【正文】 第 2 章 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)總體設(shè)計(jì)方案 7 設(shè)計(jì)任務(wù)和內(nèi)容 設(shè)計(jì)任務(wù)定位三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) 整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，其中機(jī)械部分的設(shè)計(jì)工作臺(tái)包括縱向、橫向和 Z 軸的運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)承擔(dān)運(yùn)動(dòng)功能。學(xué)會(huì)使用設(shè)計(jì)手冊(cè)，對(duì)推薦的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和各類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)要結(jié)合實(shí)際情 況取舍。從大處講，聯(lián)系實(shí)際是指對(duì)工藝可能性的分析，在參數(shù)擬訂和方案確定中，既要了解當(dāng)今的先進(jìn)生產(chǎn)水平和可能趨勢(shì)，更應(yīng)了解我國(guó)的實(shí)際生產(chǎn)水平，使設(shè)計(jì)的機(jī)器能發(fā)揮最佳的效果。根據(jù)導(dǎo)軌結(jié)合 部的設(shè)計(jì)結(jié)果和該運(yùn)動(dòng)的行程，直到基礎(chǔ)支撐件。設(shè)計(jì)一個(gè)部件，其過(guò)程大致如下：首先，確定末端執(zhí)行件的概略形狀尺寸，然后，設(shè)計(jì)末端執(zhí)行件與其相臨的下一個(gè)功能部件的結(jié)合的形式與概率尺寸。 6） 配件萬(wàn)向電子測(cè)頭，并通過(guò)各種測(cè)頭配件，既可以對(duì)遠(yuǎn)程和深孔進(jìn)行數(shù)據(jù)采點(diǎn)，也能完成中、小型零部件的測(cè)量 7） 本測(cè)量?jī)x具有方便的現(xiàn)場(chǎng)自校定功能，用戶(hù)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行精度校正，保證在不同環(huán)境溫度下測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠 。 4）回轉(zhuǎn)支桿 (附件另配 )可提供裝夾第二只測(cè)量表（或測(cè)量傳感器），從而可擴(kuò)大本產(chǎn)品的使用功能。 6 2）立柱采用不銹鋼材料，可防銹，抗腐蝕。如果檢測(cè)任務(wù)大部份需要與 CAD 數(shù)據(jù)協(xié)同比對(duì)檢測(cè)，建議選擇 XDMIS 測(cè)量軟件。 測(cè)量機(jī)可以根據(jù)使用要求，選配 WINCOM 測(cè)量軟件或 XDmis 測(cè)量軟件。 這種類(lèi)型的測(cè)量機(jī)的 Y 向測(cè)量范圍有兩種， 1200mm 和 1500mm，其 Z 向測(cè)量范圍最小為 1500mm，最大可以達(dá)到 2600mm， X 向測(cè)量范圍最小為 2021mm，可以按用戶(hù)要求以 500mm 的長(zhǎng)度適量增大。由于采用開(kāi)放式測(cè)量，從而保證了 在現(xiàn)場(chǎng)、在模具制造和仿型、在部件檢測(cè)和設(shè)計(jì)室里都可以方便的使用。特別是近二十年來(lái)，隨著微機(jī)和光電技術(shù)的迅猛發(fā)展，三坐標(biāo)機(jī)已成為多個(gè)高科技領(lǐng)域諸多技術(shù)的融合產(chǎn)品，包括了微機(jī)、精儀、光電傳感、數(shù)據(jù)分析和人工智能等多項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)。第三代測(cè)量機(jī)在第二代的基礎(chǔ)上，配備上相應(yīng)的程序控制和數(shù)據(jù)圖形化軟件處理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)測(cè)量。導(dǎo)軌式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)己經(jīng)成為一種比較成熟的傳統(tǒng)測(cè)量設(shè)備，它經(jīng)歷了三代產(chǎn)品 :第一代測(cè)量機(jī)由手動(dòng)(或機(jī)動(dòng) )測(cè)量，測(cè)量結(jié)果由人工處理，效率極低。其主要特征是具有 X, Y, Z 三個(gè)坐標(biāo)方向的導(dǎo)軌。 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量原理 將被測(cè)物體置于三 坐標(biāo)測(cè)量 空間，可獲得被測(cè)物體上各測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，根據(jù)這些點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，經(jīng)計(jì)算求出被測(cè)物體的幾何尺寸，形狀和位置。