三坐标测量机请介绍一下三坐标测量
三坐标测量机:前沿技术“巧夺天功”
三坐标测量机作为大型空间几何量检测设备,在推动我国制造业的发展方面起到越来越重要的作用。尤其是我国汽车工业逐步走上核心技术自主开发,模具、摩托车行业走出国门,造船工业做大做强赶超世界一流的今天,三坐标测量更是相关企业技术进步、产品升级、质量控制不可或缺的检测手段。 中国测试技术研究院测量仪器研究所专业从事三坐标技术的研究、开发工作已有20多年的历史,早在1996年就被国家科委确定为国家三坐标技术依托单位。近几年,通过行业推动、同行激励和国际合作,研究所始终站在国内三坐标测量技术的前沿,其产品技术优势得到了新的发展。
在三坐标测量机机械结构上,我...全部
三坐标测量机:前沿技术“巧夺天功”
三坐标测量机作为大型空间几何量检测设备,在推动我国制造业的发展方面起到越来越重要的作用。尤其是我国汽车工业逐步走上核心技术自主开发,模具、摩托车行业走出国门,造船工业做大做强赶超世界一流的今天,三坐标测量更是相关企业技术进步、产品升级、质量控制不可或缺的检测手段。
中国测试技术研究院测量仪器研究所专业从事三坐标技术的研究、开发工作已有20多年的历史,早在1996年就被国家科委确定为国家三坐标技术依托单位。近几年,通过行业推动、同行激励和国际合作,研究所始终站在国内三坐标测量技术的前沿,其产品技术优势得到了新的发展。
在三坐标测量机机械结构上,我们引进了美国、日本、德国等国的先进技术,并依托中国测试技术研究院在几何量检测误差分析、性能测试等方面的专业务实力和基础,运用测量仪器研究所多年的开发基础和成果,优化设计的三坐标测量机的机械结构其可靠性和稳定性已经达到国际先进水平。
在三坐标测量机主体材料的应用上,测量仪器研究所生产的三坐标测量机不仅可以选用成型钢材,而且在采用国际上流行的铝合金材料方面已具有近20年使用经验。在材料的定制、热处理、机加工、时效、表面处理、检验、测试等方面已经形成一套科学先进的国内领先的工艺流程。
测量仪器研究所生产的三坐标测量机,在大范围测量方面具有独特的优势。目前,国内测量高度在2500mm以上的三坐标测量机,有80%是中国测试技术研究院测量仪器研究所提供的;国内测量高度在3000mm以上的三坐标测量机,有95%由本所提供。
目前我们生产的三坐标测量机已经形成不直角坐标和极柱坐标两大系列产品,可以满足精度划线、测量、测绘、设计等多种使用要求。极柱坐标测量技术在我国是独家拥有,填补了国内空白。
在配套产品方面,测量仪器研究所生产的三坐标测量机配套产品齐全,软件、测头、自定心测针、精密回转工作台、可调支撑、微调手轮、划针头等均可自行研发生产。
三坐标测量机在运动性能方面可分别实现手动、电动、数控和全自动测量,在使用性能方面可根据不同要求提供点接触式和线性非接触式及激光扫描和数字成像测量功能。
CAM / CAD一体化是三坐标测量机发展的一个特点。
为满足汽车等行业自主开发的需要,中国测试技术研究院测量仪器研究所已首家推出CAM / CAD一体化三坐标测量切削机,市场反映情况良好。
生产三坐标测量机还需要个性支持。中国测试技术研究院测量仪器研究所有一支20 多年三坐标测量机研发经验的科研队伍,能为众多客户提供多方面的个性化技术支持和服务。
有各工种工序齐全的机加工队伍和设备,95%以上的三坐机加工零件的加工制造由自行加工完成。测量仪器研究所是国内同行中唯一通ISO9001质量体系认证的企业。
三坐标测量机的选用及其经济效益漫谈
目前,三坐标测量机的市场需求大、产品种类多。
各厂家为满足用户需要,赢得量好信誉,不断推出精度高、性能好、使用方便、易于操作、又可满足用户一些特殊检测任务的测量机。尤其是软件开发越来越快,测量机自动化程度越来越高,市场竞争日趋激烈。但从坐标测量机的使用角度上看,如何选用适合的测量机以满足检测要求,又能达到最佳的性能价格比,并产生较高的经济效益,是广大用户关心的重要课题。
下面介绍三坐标测量机的选用原则。
一、合理的测量精度
