直角坐标与非直角坐标测量机及其发展1.doc

精品论文推荐直角坐标与非直角坐标测量机及其发展1庞学慧 1，张治民 2，李国俊 21 中北大学机械工程与自动化学院，太原（030051）2 中北大学材料科学与工程学院，太原（030051）E-mail : Pang_x_h163.com摘要： 分析和比较了直角坐标与各种非直角坐标测量机各自的特点；指出直角坐标测量 机将长期占主导地位，非直角坐标测量机是其重要的补充；提出了“混联坐标测量”的概念并介绍了一种专用混联坐标测量机的原理。 关键词：测量机；直角坐标；非直角坐标；并联；混联 中图分类号：TG871.引言引言中应简要回顾本文所涉及的科学问题的研究历史，尤其是近三年的研究成果，需引 用参考文献；并在此基础上提出论文所要解决的问题，并扼要说明本研究中所采用的方法和 技术手段等。引言部分不加小标题。三坐标测量机（CMM，Coordinate Measuring Machine）的产生和发展已有 40 余年的时 间。随着精密机械、光学、电子、数控技术和计算机技术的发展，三坐标测量机越来越成为 通用、精密、柔性、智能的“测量中心”和现代制造技术中的重要组成部分，其技术水平的高 低也成为衡量一个国家现代测量技术和制造技术水平的重要标志1。目前广泛研究和普遍应用的坐标测量机，是建立在笛卡尔坐标系之上的。相互垂直的 X、 Y、Z 三个方向的直线运动导轨，保证了测头在其测量范围内任意点之间的移动。与金属切 削机床类似，坐标测量机的各坐标（导轨）之间也存在着相互叠加，因而这种传统的结构型 式也被称为串联运动机构。近些年来，随着各种非直角坐标结构的坐标测量机的不断问世， 在各高校、科研机构等出现了许多的跟踪研究。应当承认任何新生事物都有其积极的方面和 存在的合理性，但我们也必须冷静分析，避免盲目跟风和低水平重复。本文就直角坐标与非 直角坐标测量机各自的特点和优势作深入的分析比较，以期对其发展趋势做出预测。2.直角坐标测量机“坐标测量”的概念是 1959 年由英国 Ferranti 公司首次提出的。长期以来，人们对直角坐 标 CMM 的测量原理、机械结构、运动控制、测量数据处理及测量精度进行了广泛而深入的 研究，达到了很高的技术水平。主要表现在以下几个方面：2.1 主机为了满足不同测量对象和测量精度的需要，测量机的主体结构已发展了悬臂式、桥框式、 龙门式、立柱式、卧镗式等形式。图 1 所示为较长用的桥式三坐标测量机。主机的结构材料 有了很大的变化，已从黑色金属（铸铁、钢）、非金属（花岗岩、陶瓷）等发展到目前的高 强度铝合金。铝合金的突出优点是质量轻、强度高、变形小、导热性能好、工艺性能优良。国外近几年发展的带陶瓷涂层的抗老化铝合金 CARAT(Coated AgingResistant Alloy1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金远程火箭弹复杂翼片热成形在线检测技术（20050110001） 的资助。- 1 -Technology)，已使得某些生产型测量机对环境温度的要求降低到 20 ± 4°C 。试验表明，全 铝结构的热变形比钢结构小 50%，比花岗石小 80%；在有温度梯度的环境中，达到热平衡 的时间比钢快 75%，比花岗石和陶瓷快 91%2。- 2 -2.2 测量头图 1 桥式三坐标测量机1.工作台；2.横梁；3.X 向标尺；4.滑架；5.主轴；6.测头测量头是坐标测量机的重要部件，它的基本功能是测微和触发瞄准，对测量机的测量功 能、效率、精度有着重要的影响。按结构原理，测头可分为机械式、光学式和电气式；按测 量方法分为接触式和非接触式等1。目前主要发展的采用光电原理进行信号转换的各类非接触测头，以及测端、探针、测头 回转体等各种附件，对提高测量机的效率和功能起到了重要的作用。2.3 控制系统坐标测量机分为手动型、机动型和数控（CNC，Computer Numeric Control）型。前两 种是由操作者直接手动或通过操纵杆完成各个点的采样，然后由计算机进行数据处理。随着 计算机技术和数控技术的发展，CNC 型控制系统日益普及，高精度、高速度、智能化已成 为坐标测量机发展的主要趋势。顺便提及的是，手动型测量机由于价格便宜，在国外往往成为中小企业的首选。2.4 测量软件早期的测量机使用的都是厂家配置的专用计算机，测量软件也是由专用语言开发而成 的。受计算机 CPU 运算速度、内存容量及软件功能的限制，虽然测量机主机有较高的机械 精度，但整机的功能并不强，甚至由于计算机系统的故障，还常会导致测量机的瘫痪。随着计算机技术的飞速发展，现代测量机一般都采用通用微机，操作系统以 WINDOWS 最为常用。另外，受计算数学的带动，先进的算法和数学模型也不断推动着测量软件的完善 和进步。测量软件主要包括基本测量软件、专用测量软件和附加功能软件。基本测量软件是 测量机的基本配置，包括探针校正、坐标系转换、输入输出等基本功能；专用测量软件是针 对特定零件的测量要求而开发的；附加功能软件有各种驱动软件、统计分析软件、误差补偿 软件等。伴随着集成制造、网络化制造等先进制造技术的广泛应用，坐标测量机必将会在各种软 件技术的作用下，融入设计、制造、检验等全生产过程。总体来看，直角坐标测量机在许多方面已发展的相当完善，特别是其测量精度及测量效率已接近理论极限，若再想提高已十分困难。另外，受机器人技术的影响，以及特殊测量任 务的要求，各种非直角坐标测量机的出现和发展就成为了必然4，6。3.非直角坐标测量机3.1 基本情况非直角坐标测量机的研究始于上世纪 80 年代。比较有影响的有：1986 年日本小坂研究 所关节式坐标测量机（图 2a）、1996 年德国学者 W Lotze 提出的 ScanMax 型坐标测量机（图2b）3。 