三坐标测量机的自动进给

三坐标测量机的自动进给

徐荔波,李金桐

贵州航天精工制造有限公司

山东师范大学 

摘要：本文的主要目标是解决坐标测量机上优化工件测量过程的问题。这已经通过自动化机器的进给过程，以及通过在机器上设计和构造零件夹紧装置来尝试，以消除遇到的测量误差并缩短零件的固定时间。通过将夹持器连接到机器人，消除了主要问题之一的人为误差，简化了整个测量过程。为了实现以下目标，需要通过计算夹持力、确定夹持器钳口的尺寸以及设计工件的夹紧装置来选择合适的夹持器。

关键词：坐标测量机，夹具，过程自动化，夹紧装置。

一、三坐标测量机的介绍

根据ISO 10360-1（2000）标准，“坐标测量机”（CMM）是一种“具有移动探测系统和确定工件表面空间坐标能力的测量系统”。因此，三坐标测量机是一种（大多数情况下是笛卡尔）机器人，能够在三维空间中移动，是一种通用传感器，可以探测属于被测工件的点云的坐标。坐标测量机的概念可能与一个非常大的测量系统系列有关，因此将有带有接触或非接触探头的坐标测量机、带有桥接结构的坐标测量机、带有水平臂的坐标测量机、手动或电动坐标测量机以及小型或大型坐标测量机。无论如何，不管具体CMM概念的实现如何，CMM都是灵活的。他们在3D空间中采样点的能力允许他们检查任何几何或尺寸公差。当然，不同的坐标测量机或多或少适用于不同的测量任务，但从广义上讲，任何坐标测量机都可以测量符合几何规格的任何零件，前提是坐标测量机的测量体积足够。

坐标测量机配置描述了机器的整体结构。尽管商业解决方案非常不同，但它们可以简化为五种基本配置：桥架、悬臂、水平臂、机架和非笛卡尔坐标系。ISO 10360-1（2000）进一步详细说明了这些结构，区分具有固定或移动工作台的机器、柱式坐标测量机等，它们是上述配置的变体。不同的测量任务需要不同于坐标测量机的特征。因此，提出了不同的坐标测量机配置，每种配置都有其优缺点。三坐标测量机传感器或探头是机器中“接触”（物理、光学或任何其他原理）待检查零件的部分。大多数三坐标测量机的精度依赖于传感器精度，这严重影响整体精度。

二、夹持装置的选择

选取合适夹持器的第一步是计算所需的夹持力、夹持点和最大允许载荷。为了计算，我们必须知道工件的质量和制造零件所用的材料。根据有关夹持任务、工件材料、夹持力的所有信息，可以选择合适的夹持器。为了设计和标注夹持器“手指”，使用工件的3D模型和夹持器的3D模型。为了设计夹爪，必须考虑工件的功能以及机器的功能。在此基础上，由于工件的质量和侧面有两个孔的零件的锥形，抓取零件的最佳方式如图1所示。由于侧面孔的锥形，夹爪的角部设计有斜面。使用两个螺钉将夹爪装配在夹持器主体上，而钳口设计用于覆盖和精确固定工件。

图1：用夹具固定零件

当零件固定和定向以进行测量时，必须考虑一些方面，例如零件必须夹在机床工作台上，以便可以访问将要测量的特征；零件的固定方式不得扭曲或松动我们必须找到合适的位置，从一次夹紧中测量所有特征，因为零件不能在同一测量程序中松开和移动；必须封锁所有自由度。现有夹紧装置的主要缺点是机器碰撞的可能性更高。可以使用工件的三维模型和SolidWorks软件设计夹紧装置。该装置使用螺钉和螺栓固定在机器的工作台上。

在测量过程中，触针的触发力可能会推动零件，使其从设备上脱落。为了防止这种可能性，使用了电磁铁。工件的底部由钢合金制成，因此可以设计一个电磁铁，以适合装置的中间。通过这种方式，工件将被正确夹持，不会脱落。电磁铁很重要，因为它阻挡了所有自由度，工件必须被正确夹持才能进行测量。为确定电磁铁的尺寸，必须考虑触发力。

三、三坐标测量机的自动进给

坐标测量机的控制单元协调坐标测量机本身的各个部分。可以使用不同类型的控制。最简单的控制是手动驱动，然而，自动进给是测量机的发展方向，其主要通过数控系统来实现。数控系统可以控制机器进行离散点探测或扫描（。在离散点探测中，在探测一个点后，三坐标测量机探头离开曲面并向下一个点移动，依此类推。在扫描中，探头与曲面连续接触，因此采样一条线。可以在预定义路径或未知路径上执行扫描。在最后一种情况下，控制系统必须能够调整探测路径，以便从待检查表面上的一个点移动到另一个点，而不会与表面本身失去接触。

三坐标测量机自动进给中存在大量的不确定源，因此不确定度评定问题相当复杂。通常，坐标测量机中的不确定性源是硬件不确定性源，即与坐标测量机的结构（传感器、机械结构等）相关的任何事物以及工件不确定度源，与工件的特性和测量与工件的相互作用有关采样策略，包括采样或基准不足，以及采样策略与实际几何误差之间的相互作用拟合和评估算法。同时，外部因素，如温度、操作员和污垢也会造成自动进给精度的差异。

选择三坐标测量机执行自动进给任务后，必须规划检查。检查规划包括定义测量的单个方面：夹具定义、传感器配置采样策略定义和路径规划。

假设已经建立了坐标测量系统，即已经为零件定义了合适的夹具，允许轻松访问要检查的每个特征，探针已正确配置和合格，等等，下一个要解决的问题是选择零件特征的采样位置，以获得足够完整的曲面描述，从而以足够的精度估计替代特征，以完成测量任务，但同时不超过样本量，因为测量时间和成本往往随着样本量的增加而增加；即使对于静止扫描仪，这在一定程度上也是正确的。事实上，如果扫描仪的横向分辨率在当前设置中不足，操作员将不得不对零件进行多次扫描，然后进行登记——当然，更多扫描意味着更长的测量时间。这个问题被称为“定义采样策略”，其中采样策略是对采样点位置的完整描述。在处理几何误差估计时，采样策略是导致测量不确定性的最相关因素之一。