坐标测量机是检测工件尺寸与形位误差的仪器,首要的是精度指标应满足用户要求。选用时,一般可根据被测工件要求的检测精度与测量机给定的测量不确定度相对比,看测量机精度是否符合要求。
精度比对不是一个简单的比较过程。测量机的技术规范中一般只给出单轴测长和空间测长的两个不确定度公式及重复精度值。但在具体测件时需要将被测参数的测量不确定度限制在一定范围内。一般测量时,要测量很多测点。
在形位测量时,更有大量测点参与并带来测量误差,精确计算是很难的。因此从经验出发,在一般测量中,测量不确定度应为被测工件尺寸公差带的1/5~1/3。例如某一被测箱体上二孔的孔距为500mm,公差带为15um,则所选用的测量机在500mm长度上的测量不确定度应不大于3um~5um。
对于精密测量及复杂的形位测量要求还高,一般应为被测尺寸公差带的1/10~1/5。重要的是重复精度必须满足要求,因为系统误差还可以通过一定方法补偿,而重复精度应由测量机本身保证。
总之,用户应选用精度(包括重复精度)高一些的测量机。
这不仅由于测量复杂件时,测点可能带入的误差比预想的要大(由于测头测杆变化或加长会引入更大的误差),而且测量机的精度会随使用次数增多而有所下降。
二、合乎要求的测量范围
测量范围的选择时选择测量机时的最基本参数。
因为在测量范围内才能获得精确的测量值,超出了范围,测量就难于进行。选择测量范围时,应考虑以下几个方面。
1、工件的所需测量的部分,不一定是整个工件。如要测的部分集中在工件的某个局部,除了测量机的测量范围能覆盖被测参数之外,还要考虑整个工件能在测量机上安置,要求工件重量对测量精度不带来显著影响。
为了把工件放入测量机中,应根据工件大小选择测量机。
2、Z轴与Z向空间高度的关系。Z轴行程是Z轴的测量范围,而Z向空间高度是工件能放得下的高度。
3、接长杆的问题。有的测头上有星形探针,这些探针在测量时往往要求超出工件的被测部分。
一般工件尺寸为l时,要求测量范围L=l+2C,C为探针的长度。因此测量范围等于工件被测的最大尺寸再加上两倍的探针长度。
三、合适的测量机类型
测量机按自动化程度分为手动(或机动)与CNC自控两大类。
选用时,应根据检测对象的批量大小、自动化程度、操作人员技术水平及资金投入大小去权衡。当然CNC测量机水平高、测速快,但测量的准备时间长、技术要求高、资金投入大。故应从经济效益的角度进行比较判定。
一般说,对于中等尺寸的工件,多采用移动桥式;对于小型工件,多采用悬臂式、仪器台式与移动桥式等;对于大型工件,则多采用龙门式;对于需回转测量的工件,可选用带分度台的测量机。
四、丰富的测量软件
对复杂的测量对象进行测量,测量机应有丰富的测量软件支持,以完成测量任务。
如缺少某些软件,可根据被测对象向生产厂家索取。如果厂方提供了编程方法(多数厂家不提供),也可自行开发。
五、符合要求的测量效率
测量机运行速度与采样速度既是测量机效率高低的重要指标,又与自动化生产的要求密切相关。
用于生产线或柔性加工线上的测量机,检测的时间必须满足生产节拍的要求。
六、功能齐全的测量头
测量头是测量机上重要的传感器件。它不仅直接影响测量精度,而且是决定测量机功能和测量效率的重要因素。
七、满意的经济效益
作为检测仪器,测量机的经济效益是投资购买的一项重要指标。虽然它不像生产机床那样便于计算,也不如机床那样可以较快地收回成本并创造效益,但作为保证生产质量的手段和环节,检测仪器有着特殊的重要性。
测量机的使用费用,主要取决于测量机的折旧费K、检测人员的工资G、测量所用的时间T及辅助材料和设备等杂费Q,即测量总费用:
M=T(K+G)+Q
测量机效益的关键在于使用时间T。
因此在考虑测量机资金的投入时,关键在于了解它的使用效率。如果使用效率高,则经济效益亦高。如果使用效率不很高,而又易于在当地解决测量问题,则应委托或协作检测。只付检测费,比购置一台测量机更经济。
当然有的场所,测量对象极为精密,不适宜搬动,有的系军工保密件等,此时配置一台坐标测量机具有特殊性,也是必须的。
三坐标测量机结构材料对其性能的影响
