三坐标测量机

    主要用于机械、汽车、航空、军工、家具、工具原型、机器等中小型配件、模具等行业中的箱体、机架、齿轮、凸轮、蜗轮、蜗杆、叶片、曲线、曲面等的测量，还可用于电子、五金、塑胶等行业中，可以对工件的尺寸、形状和形位公差进行精密检测，从而完成零件检测、外形测量、过程控制等任务。

    模具行业

    三坐标测量机在模具行业中的应用相当广泛，它是一种设计开发、检测、统计分析的现代化的智能工具，更是模具产品无与伦比的质量技术保障的有效工具。当今主要使用的三坐标测量机有桥式测量机、龙门式测量机、水平臂式测量机和便携式测量机。测量方式大致可分为接触式与非接触式两种。

    模具的型芯型腔与导柱导套的匹配如果出现偏差，可以通过三坐标测量机找出偏差值以便纠正。在模具的型芯型腔轮廓加工成型后，很多镶件和局部的曲面要通过电极在电脉冲上加工成形，从而电极加工的质量和非标准的曲面质量成为模具质量的关键。因此，用三坐标测量机测量电极的形状必不可少。 三坐标测量机可以应用3D数模的输入，将成品模具与数模上的定位、尺寸、相关的形位公差、曲线、曲面进行测量比较，输出图形化报告，直观清晰的反映模具质量，从而形成完整的模具成品检测报告。 在某些模具使用了一段时间出现磨损要进行修正，但又无原始设计数据(即数模)的情况下，可以用截面法采集点云，用规定格式输出，探针半径补偿后造型，从而达到完好如初的修复效果。

    当一些曲面轮廓既非圆弧，又非抛物线，而是一些不规则的曲面时，可用油泥或石膏手工做出曲面作为底胚。然后用三坐标测量机测出各个截面上的截线、特征线和分型线，用规定格式输出，探针半径补偿后造型，在造型过程中圆滑曲线，从而设计制造出全新的模具。

    三坐标测量机以其高精度高柔性以及优异的数字化能力，成为现代制造业尤其是模具工业设计、开发、加工制造和质量保证的重要手段。

    、测量机能够为模具工业提供质量保证，是模具制造企业测量和检测的选择。测量机在处理不同工作方面的灵活性以及自身的高精度，使其成为一个仲裁者。在为过程控制提供尺寸数据的同时，测量机可提供入厂产品检验、机床的校验、客户质量认证、量规检验、加工试验以及优化机床设置等附加性能。高度柔性的三坐标测量机可以配置在车间环境，并直接参与到模具加工、装配、试模、修模的各个阶段，提供必要的检测反馈，减少返工的次数并缩短模具开发周期，从而最终降低模具的制造成本并将生产纳入控制。

    第二、测量机具备强大的逆向工程能力，是一个理想的数字化工具。通过不同类型测头和不同结构形式测量机的组合，能够快速、精确的获取工件表面的三维数据和几何特征，这对于模具的设计、样品的复制、损坏模具的修复特别有用。此外，测量机还可以配备接触式和非接触式扫描测头，并利用PC-DMIS测量软件提供的强大的扫描功能，完成具备自由曲面形状特征的复杂工件CAD模型的复制。无需经过任何转换，可以被各种CAD软件直接识别和编程，从而大大提高了模具设计的效率。

    具体来说，在模具制造企业中应用测量机完成设计和检测任务时，要密切关注测量基准的选择、测头的标定和选择、测点数及测量位置的规划、坐标系的建立、环境的影响、局部几何特征的影响、CNC控制参数等多方面的因素。这当中的每一个因素，都足以影响测量结果的精确和效率。

    汽车行业

    坐标测量机是通过测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。通过将被测物体置于三坐标测量机的测量空间，利用接触或非接触探测系统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，由软件进行数学运算，求出待测的几何尺寸和形状、位置。因此，坐标测量机具备高精度、高效率和性的特点，是完成各种汽车零部件几何量测量与品质控制的理想解决方案。

    汽车零部件具有品质要求高、批量大、形状各异的特点。根据不同的零部件测量类型，主要分为箱体、复杂形状和曲线曲面三类，每一类相对测量系统的配置是不尽相同的，需要从测量系统的主机、探测系统和软件方面进行相互的配套与选择。

