龙门式三坐标测量机

据国家知识产权局公告，青岛麦科三维测控技术股份有限公司取得一项名为“一种摩擦传动龙门式三坐标测量设备“，授权公告号CN109707812B，申请日期为2019年3月。专利摘要显示，本发明涉及自动化测量技术领域，特别涉及一种摩擦传动龙门式三坐标测量设备。包括外罩，支架，动力系统，传动系统，工作台，所述工作台的两侧设置有若干立柱，所述两侧的立柱上分别固定有Y向导轨，所述两侧的Y向导轨之间设有X向导轨，在X向导轨上通过滑架设有Z向导轨，所述Z向导轨的末端设有扫描测头,所述滑架及X向导轨的一端分别固定有辊轮钢带式摩擦传动系统，在Z向导轨上设有与动力系统连接的辊轮导轨式的摩擦传动系统。本发明通过使用辊轮钢带式摩擦传动系统和辊轮导轨式摩擦传动系统使三坐标测量机运行稳定性强，测量精度高，震动小，传动噪声小，结构简单。

三坐标测量机(Coordinate Measuring Machine，CMM)是指在一个六面体的空间范围内，能够表现几何形状、长度及圆周分度等测量能力的仪器，又称为三坐标测量仪或三次元。回顾三坐标测量机发展史坐标测量机问世于19世纪60年代，最早的坐标测量机是一个仅仅配备X、Y、Z三轴数显的三维设备。据悉，第一台三坐标测量机由英国Ferranti开发。之后，英国LK公司宣称生产了第一台桥式测量机。1973年，蔡司成功制造出全球第一台CNC坐标测量机-UMM 500并首先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。70年代中期，我国才开始三坐标测量机的研制，主要制造测量机的厂商有北京航空精密机械研究所（303所）、北京机床厂、上海机床厂、北京第二机床厂、天津大学、青岛前哨精密研究所、新天光学厂等等。由于当时测量机集成了光、机电一体化、补偿等技术因素，而国内水平有限，测量机的研制水平较低，主要以仿制外国产品为主，且没有成套的产品线。80年代，国内的生产厂商与国外生产厂商陆续合作，从国外引进生产许可证来生产，例如北京航空精密机械研究所和上海机床厂通过取得德国Leitz的生产许可证来生产测量机。1984年，青岛前哨精密研究所投入资金和科研团队研制测量机，并于1988年成功地制造出全花岗岩的高刚度高精度桥式固定测量机ZC8645，并在此基础上继续研发出多种不同尺寸、不同结构类型的测量机。到了90年代，青岛前哨精密研究所已经成为国内最主要的坐标测量机制造商。90年代，国内大型制造厂商的生产要求越来越高，对于测量机的需求越来越多，但其国内的生产和技术水平远达不到其测量标准。经过协商谈判，青岛前哨精密研究所与荷兰英狄沃斯公司成立了国内第一家测量机合资公司——青岛前哨英柯发设备有限公司，其技术水平与国际接轨。从1996年开始，青岛前哨英柯发设备有限公司产品稳坐国内第一宝座，并不断出口到国外多个地区。1999年，青岛前哨精密研究所与世界权威测量机制造厂商Brown＆Sharp合资，成立了青岛前哨朗普测量技术有限公司（Brown＆Sharp前哨）。之后，Brown＆Sharp集团被海克斯康集团收购。2004年，青岛前哨朗普测量技术有限公司更名为海克斯康测量技术（青岛）有限公司。目前，我国测量机的主要生产厂商有303所、西安爱德华、青岛雷顿等，国际比较著名的测量机生产厂家主要有瑞典海克斯康、德国蔡司、德国温泽以及日本三丰等公司，其中计量型测量机市场主要被蔡司和海克斯康垄断。