三坐标测量机的结构材料对其测量精度、性能有很大影响,随着各种新型材料的研究、开发和应用,三坐标测量机的结构材料也越来越多,性能也越来越好。
常见的结构材料主要有以下一些。
一、铸铁
铸铁是应用较为普遍的一种材料,主要用于底座、滑动与滚动导轨、立柱、支架、床身等。它的优点是变形小、耐磨性好、易于加工、成本较低、线膨胀系数与多数被测件(钢件)接近,是早期三坐标测量机广泛使用的材料。
至今在有些测量机上仍主要用铸铁材料。但铸铁也有缺点:易受腐蚀,耐磨性低于花岗石,强度不高。目前铸铁主要用在划线机等测量机上。现在越来越多地为其它材料(如钢板焊件、花岗石)代替。但也有些公司,如瑞士的SIP公司认为铸铁是较为理想的基座材料,它的线膨胀系数与钢接近,在整个机器结构中只采用铁金属材料可避免复杂变形;铸件可经过较长时间的自然时效,有利于保持长期稳定性。
二、钢
钢主要用于外壳、支架等结构,有的测量机底座也采用钢。一般采用低碳钢,而且必须要进行热处理。钢的优点是刚性和强度好。它的缺点是容易变形,这是因为钢在加工之后,内部的残余应力释放导致变形。
钢材料的又一优点是可用焊接件。在80年代初期焊接件成功地应用于测量机及机器人。与铸铁件相比较,焊接件有以下地优点。
1、焊接构件经过充分地人工时效后可获得较高的稳定性。
2、能获得较高刚度,设计的灵活性比铸件要好,钢构件比铸铁轻。更为突出的是,在许可条件下,可以焊接出空腔甚至多腔结构的封闭型高强度薄壳零件。在这方面,铸件是难以达到的。
3、焊接件的尺寸可以得到很好的控制。
成批生产条件下,靠夹具保证焊接件的尺寸;在单件或小批量生产时则靠工人的技术掌握。目前可以将误差控制在±1mm以内,因此在外形设计和加工余量上都可以得到控制。
当然,焊接件质量的优劣在很大程度上依赖于配套设备的性能。
如专用的夹具、弯板以及自动焊接设备等。目前,采用这种构件的厂家有中国航空精密研究所等,其产品的代号为SZC-1065、SZC-654及IOTA。国外也有许多制造商将焊接结构应用到三坐标测量机中,如意大利DEA公司的BETA,DELTA,LAMBDA。
三、花岗石
花岗石比钢轻,比铝重,是目前应用较为普遍的一种材料。花岗岩的主要优点是变形小、稳定性好、不生锈,易于作平面加工,易于达到比铸铁更高的平面度,适合制作高精度的平台与导轨。
目前许多三坐标测量机采用这种材料。如Leitz和Zeiss三坐标测量机,大部分采用花岗石材料。国内具有代表性的有青岛前哨公司的ZC系列全花岗石固定桥式高精度三坐标测量机。它的基座、工作台、桥框、各轴导轨、Z轴等全用花岗岩制造。
花岗石可用于作工作台、角尺、立柱、横梁、导轨、支架、壳体等。由于花岗石的热膨胀系数小,很适合与气浮导轨配合。
花岗石也存在不少缺点,主要是:虽然可以用粘贴的方法制成空心结构,但较麻烦;实心结构质量大,不易加工,特别是螺钉孔和光孔难以加工,不能将磁力表架吸附到其上,造价高于铸铁;花岗石材质较脆,粗加工时容易崩边;遇水会产生微量变形。
使用中应注意防水防潮,禁止用混水的清洗剂擦拭花岗石表面,也应防止静压气体中的水分对导轨的影响。
某些产地的花岗石弹性模量(例如泰山青)与铸铁相近,比较如下:
一般灰口铸铁:(1。
15~1。60)×105 Mpa
泰山青花岗石:1。28×105 Mpa
不同产地的花岗石差异较大,一般的花岗石弹性模量为(0。5~0。6)×105 Mpa。
四、陶瓷
陶瓷是近年来发展很快的材料。
它是将陶瓷材料压制成形后烧结,再研磨而得。它的特点是多孔、质量轻(密度约为3g/cm3)、强度高、易加工、耐磨性好、不生锈,适于作Y轴和Z轴导轨。陶瓷的缺点是制作设备造价高、工艺要求也较高,而且毛胚制造复杂,所以使用这种材料的测量机不多。
目前德国Zeiss公司、英国LK公司、日本东京精密公司的一些三坐标测量机采用陶瓷材料。
五、铝
三坐标测量机主要是使用高强度铝合金。这是近几年发展最快的新型材料。铝材料的优点是质量轻、强度高、变形小、导热性能好,并且能进行焊接,适合作测量机上的许多部件。
应用高强度铝合金是目前的主要趋势。
