坐标测量技术

1.8形位公差
精密仪器及机械研究所
luozai@cjlu.edu.cn
2.坐标测量机的结构
测量软件
主机
控制系统
2.坐标测量机的结构（续）
根据中华人民共和国国家标准(GB/T 16857.2 )规定， 三坐标测量机 是一种使用时基座固定，能产生至少三个线位移或角位移，通过探 头系统与工件的相对移动，探测工件表面点三维坐标的测量系统。
主轴：沿Z向运动
工作台：沿X/Y向运 动
固定式立柱 固定式底座
2.1.7移动工作台悬臂测量机
主轴：沿Z向运动
工作台：沿X向运动
立柱：沿Y向运动 固定式底座
2.1.8固定工作台悬臂测量机
主轴：沿Z向运动 滑架：沿Y向运动 悬臂：沿X向运动
固定式工作台
2.2测量机的结构材料
测量机的结构材料
2.2.1对测量机材料的总体要求
2. 摩擦传动的优点：无间隙、低成本，因此在低速传动 中往往作为优选。
3. 摩擦传动的分类：转动钢带传动、固定钢带传动、直 接摩擦传动、固定杆传动、斜轮传动。
2.3.3.3转动钢带传动
1. 转动钢带传动的结构：减速器最后一级安装的主动钢带轮为一端， 另一端为从动钢带轮，转动的钢带在直线段与被传动对象连接，电 机转动时通过钢带来动传动对象,如下图所示；
级的变形）； 工艺性好，易于加工； 成本要低。
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2.2.2测量机固定部分的材料
1. 对测量机的固定部分要求：刚性好、受温度影响的变形 小（希望结构的变形只是线性，以易于软件补偿）、结 构简单、成本低。
2. 中小型桥式测量机的固定部分，特别是工作台大部件 一般采用花岗石，较小的部件采用铝合金材料(电机支 架，传动支架)；有时为了增加刚性采用整体结构（例 如花岗石台面与导轨）
较钢、花岗石或陶瓷，热平衡能力提高 了5－180倍； 铝合金线性的膨胀和收缩，保证了机器的垂直度。在高
速情况下不产生歪斜
2.3坐标测量机的传动装置
坐标测量机的传动装置
2.3.1测量机结构及工作特点
1. 悬臂结构 2. 运动中测量 3. 测头采点 4. 软件计算 因此材料、结构、连接、轴承、传动、控制系
5、脱机状态模拟测 头的运行轨迹，进 行程序调试
6、测量机全面模 拟功能，进行碰撞 检测
7、图形化显示检测 结果
8、尺寸偏差的图形 化诊断
9、CAD与工件比较
1.1第五个里程碑
1.1.5第五个里程碑
OFF LINE PART PROGRAMMING
CMMs
MACHINE TOOLS PRESET
OPTICAL GAGES
1.1第一个里程
第一台坐标测量机的诞生
1.1第二个里程碑
触发测头和比例测头 的出现把测量机精度 提到微米及亚微米级， 并为应用计算机处理 及数控打下了基础 。
接触断 开
1.1第三个里程碑
CNC测量机及其附件的出现，使测量机成为制造产业链中不可缺少的一员。
CMMs
MEASURING ROBOTS
4
1.2中国坐标测量机行业（续）
pm m-c
global image
1.3几何量计量
几何量计量包括量块、线纹、角度、平直度、表面 粗糙度、齿轮测量、工程测量、坐标测量、万能量 具、经纬仪类仪器、几何量类仪器。 计量包括：测量对象、测量工具、测量方法以及测 量环境。
1.4常用术语的定义
1.5量值传递
2. 转动钢带结构的特点：转动钢带的传动原理同一般皮带传动,但钢带 的刚性要好，在频繁换向，松边和紧边交替变换期间变形小，在中 小载荷时不易振动，但钢带在与钢带轮经常接触处，由于反复弯折 会出现疲劳裂纹，因此钢带一般要薄，钢带轮直径不小于40mm； 钢带与被传动物体的连接点要找正，不要使钢带受横向附加力，亦 要使钢带运动的轨迹直线与相应的导轨相平行；
横梁：随桥架运动 L桥架：沿主导轨Y向运动
2.1.4 L型桥式（续）
ZOO3L测量机
L型桥式是综合了活动桥式和龙门 式优缺点的测量机， 主要应用于 中型坐标测量机。
优点： 有活动桥式的平台及工作 开敞性，又像龙门式减少了移动 的质量。
缺点：要注意辅腿的热膨胀设计 ，应与主腿相近，以免影响垂直 度
