精密测量技术常识

1.精密测量技术资料

什么是CMM？三坐标测量机（CMM）的发展概况及其基本组成2007-03-26 14:20三坐标测量机（Coordinate Measuring Machining，简称CMM）是20世纪60年代发展起来的一种新型高效的精密测量仪器。

它的出现，一方面是由于自动机床、数控机床高效率加工以及越来越多复杂形状零件加工需要有快速可靠的测量设备与之配套；另一方面是由于电子技术、计算机技术、数字控制技术以及精密加工技术的发展为三坐标测量机的产生提供了技术基础。1960年，英国FERRANTI公司研制成功世界上第一台三坐标测量机，到20世纪60年代末，已有近十个国家的三十多家公司在生产CMM，不过这一时期的CMM尚处于初级阶段。

进入20世纪80年代后，以ZEISS、LEITZ、DEA、LK、三丰、SIP、FERRANTI、MOORE等为代表的众多公司不断推出新产品，使得CMM的发展速度加快。现代CMM不仅能在计算机控制下完成各种复杂测量，而且可以通过与数控机床交换信息，实现对加工的控制，并且还可以根据测量数据，实现反求工程。

目前，CMM已广泛用于机械制造业、汽车工业、电子工业、航空航天工业和国防工业等各部门，成为现代工业检测和质量控制不可缺少的万能测量设备。图三坐标测量机的组成1—工作台 2—移动桥架 3—中央滑架 4—Z轴 5—测头 6—电子系统现代精密测量技术现状及发展现代精密测量技术是一门集光学、电子、传感器、图像、制造及计算机技术为一体的综合性交叉学科，涉及广泛的学科领域，它的发展需要众多相关学科的支持。

在现代工业制造技术和科学研究中，测量仪器具有精密化、集成化、智能化的发展趋势。三坐标测量机（CMM）是适应上述发展趋势的典型代表，它几乎可以对生产中的所有三维复。

现代精密测量技术一门集光学、电子、传感器、图像、制造及计算机技术为一体的综合性交叉学科，涉及广泛的学科领域，它的发展需要众多相关学科的支持。在现代工业制造技术和科学研究中，测量仪器具有精密化、集成化、智能化的发展趋势。

三坐标测量机（CMM）是适应上述发展趋势的典型代表，它几乎可以对生产中的所有三维复杂零件尺寸、形状和相互位置进行高准确度测量。发展高速坐标测量机是现代工业生产的要求。

同时，作为下世纪的重点发展目标，各在微/纳米测量技术领域开展了广泛的应用研究。 1 坐标测量机的最新发展三坐标测量机作为几何尺寸数字化检测设备在机械制造领域得到推广使用，而科学研究和机械制造行业的技术进步又对CMM提出更多新的要求，作为测量机的制造者就需要不断将新技术应用于自己的产品以满足生产实际的需要。

1.1 误差自补偿技术德国Carl Zeiss公司最近开发的CNC小型坐标测量机采用热不灵敏陶瓷技术（Thermally insensitive ceramic technology），使坐标测量机的测量精度在17.8~25.6℃范围不受温度变化的影响。国内自行开发的数控测量机软件系统PMIS包括多项系统误差补偿、系统数识别和优化技术。

1.2 丰富的软件技术 Carl Zeiss公司开发的坐标测量机软件STRATA-UX，其测量数据可以从CMM直接传送到随机配备的统计软件中去，对测量系统给出的检验数据进行实时分析与管理，根据要求对其进行评估。依据此数据库，可自动生成各种统计报表，包括X-BAR&R及X_BAR&S图表、频率直方图、运行图、目标图等。

美国Brown & Sharp公司的Chameleon CMM测量系统所配支持软件可提供包括齿轮、板材、凸轮及凸轮轴共计50多个测量模块。日本Mitutoyo公司研制开发了一种图形显示及绘图程序，用于辅助操作者进行实际值与要求测量值之间的比较，具有多种输出方式。

1.3 系统集成应用技术各坐标测量机制造商独立开发的不同软件系统往往互不相容，也因知识产权的问题，些工程软件是封闭的。系统集成技术主要解决不同软件包之间的通信协议和软件翻译接口问题。

利用系统集成技术可以把CAD、CAM及CAT以在线工作方式集成在一起，形成数学实物仿形制造系统，大大缩短了模具制造及产品仿制生产周期。 1.4 非接触测量基于三角测量原理的非接触激光光学探头应用于CMM上代替接触式探头。

