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三坐标常识五三坐标测量机的测量系统
发布时间:2009-09-23 阅读:6283

      三坐标测量机的测量系统由标尺系统和测头系统构成,它们是三坐标测量机的关键组成部分,决定着CMM测量精度的高低。

一、标尺系统

标尺系统是用来度量各轴的坐标数值的,目前三坐标测量机上使用的标尺系统种类很多,它们与在各种机床和仪器上使用的标尺系统大致相同,按其性质可以分为机械式标尺系统(如精密丝杠加微分鼓轮,精密齿条及齿轮,滚动直尺)、光学式标尺系统(如光学读数刻线尺,光学编码器,光栅,激光干涉仪)和电气式标尺系统(如感应同步器,磁栅)。根据对国内外生产CMM所使用的标尺系统的统计分析可知,使用最多的是光栅,其次是感应同步器和光学编码器。有些高精度CMM的标尺系统采用了激光干涉仪。

二、测头系统

      (一)测头

      三坐标测量机是用测头来拾取信号的,因而测头的性能直接影响测量精度和测量效率,没有先进的测头就无法充分发挥测量机的功能。在三坐标测量机上使用的测头,按结构原理可分为机械式、光学式和电气式等;而按测量方法又可分为接触式和非接触式两类。

      1.机械接触式测头

机械接触式测头为刚性测头,根据其触测部位的形状,可以分为圆锥形测头、圆柱形测头、球形测头、半圆形测头、点测头、V型块测头等(如图9-5所示)。这类测头的形状简单,制造容易,但是测量力的大小取决于操编辑的经验和技能,因此测量精度差、效率低。目前除少数手动测量机还采用此种测头外,绝大多数测量机已不再使用这类测头。

2.电气接触式测头

电气接触式测头目前已为绝大部分坐标测量机所采用,按其工作原理可分为动态测头和静态测头。

      (1)动态测头

      常用动态测头的结构如图9-6所示。测杆安装在芯体上,而芯体则通过三个沿圆周1200分布的钢球安顿在三对触点上,当测杆没有受到测量力时,芯体上的钢球与三对触点均保持接触,当测杆的球状端部与工件接触时,不论受到X、Y、Z哪个方向的接触力,至少会引起一个钢球与触点脱离接触,从而引起电路的断开,产生阶跃信号,直接或通过计算机控制采样电路,将沿三个轴方向的坐标数据送至存储器,供数据处理用。

      可见,测头是在触测工件表面的运动过程中,瞬间进行测量采样的,故称为动态测头,也称为触发式测头。动态测头结构简单、成本低,可用于高速测量,但精度稍低,而且动态测头不能以接触状态停留在工件表面,因而只能对工件表面作离散的逐点测量,不能作连续的扫描测量。目前,绝大多数生产厂选用英国RENISHAW企业生产的触发式测头。

图9-6 电气式动态测头

1—弹簧     2—芯体     3—测杆     4—钢球   

(2)静态测头

静态测头除具备触发式测头的触发采样功能外,还相当于一台超小型三坐标测量机。测头中有三维几何量传感器,在测头与工件表面接触时,在X、Y、Z三个方向均有相应的位移量输出,从而驱动伺服系统进行自动调整,使测头停在规定的位移量上,在测头接近静止的状态下采集三维坐标数据,故称为静态测头。静态测头沿工件表面移动时,可始终保持接触状态,进行扫描测量,因而也称为扫描测头。其主要特点是精度高,可以作连续扫描,但制造技术难度大,采样速度慢,价格昂贵,适合于高精度测量机使用。目前由LEITZ、ZEISS和KERRY等厂家生产的静态测头均采用电感式位移传感器,此时也将静态测头称为三向电感测头。图9-7为ZEISS企业生产的双片簧层叠式三维电感测头的结构。

测头采用三层片簧导轨形式,三个方向共有三层,每层由两个片簧悬吊。转接座17借助两个X向片簧16构成的平行四边形机构可作X向运动。该平行四边形机构固定在由Y向片簧1构成的平行四边形机构的下方,借助片簧1,转接座可作Y向运动。Y向平行四边形机构固定在由Z向片簧3构成的平行四边形机构的下方,依靠它的片簧,转接座可作Z向运动。为了增强片簧的刚度和稳定性,片簧中间为金属夹板。为保证测量灵敏、精确,片簧不能太厚,一般取0.1mm。由于Z向导轨是水平安装,故用三组弹簧2、14、15加以平衡。可调弹簧14的上方有一螺纹调节机构,通过平衡力调节微电机10转动平衡力调节螺杆11,使平衡力调节螺母套13产生升降来自动调整平衡力的大小。为了减小Z向弹簧片受剪切力而产生变位,设置了弹簧2和15,分别用于平衡测头Y向和X向部件的自重。

在每一层导轨中各设置有三个部件:①锁紧机构:如图9-7b所示,在其定位块24上有一凹槽,与锁紧杠杆22上的锁紧钢球23精确配合,以确定导轨的“零位”。在需打开时,可让电机20反转一角度,则此时该向导轨处于自由状态。需锁紧时,再使电机正转一角度即可。②位移传感器:用以测量位移量的大小,如图9-7c所示,在两层导轨上,一面固定磁芯27,另一面固定线圈26和线圈支架25。③阻尼机构:用以减小高分辨率测量时外界振动的影响。如图9-7d所示,在作相对运动的上阻尼支架28和下阻尼支架31上各固定阻尼片29和30,在两阻尼片间形成毛细间隙,中间放入粘性硅油,使两层导轨在运动时,产生阻尼力,避免由于片簧机构过于灵敏而产生振荡。

