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三坐标测量机的发展

发稿时间:2016-12-28 09:05:27来源:
1.1坐标测量原理 
    任何形状都是由空间点组成,所有的几何量测量都可以归结为空间点的测量,因此精确进行空间点坐标的采集,是评定任何几何形状的基础。     
    坐标测量机的基本原理是将被测零件放入它允许的测量空间,精确地测出被测零件表面的点在空间三个坐标位置的数值,将这些点的坐标数值经过计算机数据处理,拟合形成测量元素,如圆、球、圆柱、圆锥、曲面等,经过数学计算的方法得出其形状、位置公差及其它几何量数据。 
    将被测物体置于三坐标测量机的测量空间,可获得被测物体上各测点的坐标位置(x,y,z),根据这些点的空间坐标值,经过数学运算,求出被测的几何尺寸、形状和位置。相对传统的单一功能测量工具,它具有以下几个优点:
①通用性强,可实现空间坐标点位的测量,方便地测量出各零件的三维轮廓尺寸和位置精度;
②测量效率高,可方便地进行数据处理与程序控制;
③测量精度高。
1.2坐标测量技术的起源 
    世界上第一台测量机是英国FERRANTI公司于1956年研制成功,当时的测量方式是测头接触工件后,靠脚踏板来记录当前坐标值,然后使用计算器来计算元素间的位置关系。  
    1962年,作为FIAT(菲亚特)汽车公司质量控制工程师的Fraorinco Sartorio先生,在意大利都灵市创建了DEA ( Digital Electronic Automation)公司,成为世界上第一家专业制造坐标测量设备的公司,同时在公司的命名上还富有前瞻性地预见到数字技术的广泛应用,并继而在推动坐标测量机在制造业,尤其是汽车、航空航天等大型零部件精密测量方面发挥着重要作用。1963年10月,DEA公司的第一台行程为2500 x 1600  x 600 mm的龙门式测量机ALPHA(也是世界上第一台龙门式测量机)出现在米兰的欧洲机床展览会上,从而开创了坐标测量技术的新领域,并使得几何量质量控制技术成为工业生产的重要因素。 
    随后,DEA公司先后推出了手动、机动并首先使用气浮导轨技术的测量机,也相应配备了各种测头和软件,使之成为世界最大的测量机供应商之一。1964年,瑞士SIP公司开始使用软件来计算两点间的距离,开始了利用软件进行测量数据计算的时代。随后德国ZEISS公司使用计算机辅助工件坐标系代替机械对准,从此测量机具备了对工件基本几何元素尺寸、形位公差的检测功能。 
    中国的三坐标测量机研制起步于70年代,包括北京航空精密机械研究所(303所)、上海机床厂、上海第三机床厂、北京二机床、北京机床研究所、天津大学和新天光学仪器厂。但限于技术难度,只有北京航空精密机械研究所在随后的测量机发展进入了可实用的阶段,这正是基于该所具有超精密加工技术、精密检测技术的特点而形成的,从而把国家科委、国防科工委的研究三坐标测量机的课题,于1978年变为应用型产品(二阶型),随后303所的三坐标测量机就被广泛应用于航空航天工业,如沈飞,哈飞,成飞,西飞等。八十年代改革开放以后,303所的精密测量技术受到了当时世界上三坐标测量机行业巨头意大利DEA公司的关注,在此基础上双方开始合作研发,303所也成为国内第一家引进了国外先进技术的研究所,随后推出多种新型三坐标测量机、并研发了国内第一支三坐标测量机用测头、电控系统、软件系统,从此开始商业化运行。进入新世纪以后,303所又成功研制成功了大型龙门式三坐标测量机,从而结束了国外在这一技术上的垄断!为我国航空航天、船舶、重型装备制造业的技术提升提供了有力的质量保障,同时也为国家节省了大量的外汇!在国外,三坐标测量机的生产始于20世纪50年代,我国20世纪70年代末开始生产。据有关资料报道,1992年全世界三坐标拥有量为46100台。其中欧洲15000台,德国占30%、英国占24%、意大利占16%、法国占14%,北美占17000台,90%安装于美国;亚洲14100台,日本占85%、中国占3%,韩国占3%,台湾占2%。1992年欧洲销售2500台,北美销售2100台,亚洲销售1331台,其中日本996台,中国130台。根据国际专业咨询公司统计,三坐标测量机的销售增长率在7%-25%左右,发达国家拥有量较高,但增长率逐年下降,大约为7%-10%;发展中国家拥有量较低,但增长率不断提高,大约为15%-25%。