    发动机制造业

    发动机是由许多各种形状的零部件组成，这些零部件的制造质量直接关系到发动机的性能和寿命。因此，需要在这些零部件生产中进行非常精密的检测，以保证产品的精度及公差配合。在现代制造业中，高精度的综合测量机越来越多的应用于生产过程中，使产品质量的目标和关键渐渐由最终检验转化为对制造流程进行控制，通过信息反馈对加工设备的参数进行及时的调整，从而保证产品质量和稳定生产过程，提高生产效率。

    在传统测量方法选择上，人们主要依靠两种测量手段完成对箱体类工件和复杂几何形状工件的测量，即：通过三坐标测量机执行箱体类工件的检测；通过专用测量设备，例如专用齿轮检测仪、专用凸轮检测设备等完成具有复杂几何形状工件的测量。因此对于从事生产复杂几何形状工件的企业来说，完成上述产品的质量控制企业不仅需要配置通用测量设备，例如三坐标测量机，通用标准量具、量仪，同时还需要配置专用检测设备，例如各种尺寸类型的齿轮专用检测仪器，凸轮检测仪器等。这样往往导致企业的计量部门需要配置多类型的计量设备和从事计量操作的检测人员，计量设备使用率较低，同时企业负担较高的计量人员的培训费用和计量设备使用和维护费用；企业无法实现柔性、通用计量检测。因此，降低企业的测量成本，计量人员的培训费用，测量设备的使用和维修费用，达到提高测量检测效率的目的，使企业具备生产过程的实时质量控制能力，这将关系到企业在市场活动中的应变能力，对帮助企业建立并维护良好的市场信誉，具有重要的决定作用。

    三坐标测量机是测量和获得尺寸数据的最有效的方法之一，因为它可以代替多种表面测量工具及昂贵的组合量规，并把复杂的测量任务所需时间从小时减到分钟。三坐标测量机的功能是快速准确地评价尺寸数据，为操作者提供关于生产过程状况的有用信息，这与所有的手动测量设备有很大的区别。将被测物体置于三坐标测量空间，可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。

    1、单边活动桥式结构，显著提高运动性能，确保测量精度及稳定性。

    2、三轴导轨均采用高精密天然花岗岩，具有相同的温度特性及刚性。

    3、三轴导轨均采用自洁式预载荷高精度空气轴承，运动更平稳，导轨永不受磨损。

    4、RENISHAW自粘开放式金属光栅尺，更接近花岗岩基本的热膨胀系数，提高了设备的稳定性。

    5、采用公司自主研发的软件，使仪器测量更加精准。

    三坐标测量影响同轴度的因素

    三坐标在国标中同轴度公差带的定义是指直径公差为值t，且3D影像测量与三坐标测量仪的基准轴线同轴的圆柱面内的有区域。它有以下三种控制要素：①轴线与轴线；②轴线与公共轴线；③圆心与圆心。

    2.5次元测量影响同轴度因素

    2.5次元在影响同轴度的主要因素有被测元素与基准元素的圆心位置和轴线方向，特别是轴线方向。如在基准圆柱上测量两个截面圆，用其连线作基准轴。在被测圆柱上也测量两个截面圆，构造一条直线，然后计算同轴度。假设基准上两个截面的距离为10 mm，基准截面与被测圆柱的截面的距离为100 mm,如果基准的第二截面圆的圆心位置与截面圆圆心有5μm的测量误差，那么基准轴线延伸到被测圆柱截面时已偏离50μm（5μmx100÷10），此时，二次元和2.5次元即使被测圆柱与基准完全同轴，其结果也会100μm的误差（同轴度公差值为直径，50μm是半径）。

    三坐标测量在同轴度检测是我们在测量工作中经常遇到的问题，用三坐标进行同轴度的检测不仅直观且又方便，三次元、2.5次元与三坐标其测量结果精度高，并且重复性好。

    2D影像测量仪在汽车零部件生产企业，有很多产品需要进行严格的同轴度检查，特别是出口产品的检查更加严密，如EATON差速器壳、AAM拨叉、主减速器壳、三次元、2.5次元、二次元等。因此能否准确地测量出此类零件的同轴度对以后的装配有着一定的影响。

