三坐標測量機的發展

發布時間:2017-4-18 15:49:02
1.1坐標測量原理
   任何形狀都是由空間點組成,所有的幾何量測量都可以歸結為空間點的測量,因此精確進行空間點坐標的采集,是評定任何幾何形狀的基礎。    
   坐標測量機的基本原理是將被測零件放入它允許的測量空間,精確地測出被測零件表麵的點在空間三個坐標位置的數值,將這些點的坐標數值經過計算機數據處理,擬合形成測量元素,如圓、球、圓柱、圓錐、曲麵等,經過數學計算的方法得出其形狀、位置公差及其它幾何量數據。
   將被測物體置於三坐標測量機的測量空間,可獲得被測物體上各測點的坐標位置(x,y,z),根據這些點的空間坐標值,經過數學運算,求出被測的幾何尺寸、形狀和位置。相對傳統的單一功能測量工具,它具有以下幾個優點:
①通用性強,可實現空間坐標點位的測量,方便地測量出各零件的三維輪廓尺寸和位置精度;
②測量效率高,可方便地進行數據處理與程序控製;
③測量精度高。
1.2坐標測量技術的起源
   世界上第一台測量機是英國FERRANTI公司於1956年研製成功,當時的測量方式是測頭接觸工件後,靠腳踏板來記錄當前坐標值,然後使用計算器來計算元素間的位置關係。  
   1962年,作為FIAT(菲亞特)汽車公司質量控製工程師的Fraorinco Sartorio先生,在意大利都靈市創建了DEA ( Digital Electronic Automation)公司,成為世界上第一家專業製造坐標測量設備的公司,同時在公司的命名上還富有前瞻性地預見到數字技術的廣泛應用,並繼而在推動坐標測量機在製造業,尤其是汽車、航空航天等大型零部件精密測量方麵發揮著重要作用。1963年10月,DEA公司的第一台行程為2500 x 1600  x 600 mm的龍門式測量機ALPHA(也是世界上第一台龍門式測量機)出現在米蘭的歐洲機床展覽會上,從而開創了坐標測量技術的新領域,並使得幾何量質量控製技術成為工業生產的重要因素。
   隨後,DEA公司先後推出了手動、機動並首先使用氣浮導軌技術的測量機,也相應配備了各種測頭和軟件,使之成為世界最大的測量機供應商之一。1964年,瑞士SIP公司開始使用軟件來計算兩點間的距離,開始了利用軟件進行測量數據計算的時代。隨後德國ZEISS公司使用計算機輔助工件坐標係代替機械對準,從此測量機具備了對工件基本幾何元素尺寸、形位公差的檢測功能。
   中國的三坐標測量機研製起步於70年代,包括北京航空精密機械研究所(303所)、上海機床廠、上海第三機床廠、北京二機床、北京機床研究所、天津大學和新天光學儀器廠。但限於技術難度,隻有北京航空精密機械研究所在隨後的測量機發展進入了可實用的階段,這正是基於該所具有超精密加工技術、精密檢測技術的特點而形成的,從而把國家科委、國防科工委的研究三坐標測量機的課題,於1978年變為應用型產品(二階型),隨後303所的三坐標測量機就被廣泛應用於航空航天工業,如沈飛,哈飛,成飛,西飛等。八十年代改革開放以後,303所的精密測量技術受到了當時世界上三坐標測量機行業巨頭意大利DEA公司的關注,在此基礎上雙方開始合作研發,303所也成為國內第一家引進了國外先進技術的研究所,隨後推出多種新型三坐標測量機、並研發了國內第一支三坐標測量機用測頭、電控係統、軟件係統,從此開始商業化運行。進入新世紀以後,303所又成功研製成功了大型龍門式三坐標測量機,從而結束了國外在這一技術上的壟斷!為我國航空航天、船舶、重型裝備製造業的技術提升提供了有力的質量保障,同時也為國家節省了大量的外匯!在國外,三坐標測量機的生產始於20世紀50年代,我國20世紀70年代末開始生產。據有關資料報道,1992年全世界三坐標擁有量為46100台。其中歐洲15000台,德國占30%、英國占24%、意大利占16%、法國占14%,北美占17000台,90%安裝於美國;亞洲14100台,日本占85%、中國占3%,韓國占3%,台灣占2%。1992年歐洲銷售2500台,北美銷售2100台,亞洲銷售1331台,其中日本996台,中國130台。根據國際專業谘詢公司統計,三坐標測量機的銷售增長率在7%-25%左右,發達國家擁有量較高,但增長率逐年下降,大約為7%-10%;發展中國家擁有量較低,但增長率不斷提高,大約為15%-25%。