近年来,各国不断推出新型材料应用于三坐标测量机。美国推出的6000号铝合金,各项性能都较好。这种材料的最大特点是不易变形,是理想的导轨材料。目前美国Brown&Sharp和德国Zeiss采用了这种材料,因此桥框质量减小,变形也减小,适用于快速测量。
在德国Zeiss的产品UMC850中,轴和轴的导轨采用了最新研制的合金材料CARAT(带陶瓷涂层的抗时效铝合金),由于其导热系数大、温度梯度小,所以不易产生复杂热变形。为减小其伸缩变形,在测量机外部加隔温罩,而且在导轨的右平板上下两面装有若干个温度传感器,在检测出温度变化后即由计算机对由于线膨胀而产生的热变形进行补偿。
总之,三坐标测量机结构材料的发展经历了由金属到陶瓷、花岗石,再由这些自然材料发展到铝合金的过程。现在,各种合成材料的研究也在深入进行,德国Zeiss、英国LK及Tarus公司均开始采用碳素纤维作结构件。
随着对精度要求的不断提高,对材料性能要求也越来越高。可以看出,三坐标测量机的材料向着轻便、变形小、易加工的方向发展。
FARO便携式三坐标测量设备解决测量难题
位于美国密歇根州Livonia市MI的Magna汽车检测中心(Magna Automotive Testing, MAT)的使命很简单:即促使汽车和卡车无论在机械意义上还是在人体工学上,都能够更加良好地行驶,并确保其零部件运转良好。
MAT是英提尔(Intier) 汽车公司的商业检测机构,它为三大汽车制造商解决制造方面的困难,同时也为其本集团的制造决策层服务。
MAT的工作范围十分广泛,能够检测从车辆原型到其制造过程的一切细节。
在给定的一周内,他们可以承担测试一个升降门,数字化地捕捉汽车内部的平面图(布局结构),完成一条焊接线的质量分析,对未出蓝图的结构做逆向工程,或针对工装夹具进行临界尺寸校正等任务。
MAT工作的核心反映在快速而精准的测量。
用可靠的三维数据,可以测定各组件加工的精确度,工件安装点的三维布局图,甚至充当OEMs(解决原始设备制造商)的问题故障检察员。
精确性、简易性、灵活性
十年前,英提尔(Intier) 汽车公司通过传统量具来获取三维数据,但是那些工具并不精确,并且容易造成读取错误,从而并不能解决只有通过误差极小的测量才能确定的问题。
此外,工程师们所需要的细节远远超过他们通过机械的工具得来的数据。比如说,三点就可确定一个平面,但一个曲面却需要500个或者更多的点来精确表现一个斜面或者弓形的变化。另外,工程师们需要能够在一个数字环境中操作,而正是在这个数字环境中,汽车制造商们开始掌控新型车辆的发展。
传统的坐标测量机能够测量密度,但必须通过不断调整才能测量不同部位的密度,因此所能测量的形状有限。除此以外,传统的坐标测量机还不能被移动,任何需要测量的东西都必须被搬运到其放置之处。
“突破传统仪器的测量范围,测量微小尺寸的变化的精确度对我们日益重要”,Todd Hovey,这位负责MAT的质量监控小组领头人如此解释,“因为我们的很多工作需要现在完成,通常是在机器的旁边或者是在一个模型车间里。
”
在20世纪90年代早期,MAT的工程师发现FaroArm的3-D数字化设备能够克服机械测量仪器的缺陷。这是一种便携式的臂式的数字测量机,它能够捕捉其球测头范围内的任何一点,精确程度达0。
0005英寸。测量方法很专业,它利用Arm尖测针来检测部件、模具或底盘的表面。在手提电脑上安装好兼容CAD的CAM2软件,它会将物体表面上测试到的点记录成连续线或离散线。随着越来越多的点的汇集,在电脑屏幕上会呈现出物体表面的数字化图象。
由于FaroArm的高精度和便携性的特点,它已成为应用于航空航天、汽车制造以及OEMs制造领域中的权威工具。又因其能在短短几分钟内标明几乎所有表面的尺寸(而不象使用传统坐标测量机那样需要冗长的程序设计),产品的加工过程不再死板,也不用经过烦杂的调研过程。
Hovey肯定地说:“使用FaroArm时,在大多数情况下,数据的快速收集彻底地降低了收集过程的成本。”