    1，获得产品的数字化点云（测量扫描系统）；

    2， 将点云数据构建成曲面及边界，甚至是实体（逆向工程软件）；

    3， 与CAD/CAE/CAM系统的集成（通用CAD/CAM/CAE软件）；

    4， 为快速准确地完成以上工作，需要经验丰富的工程师（人员）。

    早期：美工设计-->手工模型（1：1）-->3轴靠模铣床

    当今：工件（模型）-->3维测量（三坐标测量机）-->设计à制造

    逆向工程设备：

    1、测量机：获得产品三维数字化数据（点云/特征）；

    2、曲面/实体反求软件：对测量数据进行处理，实现曲面重构，甚至实体重构；

    3、 CAD/CAE/CAM软件；

    4、 数控机床；

    广义逆向工程：包括几何逆向，工艺逆向，材料逆向，管理逆向等诸多方面的系统工程。

    正向工程： 产品设计-->制造-->检验（三坐标测量机）

    三坐标测量机的组成：

    1、主机机械系统（X、Y、Z三轴或其它）；

    2、 测头系统；

    3、 电气控制硬件系统；

    4、 数据处理软件系统（测量软件）；

    三坐标测量机在现代设计制造流程中的应用逆向工程定义：将实物转变为CAD模型相关的数字化技术，几何模型重建技术和产品制造技术的总称。

    三坐标测量仪简称CMM，自六十年代中期台三坐标测量仪问世以来，随着计算机技术的进步以及电子控制系统、检测技术的发展，为测量机向高精度、高速度方向发展提供了强有力的技术支持。

    CMM按测量方式可分为接触测量和非接触测量以及接触和非接触并用式测量，接触测量常于测量机械加工产品以及压制成型品、金属膜等。本文以接触式测量机为例来说明几种扫描物体表面，以获取数据点的几种方法，数据点结果可用于加工数据分析，也可为逆向工程技术提供原始信息。扫描指借助测量机应用软件在被测物体表面特定区域内进行数据点采集。此区域可以是一条线、一个面片、零件的一个截面、零件的曲线或距边缘一定距离的周线。扫描类型与测量模式、测头类型及是否有CAD文件等有关，状态按纽（手动/DCC）决定了屏幕上可选用的“扫描”（SCAN）选项。若用DCC方式测量，又具有CAD文件，那么扫描方式有“开线”（OPEN LINEAR）、“闭线”（CLOSED LINEAR）、“面片”（PATCH）、“截面”（SECTION）及“周线”（PERIMETER）扫描。若用DCC方式测量，而只有线框型CAD文件，那么可选用 “开线”（OPEN LINEAR）、“闭线”（CLOSED LINEAR）和“面片”（PATCH）扫描方式。若用手动测量模式，那么只能用基本的“手动触发扫描”（MANUL TTP SCAN）方式。若在手动测量方式，测头为刚性测头，那么可用选项为“固定间隔”（FIXED DELTA）、“变化间隔”（VARIABLE DELTA）、“时间间隔”（TIME DELTA）和“主体轴向扫描”（BODY AXIS SCAN）方式。

    由于压缩空气对三坐标测量仪的正常工作起着非常重要的作用，所以对气源的维修和保养非常重要。其中有以下主要项目：

    1、每天使用三坐标测量仪前检查管道和过滤器，放出过滤器内及空压机或储气罐的水和油。

    2、一般3个月要清洗随机过滤器和前置过滤器的滤芯。空气质量较差的周期要缩短。因为过滤器的滤芯在过滤油和水的同时本身也被油污染堵塞，时间稍长就会使测量机实际工作气压降低，影响三坐标测量仪正常工作。一定要定期清洗过滤器滤芯。

    导轨保护

    三坐标测量仪的导轨是测量机的基准，只有保养好气浮块和导轨才能保证测量机的正常工作。三坐标测量仪导轨的保养除了要经常用酒精和脱脂棉擦拭外，还要注意不要直接在导轨上放置零件和工具。尤其是花岗石导轨，因其质地比较脆，任何小的磕碰会造成碰伤，如果未及时发现，碎渣就会伤害气浮块和导轨。要养成良好的工作习惯，用布或胶皮垫在下面，保证导轨安全。