通过探头的扫描可以准确获得表面粗糙度信息，进行表面轮廓的三维立体测量及用于模具特征线的识别。该方法克服了接触测量的局限性。

将激光双三角测量法应用于1700mm*1200mm*200mm测量范围内，对复杂曲面轮廓进行测量，其精度可高于1μm。英国IMS公司生产的IMP型坐标测量机可以配用其他厂商提供的接触式或非接触式探头。

2 微/纳米级精密测量技术科学技术向微小领域发展，由毫米级、微米级继而涉足到纳米级，即微/纳米技术。微/纳米技术研究和探测物质结构的功能尺寸与分辨能力达到微米至纳米级尺度，使类在改造自然方面深入到原子、分子级的纳米层次。

纳米级加工技术可分为加工精度和加工尺度两方面。加工精度由本世纪初的最高精度微米级发展到现有的几个纳米数量级。

金刚石车床加工的超精密衍射光栅精度已达1nm，实验室已经可以制作10nm以下的线、柱、槽。微/纳米技术的发展，离不开微米级和纳米级的测量技术与设备。

具有微米及亚微米测量。

2.精密测量的测量方法

1、根据获得测量结果的不同方式可分为：直接测量和间接测量。从测量器具的读数装置上直接得到被测量的数值或对标准值的偏差称直接测量。如用游标卡尺、外径千分尺测量轴径等。通过测量与被测量有一定函数关系的量，根据已知的函数关系式求得被测量的测量称为间接测量。如通过测量一圆弧相应的弓高和弦长而得到其圆弧半径的实际值。

2、绝对测量和相对测量：测量器具的示值直接反映被测量量值的测量为绝对测量。用游标卡尺、外径千分尺测量轴径不仅是绝对测量，也是绝对测量。将被测量与一个标准量值进行比较得到两者差值的测量为相对测量。如用内径百分表测量孔径为相对测量。

3、接触测量和非接触测量：测量器具的测头与被测件表面接触并有机械作用的测力存在的测量为接触测量。如用光切法显微镜测量表面粗糙度即属于非接触测量。

4、单项测量和综合测量：对个别的、彼此没有联系的某一单项参数的测量称为单项测量。同时测量个零件的多个参数及其综合影响的测量。用测量器具分别测出螺纹的中径、半角及螺距属单项测量；而用螺纹量规的通端检测螺纹则属综合测量。

5、被动测量和主动测量：产品加工完成后的测量为被动测量；正在加工过程中的测量为主动测量。被动测量只能发现和挑出不合格品。而主动测量可通过其测得值的反馈，控制设备的加工过程，预防和杜绝不合格品的产生。

3.一般工程精密测量有哪些技术指标

准确度，这是测量装置最重要的指标之一，它是决定了测量装置可使用的等级范围，低等级的准确度测量装置不能测量需要高等级测量装置的测量；

灵敏度，它是关系到在被测介质的物理参数发生变化时，测量装置是否能及时跟踪并输出响应，也有以响应速度表示。当对有些变化比较缓慢的被测介质，可通过测量装置内部的阻尼系数来调整；

线性度，理想的测量装置，其输出与被测参数之间的对应是线性的，但实际上测量装置总会存在一定的非线性关系。因为有非线性的存在，测量装置的复现性就不可能达到完全一致；

稳定性，测量装置自身的稳定性是决定其实用性，这是测量装置的本质的质量。一个稳定的测量装置，在其整个测量过程中，只要外界的温度、振动等与测量介质无关的变化，都不可对测量造成影响，其运行工作必须保持稳定；

抗干扰能力，外界的各种电磁杂波不可对测量装置造成影响，不可对测量结果的信号造成有害的干扰，保证其输出的测量结果信号准确；

防水性能，对于不同使用环境的测量装置有不同的防水等级要求，一旦测量装置标注了其防水等级，其必须达到这个防水等的水平。

4.测量系统的基本要求是什么

先进技术的发展日新月异，精密测试技术应该适应这种发展。

精密测试技术在机械学科中的作用是为汽车灯光示教板服务，担负起质量技术保证的重任。这就要求首先要以提高产品的质量为出发点，这也是要达到的最重要的目的。

其次是精密测试技术要提高产品的生产效益。因此，检测方法要能适应快速发展生产的要求，不能单纯为了检测而检测，更不能因为检测的要求而影响生产的效益，从更积极的角度出发，应该是由于精密测试技术的良好服务从而促进电子燃油喷射示教板生产能力的提高。

根据先进制造技术发展的要求以及精密测试技术自身的发展规律，不断拓展着新的测量原理和测试方法，以及测试信息处理技术，就机械学科而言，预计以下几个方面需要发展。 1、零废品生产中的测量控制在制造业中，全车电器实验台质量保证的理想目标是实行生产的零废品制造。