MAT工程师会经常面对几乎不可测量的表面,即围绕部件或位于部件后面或者隐藏于部件内部的表面。
当需要在车底或引擎下方工作时,这种情况尤为常见。
“我们所要测量的许多表面所在的位置往往被其他的部件所遮挡”,质检部的主任Todd Hovey说:“因为Arm的关节臂具有六自由度特性,所以我们能够完成其它方法无法测量的任务。
”
人体工学和制造工艺
随着汽车外形设计逐渐朝着空气动力学方面的演变,汽车的内部也正快速朝着更符合人体工学方向的演变。部分原因是由于MAT工程师的努力,他们和OEM工程师一起致力于车辆模型试制阶段的研究,以便在这些模型变成新型汽车之前找到设计上的缺陷。
此外,数字化环境的模拟使用比依靠传统工具测量(直接在硬件上操作起来)更方便,MAT工程师们利用数字化重建了汽车内部的空间——包括仪表板,方向盘,车门表面,中央控制器以及前面板等细节。
这一复杂的程序就象一个平台(一个虚拟的坐舱),在这里,OEM可以使用各种特殊的软件来评测具体的人体工学问题。例如,针对不同的人体部分采用不同的工学标准,就能够计算出视线位置,根据乘客坐姿调整前面板的位置,或者重新配置方向盘,仪器或者控制器。
在车座制造过程中,MAT工程常常使用一种名叫‘Oscar’的人体模型,它是工业制造标准的人体模型。
“我们把仪器送到世界各地的车椅生产商那里,来帮助他们定位用于全新座椅设计中的至关重要的H(臀)点。
” Hovey介绍说,“这个点是评估座椅定位及舒适程度的定位点,有了Oscar人体模型来定位,我们就能准确地建立这个点,以供座位设计者应用人体要素软件来估算腿的放置空间,背部轮廓和头部的位置。
”
评估汽车各部分的装配草案也是MAT工作范围的一部分。举例来说,完成的车门面板、仪器面板和前面板的制造工艺都需测量。MAT的工程师们根据匹配面比较面板和元件的位置,然后将他们的测量结果与嵌入的CAD图像做比较,在CAM2测试软件中,超出公差范围的部分用红虚线标出。
动力学
尽管成百上千个小时用在评估和测试上,一些缺点仍被带入产品中。这些反馈通常来自消费者,汽车制造商就此投入解决这些问题。他们经常征集MAT团队的见解,特别是有关动力学方面的烦人的小故障。
MAT类似用处理人体工程学问题的方法处理动力上的不稳定性:先使用FaroArm建立数字环境,然后将分析软件应用于此环境空间中来找出问题。
Hovey给出了这个过程中的一个例子:“特殊汽车款式的客户经受着驾驶杆带来的高频率震动,制造商已经调查过但发现所有的传动装置的转动元件都处于平衡状态,并且都能获得很好的支持。
在那种情况下,他们会请我们来测试问题所在。”
“我们抬起汽车然后模拟所有传动装置的转动元件及它们的支持,将这些图像传入分析软件,我们查明当行驶速度到达一个特定速度时,传动装置中的共振通过驾驶杆反馈出来。
根据我们的信息,公司加固了支持部件来改变共振频率,使它能在传动装置可能达到的任何频率下都不受影响。”
内部支持
英提尔(Intier) 汽车公司的某些分部也是MAT工作组分析服务项目中最好的客户。
“我们公司拥有10台FaroArm做服务,它们大部分都是在线应用,在成品前检查各部分要点及拼装状况。但因为这仪器有在Livonia地区有着广泛的应用,很多公司经常请我们帮忙予以技术支持。
”Hovey说到,“比如,他们需要写一个宏程序来一遍遍检查某些特殊的尺寸,我们就能解决这些问题。”
然而,更多时候,一个产品部门会需要我们帮助重新配置一个大件产品或测试装备。
“这就是Arm设备真正省时间的地方”,Hovey说。
“对于Arm来说,一个焊件的转角和测试台例如多动作模拟装置只不过是另一个三维图像。当我们进入一个加工车间,我们能在几分钟内测量30或40个装配洞眼,至多不超过一小时。一旦它需要重新装配,我们能准确定位,设备停工期会被大大缩短。
”
总的来说,MAT工作组发现FaroArm的作用是不可缺少的。“不依靠FaroArm,我们很难为我们的客户服务。”Hovey说。
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