只付檢測(cè)費(fèi)，比購(gòu)置一臺(tái)測(cè)量機(jī)更經(jīng)濟(jì)。如果使用效率高，則經(jīng)濟(jì)效益亦高。 M=T（ K+G） +Q 測(cè)量機(jī)效益的關(guān)鍵在于使用時(shí)間 T。雖然它不像生產(chǎn) 機(jī)床 那樣便于計(jì)算，也不如機(jī)床那樣可以較快地收回成本并創(chuàng)造效益，但作為保證生產(chǎn)質(zhì)量的手段和環(huán)節(jié)，檢測(cè)儀器有著特殊的重要性。它不僅直接影響測(cè)量精度，而且是決定測(cè)量機(jī)功能和測(cè)量效率的重要因素。用于生產(chǎn)線或柔性加工線上的測(cè)量機(jī)，檢測(cè)的時(shí)間必須滿足生產(chǎn)節(jié)拍的要求。如果廠方提供了編程方法（多數(shù)廠家不提供），也可自行開(kāi)發(fā)。 豐富的測(cè)量軟件 對(duì)復(fù)雜的測(cè)量對(duì)象進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量機(jī)應(yīng)有豐富的測(cè)量軟件支持，以完成測(cè)量任務(wù)。故應(yīng)從經(jīng)濟(jì)效益的角度進(jìn)行比較判定。選用時(shí)，應(yīng)根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的批量大小、自動(dòng)化程度、操作人員技術(shù)水平及資金投入大小去權(quán)衡。因此測(cè)量范圍等于工件被測(cè)的最大尺寸再加上兩倍的探針長(zhǎng)度。有的測(cè)頭上有星形探針，這些探針在測(cè)量時(shí)往往要求超出工件的被測(cè)部分。 Z 軸行程是 Z 軸的測(cè)量范圍，而 Z向空間高度是工件能放得下的高度。為了把工件放入測(cè)量機(jī)中，應(yīng)根據(jù)工件大小選擇測(cè)量機(jī)。 （ 1） 、工件的所需測(cè)量的部分，不一定是整個(gè)工件。因?yàn)樵跍y(cè)量范圍內(nèi)才能獲得精確的測(cè)量值，超出了范圍，測(cè)量就難于進(jìn)行。這不僅由于測(cè)量復(fù)雜件時(shí)，測(cè)點(diǎn)可能帶入的誤差比預(yù)想的要大（由于測(cè)頭測(cè)桿變化或加長(zhǎng)會(huì)引入更大的誤差），而且測(cè)量機(jī)的精度會(huì)隨使用次數(shù)增多而有所下降。重要的是重復(fù)精度必須滿足要求，因?yàn)橄到y(tǒng)誤差還可以通過(guò)一定方法補(bǔ)償，而重復(fù)精度應(yīng)由測(cè)量機(jī)本身保證。例如某一被測(cè)箱體上二孔的孔距為 500mm，公差帶為 15um，則所選用的測(cè)量機(jī)在 500mm 長(zhǎng)度上的測(cè)量不確定度應(yīng)不大于 3um～ 5um。在形位測(cè)量時(shí)，更有大量測(cè)點(diǎn)參與并帶來(lái)測(cè)量誤差，精確計(jì)算是很難的。但在具體測(cè)件時(shí)需要將被測(cè)參數(shù)的測(cè)量不確定度限制在一定范圍內(nèi)。 精度比對(duì)不是一個(gè)簡(jiǎn)單的比較過(guò)程。 其選擇原則如下： 合理的測(cè)量精度 坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是檢測(cè)工件尺寸與形位誤差的 儀器 ，首要的是精度指標(biāo)應(yīng)滿足用戶(hù)要求。該系統(tǒng)具有原電器箱幾乎所 有功能，界面直觀，很多操作在面板上即可直接完成，菜單功能簡(jiǎn)潔明了，用戶(hù)極易上手。智能數(shù)顯系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理，空間精度修正不僅使車(chē)間裝調(diào)人員工作量降低，也使測(cè)量?jī)x精度有了保障。 采用智能數(shù)顯系統(tǒng)將原電器箱上各項(xiàng)功能都讓計(jì)算機(jī)來(lái)處理，摒棄了電器箱，只用一塊小的信號(hào)處理板對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行處理以保證長(zhǎng)線傳輸無(wú)誤。特點(diǎn)： X 軸移動(dòng)方向的導(dǎo)軌采用天然花崗巖，并配備進(jìn)口雙直線導(dǎo)軌，三軸位移傳感器采用進(jìn)口金屬反射光柵和讀數(shù)頭，結(jié)合空間誤差修正技術(shù)，使用中處處體現(xiàn)高精度的 3D 測(cè)量。 CLY 系列單臂三為測(cè)量?jī)x是一款具有較大測(cè)量范圍的高精度測(cè)量設(shè)備，在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了使用者 對(duì)沖壓件、儀表板件、塑料件、中型模具件的測(cè)量要求。