国内外三坐标测量机产品比较目前，国内与国外产品的差距主要体现在以下三个方面：从精度等级上看，进口精密计量型测量机能达到0.5微米以内的检测精度，而国产设备最高仅能达到0.8微米，且测量行程低于进口机型。进口机型从结构设计到材料呈现多方向发展状态，而国内多家厂商的产品在结构和材料上几乎完全相同，缺少创新能力。进口机型的控制系统、测头及测量软件等一般都具有自主知识产权，掌握全部或大部分核心技术；而国产机型除机械本体外，其余关键组成部分均采用国外品牌，自主研发能力较弱，缺少核心技术。国外计量型坐标测量机产品性能参数国内计量型坐标测量机产品性能参数注：表来自 王帼媛,张忠欣. 坐标测量系统精度提升技术研究. 2019航空装备服务保障与维修技术论坛暨中国航空工业技术装备工程协会年会论文集. 表中精度的计算公式中：L为所测长度尺寸值，单位mm。国内三坐标测量机的主要差距三坐标测量机主流厂商及其产品目前，我国市场上三坐标测量机的主要进口仪器供应商有：瑞典海克斯康、德国蔡司、德国温泽、日本三丰、日本东京精密等。国内厂商主要有：西安力德、西安爱德华、北京303所、深圳力合、青岛弗尔迪、青岛雷顿等。其中，海克斯康和蔡司产品在中国市场的占有量较大。另外，中国三坐标测量机厂商主要集中在西安和青岛两地。海克斯康自成立以来，已收购200余家公司，现有七个产业单元：智能制造、测量、PPM（工程类软件研发）、智慧方案、矿山、自主定位、农业。在中国，海克斯康集团拥有徕卡测量系统贸易(北京)有限公司、徕卡测量系统(上海)有限公司、海克斯康测绘与地理信息系统(青岛)有限公司、海克斯康测量系统(武汉)有限公司、台湾海克斯康测量仪器股份有限公司、思瑞测量技术(深圳)有限公司等各类经营实体。其中，海克斯康测量技术(青岛)有限公司是海克斯康计量产业集团的核心成员和九大测量机制造基地之一。海克斯康三坐标产品涵盖高、中、低端市场，且主要在中、低端市场，在中国测量机行业的市场占有率较高。海克斯康对外表示：其在中国测量机行业的市场占有率超过45%，客户广泛分布在汽车行业、航空航天、电子行业、模具工装、精密制造、国防军工、重工能源和家电等领域，尤其中国军工企业所使用的超高精度三坐标测量机，98%由海克斯康生产制造；其三坐标设备销售额位于全球前三。蔡司（ZEISS）是一家制造光学系统、工业测量仪器和医疗设备的德国企业。公司的名称来源于它的创始人之一——德国光学家卡尔蔡司。它由卡尔蔡司(Carl Zeiss)、恩斯特卡尔阿贝(Ernst Karl Abbe)和奥托肖特(Otto Schott)于1846年在耶拿(Jena)建立。卡尔.蔡司集团由六个独立运作的部门组成，即半导体技术、医疗系统、显微镜、工业测量技术、电子光学系统和消费光学产品。蔡司的三坐标测量机主要为技术型的中高端产品，在我国的市场占有率也较高。蔡司其客户主要集中在汽车、飞机、机械工程等行业。蔡司对外表示：几乎所有的组车厂都有蔡司的三坐标，如一汽大众，占据了其测量产品99.9%的份额；其三坐标设备总销售额位于全球前三。德国温泽集团（WENZEL）创立于1968年，是一家计量解决方案制造商，产品涵盖三坐标测量机、齿轮测量中心、工业CT、模具设计制造、高速测量和数字化系统以及逆向工程等领域。温泽现在全球范围拥有16家子公司，销售及服务伙伴遍及50多个国家和地区的跨国集团。2005年，温泽测量仪器（上海）有限公司在中国成立，主要负责中国及亚洲地区的标准三坐标测量机的组装生产以及温泽全系列产品的销售。