懸臂式三坐標測量機（CMM）在數控機床中的應用
2020-07-15 瀏覽次數：553來源：本站原創
三坐標測量機(CMM)是一種以精密機械為基礎，綜合應用電子技術、計算機技術、光柵與激光干涉技術等先進技術的檢測儀器。三坐標測量機的主要功能是：
1)可實現空間坐標點的測量，數控機床廠可方便地測量各種零件的三維輪廓尺寸、位置精度等。測量精確可靠，萬能性強。
2)由于計算機的引入，可方便地進行數字運算與程序控制，并具有很高的智能化程度。因此，它不僅可方便地進行空間三維尺寸的測量，還可實現主動測量和自動檢測。在模具制造工業中，三坐標測量機充分顯示了在測量方面的萬能性、測量對象的多樣性。
三坐標測量機的分類與構成
三坐標測量機按其工作方式可分為點位測量方式和連續掃描測量方式。點位測量方式是由測量機采集零件表面上一系列有意義的空間點，通過數學處理，求出這些點所組成的特定幾何元素的形狀和位置。連續掃描測量方式是對曲線、曲面輪廓進行連續測量，多為大、中型測量機。
根據三坐標測量機的結構形式及三個方向測量軸的相互配置位置的不同，三坐標測量機可分為懸臂式、橋式、龍門式、立柱式、坐標鏜床式。它們各有特點及相應的適用范圍如下：
1．懸臂式的特點是結構緊湊、數控機床廠工作面開闊、裝卸工件方便、便于測量，但懸臂易于變形，且變形量隨測量軸丁軸的位置變化，因此丁軸測量范圍受限。
2．橋式測量機結構剛性好，x、y、z方向的行程大，一般為大型機。
3．龍門式的特點是龍門架剛度大，結構穩定性好，精度較高。由于龍門或工作臺可以移動，使裝卸工件方便，但考慮龍門移動或工作臺移動的慣性，龍門式測量機一般為小型機。
4．立柱式適合于大型工件的測量。
5．坐標鏜床式的結構與鏜床基本相同，結構剛性好，測量精度高，但結構復雜，適用于小型工件。
三坐標測量機按測量范圍可分為大型、中型和小型。按其精度可分兩類：①精密型，一般放在有恒溫條件的計量室，用于精密測量，分辨率一般為0.5~21lm；②生產型，數控機床廠一般放在生產車間，用于生產過程檢測，并可進行末道工序的精加工。
三坐標測量機的規格品種很多，但基本組成大致一樣，主要由測量機主體、測量系統、控制系統和數據處理系統組成。
1．三坐標測量機的主體
三坐標測量機的主體的運動部件包括沿x軸移動的主滑架、沿丁向移動的副滑架、沿z向移動的z軸，以及底座、測量工作臺。測量機的工作臺多為花崗巖制造，具有穩定、抗彎曲、抗振動、不易變形等優點。
2．三坐標測量機的測量系統
三坐標測量機的測量系統包括測頭和標準器。三坐標測量機的測頭用來實現對工件的測量，是直接影響測量機測量精度、操作的自動化程度和檢測效率的重要部件。
三坐標測量機的測頭可分接觸式和非接觸式兩類。數控機床廠在接觸式測量頭中又分機械式測頭和電氣式測頭。此外，生產型測量機還可配有專用測頭式切削工具，如專用銑削頭和氣動鉆頭等。
機械接觸式測頭為具有各種形狀(如錐形、球形)的剛性測頭、帶千分表的測頭以及劃針式工具。機械接觸式測頭主要用于手動測量，由于手動測量的測量力不易控制，測量力的變化會降低瞄準精度，因此只適用于一般精度的測量。
電氣接觸式測頭的觸端與被測件接觸后可作偏移，傳感器輸出模擬位移量信號。這種測頭既可以用于瞄準(過零發信)，也可以用于測微(測給定坐標值的偏差)，因此電氣接觸式測頭主要分為電觸式開關測頭和三向測微電感測頭，其中電觸式開關測頭應用較廣泛。
非接觸式測頭主要由光學系統構成，如投影屏式顯微鏡、電視掃描頭，適用于軟、薄、脆的工件測量。
三坐標測量機的測量方法
一般點位測量有三種測量方法：直接測量、數控機床廠程序測量和自學習測量。
1．直接測量方法(即手動測量)。
操作員將決定的順序利用鍵盤輸入指令，系統逐步執行的操作方式，測量時根據被測零件的形狀調用相應的測量指令，以手動或數控方式采樣，其中數控方式是把測頭 拉到接近測量部位，系統根據給定的點數自動采點。測量機通過接口將測量點坐標值送入計算機進行處理，并將結果輸出顯示或打印。
2．程序測量方法。
將測量一個零件所需要的全部操作按照其執行順序編程，以文件形式存入磁盤，測量時按運行程序控制測量機自動測量。該方法適用于成批零件的重復測量。