特點(diǎn)： X 軸移動(dòng)方向的導(dǎo)軌采用天然花崗巖，并配備進(jìn)口雙直線導(dǎo)軌，三軸位移傳感器采用進(jìn)口金屬反射光柵和讀數(shù)頭，結(jié)合空間誤差修正技術(shù)，使用中處處體現(xiàn)高精度的 3D 測(cè)量。 CLY 系列單臂三為測(cè)量?jī)x是一款具有較大測(cè)量范圍的高精度測(cè)量設(shè)備，在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了使用者對(duì)沖壓件、儀表板件、塑料件、中型模具件的測(cè)量要求。可同時(shí)裝夾兩只測(cè)量表或傳感器對(duì)工件進(jìn)行多參數(shù)測(cè)量。目前，三坐標(biāo)機(jī)主要有兩種 :導(dǎo)軌式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和無(wú)導(dǎo)軌式三坐標(biāo)儀，無(wú)導(dǎo)軌式三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x在國(guó)內(nèi)尚無(wú)同類(lèi)產(chǎn)品問(wèn)世。此外，三坐標(biāo)機(jī)的測(cè)量精度高，已被廣泛采用。目前物體三維輪廓測(cè)量的主要方法有導(dǎo)軌式三坐標(biāo)機(jī)的高精度接觸測(cè)量、激光點(diǎn)掃描和激光線掃描式三坐標(biāo)輪廓測(cè)量、激光散斑物體輪廓高精度顯微全場(chǎng)測(cè)量。 1 第 1 章 緒論 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的應(yīng)用與發(fā)展 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和對(duì)測(cè)量方法的深入研究，在機(jī)電行業(yè)中人們對(duì)三維坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)的要求也越來(lái)越高。物體的三維輪廓以及形位測(cè)量已被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、航海、航空航天、反求工程等領(lǐng)域。在這些諸多的測(cè)量方法中，激光散斑物體輪廓測(cè)量法測(cè)量精度最高，屬非接觸和全場(chǎng)測(cè)量，測(cè)量速度高，但其測(cè)量范圍小。但它只能進(jìn)行接觸測(cè)量，并且測(cè)量速度很慢。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的多功能測(cè)量臺(tái) 是一種高精度測(cè)量臺(tái)。 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)廣泛的應(yīng)用于機(jī)械零件加工，模具制造等個(gè)方面 。由于采用開(kāi)放式測(cè)量，從而保證了在現(xiàn)場(chǎng)、在模具制造和仿型、在部 件檢測(cè)和設(shè)計(jì)室里都可以方便的使用。 配件萬(wàn)向電子測(cè)頭，并通過(guò)各種測(cè)頭配件，既可以對(duì)遠(yuǎn)程和深孔進(jìn)行數(shù)據(jù)采點(diǎn)，也能完成中、小型零部件的測(cè)量 本測(cè)量?jī)x具有方便的現(xiàn)場(chǎng)自校定功能，用戶(hù)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行精度校正，保證在不同環(huán)境溫度下測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠。由于采用開(kāi)放式測(cè)量，從而保證了在現(xiàn)場(chǎng)、在模具制造和仿型、在部件檢測(cè)和設(shè)計(jì)室里都可以方便的使用。 2 配件萬(wàn)向電子測(cè)頭，并通過(guò)各種測(cè)頭配件，既可以對(duì)遠(yuǎn)程和深孔進(jìn)行數(shù)據(jù)采點(diǎn)，也能完成中、小型零部件的測(cè)量 本測(cè)量?jī)x具有方便的現(xiàn)場(chǎng)自校定功能，用戶(hù)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行精度校正，保 證在不同環(huán)境溫度下測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠。光柵和測(cè)頭信號(hào)由信號(hào)處理板處理后，經(jīng)通訊電纜傳輸至計(jì)算機(jī)內(nèi)安裝的一塊三軸正交記數(shù)卡，通過(guò)編制軟件對(duì)其進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)原電器箱的功能。采用高性能記數(shù)卡，減少硬件設(shè)備，降低了系統(tǒng)的故障發(fā)生率。一些關(guān)鍵性操作都給出了提示和警告，可以防止用戶(hù)在不太清楚的情況下誤操作而導(dǎo)致系統(tǒng)工作不正常。選用時(shí)，一般可根據(jù)被測(cè)工件要求的檢測(cè)精度與測(cè)量機(jī)給定的測(cè)量不確 定度相對(duì)比，看測(cè)量機(jī)精度是否符合要求。