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三坐标测量机在机械加工中的应用
机械工程 2509201015
赵喜鑫
摘要： 三坐标测量机作为上世纪60年代发展起来的一种测量机器，以其精度高、测量范围广等优点受到越来越普遍的应用。本文介绍了三坐标测量机的发展概况及其在机械加工一些简单的应用。
关键词： 三坐标测量机 CMM 逆向 检测前言
三座标测量机（Coordinate Measuring Machining 以下称CMM），是对工件进行三维测量的具有X、Y、Z三个坐标轴的坐标机器。它是20世纪60年代发展起来的一种新型高效的精密测量仪器。目前，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。2 CMM的分类和主要部件
CMM可分为活动桥式测量机、固定桥式测量机、龙门测量机、水平臂式测量机、L式测量机、便携式测量机等几种机型。机床由工作台,X、Y、Z导轨及电脑组成。检测系统采用磁栅或光栅。同时提供标准附件供选用。我公司使用的是购自青岛海克斯康公司alpha龙门式测量机。它有四根立柱行程分别为X=2000mm,Y=3300mm,Z=1500mm，精度为E=5+5L/1000(单位E:μ；L:mm)。数据处理系统
CMM配有计算机及软件系统用于数据处理，它可以根据检测要求对工件几何尺寸进行测量，或对工件进行用于逆向工程的测绘。Alpha CMM配置的是PC-DMIS软件系统。PC—DMIS具备了如下先进功能： ⑴ 备完善的测头管理、零件坐标系管理和工件找正功能；
⑵ 实现工件几何特征量的直接测量，并能够完成几何关系的计算、构造和形位公差计算； ⑶ 独特的交互式三维图形功能； ⑷ 脱机情况下可通过计算机模拟进行测量编程； ⑸ 三维空间的模拟，可直接观察到测量机上工件的图像和固定方式，从而可在零件检测前方便地进行各项设置和编程的修正； ⑹ 具备浏览窗口，可清楚地指明被测工件的特征，并允许编程者在编制零件实时地观检测到所有的测量工作；
⑺ 内置的强大报告分析功能，可图形化地展示单
个数据点的偏差并包括文字说明；
⑻ 可利用IGS或DMIS实现三座标测量机系统与系统的双向直接连接； ⑼ 可处理二维、三维、线框式和曲面的CAD文件； ⑽ 通过曲线曲面测量软件选项，实现对轮廓形工作的测量与分析； ⑾ PC-DMIS中的曲线曲面测量软件包使得用户可利用现有CAD曲面模型的优势，从而优化检测程序。操作者只需采用鼠标进行特殊点目标的选择或只
是简单地利用测头进行需要信息区域的触发。依据
所测曲面的几何量，测量结果沿目前名义矢量方向
进行补偿，从而避免了余弦误差。曲线曲面软件为各类叶片、模具、模型和钣金件提供了全新的测量和分析功能。4 机器的工作原理与用途
将被测工件放置在CMM工作台上，选择合适的测头，移动X，Y，Z 三个坐标，对工件进行测量，便可获得被测几何形面上各测点的几何坐标尺寸。这些点的坐标值经过计算机的数据处理，可求出待
测几何尺寸和相互位置尺寸以及形位误差值。
CMM 已由简单的划线测量机和手动系统发展成为高精度的自动检测中心。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，实现逆向工程。5 应用举例
5.1空间检测 CMM不仅仅体现在它的测量精度高外，还能测量传统手工测量所不能测量的尺寸。这主要得益于CMM测座灵活，可根据要求任意旋转测量角度，测量空间尺寸。图1是一定位块，要测量几个孔距。由于这几个孔都不在一个平面上，而且锥体还和侧面有尺寸要求，普通量具无法测量。但是使用CMM就非常简单。首先测量中间大面，找正平面，然后测量一条边，建好坐标系后用测头A0B0角度测量中间图上所有的孔和圆锥，然后用A90B90角度测
图 1 定位块
量右图的孔。最后点击“距离”对话框即可求出所了定量地了解模具损耗发生的位置及损耗量的大有尺寸。小，以确定是修复模具还是报废模具，需要对其进5.2辅助检测 行检验。通过计算机辅助检验，可以非常方便地实产品零件大批量生产之前，往往需要进行“试现以上检验要求。计算机辅助检验，就是通过CMM生产”，并对“试生产”的零件进行检验，即“首获得实物的三维数据，并将此数据与实物的CAD模件检验”，以保证批量生产的产品满足质量要求。型对正比较，以获取检验结果。另外，当模具使用一定次数以后，会发生损耗，为计算机辅助检验主要包括三个步骤：模型数字
图 2 计算机辅助检验工作流程
化、数据对正和检验分析。整个流程如图2所示。模型数字化是计算机辅助检验的关键步骤之一，它的精度直接影响检验的可信度。而CMM正是为它提供实物的表面轮廓数据信息，并以大量的三维坐标点（点云）来表达。然后通过第三方软件如imageware将检验模型和CAD模型对正。对正的过程及对正后的分析比较过程都是在imageware里完成的。