    工作结束后或上零件结束后要擦拭导轨。每天都要擦拭导轨油污和灰尘，保持气浮导轨的正常工作状态。

    数据管理

    一、数据转换

    数据转换的任务和要求：

    （1）将测量数据格式转化为CAD软件可识别的IGES格式，合并后以产品名称或用户指定的名称分类保存。

    （2）不同产品、不同属性、不同定位、易于混淆的数据应存放在不同的文件中，并在IGES文件中分层分色。

    数据转换使用《三坐标测量数据处理系统》完成，操作方法见软件用户手册。

    二、重定位整合

    1 、应用背景

    在产品的测绘过程中，往往不能在同一坐标系将产品的几何数据一次测出。其原因一是产品尺寸超出测量机的行程，二是测量探头不能触及产品的反面，三是在工件拆下后发现数据缺失，需要补测。这时就需要在不同的定位状态（即不同的坐标系）下测量产品的各个部分，称为产品的重定位测量。而在造型时则应将这些不同坐标系下的重定位数据变换到同一坐标系中，这个过程称为重定位数据的整合。

    对于复杂或较大的模型，测量过程中常需要多次定位测量，最终的测量数据就必需依据一定的转换路径进行多次重定位整合，把各次定位中测得的数据转换成一个公共定位基准下的测量数据。

    2 、重定位整合原理

    工件移动（重定位）后的测量数据与移动前的测量数据存在着移动错位，如果我们在工件上确定一个在重定位前后都能测到的形体（称为重定位基准），那么只要在测量结束后，通过一系列变换使重定位后对该形体的测量结果与重定位前的测量结果重合，即可将重定位后的测量数据整合到重合前的数据中。重定位基准在重定位整合中起到了纽带的作用.

    PID控制是：比例，积分，微分控制的缩写。

    P参数：决定系统对位置误差的整个响应过程。数值越低，系统越稳定，不产生振荡，但刚性差，到位误差大；数值越高，刚性越好，到位误差小，但系统可能产生振荡。

    I 参数：控制由于摩擦力和负载引起的静态到位误差。数值越低，到位时间越长；数值越高，可能在理论位置上下振荡。

    D参数：此参数通过阻止误差变化过冲给系统提供阻尼和稳定性。数值越低，使系统对位置误差响应快；数值越高，系统响应越慢。

    日常保养

    三坐标测量机的组成比较复杂，主要有机械部件、电气控制部件、计算机系统组成。平时我们在使用三坐标测量机测量工件的同时，也要注意机器的保养，以延长机器的使用寿命。下面我们从七个方面说明三坐标测量机的基本保养。

    三坐标测量机的机械部件有多种，我们需要日常保养的是传动系统和气路系统的部件，保养的频率应该根据测量机所处的环境决定。一般在环境比较好的精测间中的测量机，我们推荐每三个月进行一次常规保养，而如果用户的使用环境中灰尘比较多，测量间的温度湿度不能完全满足测量机使用环境要求，那应该每月进行一次常规保养，对测量机的常规保养，应了解影响测量机的因素：

    1.压缩空气对测量机的影响

    1）要选择合适的空压机，另有储气罐，使空压机工作寿命长，压力稳定。

    2）空压机的启动压力一定要大于工作压力。

    3）开机时，要先打开空压机，然后接通电源。

    2. 油和水对测量机的影响

    由于压缩空气对测量机的正常工作起着非常重要的作用，所以对气路的维修和保养非常重要。其中有以下主要项目：

    每天使用测量机前检查管道和过滤器，放出过滤器内及空压机或储气罐的水和油。

    每天都要擦拭导轨油污和灰尘，保持气浮导轨的正常工作状态。

    3. 对测量机导轨的保护要养成良好的工作习惯。

    用布或胶皮垫在下面，保证导轨安全。

    工作结束后或上零件结束后要擦拭导轨。

    当我们在使用测量机时要尽量保持测量机房的环境温度与检定时一致。另外电气设备、计算机、人员都是热源。在设备安装时要做好规划，使电气设备、计算机等与测量机有一定的距离。测量机房加强管理不要有多余人员停留。高精度的测量机使用环境的管理更应该严格。