測(cè)量機(jī)的技術(shù)規(guī)范中一般只給出單軸測(cè)長(zhǎng)和空間測(cè)長(zhǎng)的兩個(gè)不確定度公式及重復(fù)精度值。一般測(cè)量時(shí)，要測(cè)量很多測(cè)點(diǎn)。因此從經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，在一般測(cè)量中，測(cè)量不確定度應(yīng)為被測(cè)工件尺寸公差帶的1/5～ 1/3。對(duì)于精密測(cè)量及復(fù)雜的形位測(cè)量要求還高，一般應(yīng)為被測(cè)尺寸公差帶的 1/10～ 1/5。 總之，用戶(hù)應(yīng)選用精度（包括重復(fù)精度）高一些的測(cè)量機(jī)。 合乎要求的測(cè)量范圍 3 測(cè)量范圍的選擇時(shí)選擇測(cè)量機(jī)時(shí)的最基本參數(shù)。 選擇測(cè)量范圍時(shí)，應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面。如要測(cè)的部分集中在工件的某個(gè)局部，除了測(cè)量機(jī)的測(cè)量范圍能覆蓋被測(cè)參數(shù)之外，還要考慮整個(gè)工件能在測(cè)量機(jī)上安置，要求工件重量對(duì)測(cè)量精度不帶來(lái)顯著影響。 （ 2） 、 Z 軸與 Z 向空間高度的關(guān)系。 （ 3） 、接長(zhǎng)桿的問(wèn)題。一般工件尺寸為 l 時(shí)，要求測(cè)量范圍 L=l+2C， C為探針的長(zhǎng)度。 合適的測(cè)量機(jī)類(lèi)型 測(cè)量機(jī)按自動(dòng)化程度分為手動(dòng)（或機(jī)動(dòng)）與 CNC 自控兩大類(lèi)。當(dāng)然 CNC 測(cè)量機(jī)水平高、測(cè)速快，但測(cè)量的準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)、技術(shù)要求高、資金投入大。 一般說(shuō)，對(duì)于中等尺寸的工件，多采用移動(dòng)橋式；對(duì)于小型工件，多采用懸臂式、儀器臺(tái)式與移動(dòng)橋式等；對(duì)于大型工件，則多采用龍門(mén)式；對(duì)于需回轉(zhuǎn)測(cè)量的工件，可選用帶分度 臺(tái)的測(cè)量機(jī)。如缺少某些軟件，可根據(jù)被測(cè)對(duì)象向生產(chǎn)廠家索取。 符合要求的測(cè)量效率 測(cè)量機(jī)運(yùn)行速度與采樣速度既是測(cè)量機(jī)效率高低的重要指標(biāo)，又與自動(dòng)化生產(chǎn)的要求密切相關(guān)。 功能齊全的測(cè)量頭 測(cè)量頭是測(cè)量機(jī)上重要的 傳感器 件。 滿意的經(jīng)濟(jì)效益 4 作為檢測(cè)儀器，測(cè)量機(jī)的經(jīng)濟(jì)效益是 投資 購(gòu)買(mǎi)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。 測(cè)量機(jī)的使用費(fèi)用，主要取決于測(cè)量機(jī)的折舊費(fèi) K、檢測(cè)人員的工資 G、測(cè)量所用的時(shí)間 T 及輔助材料和設(shè)備等雜費(fèi) Q，即測(cè)量總費(fèi)用 。因此在考慮測(cè)量機(jī)資金的投入時(shí)，關(guān)鍵在于了解它的使用效率。如果使用效率不很高，而又易于在當(dāng)?shù)亟鉀Q測(cè) 量問(wèn)題，則應(yīng)委托或協(xié)作檢測(cè)。當(dāng)然有的場(chǎng)所，測(cè)量對(duì)象極為精密，不適宜搬動(dòng)，有的系軍工保密件等，此時(shí)配置一臺(tái)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)具有特殊性，也是必須的。導(dǎo)軌式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) (Coordinate Measuring Machine 簡(jiǎn)稱(chēng) CMM)是近二十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種以精密機(jī)械為基礎(chǔ)，綜合光柵與激光干涉、計(jì)算機(jī)、應(yīng)用電子等先 進(jìn)技術(shù)的測(cè)量設(shè)備，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。目前，導(dǎo)軌式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)己被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械制造、儀器制造、電子、汽車(chē)、計(jì)量中心、航空和航天等多個(gè)工業(yè)和研究行業(yè)，用來(lái)測(cè)量機(jī)械零件的幾何尺寸、相對(duì)位置和形位誤差，包括零件空間曲面、汽車(chē)白身、 CAD/CAM 等多項(xiàng)工作。