2.1.5水平臂式
桥架：沿工作台的导轨Y向运 动
2.1.1活动桥式（续）
Global测量机
移动桥式坐标测量机是目前中小型测 量机的主要机型。
优点：结构简单、紧凑，刚度好，开 敞性好，承载能力较强，工件质量对 测量机的动态性能没有影响。
缺点：桥架单边驱动，Y向光栅尺在 工作台一侧，在Y方向有较大的阿贝 臂，会引起较大的阿贝误差。
3. 转动钢带传动的优点：结构简单、成本低、易于维修，无间隙传动 ，适于低速轻载；
CAD
RESULTS DATABA
SE
MAIN SERVER
PHOTOGRAMET RY
SYSTEMS
ARTICULATED ARMS
面向对象和任务的 EMS系统：整个企 业的几何量测量均有 坐标测量的共同特性， 软件可以通用、共享、 互补，利用计算机数 据库和网络技术把产 品的设计、加工和评 价无缝连接起来。
导热性好，以免外界有温度变化时形成构件内部的温度梯度，引起变形； 热膨胀系数小，以免温度变化引起过大的伸长缩短； 比较大的弹性模量(刚性)，以免受力后有较大的变形； 高的硬度及耐磨性，保证不易划伤、磨损； 较高的强度，不易断裂； 运动部分的材料要求比重小，减小由于测量机的高速、高加速运动而产生
的测量机惯性力； 材料吸水率小，以免受潮变形（较差的花岗石的吸水性能，足以引起微米
统、测头及测量软件都影响测量机的性能。
2.3.2测量机测点误差的产生
当被测物体不与光栅在同一直线上时，由于 运动的不平稳引起的角摆及相应的偏置（阿 贝臂），即光栅读数和实际触发点坐标不一 致，造成了阿贝误差（摆角×阿贝臂）。 因此，测量机测头处的运动特性决定了测量 机取点坐标的精度。
2.3.3测量机的传动装置
1.7工程测量的定义
工程测量也可以称为精密测量，包含的内容 较多，主要有形状和位置误差的测量。
形状和位置误差是零件制造误差的组成部分， 可以影响到零件的功能和装配互换性。按形位公 差的国家标准，形状误差包括直线度、平直度、 圆度、圆柱度、线轮廓度、表轮廓度。位置误差 包含平行度、垂直度、倾斜度、同轴度、对称度、 位置度、圆跳动和全跳动。
3. 大型龙门式测量机、水平臂测量机的固定部分，大部分 采用用钢、铸铁。
2.2.3测量机运动部分的材料
测量机运动部分的材料主要有： 1，铝合金 2，陶瓷及其复合材料 3，钢、铸铁 4，花岗石
2.2.4铝材料应用
良好的传导性能的铝合金，结合了对称结构和涂层技术， 消除了由于不统一的温度温度分布所产生的大部分误 差；
缺点：因为被测工件放置在运动工作 台上，降低了机器的运动速度，承载 能力相对小一些。
2.1.3龙门式（高架桥式）
横梁：沿立柱导轨Y向运动 滑架：沿横梁导轨X向运动
固定立柱
主轴：沿Z向运 动
2.1.3龙门式（高架桥式） （续）
LAMBDA测量机
龙门式坐标测量机一般为中 大型测量机。
优点：减少了移动部分质量 ，有利于精度及动态性能的 提高。龙门式测量机最长可 到数十米，由于其刚性要比 水平臂式好，因而对大尺寸 而言可具有足够的精度。
立柱：固定在鞍座 上
水平臂：Y向运动
滑架：沿立柱Z向运动 鞍座：沿主导轨X向运动
固定式主导轨
2.1.5水平臂式（续）
TORO测量机
优点：结构简单，空间开阔，在Ｘ方向很长， Ｚ向较高，是大型薄壁类工件测量的理 想工具, 如白车身，车门等。
缺点：水平臂变形较大，精度较底。
2.1.6立柱式（坐标镗式）
缺点：结构复杂，要求较好
的地基；立柱影响操作的开 阔性；单边驱动，Y向光栅尺 在立柱一侧，在Y方向有较大 的阿贝臂，会引起较大的阿
贝误差，所以大型龙门式坐 标测量机采用双光栅/双驱动 模式。
2.1.4 L型桥式
滑架：沿横梁导轨X向运动
主导轨：固定不动， 与工作台组成L形
主轴：沿Z向运 动
工作台：固定不动
机械传动装置可分为两大部分： 1. 减速器 2. 传动：传动又可分为摩擦传动和啮合传动两
类。
2.3.3.1减速器