温泽三坐标产品主要应用于汽车制造、机械工程、机电制造及其配套领域，在中国具有一定的销售额。日本三丰（Mitutoyo）成立于1934年，向全球范围的广大市场提供千分尺、卡尺等量具以及三坐标测量机、形状测量系统、视像测量系统及光学仪器等系统精密测量仪，是全球综合长度测量仪器的制造商巨头。于2001年成立了以销售服务为主的现地法人企业——三丰精密量仪（上海）有限公司（上海三丰），并以此为契机，于2004年成立了以华北地区为主的销售服务基地的现地法人，三丰精密量仪（天津）有限公司（天津三丰），包括合资的Leeport Metrology公司。2012年，上海三丰与天津三丰进行组织统合。目前，三丰公司在中国完成了华北、华中、华东、华南地区的销售和服务等统合，由三丰精密量仪（上海）有限公司统一管理。三丰产品主要应用于模具、电子、塑胶、五金机械、家居、汽车等领域，在中国市场具有一定的份额。东京精密（ACCRETECH）主要从事半导体加工制造设备及精密测量仪器，并在华成立全资子公司东精精密设备（上海）有限公司,主要生产销售三坐标测量仪、表面粗糙度、轮廓形状测量机、圆柱度测量机、光学测量机，以及半导体制造设备。东京精密三坐标主要应用于模具、车身等，其品牌影响力不如蔡司和海克斯康，在中国有一定的销售额。西安力德测量设备有限公司是一家中英合资的三坐标测量机制造商，2005年成立，位于国家级西安高新技术产业开发区。三坐标测量机产品有：EXPERT系列高精度移动桥式三坐标测量机、FLY系列移动桥式三坐标测量机、GREAT系列单边桥式三坐标测量机、GREAT-D系列超大量程龙门式三坐标测量机、S系列车间型超高速三坐标测量机、DRAGON系列手动三坐标测量机、TOP系列超高精度固定桥式三坐标测量机等。其产品主要应用于汽车、航空航天、船舶、电子、模具、教学等。爱德华是总部位于德国，在中国、德国和法国均设有研发与生产基地，横跨欧亚大陆的大型测量产业集团。西安爱德华测量设备股份有限公司，中外合资，自1997年成立，是中国较早从事坐标测量设备研发、生产与销售的企业之一。三坐标测量机产品有：Daisy系列移动桥式三坐标测量机、LEGEND系列桥式三坐标测量机、ML-III系列数控三坐标测量机、MGH系列高精度三坐标测量机、Dreamer系列复合式三坐标测量机、Perfect系列影像坐标测量仪、Perfect L系列影像坐标测量仪等。主要生产中小尺寸的生产型测量机，广泛应用于电子、汽摩、航空航天、船舶、高铁、模具、教育、国防安全等行业。中国航空工业集团公司北京航空精密机械研究所（北京303所）系中国航空工业集团公司所属的综合性基础技术研究所，成立于1961年，全国第一台激光陀螺、第一台电液伺服阀、第一台超精密车床、第一台三轴测试转台、第一台三坐标测量机、中华世纪坛旋转圆坛等均出自于该研究所。该研究所同时拥有测试技术及装备方向5个研究事业部及2个研究中心，分别从事惯性测试及装备、环境试验技术与设备、特种加工技术与设备、三坐标测量技术、精密导电滑环设计技术以及数字化检测技术等方向研究。三坐标测量机产品有：FUTURE系列三坐标测量机、GEM系列三坐标测量机、CENTURY系列三坐标测量机、LM 系列三坐标测量机、ORIENT 系列三坐标测量机等。北京303所是国内早期研究三坐标测量机的单位之一，国有研究所性质，具有硕士学位授予权。产品主要应用领域为航空航天、汽车、能源机械、模具、军工等。