三坐标测量机综述

三坐标测量机综述

何旭栋

（上海大学机电工程与自动化学院，上海200072）

摘要：从坐标测量机的结构形式、驱动系统、导轨与轴承、平衡机构、光栅和测头写起。在结构形式上，介绍了串联机构坐标测量机和并联机构坐标测量机两大类，并着重介绍了介绍三自由度并联机构坐标测量机的结构、特点及工作原理；在驱动系统上，对每种驱动系统的工作原理、基本结构及其优缺点进行比较，指出驱动系统应用范围，并介绍了一种新的采用组合轴承座式结构减速器的驱动系统；在导轨和轴承上，介绍了坐标测量机气浮导轨的结构特点、工作原理，并用实验分析气浮导轨对动态性能的影响；在平衡机构上，指出了坐标测量机常用的平衡机构以及每种平衡系统的工作原理和特点；在光栅上，对光栅的读数原理，安装方式进行了简单介绍，并提出了一种新型的光栅材料；在测头方面，介绍了测头的原理、分类，并对测头的误差来源进行了分析，还提出了一种原子力准接触技术，这是测头的发展趋势。最后还介绍了提高精度的“创造性”原则——误差补偿技术，分别对测量机热变形误差、弱刚度结构引起的误差和动态误差的补偿技术进行了简单介绍。

关键词：并联机构；组合轴承座式减速器；气浮导轨；原子力准接触

Summary of Coordinate Measuring Machine(CMM)

HE Xu-dong

(School of Mechatronic Engineering andAutomation, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

Abstract:I writed begin with the coordinate measuring machine’s structure, drive system, rails and bearings, balanced body, raster and probe. On the structural form, I introduced series and parallel institutional coordinate measuring machine, and highlighted the three degrees of freedom parallel mechanism’s structure, characteristics and working principle; On the drive system, for each types of drive system, I introduced works principle and the basic structure .Then I compared the advantages and disadvantages that drive system applications, and introduced a new bearing structure combinated gear drive system; On the bearing and rail,I introduced coordinate measuring machine working features and air-rail structure, and analysed of air-rail dynamic performance through experiment; On the balanced mechanism,I pointed out used balance and each characteristics; On the grating, I introduced the grating reading principles, installation and proposed a new type of grating material; On the probe, I described the principles of probe classification. And the error source of probe analyzed by atomic force also proposed a quasi-contact technology, which is the development trend of the probe. Finally, I introduced a the "creative" principle of improve the accuracy - error compensation. Respectively, thermal deformation error of the measuring machine, the error caused by the weak stiffness of the structure and dynamic error compensation technique for a brief introduction.

Key words:parallel institutions; combination bearing reducer; air-rail; atomic force potential contact

1 引言

三坐标测量机CMM (Coordinate Measuring Machine)是近几十年发展起来的一种高效率的新型精密测量仪器。它是一种集机械、光学、电子、数控技术和计算机技术为一体的大型精密智能化仪器, 是现代工业检测、质量控制和制造技术中不可缺少的重要测量设备, 其技术水平是现代测量技术和制造技术水平高低的一个重要标志, 因此, 对CMM理论和技术的研究一直是国内外学术界和工业界关注的热点。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等优点，使其具有了广泛的发展前景。

坐标测量机是通过运转探测系统测量工件表面空间坐标的测量系统。三坐标测量机的基本原理是通过测量空间任意的点、线、面以及相互位置，获得被测量几何型面上各测点的几何坐标尺寸，再由这些点的坐标值经过数学运算求出被测零部件的几何尺寸和形状位置误差。坐标测量机由主机系统、控制系统、软件系统、测头系统这四部分组成。

三坐标测量机是主要的新型精密检测仪器。随着科学技术的发展,各种零部件的设计、加工、装配的精度将越来越高,对测量与检测技术提出了更高的要求。三坐标测量机的误差来源主要有三种：由机械加工、机械结构引起的误差；由于测头原因引起的误差；由温度等环境变化引起的误差。由此可知影响三坐标测量机精度的主要因素有结构形式、驱动系统、导轨与轴承、平衡机构、光栅和测头等。

2 结构形式

2.1 结构形式对精度的影响

从空间机构学的角度出发, 可将坐标测量机分为串联机构坐标测量机和并联机坐标测量机两大类。目前,市场上广泛应用的坐标测量机主要是串联机构坐标测量机。

串联机构坐标测量机计算方法简单、直观,且具有较大的测量空间。但由于它的运动机构属于串联运动机构，其几何运动误差和热变形及承载变形等误差具有明显的累加作用, 且其运动刚性低,从而限制了这种CMM测量精度及测量效率的进一步提高。

并联运动机构具有结构刚性大、运动速度高、误差不叠加等特性，使其测量精度及测量效率等性能得到很大程度的改善。

2.2 串联机构坐标测量机简介

串联机构坐标测量机通常是由三个相互正交的移动导轨构成X、Y、Z空间坐标, 由于这种机构中三个导轨的移动过程是相互分立的,因而其测量进程一般是从测头初始位置开始，并分别沿X、Y、Z 三轴移动，最后到达测点位置。

人们对串联机构坐标测量机[1]的结构及特点已十分熟悉, 对其各方面的研究工作也已

达到了很高的技术水平,但串联结构自身所固有的一些缺陷, 使得在中等尺寸测量领域内, 测量精度及测量效率的进一步提高已感到十分困难。这些缺陷主要表现在:①串联结构中的横梁部件很容易受到弯曲力的影响而产生偏斜, 从而产生动态误差; ②由于采用串联的方法, 因而整个运动误差是每一坐标轴运动误差的累加; ③由于结构部件质量较重, 致使坐标测量机的运行速度受到限制, 从而影响了测量效率; ④串联式坐标测量机本身违背阿贝原则, 因而必将产生一些无法回避的误差; ⑤由于受X、Y、Z 相互垂直导轨的约束, 测头的空间位姿不够灵活。