1. 选择减速比的原则: 由于测量机速度变化的范围大，减 速比过小使电机经常在超低速状态下运行（特别是在 触测速度时，则电机转速可达0.6转/分以下），而电机 在超低速情况下机械特性很软；若减速比过大，用一 级减速器体积太大，二级减速器效率及刚性下降，所 以一般用下述方法推算:即电机一转时测量机相应轴移 动12-24mm。
2.坐标测量机的结构（续）
2.1坐标测量机的结构形式 2.2坐标测量机的结构材料 2.3坐标测量机的传动装置 2.4坐标测量机导轨与轴承 2.5坐标测量机的平衡装置 2.6光栅
2.1坐标测量机的结构形式
坐标测量机的结构形式
2.1.1活动桥式
滑架：沿横梁导轨X向运动
工作台：固定不动
主轴：沿Z向运 动 横梁：随桥架运动
• 地球
• 飞机
小尺寸
纳米
• 生物
• 山脉 • 城市 • 建筑
• 汽车
• 货车
• 火车 < 100um
• 工业零件 • 电子
• 电子零件 • 构造
< 20um
< 0.3um
< 10m
1.2中国坐标测量机行业
中国坐标测量机行业； 70年代的先行者： 天大、新天、上机等； 80年代许可证生产： 303，新天、上机； 90年代形成基地： 前哨、303。
2. 目前减速器大部分用多楔带或同步带传动，两者分别 用于电机功率较小及较大的情况，这两种传动的反向 间隙均较小。
2.3.3.1减速器（续）
2.3.3.2摩擦传动
1. 摩擦传动的原理：靠摩擦力传动，正常运动时保持滚 动摩擦或无相对滑动；而煞车时，变滚动摩擦为滑动 摩擦；不打滑的条件为实际摩擦力小于最大允许摩擦 力；这里我们可以看到保持正常传动及制动时均与正 压力有关，所以控制正压力是摩擦传动的关键因素之 一。正压力过大及位置不当会造成传动件的变形及过 早磨损。
1.1第四个里程碑
CAD的结合，特别是DCI/DCT技术的应用。测量机不再是消极的GO/NO GO的作 用，而被用作逆向设计、生产监测、信息统计、反馈的重要手段。
1、利用标准的协 议下载工件模型
2、图形化选择测头 3、利用CAD数据自
/测座配置
动找正工件
4、点击CAD模型上 的特征，自动产生 检测程序
三坐标测量技术
提纲
1 第一章 概述 2 第二章 坐标测量机的结构 3 第三章 坐标测量机测头及控制系统 4 第四章 坐标测量机的软件 5
1.概述
1.概述（续）
通过运转探测系统，测量工件表面空间坐标 的测量系统。(ISO 10360-1:2000)
1.概述（续）
1956年英国Ferranti公司，第一台坐标测量机的出现(光栅的出现) 1963年，DEA推出大型机(2500x1600x600mm) 1972年，Renishaw推出接触式触发测头 1973年，ZEISS、Leitz推出扫描测头 1974年，Brown & Sharpe 推出CNC数控测量机 1989年，Brown & Sharpe 推出基于CAD系统的测量软件 2001年，Wilcox推出DCI、DCT技术 2003年， Hexagon推出EMS概念及面向任务的测量解决方案. 2005年， Hexagon推出多尺寸测量范畴(大、中、微尺寸)概念
2.1.2固定桥式
滑架：沿横梁导轨X向运动 工作台：沿基座导轨Y向运动
固定基座
主轴：沿Z向运 动
横梁：固定不动
桥架：固定不动
精密仪器及机械研究所
luozai@cjlu.edu.cn
2.1.2固定桥式（续）
PMM-C测量机
精度最高的测量机往往采用这种结构 形式。
优点：结构稳定，刚性很好。Y向的 光栅尺和驱动机构可以设置在工作台 下方中部，X向阿贝臂小。
1.6坐标测量的定义
坐标测量是一种用于测量零件或部件的几何尺 寸、形状和相互位置的测量方法，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。这些空间坐标值既可以是一维 的，也可以是二维和三维的坐标值。
MEASURING ROBOTS
MANUAL GAGES
REMOTE ACCESS REPORTING
1.1第六个里程碑
多尺寸测量的机念：几何量的测量无所不在，坐标测 量的概念、软件的处理方法和探测系统均有它的通用 性或相似性。
宇宙空 间
• 行星 • 星际 • 银河系
< 1000Km
大尺寸 中等尺寸