用的测量系统的统计分析可知，使用最多的是光栅，其次是感应同步器和光学编码器。

对于高精度测量机可采用激光干涉仪测量系统。

在本设计中，我选用的是光栅测量系统。

光栅测量的原理是：由一个定光栅和一个动光栅合在一起作为检测元件，靠它产生莫尔条纹来检测位移值。

通常，长光栅尺安装在坐标机的固定部件上。

当短光栅尺（指示光栅）的线纹与标尺光栅（长光栅尺）的透明间隔完全重合时，光电元件接受到的光强最小，理论值为0；当指示光栅的线纹部分与标尺光栅的线纹部分完全重叠时，光电元件接受到的光强最大；当标尺光栅的线纹与指示光栅的线纹保持一定间隙，重叠在一起，并在自身的平面内转一个很小角度θ时，两块光栅之间的线纹相交，组成一条黑白相间的条纹，称为“莫尔条纹”。

它们沿着与光栅线纹几乎垂直的方向排列。

莫尔条纹的移动与栅距之间的移动一一对应。

若光栅尺每毫米有50条刻线，当移动部件移动xmm时，光栅尺上的莫尔条纹就要移动50x条。

若光栅尺的栅距为W，则莫尔条纹节距
B=W/(2sin(θ/2) )≈W/θ
由于通常θ很小，这样莫尔条纹就有一种放大作用，它将很小的栅距放大为莫尔条纹节距，便于放置光电元件与接收信号。

光栅副（标尺光栅与指示光栅）每相对移动一个栅距，莫尔条纹移动一个节距。

莫尔条纹是由大量（数百条）光栅刻线共同形成的，因此它对光栅的刻线误
差有平均作用，提高了唯一检测精度。

由于这些原因，光栅尺在三坐标测量机中得到了广泛应用。

光栅测量系统在三坐标测量机中是应用最广的一种测量系统，这是因为它有许多优点，如光栅尺寸体积小，制造容易，安装比较方便，测量精度较高，所得到的光电信号容易细分。

但光栅尺怕油污和灰尘，因此它需要一个清洁的工作环境。

2.4 导轨
在精密的测量仪器中，导轨部件是最重要的部件之一。

导轨部件由运动支承和支承导轨组成。

目前常用的有气浮导轨及滑动摩擦导轨，而滚动导轨应用不多。

在本设计中采用的是滚动导轨，运动件与支承件间用滚柱进行隔离并传递力，这样可以减小支承的磨损，在鞭种程度上还可以提高机器的精度。

相关内容在2.1中已经阐述得很详细，此处不再复述。

2.5 驱动机构
三坐标测量机中驱动系统是指X,Y,Z三向的驱动系统。

对驱动系统的主要要求是传动平稳、爬行小、刚度高，同时不会产生较大的振动及噪声。

主要有丝杠传动、钢带传动、齿形带传动等。

丝杠传动即螺旋传动，它是精密机械中常用的一种传动形式，。

其主要作用是将旋转运动变为直线运动，在三坐标测量机中，主要是实现位移的传动。

在本设计中，Y轴即滑件的移动驱动拟采用丝杠传动方式。

齿轮齿条传动具有传动比恒定、传动平衡可靠、结构紧凑、效率高等优点，齿轮齿条传动中齿条可以接长，从而使它有很大的行程。

所以在本次的三坐标测量机设计中，X轴方向的传动拟采用齿轮齿条传动方式。

在设计的测量机的Z轴方向上的驱动机构拟采用蜗轮副传动形式，由于蜗轮副传动方式可以实现自锁，采用了蜗轮副传动方式后，在Z轴方向便不需要加增加平衡部件。

2.6 三坐标测头
三坐标测量头可视为一种传感器，只是其结构、功能较一般传感器更为复杂。

三坐标测头的两大基本功能是测微和触发瞄准并过零发讯。

按测量方法，测量头可分为接触式和非接触式两类。

接触式测头可分为硬测头与软测头两类。

在设计的测量机，我采用的是传统的硬测头中的球形测头这一种，它为通用型测头，使用最为广泛。

相关结构及应力分析已在2.1中详述，故此处不再复述。

2.7 控制系统
控制系统是坐标测量机的关键组成部分之一。

主要功能是：读取空间坐标值，控制测量瞄准系统对测头信号进行实时响应与处理，控制机械系统实现测量所必需的运动，实时监控坐标测量机的状态以保障整个系统的安全性与可靠性，有的还包括对坐标测量进行几何误差与温度误差补偿以提高坐标测量机的测量精度等。

按自动化程度分类，坐标测量机分为手机型、机动型和CNC型。

CNC型控制系统结构形式多种多样，根据功能、所用计算机系统的测头的不同，CNC型可以分为集中控制与分布式控制两类。

由于CNC型自动化程度快，所以在此次设计中，拟采用新型的CNC型控制系统。

2.8 测头系统及其控制
坐标测量机的测头系统有电气式和光学式两种，其中电气式是目前坐标测量机的主流。

它又可以分为触发式与模拟式两种。

这两种测头的控制方式和效果基本相同，在设计中采用的是触发式测头。

第三章三坐标测量机的发展趋势
三坐标测量机的基本测量原理是，首先将各种几何元素的测量转化为这些几何元素上一些点集坐标的位置的测量，在测得这些点的坐标位置后，再由软件按一定的评定准则算出这些几何元素的尺寸、形状、相对位置等等。

而由于多数三坐标测量机已经实现计算机数控。

在计算机控制下，测量机可以按所要求的采样策略自动对这些点的坐标进行测量，并算出这些几何元素的参数值。

三坐标测量机所具有的优点使得它在先进制造技术与科学研究中有极广泛的应用，而且应用越来越广。

与此同时，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。

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看，在今后一段时期内，它的主要发展趋势可以简要地概括为以下几个方面：
①不断提高测量精度和测量效率；
②发展探测技术，完善测量机配置；
③采用新材料，运用新技术；
④发展软件技术，发展智能测量机；
⑤控制系统更开放；
⑥进入制造系统，成为制造系统组成部分；
⑦发展非正交坐标系测量系统；
⑧加强环境问题的研究；
⑨加强量值传递、误差检定与补偿的研究。

第四章设计小结
经过此次三坐标测量机的设计，有以下收获：
①比较系统的学习三坐标测量机的工作原理，并能对其中的某些部件进行简要的设计与分析；
②学会使用ProE、Ansys以及Autodesk Inventor进行零件、部件的设计以及对所设计的产品进行受力分析等；
③深刻地体会到任何产品都是一个复杂而庞大的系统，在今后的学习生活中要仔细留意身边的巧妙的设计，不断积累经验，并经常使用制图、分析软件把自己的想法在电脑上生产出来。