第二代測(cè)量機(jī)在第一代測(cè)量機(jī)的基礎(chǔ)上，由微機(jī)處理測(cè)量結(jié)果，形成了微機(jī) 化測(cè)量機(jī)。其中，第三代是目前的主要產(chǎn)品。 CLY 系列單臂三維測(cè)量?jī)x產(chǎn)品信息產(chǎn)品說(shuō)明： CLY 系列單臂三為測(cè)量?jī)x是一款具有較大測(cè)量范圍的高精度測(cè)量設(shè)備，在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了使用者對(duì) 5 沖壓件、儀表板件、塑料件、中型模具件的測(cè)量要求。 圖 11CLY 單臂三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) 在 Y、 Z 方向，其整機(jī)測(cè)量范圍在 1500mm x 2600mm 以?xún)?nèi)、 X 向測(cè)量范圍最小為 2021mm、并以 500mm 為間距遞增的整體式測(cè)量機(jī)，采用整體式機(jī)械結(jié)構(gòu)，測(cè)量機(jī)的工作平面通過(guò)地腳螺銓固定在地基上，其工作臺(tái)表面略高于地表，或是安裝為與地表齊平，便于大型工件的裝卸。 大中型整體式單臂三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)比較適宜對(duì)一般大型非對(duì)稱(chēng)工件的測(cè)量檢測(cè)與劃線操作。如果被測(cè)工件為一般機(jī)加工件，測(cè)量要求為一般性的尺寸檢測(cè)，可以選用WINCOM 測(cè)量軟件。 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的組成 ： 1， 主機(jī)機(jī)械系統(tǒng)（ X、 Y、 Z三軸或其它）； 2， 測(cè)頭系 統(tǒng)； 3， 電氣控制硬件系統(tǒng)； 4， 數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)（測(cè)量軟件）； 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) 的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) ： 1）采用花崗石為工作臺(tái)，其工作面平面度精度高，且穩(wěn)定性好，受環(huán)境溫度影響小。 3）采用精密微分頭作微調(diào)裝置，使測(cè)頭接觸工作的微調(diào)量 。 5） X 軸移動(dòng)方向的導(dǎo)軌采用天然花崗巖，并配備進(jìn)口雙直線導(dǎo)軌，三軸位移傳感器采用進(jìn)口金屬反 射光柵和讀數(shù)頭，結(jié)合空間誤差修正技術(shù)，使用中處處體現(xiàn)高精度的 3D 測(cè)量。 設(shè)計(jì)要求 在繪制產(chǎn)品總裝圖和部件裝配圖時(shí)要注意設(shè)計(jì)的科學(xué)性和條理性。若為運(yùn)動(dòng)導(dǎo) 軌結(jié)合部，則執(zhí)行件一測(cè)相當(dāng)于滑臺(tái)，相臨部件一測(cè)相當(dāng)于滑座，考慮導(dǎo)軌精度，選擇并確定導(dǎo)軌的類(lèi)型及尺寸。 在設(shè)計(jì)中 ，處處從實(shí)際出發(fā)分析和處理問(wèn)題是至關(guān)重要的。從小處講，指對(duì)設(shè)計(jì)的機(jī)械零部件的制造工藝、裝配和維修要進(jìn)行認(rèn)真的切實(shí)際的考慮和分析。通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)踐，了解和掌握結(jié)合實(shí)際、綜合思考的設(shè)計(jì)方法。其次是夾具體的設(shè)計(jì)，包括手柄、浮動(dòng)滑塊的設(shè)計(jì)， 夾具承擔(dān)的是定位夾緊的作用。 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)機(jī)械部分設(shè)計(jì) 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)可歸類(lèi)于機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)，可分為創(chuàng)新設(shè)計(jì)、變形設(shè)計(jì)、和組合設(shè)計(jì)三大類(lèi)型，設(shè)計(jì)的過(guò)程隨設(shè)計(jì)類(lèi)型而不同，其中創(chuàng)新設(shè)計(jì)的過(guò)程最典型，可分為產(chǎn)品規(guī)劃階段、方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)和施工設(shè)計(jì)四個(gè)階段。 初步設(shè)計(jì)方案具體化，技術(shù)設(shè)計(jì)階段是將方案設(shè)計(jì)階段 擬訂的初步設(shè)計(jì)方案具體 化，確定結(jié)構(gòu)原