1.3國內外技術現狀
國外概況:
   國外三坐標測量機生產廠家較多,係列品種很多,大多數都有劃線功能。著名的國外生產廠家有德國的蔡司(zeiss)和萊茨(Leizt)、意大利的DEA、美國的布朗-夏普(Brown&Sharpe)、日本的三豐(Mitutoyo)等公司。總的來說國外機器有以下特點:①絕大多數機器總體布局為懸臂式,空間敞開性好,便於安裝大的零件或整車;②采用AUTOCAD和有限元法進行優化設計,結構較合理,造型優美;③專項開發力量強,專用軟件和附件較多,能滿足更多用戶的特殊需要;④移動構件多數用合金鋁材,移動件質量盡可能小,做到高剛性、低慣性;⑤配有21項誤差補償軟件,可以廉價地提高機器精度;⑥配有32位DSP連續軌跡控製係統,它是一種性能優於一般CPU的數據信號處理器,是超大規模集成電路。它除了有較高的運算和控製功能外,還有內部存儲的許多可供開發的高級語言程序;⑦絕大多數機器采用RENISHAW公司(英國)的電測頭,功能齊全,質量可靠;⑧配有功能齊全的控製測量軟件、專用和誤差修正軟件;⑨機器的性能高度穩定可靠,使用壽命長;⑩)三坐標測量機與計算機工作站和數控機床聯網;⑾三坐標測量機技術近十多年來突飛猛進發展,特別是數控係統和測量軟件每二三年便更新一代;⑿)係列品種齊全,“三化”(即標準化、通用化、係列化)程度高。
國內概況:
   我國自20世紀70年代開始引進、研製三坐標測量機以來,也有了很大發展。國內引進較多的是: Zeiss、Brown&Sharpe、Leizt、DEA等公司的產品。而國內的生產單位也已經有了很大的發展,主要的生產廠家有中國航空精密機械研究所、青島前哨英柯發測量設備有限公司、上海機床廠、北京機床研究所哈爾濱量具刃具廠、昆明機床廠和新天光儀器廠等。現在,我國具有年產幾百台各種型號三坐標測量機的能力。國內三坐標測量機近十年來發展也較快,但同國外相比還有一定差距,主要有以下幾方麵:係列品種較少,“三化”程度低;新產品開發周期長,主要原因是元件和材料配套難;機加工周期長等;產品的穩定性較差,特別是電控係統,可靠性較差,故障率較高,壽命相對低,此外軟件功能相對少些,特別是專用軟件更少與計算機工作站和數控機床聯網問題,僅有極少數測量機剛剛起步,多數機器還沒開始這項工作,有待進一步開發研究。
1.4坐標測量機的發展與演變
   隨著科學技術的不斷發展,三坐標測量機已引入多方麵新技術,其功能愈來愈強、精度愈來愈高,但成本也相應增大,價格昂貴。由於其適用的靈活性受到限製,在現代生產中提出的多種場合不同測量要求均難以實現,這種情況是對傳統的正交坐標測量機應用和發展的挑戰。因此,近年來不同形式的非正交坐標測量機或測量係統相繼出現。例如,由角度與直線距離測量相結合的極坐標測量係統——激光跟蹤幹涉儀;基於三角法測量原理的經緯儀測量係統;由多個角度測量與微位移傳感器結合的柔性坐標測量機;還有依據並聯運動機構理論提出的並聯機構坐標測量機等。這些非正交坐標測量機均具有靈活性特點,測量空間開闊,有些特別適合生產車間的手動掃描測量,其造價一般稍低,因而受到歡迎,也有廣闊發展前景。可以肯定,未來基於各種原理的非正交坐標係測量機將會有更大的發展。