蔡司三坐标测量机的先进关键技术

 　　蔡司三坐标测量机是由主机、电控系统和计算机软硬件三大部分组成，其关键技术包括：大型精密构件制造技术、气浮轴承技术、光栅测量系统、三维测头技术、CNC数控测量技术、三维测量软件技术和精度检验技术。

　　01　大型精密构件制造技术

　　大型精密构件组成了坐标测量机主机的基础和框架，要求在结构设计和材料选择上有足够的刚度。同时，三维直线运动依靠大型精密构件的表面导向，其直线度和相互垂直度要求极高。一般用花岗岩作为大型精密构件的材料，由于它在自然界已形成数十万年，有着极高的稳定性，并且加工精度很高。

　　蔡司三坐标测量机的每个坐标轴均具有一套独立的运动系统和位移测量系统，我们希望该系统的移动台沿坐标轴线方向按给定运动长度作直线运动。而实际上，由于导轨和光栅测量系统存在误差，移动台的运动实际上是一种六自由度复合运动[7] [8]，且实际运动长度与给定长度之间存在误差。

　　以X坐标为例移动台的复合运动可分解为:

　　(1)沿X轴的直线位移x+δx;X为给定长度; δx为定位误差;

　　(2)沿Y，Z轴的平移ζxy、ζxz;称为X轴直线度;

　　(3)绕X，Y，Z轴的旋转φxx、φxy、φxz;称X轴旋转误差;

　　对于Y和Z轴同样有δy,δz, ζyx,ζyz,ζzx,ζzy,φyx,φyy,φyz,φzx,φzy,φzz等项误差。此外还有三个坐标轴相互垂直度误差θxy, θyz,θzx。以上共21项误差(图2)。

　　02　气浮导轨技术

　　传统光学计量仪器多采用金属滑动摩擦或滚动摩擦导轨。坐标测量机由于运动部件结构庞大、移动重心较高和花岗岩导向面不耐机械摩擦的特点，采用传统导轨达不到运动灵活性和高精度的要求。坐标测量机的三维运动采用了气浮导轨技术。以大型花岗岩构件和数个气浮块形成直线导轨副。气浮块利用小孔节流原理，依靠高压空气将运动部分悬空浮起，使之作无阻力、高直线度的运动，是保证坐标测量机测量精度的关键环节。

　　为具有中央节流孔的气浮块工作原理[9]，压力为Ps的气体从中央节流孔4进入气室5，压力降至Pr，然后流入气浮块2与平面导轨3之间的间隙中，沿径向扩散，形成厚度为h的气垫。气体最后在气浮块边缘流入大气中。气垫的承载能力与压力Pr和气浮块端面面积有关，而和气体的黏度无关，可表达为：

　　dA=2πr• dr;

　　r —气垫工作点到气室中心的距离;

　　Pr的大小与流进节流孔的气量有关，间隙h越小，则压力越大;当负载增加时，间隙h减小，气室压力增加，产生与负载反向的作用力，使气垫恢复平衡状态。一块气浮块上可以具有圆周分布的多个独立气室，以便增加承载能力。气浮导轨具有无摩擦、无磨损特性，由于匀差效应，运动的局部直线度和旋转误差极小，具有很高的运动精度。

　　03　光栅测量系统

　　光栅测量系统用于测量三个坐标的位移长度。蔡司三坐标测量机目前采用玻璃陶瓷光栅尺系统，更稳定，减少温度对精度的影响。

　　红外LED发光管1发射的光，以一定的角度射到钢带光栅4的刻线面上;密集的栅线槽形使光衍射成0和±1级光线，这三束光线在透过读数头内的指示光栅2时再次发生衍射，各级衍射光之间产生的干涉条纹5由其后面的光电探测器6接收，光电转换后的模拟信号经前置放大器7、合成电路8，形成相等振幅的正弦和余弦波信号。

　　这种光栅系统具有信号质量优良、读数头与钢带光栅之间的间隙大、安装调整方便、光栅表面具有保护膜，耐污染等优点，通常被用于：万能工具显微镜、测长机和坐标测量机。

　　04　三维测头技术

　　三维测头能实现对任意形状并处于任何位置和姿态的被测表面进行探测，具有小而稳定的测量力，因此有很高的探测重复性。目前蔡司三坐标测量机普遍采用蔡司接触式扫描测头。

　　一种触发式测头 (Trigger Probe)也称开关测头 。当探针1处于自由状态时，在压簧5的压力作用下，装有探针1的摆动架4上三个均布的圆柱3与三对钢球2构成的触点紧密接触，形成电气回路，并在接触面产生微小的弹性压陷，使点接触变成面接触。当探针的球形测头与被测物体接触时，探针发生摆动;起初是探针发生弯曲，进一步造成一个或二个触点断开。在断开前，因触点接触压力变小，弹性压陷减小，造成触点接触面积减小，接触电阻增大;当电阻到达阈值时，测头发出触发信号，采集当前触测点的X，Y，Z坐标。探针与被测件脱离接触后，测头复位。该测头的定位重复性为1μm左右，是坐标测量机*常用的测头。

　　其本身具有3套沿X,Y,Z方向微位移的平行片簧机构;每套又包括位移测量传感器、测力机构和锁紧机构。

　　测量传感器采用磁芯与线圈相对运动的电感原理，并以此建立测量零点;当测量需要向一个方向运动时，电磁测力机构通过线圈向磁芯施加引力，同时也给探针造成予偏量;当探针触碰工件，测量传感器过零发讯。当触测不需要某坐标参与时，可以利用锁紧机构将其运动关闭，该机构的线圈断电，永久磁铁将锥销吸入锥孔内。拉簧2用于平衡测头的自重。该测头的定位重复性可达0.5μm，并且探针可以不离开被测表面滑行连续采样，故称为：扫描测头(Scanning probe)，特别适合于测量曲面。

　　以上为接触式测头，此外还有非接触式测头和影像采集测头。

　　坐标测量机的测头还可以装在测头座上使用(图6)。测头座具有两个相互垂直的A和B转轴，测量过程中可以根据程序设定由电机驱动旋转角度，可以对任何被测部位选择*有利的方位进行触测。

　　05　CNC数控测量技术

　　坐标测量机的操纵方式有手动和数控之分。前者由测量者手推测量机的运动部分，当测头探针触碰被测表面时，测头发出采样脉冲，X，Y，Z光栅测量系统的坐标值被采集，然后到下一个采集目标。

　　大多数坐标测量机采用CNC(Computer Numeral Control计算机数字控制)数控测量方式进行自动化测量。三个坐标的运动由电机驱动。对于一个首次测量的零件，先用手操纵摇杆(joystick)驱动电机按以上手动方式将测量程序走一遍，由学习程序纪录程序路径，再次执行，测量过程就会由计算机控制自动进行，今后无论多少相同的零件，建立坐标系后，马上可进入自动测量。

　　自动测量特别适合生产线上成批零件的检测，具有很高的测量效率。同时，由于排除了人为因素，能以相同的速度和被测表面法向触测，提高了测量精度和重复性。

　　06　三坐标测量软件CALYPSO

　　测量离不开数学，三维测量的数学基础除了依赖于经典的空间解析几何外，还与现代工程数学相关。三维测量软件从坐标点采集到建立几何形体模型，再到进一步求解形体的形状误差以及建立各形体间的位置关系，提供了一套严密的程序和准确的数据和图形结果。通用测量软件功能还包括探针校正、坐标系的建立和转换等内容。