该测头加力机构工作原理如图9-7a所示,其中X向加力机构和Y向加力机构相同(图中只表示出了X向)。X向加力机构是利用电磁铁6推动杠杆5,使其绕十字片簧8的回转中心转动而推动中间传力杆7围绕波纹管4组成的多向回转中心旋转,由于中间传力杆与转接座17用片簧相连,因而推动测头在X方向“预偏置”。Z向加力机构是利用电磁铁9产生的,当电磁铁作用时,在Z向产生的上升或下降会通过顶杆12推动被悬挂的Z向的活动导轨板,从而推动测头在Z方向“预偏置”。

(3)光学测头

在多数情况下,光学测头与被测物体没有机械接触,这种非接触式测量具有一些突出优点,主要体现在:1)由于不存在测量力,因而适合于测量各种软的和薄的工件;2)由于是非接触测量,可以对工件表面进行快速扫描测量;3)多数光学测头具有比较大的量程,这是一般接触式测头难以达到的;4)可以探测工件上一般机械测头难以探测到的部位。近年来,光学测头发展较快,目前在坐标测量机上应用的光学测头的种类也较多,如三角法测头、激光聚集测头、光纤测头、体视式三维测头、接触式光栅测头等。下面简要先容一下三角法测头的工作原理。

如图9-8所示,由激光器2发出的光,经聚光镜3形成很细的平行光束,照射到被测工件4上(工件表面反射回来的光可能是镜面反射光,也可能是漫反射光,三角法测头是利用漫反射光进行探测的),其漫反射回来的光经成像镜5在光电检测器1上成像。照明光轴与成像光轴间有一夹角,称为三角成像角。当被测表面处于不同位置时,漫反射光斑按照一定三角关系成像于光电检测器件的不同位置,从而探测出被测表面的位置。这种测头的突出优点是工作距离大,在离工件表面很远的地方(如40mm~100mm)也可对工件进行测量,且测头的测量范围也较大(如±5mm~±10mm)。不过三角法测头的测量精度不是很高,其测量不确定度大致在几十至几百微米左右。

(二)测头附件

为了扩大测头功能、提高测量效率以及探测各种零件的不同部位,常需为测头配置各种附件,如测端、探针、连接器、测头回转附件等。

1.测端

      对于接触式测头,测端是与被测工件表面直接接触的部分。对于不同形状的表面需要采用不同的测端。图9-9为一些常见的测端形状。

图9-9a为球形测端,是最常用的测端。它具有制造简单、便于从各个方向触测工件表面、接触变形小等优点。

图9-9b为盘形测端,用于测量狭槽的深度和直径。

图9-9c为尖锥形测端,用于测量凹槽、凹坑、螺纹底部和其它一些细微部位。

图9-9d为半球形测端,其直径较大,用于测量粗糙表面。

图9-9e为圆柱形测端,用于测量螺纹外径和薄板。

2.探针

  探针是指可更换的测杆。在有些情况下,为了便于测量,需选用不同的探针。探针对测量能力和测量精度有较大影响,在选用时应注意:1)在满足测量要求的前提下,探针应尽量短;2)探针直径必须小于测端直径,在不发生干涉条件下,应尽量选大直径探针;3)在需要长探针时,可选用硬质合金探针,以提高刚度。若需要特别长的探针,可选用质量较轻的陶瓷探针。

3.连接器

为了将探针连接到测头上、测头连接到回转体上或测量机主轴上,需采用各种连接器。常用的有星形探针连接器、连接轴、星形测头座等。

  图9-10为星形测头座示意图,其上可以安装若干不同的测头,并通过测头座连接到测量机主轴上。测量时,根据需要可由不同的测头交替工作。

4.回转附件

对于有些工件表面的检测,比如一些倾斜表面、整体叶轮叶片表面等,仅用与工作台垂直的探针探测将无法完成要求的测量,这时就需要借助一定的回转附件,使探针或整个测头回转一定角度再进行测量,从而扩大测头的功能。

常用的回转附件为如图9-11a所示的测头回转体。它可以绕水平轴A和垂直轴B回转,在它的回转机构中有精密的分度机构,其分度原理类似于多齿分度盘。在静盘中有48根沿圆周均匀分布的圆柱,而在动盘中有与之相应的48个钢球,从而可实现以7.5o为步距的转位。它绕垂直轴的转动范围为360o,共48个位置,绕水平轴的转动范围为0o~105o,共15个位置。由于在绕水平轴转角为0o(即测头垂直向下)时,绕垂直轴转动不改变测端位置,这样测端在空间一共可有48×14+1=673个位置。能使测头改变姿态,以扩展从各个方向接近工件的能力。目前在测量机上使用较多的测头回转体为RENISHAW企业生产的各种测头回转体,图9-11b为其实物照片。

 
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