5.3逆向工程
在国外，逆向工程已经作为一种先进的设计方 法被引入到设计开发工作中。为了避开艰苦的原型设计阶段，通过观察和测试竞争对手的产品，对其进行初始化，然后拆开产品，逐一分析单个零件的组成、功能、装配公差和制造过程。这些工作的目的就是要充分理解产品制造过程，并以此为基础优化设计出一种更好的产品。逆向工程（Reverse Engineering）就是根据已经存在的产品模型，反向推出产品设计数据（包括图纸或数字模型）的过程。它与一般的从图纸到产品的过程正好相反。
图3 逆向过程
随着数字化测量技术的迅猛发展，基于测量数据的产品造型技术成为逆向工程技术关注的主要对象。通过数字化测量设备（如CMM、激光测量设备等）获取的物体表面的空间数据，需要经过逆向工程技术的处理才能获得产品的数字模型，进而输
送到CAM系统完成产品的制造。从图3可以看出，逆向工程的实施过程包括了测量数据的采集/处理、CAD/CAM系统处理和融入产品数据管理系统的过程。
图4所示为我公司锯片磨齿机的凸轮。该凸轮
图 4 凸轮
因为磨损需要备件。但是磨齿机购自国外，外商不提供凸轮图纸资料。购买该凸轮不仅价格高昂，而且购买周期很长。因此必须进行逆向测绘获取图纸。由于该凸轮外形是不规则曲线，使用精度非常高，普通卡尺等量具无法精确测量，因而使用三座标测量机进行扫描测量。先用SP600测出它的高度，中心孔位置，建好零件坐标系，然后利用SP600 强大的扫描功能对它不规则曲线进行密集的连续点
扫描，得到它的外形轮廓。下一步用imageware件进行点云的处理，生成凸轮曲面几何形状。再利用CAD软件得到凸轮图纸。最后根据图纸进行生产加工。可见，利用CMM扫描样品采集点数据，再应用imageware软件生成高质量曲面，相比直接在CAD系统中进行曲面造型，更节省时间。另外，利用CMM采集的几何数据能生成符合工业标准格式的文件，如IGES、VDA-FS、ISOG代码、DXF和规定的ASCII、CAD/CAM格式，分析软件包至少能支持其中的一种格式。
以上介绍的只是利用CMM进行逆向工程的一个例子，用CMM还做过许多逆向测绘工作。如天津钢管集团公司168厂的PQF机架、350脱管机架、258定径机架和三套转鼓等，可节约了大量的进口采购费用。CMM发展趋势
在今后一段时期内，它的主要发展趋势可以概括为以下几方面：
（1）高精度和高速测量 质量与效率一直是衡量各种机器性能主要指标之一。一般情况是为了保证测量精度，测量速度不宜过高。随着生产节奏不断加快，用户在要求CMM保证测量精度的同时，会对CMM的测量速度提出越来越高的要求。
（2）新材料和新技术的应用 为保证可靠高速的测量功能，机体材料必须在传统的铸铁、铸钢基础上，大量采用重量轻、刚性好、导热性强的合金、石材、陶瓷等新材料。新型材料由于其良好的导热性，在发生温度分布不均匀时，能在极短的时间内迅速达到热平稳，将温度变化所产生的热变形减至最低。为此，近几年引起了厂商的改型高潮，新品种层出不穷。技术指标的进步表现在两个方面：a.最高运动速度达到15m/s以上；b.环境温度要求可降低到20+_4℃。
（3）大量采用非接触式测量 非接触测量的核心就是光学测量。近年来国外光学CMM发展十分迅速。在同等精度条件下，非接触式测量速度更快。另外，它还能测量一些软性材质。在微电子工业中有许多二维图案，如大规模集成电路掩模等，它们是用接触测头无法测量的。
（4）控制系统的改进 在现代制造系统中，测量的目的越来越不仅仅是成品验收检验，还向整个制造系统提供有关制造过程的信息，为控制提供依据。因此必须要求测量机具有开放式控制系统，具有更大的柔性。另外，也可以用复杂的控制系统进行紧凑设计，以求降低成本。
(5)软件技术的革新 测量机的功能主要由软件决定。软件是CMM中发展最为迅速的一项技术。软件的发展将使CMM向智能化的方向发展，它包括能进行自动编程、按测量任务对 测量机进行优化、故障自动诊断等方面的内容。7 结语
在竞争日益激烈的今天,对产品质量要求越来越严格，CMM以其强大的功能，极大的测量范围，精确的测量为产品质量提供强大的保证。但是它也有自己的缺点，如价格昂贵（是一般卡尺等量具的几百倍甚至上千倍），测量条件严格（如精密测量要求恒温在20°±0.2°C范围内）。然而这些缺点影响不了CMM在工业中的普及。随着科技的不断发展，CMM测量精度会越来越高，操作越来越灵活，自动化程度越来越高，必将成为工业中不可或缺的检测设备之一。
参考文献
1.《PC-DMIS教程》上下册 海克斯康测量技术（青岛）有限公司
2.《三坐标测量机》 张国雄等 天津大学出版社 1999
3.《测量机应用技术论文集》海克斯康测量技术（青岛）有限公司
4.《PC-DMIS CAD++ 培训与应用手册》海克斯康测 量技术（青岛）有限公司
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