零件測量程序的結構一般包括以下內容：
1）程序初始化。如指定文件名、存儲器置零、對不同于缺省條件的某些條件給出有關選擇指令。
2）測頭管理和零件管理。如測頭定義或再校正、數控機床廠臨時零點定義、數學找正、建立原點等。
3）測量的循環。①定位，使測頭在進入下一采樣點前，先進入定位點(使測頭接近采樣點時可避免碰撞工件的位置)；②采樣處理，包括預備指令和操作指令，如測孔指令前先給出采樣點數、孔的軸線理論坐標及直徑等參數的指令；③測量值的處理；④關閉文件，結束整個測量過程。
3．自學習測量方法。
操作者對第一個零件執行直接測量方式的正常測量循環中，借助適當命令使系統自動產生相應的零件測量程序，對其余零件測量時重復調用。該方法與手工編程相比，省時且不易出錯。但要求操作員熟練掌握直接測量技巧，注意操作的目的是獲得零件測量程序，嚴格掌握操作的正確性。
自學習測量過程中，系統可以兩種方式進行自學習：對于系統不需要對其進行任何計算的指令，如測頭定義、參考坐標系的選擇等指令，系統采用直接記錄方式。數控機床廠許可記錄方式用于測量計算的有關指令，只有在操作者確認無誤時才記錄，如測頭校正、零件校正等指令。當測量循環完成或在執行程序的過程中發現操作錯誤時，可中斷零件程序的生成，進入編輯狀態修改，然后再從斷點啟動。
三坐標測量機的應用
1．多種幾何量的測量。測量前必須根據被測件的形狀特點選擇測頭，并進行測頭的定義和校驗，并對被測件的安裝位置進行找正。
1)觸頭的定義和校驗。在測量過程中，當觸頭接觸零件時，計算機將存人測頭中心坐標，而不是零件接觸點的實際坐標，因而觸頭的定義包括觸頭半徑和測桿的長度造成 的中心偏置，以及多觸頭測量時各個觸頭定義代碼。測量觸頭的校驗還包括使計算機記錄各觸頭沿測量機不同方向測同一測點時的長度差別，以便實際測量時系統能自動補償。觸頭的定義和校驗可直接調用測頭管理程序、參考點標定和測頭校正程序來進行，將各觸頭分別測量固定在工作臺上已標定的標準球或標準塊，計算機即 將各測頭測量時的坐標值計算出各觸頭的實際球徑和相互位置尺寸，并將這些數據存儲于寄存器作為以后測量時的補償值。經過校驗的不同觸頭測同一點，數控機床 廠可得到同樣的測量結果。
2)零件的找正。指在測量機上用數學方法為工件的測量建立新的坐標基準。測量時，工件任意放置在工作臺上，其基準線或基準面與測量機的坐標軸(x、y、z軸的移動方向)不需要精確找正，為了消除這種基準不重合對測量精度的影響，用計算機對其進行坐標轉換，根據新基準計算校正測量結果。因此，這種零件找正的方法稱為數學找正。
零件找正的主要步驟有：
①根據采用的三維找正或二維找正方法，確定初始參考坐標系；
②運行找正程序；
③選定第一坐標軸；
④調用相應子程序進行測量并存儲結果；
⑤選第二坐標軸；
⑥調用相應子程序進行測量并存儲結果。
對于三維找正中的第三軸，系統自動根據右手坐標準則確定。
工件測量坐標系設定后，即可調用測量指令進行測量。
2．實物程序編制。對于在數控機床上加工的形狀復雜的零件，當其形狀難于建立數學模型使程序編制困難時，常常可以借助于測量機。通過對木質、塑料、數控機床廠黏土或石膏制的模型或實物的測量，得到加工面幾何形狀的各項參數，經過實物程序軟件系統的處理，輸出所需結果。
例如，高速數字化掃描機實際上是一臺連續掃描測量方式的坐標測量機，主要用于對模具未知曲面進行掃描測量，可將測得的數據存人計算機，根據模具制造需要，實現：
①對掃描模型進行陰、陽模轉換，生成需要的CNC加工程序；
②借助繪圖設備和繪圖軟件得到復雜零件的設計圖樣，即生成各種CAD數據。
3．輕型加工。生產型三坐標測量機除用于零件的測量外，還可用于劃線、打沖眼、鉆孔、微量銑削及末道工序精加工等輕型加工，在模具制造中可用于模具的安裝、裝配。
三 坐標劃線機即立柱式三坐標測量機，數控機床廠主要用于金屬加工中的精密劃線和外形輪廓的檢測，特別適用于大型工件制造、模具制造、汽車和造船制造業及鑄件 加工等。它與生產型三坐標測量機在結構和精度上有較大區別，屬于生產適用型三坐標機，可承受檢測環境較惡劣的劃線和計量測試技術工作。