深圳力合精密装备科技有限公司成立于2017年，是由清华大学投资发展的国家高新技术企业，主要从事精密测量设备、卫星机电产品的研发和生产。三坐标测量机产品有：LIBRA固定桥系列、POLARIS移动桥系列、TAURUS龙门系列。目前业务分布于珠三角，长三角，北京、上海、天津、长春、成都、烟台及福州等地区。产品主要应用领域有模具、汽车、叶片、镜头、齿轮等。青岛弗尔迪测控有限公司于2011年01月28日成立，总部位于青岛市崂山区，是集研发、生产、销售为一体的专业三坐标测量机国家高新技术企业。青岛弗尔迪是青岛市质量技术监督局指定的三坐标检测基地、三坐标培训基地；是三坐标几何量行业内较早通过计量考核标准的企业；公司拥有多家分支机构，已具有年产500台三坐标测量机的生产能力；产品畅销国内外，出口量已达到销售总量的近50%。弗尔迪主要生产中小尺寸的CNC自动式和手动式测量机，在山东青岛地区有三坐标检测基地和三坐标培训基地。产品广泛应用于船舶制造、航空、航天、机械制造、汽车、精密制造、新能源制造、模具工装及高等院校等领域。公司具有年产500台三坐标测量机的生产能力。青岛雷顿数控测量设备有限公司成立于2006年，由位于美国马里兰州的Leader Metrology Inc 国际计量产业集团投资设立。Leader公司中国制造基地各类测量设备的生产能力已达每年1000台套。三坐标测量机产品有：Miracle系列三坐标测量机、Excellent系列三坐标测量机、Cruiser系列三坐标测量机、Metroking系列三坐标测量机、Navigator系列三坐标测量机、三维激光扫描测量机、Optek系列全自动三坐标影像测量仪、Tornado系列三坐标测量机等。广泛应用于汽车工业、航空航天、机床工具、国防军工、电子塑胶及模具等领域。

一、 前言根据自有设备情况选用公司齿轮测量机、三坐标测量机作为数字化设备，分别对双联行星轮对齿精度进行测量。通过分析测量过程及测量结果，对三坐标测量机间接测量法进行改进，即通过对大小齿轮轮廓进行扫描，构造虚拟量棒直径计算对齿角度偏差，并根据这种测量方法编制了三坐标自动测量程序，提高了检测效率及准确性，保证产品的合格率至98%以上。二、实施背景（一）背景近年来，为降低矿山运输行业成本，提高效率，大型工程运输车开始设计生产，其中轮式自卸车比较热门，一直占据市场主导地位。当前，全球每年轮式自卸车销售额高达100亿美元以上，并且连续6年保持30%的增长率，足以说明一个新兴品类正在崛起。（二）现状轮式自卸车电动轮组成的主要部件为双联行星轮。行星齿轮传动与普通齿轮传动相比，具有重量轻、体积小、传递功率大、结构紧凑、承载能力高等一系列优点，在工业领域应用广泛。在行星传动的各种型式中,NW、NN及WW三种型式的行星齿轮为双联齿轮，当前国内研制和承接的轮边减速器产品中，NW型双联行星轮组的制造工艺难度系数最大。目前，只有GE、西门子等极少数国际大公司具备制造高品质双联行星轮组的能力，形成市场垄断，利润高达500%。最近几年，国内研制了多种双联行星轮组对，但制造过程复杂，工艺和产线瓶颈较多。大多数公司只能选择自行配对组装，但却无法满足与客户整机零件的互换，与行业中成熟产品存在较大差距，产品的销价差别也很大。 （三）实施的紧迫性目前，中车戚墅堰所已涉及共计6款双联行星轮的研制，双联行星轮不仅可以作为零部件安装在总成上，还可以作为成品进行销售。