上述几种非直角坐标测量机是以角度测量代替直线测量，具有结构简单、运动灵活、测量范围大等特点；但由于仍属于串联结构，固无法克服各关节间误差累积和放大的缺陷，且 刚性较差。a)b)图 2 典型非直角坐标测量机示意图1994 年，在美国芝加哥国际机床展览会（IMTS94）上，首次成功展出的并联机床VARIX，引起了世界各国学者和工业界的极大兴趣。并联坐标测量机的研究由此展开。3.2 并联坐标测量机并联机构的真正应用始于上世纪 60 年代。图 3 为著名的“Stewart 平台”示意图。并联机 构在坐标测量机上应用的最早报道是 1996 年，当时日本静冈大学的 Takaaki Oiwa，Naomichi Kuri 和 Shuhei Baba 等人提出了一种基于三自由度并联运动机构（SPR 机构）的坐标测量机 原型3，4。目前，并联坐标测量机还很不成熟，有许多问题需要研究和解决。俄罗斯 Lapic 公司推 出的基于 Stewart 平台的 6 自由度 750 型并联坐标测量机，用 6 根激光干涉测量尺对 伸缩杆的位移进行测量，并适时反馈，工作精度达 12m，测量范围达 750×550×450mm7。 这是目前所能见到的最完善的原型样机。4.直角坐标测量机与并联坐标测量机的比较直角坐标测量机发展到今天，似乎已非常“完美”了。但其本身固有着一些先天的缺陷， 并且随着对测量精度、测量效率等的更高要求，越发显得突出。主要是（1）横梁、立柱等 自身重量大，移动速度慢；（2）各移动部件多受弯矩和扭矩作用，因此刚性差、变形大且 产生误差累积；（3）测头空间位姿不够灵活；（4）测量违背 Abbe 原则等。- 3 -图 3 Steward 平台图 4 被测零件比较而言，并联坐标测量机的某些优势则非常明显：（1）并联机构的杆件受拉力或压 力，因而刚度大、结构稳定；（2）由于刚度大，在相同的自重下有更高的承载能力；（3） 不存在误差的累积和放大，因而精度高；（4）驱动装置（如电机）易于装在基座上，因而 惯性小，动力性能好；（5）测头空间位姿灵活。并联坐标测量机的最大不足是其工作空间 过于狭小。另外，硬件简单而软件、控制系统复杂的特点也十分突出。可见，串联式的直角坐标测量机与并联坐标测量机形成了鲜明的对比。一方的优点正是 对方的缺点。因此，传统的直角坐标测量机与新型的并联坐标测量机，不是相互取代，而是 形成了互补关系，共同扩大了坐标测量机的应用范围3，4。对于特定的测量对象，如能将串联机构与并联机构结合起来，形成“混联坐标测量机”， 则会保留双方的优点。如对于图 4 所示的零件，显然 X 向尺寸远大于另外两向，在测量图 示截面内的坐标点时，测量机采用并联机构较为有利；而沿 X 向测量时，则利用传统测量 机的直线导轨，便于满足大的测量范围。目前，作者已研制了这类零件的专用混联坐标测量 机，其工作原理如图 5 所示。图 5 专用混联测量机原理1直线导轨; 2滑块; 3定长杆; 4变长杆; 5伺服电机; 6CCD 激光探头; 7工件; 8工作台5.结论（1）直角坐标测量机技术成熟，通用性强，在未来相当长的时期内都将占有绝对的主 导地位；（2）并联坐标测量机具有精度高、刚性大、测头位姿灵活等优点，其许多理论和技术 问题有待进一步的研究和完善。非直角坐标测量机是传统直角坐标测量的重要补充；（3）结合直角坐标与非直角坐标测量机共同优点的“混联坐标测量”，有望成为新的研 究热点。- 5 -参考文献1张国雄主编三坐标测量机M天津: 天津大学出版社, 1999.82荣烈润三坐标测量机的现状和发展动向J机电一体化, 2001(6)：8-113刘得军三自由度并联机构坐标测量机建模理论及其虚拟原型研究D. 哈尔滨工业大学, 2001.12 4黄真，孔令富，方跃法著并联机器人机构学理论及控制M. 北京: 机械工业出版社, 1997.125张国雄三坐标测量机的发展趋势J中国机械工程，2000(11): 222-226 6林洪桦我国三坐标测量机发展的几点建议J计量技术, 1999(10): 13-157张曙，U.Heisel 著并联运动机床M机械工业出版社, 2003.4Cartesian, Non-Cartesian CMM and Their DevelopmentPang Xuehui1, Zhang Zhimin2, Li Guojun21College of Mechanical Engineering and Automation, North University of China, Taiyuan(030051)2 College of Material and Engineering, North University of China, Taiyuan (030051)AbstractThe advantages and disadvantages of Cartesian and non-Cartesian coordinate measuring machine was analyzed. The paper pointed out that Cartesian CMM would keep its leading position in a long time,non-Cartesian CMM especially parallel-link CMM was important complementarities. A new concept of“mix-CMM” was put out.Keywords: CMM; Cartesian coordinate; non-Cartesian coordinate; parallel-link; mix-CMM作者简介：庞学慧，男，1965.10，中北大学山西省集成精密成形工程技术研究中心在读博 士，教授；研究方向：几何量精密测量、先进切削技术