在实现这个目标的过程中，精密测试技术的作用和重要意义是不言而喻的。零部件的加工质量、整机的装配质量都与加工设备、测试设备以及测试信息的分析处理等有关，因此实现零废品生产，以精密测试的角度出发，以下问题应予考虑：（1）在加工工件前，事先检测机床。

如何快速准确地对加工设备进行校验，获得机床的精度状况，这对大幅度地减少返工，甚至消除返工是非常有益的。当然这是包括检测设备的研究开发。

（2）生产过程中对工件进行在线测量或对工件进行100%检测，这就需要研究适合于动态或准动态的测试设备，甚至能集成到加工设备中的特殊普通车床电气技能实训考核装置测试设备，做到实时测试，根据测试结果不断修改工艺参数，对加工设备进行补充调整或反馈控制。从精度理论方面也相应要研究动态精度理论，包括动态精度的评定等。

（3）研究如何充分利用测量信息来实现零废品生产。通过100%在线测量数据的充分利用，从中分析加工和测量过程中误差分布的动态特性，同时根据加工误差的动态特性和传感器精度的精度损失特性，以及产品质量要求和公差规定，给出零废品制造的基本理论模型。

充分利用柴油发动机实验台网络，遗传算法等现代数学方法进行准确的加工质量预测，做到质量超前控制。 2、视觉测试技术非接触测试技术很多，特别值得一提的是电机与变压器综合实验装置视觉测试技术。

现代视觉理论和技术的发展，不仅在于模拟人眼能完成的功能，更重要的是它能完成人眼所不能胜任的工作，所以视觉技术作为当今最新技术，在电子、光学和计算机等技术不断成熟和完善的基础上得到迅速发展。视觉测试技术是建立在计算机视觉研究基础上的一门新兴测试技术。

与计算机视觉研究的视觉模式识别、视觉理解等内容不同，视觉测试技术重点研究物体的几何尺寸及物体的位置测量，如轿车电工技术实验装置车身三维尺寸的测量、模具等三维面形的快速测量、大型工件同轴度测量、共面性测量等。它可以广泛应用于在线测量、逆向工程等主动、实时测量过程。

视觉测试技术在国外发展很快，早在20世纪80年代，美国国家标准局就预计，检测任务的90%将由视觉测试系统来完成。美国在80年代就有100多家公司跻身于机械原理示教陈列柜系统的经营市场，可见视觉测试系统确实很有前途。

在1999年10月的北京国际机床博览会上已见到国外利用视觉检测技术研制的仪器，如流动式光学三坐标测量机、高速高精度数字化扫描系统、非接触式透明液压传动演示系统光学三坐标测量机等先进仪器。 3 测量方式向多样化发展（1）多传感器融合技术在制造现场中的应用PLC可编程控制实验装置是解决测量过程中测量信息获取的方法，它可以提高测量信息的准确性。

由于多传感器是以不同的方法或从不同的角度获取信息的，因此可以通过它们之间的信息融合去伪存真，提高电工实验台测量精度。（2）积木式、组合式测量方法白车身三维尺寸测量系统就属于这类方法，也可以说它是柔性很好的专用坐标测量机，关键在于系统的建立。

（3）便携式测量仪器如便携式光纤干涉测量仪、便携式大量程三维测量系统等，往往用于解决现场大尺寸的测量问题。（4）生物实验室设备虚拟仪器是虚拟现实技术在精密测试领域的应用，国内已有深入的研究。

一种是将多种数字化的测试仪器虚拟成一台以计算机为硬件支撑的数字式的智能化测试仪器；另一种是研究虚拟制造中的虚拟测量，如虚拟量块、虚拟坐标测量机等。（5）智能结构它属于结构检测与故障诊断，是融合智能技术、传感技术、信息技术、仿生技术、材料科学等的一门交叉学科，使监测的概念过渡到在线、动态、主动的实时监测与控制。

4、测量尺寸继续向着两个极端发展所谓两个极端就是指相对于现在测量尺寸的大尺寸和小尺寸。电工实训考核柜通常尺寸的测量已被广为注意，也开发了多种多样的测试方法。

近年来，由于国民经济的快速发展和迫切需要，使得很多方面的生产和工程中测试的要求超过了我们所能测试的范围，如飞机外形的测量、大型机械关键部件测量、高层建筑电梯导轨的准直测量、油罐车的现场校准等都要求能进行大尺寸测量；微电子技术、生物技术的快速发展，探索物质微观世界的需求，测量精度的不。