    4. 空调的风向对测量机温度的影响

    测量机房的空调应尽量选择变频空调。变频空调节能性能好，最主要的是控温能力强。在正常容量的情况下，控温可在±1℃范围内。

    由于空调器吹出风的温度不是20℃，因此决不能让风直接吹到测量机上。有时为防止风吹到测量机上而把风向转向墙壁或一侧，结果出现机房内一边热一边凉，温差非常大的情况。

    空调器的安装应有规划，应让风吹到室内的主要位置，风向向上形成大循环（不能吹到测量机），尽量使室内温度均衡。

    有条件的，应安装风道将风送到房间顶部通过双层孔板送风，回风口在房间下部。这样使气流无规则的流动，可以使机房温度控制更加合理。

    5. 空调的开关时间对机房温度的影响

    许每天早晨上班时打开空调，晚上下班再关闭空调。待机房温度稳定大约4小时后，测量机精度才能稳定。

    这种工作方式严重影响测量机的使用效率，在冬夏季节精度会很难保证。对测量机正常稳定也会有很大影响。

    6. 机房结构对机房温度的影响

    由于测量机房要求恒温，所以机房要有保温措施。如有窗户要采用双层窗，并避免有阳光照射。门口要尽量采用过渡间，减少温度散失。机房的空调选择要与房间相当，机房过大或过小都会对温度控制造成困难。

    在南方湿度较大的地区或北方的夏天或雨季，当正在制冷的空调突然被关闭后，空气中的水汽会很快凝结在温度相对比较低的测量机导轨和部件上，会使测量机的气浮块和某些部件严重锈蚀，影响测量机寿命。而计算机和控制系统的电路板会因湿度过大出现腐蚀或造成短路。如果湿度过小，会严重影响花岗石的吸水性，可能造成花岗石变形。灰尘和静电会对控制系统造成危害。所以机房的湿度并不是无关紧要的，要尽量控制在60%±5%的范围内。

    空气湿度大、测量机房密封性不好是造成机房湿度大的主要原因。在湿度比较大地区机房的密封性要求好一些，必要时增加除湿机。

    7. 改变管理方式防止”假期综合症”

    解决的办法就是改变管理方式，将“放假前打扫卫生”改为“上班时打扫卫生”，而且要打开空调和除湿机清除水份。要定期清洁计算机和控制系统中的灰尘，减少或避免因此而造成的故障隐患。

    使用标准件检查机器是非常好的，但是相对来说比较麻烦，只能是一段时间做一次。比较方便的办法是用一个典型零件，编好自动测量程序后，在机器精度校验好的情况下进行多次测量，将结果按照统计规律计算后得出一个合理的值及公差范围记录下来。操作员可以经常检查这个零件以确定机器的精度情况。

    Z轴平衡的调整

    测量机的Z轴平衡分为重锤和气动平衡，主要用来平衡Z轴的重量，使Z轴的驱动平稳。如果误动气压平衡开关，会使Z轴失去平衡。处理的方法：

    1） 将测座的角度转到90，0，避免操作过程中碰测头。

    2） 按下“紧急停”开关。

    3） 一个人用双手托住Z轴，向上推、向下拉，感觉平衡的效果。

    4） 一人调整气压平衡阀，每次调整量小一点，两人配合将Z轴平衡调整到向上和向 下的感觉一致即可。

    行程终开关是用于机器行程终保护和HOME时使用。行程终开关一般使用接触式开关或光电式开关。开关式最容易在用手推动轴运动时改变位置，造成接触不良。可以适当调整开关位置保证接触良好。光电式开关要注意检查插片位置正常，经常清除灰尘，保证其工作正常。

    正确使用三坐标测量仪对其使用寿命、精度起到关键作用，应注意以下几个问题：

    1、工件吊装前，要将探针退回坐标原点，为吊装位置预留较大的空间；工件吊装要平稳，不可撞击三坐标测量仪的任何构件。

    2、正确安装零件，安装前确保符合零件与测量机的等温要求。

    3、 建立正确的坐标系，保证所建的坐标系符合图纸的要求，才能确保所测数据准确。

    4、当编好程序自动运行时，要防止探针与工件的干涉，故需注意要增加拐点。

    5、对于一些大型较重的模具、检具，测量结束后应及时吊下工作台，以避免工作台长时间处于承载状态。