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三坐标测量机(仪)的发展趋势

三坐标测量机(仪)的发展趋势

三坐标测量机作为一种通用性强、自动化程度高、高精度测量系统在先进制造技术与科 学研究中有极广泛的应用。它首先将各种几何元素的测量转化为这些几何元素上一些点集坐 标位置的测量。在测得这些点的坐标位置后,再由软件按一定的评定准则算出这些几何元素 的尺寸、形状、相对位置等。这一工作原理,使三坐标测量机具有很大的通用性与柔性。从 原理上说,它可以测量任何工件的任何几何元素的任何参数。科技与生产的发展对三坐标测

量机不断提出新的、更高的要求[1]。

一、提高测量精度

精密级的三坐标测量机的坐标测量精度可达到微米级。但是现代的超精加工、科学研究往往 提出纳米级的精度要求。在生产中一般要求测量不确定度小于制造公差的1/3~1/5。但目前 商品三坐标测量机的精度远低于钻石切削或其它超精加工机床。只能在超精加工后,在原机 床上将刀具换成测头,进行检测。这在原理上是不合理的,因为有许多共同的因素影响,使 许多误差不能被发现。应该对三坐标测量机的精度提出进一步的要求,以适应超

精加工与科 学技术发展的需要。

为了提高测量机的测量精度,需要采取一系列综合性措施:

(1)提高标尺精度 随着廉价、便于使用的半导体激光器的发展,激光干涉 标尺将在测量机中得到较多应用。特别是对于大型三坐标测量机,这种“无形”标尺更有其 独特的优点。在采用激光干涉标尺时,一是不要让激光产生的热影响测量机的精度,激光器 常放在隔热舱外;二是要注意折射率的补偿。在大气中进行测量的激光干涉仪的综合精度很 难优于1×10-7。美国劳伦斯利物莫尔实验室采用了让光束在氦气中通过的办法 [2]。由于 氦气性能稳定,使温度、气压对折射率的影响仅为大气的1/10。诚然,最理想的是让光束在 真空中通过。许多国家也在进行这方面的研究,但目前还没有成功的例子。问题是靶标要在 密闭光路内移动,光路内部为真空,外部为大气。当大气压力变化时,滑座会产生附加变形 ,

产生测量误差。

(2)提高结构精度 其中包括测量机主机、分度台、测头及其附件的精度。 这里尤为重

要的是提高它的重复精度。系统误差可以通过软件补偿的方法来减小其影响。

(3)减小环境因素带来的影响 特别要注意避免复杂力变形与热变形,这要 从结构和环

境控制两方面采取措施。

(4)适当的采样策略[3] 采样策略对被测参数的测量不确定度有 很大影响。应 当说,目前对采样策略的研究还很不够。测量机应具有智能功能,能针对被测参数及精度要 求,

实现最佳采样策略。

二、提高效率

生产节奏不断加快,要求测量机在保证测量精度的同时,还要有较高的效率。为了提高

测量 机的效率,需从以下各个方面采取措施。

(1)改进测量机的结构设计,减轻运动部件的质量 包括采用密度与杨氏模 数之比低的材料、簿壁空心结构等。铝、陶瓷、人工合成材料在测量机中获得了越来越多的 应用。

(2)提高控制系统性能 使测量机能以较高速度运动,同时运动平稳,准确 定位,不产

生振荡、过冲等现象。

(3)采用飞测与扫描测量方式 在触测情况下,由于工件与测头的接触速度 不能太大,这就给探测速度带来很大限制。扫描测量方式虽比点位测量方式效率高得多,但 仍受触测的限制。采用非接触测头,特别是在测量机连续运动过程中实现“飞测”,可避免 频繁加速、

减速、碰撞等,可大大提高效率。

(4)对动态误差进行补偿[4] 动态误差与测量机的结构参数和运 动规程有关。 在研

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