1.3国内外技术现状
国外概况: 
    国外三坐标测量机生产厂家较多,系列品种很多,大多数都有划线功能。著名的国外生产厂家有德国的蔡司(zeiss)和莱茨(Leizt)、意大利的DEA、美国的布朗-夏普(Brown&Sharpe)、日本的三丰(Mitutoyo)等公司。总的来说国外机器有以下特点:①绝大多数机器总体布局为悬臂式,空间敞开性好,便于安装大的零件或整车;②采用AUTOCAD和有限元法进行优化设计,结构较合理,造型优美;③专项开发力量强,专用软件和附件较多,能满足更多用户的特殊需要;④移动构件多数用合金铝材,移动件质量尽可能小,做到高刚性、低惯性;⑤配有21项误差补偿软件,可以廉价地提高机器精度;⑥配有32位DSP连续轨迹控制系统,它是一种性能优于一般CPU的数据信号处理器,是超大规模集成电路。它除了有较高的运算和控制功能外,还有内部存储的许多可供开发的高级语言程序;⑦绝大多数机器采用RENISHAW公司(英国)的电测头,功能齐全,质量可靠;⑧配有功能齐全的控制测量软件、专用和误差修正软件;⑨机器的性能高度稳定可靠,使用寿命长;⑩)三坐标测量机与计算机工作站和数控机床联网;⑾三坐标测量机技术近十多年来突飞猛进发展,特别是数控系统和测量软件每二三年便更新一代;⑿)系列品种齐全,“三化”(即标准化、通用化、系列化)程度高。
国内概况: 
    我国自20世纪70年代开始引进、研制三坐标测量机以来,也有了很大发展。国内引进较多的是: Zeiss、Brown&Sharpe、Leizt、DEA等公司的产品。而国内的生产单位也已经有了很大的发展,主要的生产厂家有中国航空精密机械研究所、青岛前哨英柯发测量设备有限公司、上海机床厂、北京机床研究所哈尔滨量具刃具厂、昆明机床厂和新天光仪器厂等。现在,我国具有年产几百台各种型号三坐标测量机的能力。国内三坐标测量机近十年来发展也较快,但同国外相比还有一定差距,主要有以下几方面:系列品种较少,“三化”程度低;新产品开发周期长,主要原因是元件和材料配套难;机加工周期长等;产品的稳定性较差,特别是电控系统,可靠性较差,故障率较高,寿命相对低,此外软件功能相对少些,特别是专用软件更少与计算机工作站和数控机床联网问题,仅有极少数测量机刚刚起步,多数机器还没开始这项工作,有待进一步开发研究。
1.4坐标测量机的发展与演变 
    随着科学技术的不断发展,三坐标测量机已引入多方面新技术,其功能愈来愈强、精度愈来愈高,但成本也相应增大,价格昂贵。由于其适用的灵活性受到限制,在现代生产中提出的多种场合不同测量要求均难以实现,这种情况是对传统的正交坐标测量机应用和发展的挑战。因此,近年来不同形式的非正交坐标测量机或测量系统相继出现。例如,由角度与直线距离测量相结合的极坐标测量系统——激光跟踪干涉仪;基于三角法测量原理的经纬仪测量系统;由多个角度测量与微位移传感器结合的柔性坐标测量机;还有依据并联运动机构理论提出的并联机构坐标测量机等。这些非正交坐标测量机均具有灵活性特点,测量空间开阔,有些特别适合生产车间的手动扫描测量,其造价一般稍低,因而受到欢迎,也有广阔发展前景。可以肯定,未来基于各种原理的非正交坐标系测量机将会有更大的发展。

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