通常双联行星轮需要经过热套、精磨轴承档、磨齿修正三个工序，每个工序都要检测对齿精度，只有保证每次检测的稳定和效率，才能使成品的对齿精度控制在顺逆30秒以内。为攻克目前产品中对齿精度检测的难点，本文对轮边减速器中的行星轮组对齿精度的相关工艺及检测要求进行了讨论分析，助力企业有效地提高生产效率，降低质量风险，固化生产周期并降低生产成本。三、测量方法及改进（一）间接测量方案及参数确定1.双联齿轮对齿技术简介行星齿轮机构传动是指二个或三个双联行星齿轮工作时与太阳轮、内齿轮同时啮合而形成的传动系统。双联行星齿轮对齿在技术条件上一般要求上下联的齿或槽中心对正，常用的对齿和测量方法是用插齿刀对齿，用圆柱棒进行偏差测量。2.测量设备配置检测设备配置如下表1所示，三坐标测量机是20世纪60年代发展起来的一种高效率的新型精密测量仪器。它的优点是：(1)通用性强，可实现空间坐标点的测量，方便地测量出各种零件的三维轮廓尺寸和位置精度；(2)测量精度可靠；(3)可方便地进行数据处理和过程控制。因此，它被纳入自动化生产线和柔性加工线中，并成为一个重要的组成部分。齿轮测量机主要用于测量齿轮的轮齿精度，包括齿形、齿向误差、周节累积误差、径向跳动误差等，测量精度高。表1 检测所用设备设备名称型号生产厂家三坐标测量机MMZ G 303020德国蔡司ZEISS齿轮测量机P65德国克林贝格3.测量参数的确定选用1Z057双联行星轮作为测量件，它是由小行星轮和大行星轮组合而成的。(如图1) 图1 1Z057双联行星轮选用三坐标测量机进行对齿精度测量时，首先要确定测量圆柱棒的直径。通过查阅1Z057 双联行星轮的设计蓝图，了解大小行星轮的参数，再根据参数信息计算最佳圆柱棒直径进行测量。为保证测量结果的准确性, 量棒直径不可太大, 也不可太小；若直径太大,与齿廓的接触点有可能超出大径，若直径太小, 则量棒外圆将与槽底接触。以上两种情况都无法得出正确的测量结果。为避免这些情况,选择量棒直径时,应使量棒外圆与齿廓的接触点落在分度圆及其附近的任意位置上,一般在距小径的(1/ 3~ 2/ 3 齿高之间为宜。当量棒外圆与齿廓的接触点落在分度圆上时,可通过公式1得出量棒直径。 公式（1）其中dp是量棒直径，db是分度圆直径，α是齿形角，Z为齿数，对于渐开线标准圆柱齿轮db=mz；小行星轮模数为8.367，齿数为17，齿形角为25度。经计算最佳量棒直径为φ16.771；大行星轮模数为8.175，齿数为72，齿形角为25度。经计算最佳量棒直径为φ15.797。4.间接测量方案根据公式（1）计算结果，我们选用φ16的量棒进行间接测量，测量方法如图2。 图2 测量小行星轮（左）；测量大行星轮（右）先扫描上下两个轴承档连成公共轴线，确定轴线基准。将φ16的量棒卡入齿槽内，用探头确定量棒中心位置，建立坐标系，计算出上下中心的偏移量，得出对齿角度偏差。图3为测量数据报告，根据偏移量的正负值确定顺逆方向。 图3 测量数据5.数据验证选用齿轮测量机进行测量，首先找正双联齿轮的轴承档，输入大小行星轮参数，选择角度测量软件，自动扫描轴承档，确定基准中心线，然后扫描大小行星轮齿槽左右齿面的齿形轮廓和齿向轮廓，确定齿槽中心线，通过软件计算，得到偏转距离，从而得出对齿角度。测量过程如图4，数据报告如图5。 图4 测量小行星轮（左）；测量大行星轮（右）图5 测量数据6.数据对比及测量存在的不足通过量棒间接测量的对齿角度为44秒，而齿轮测量机测量结果为1分05秒。以齿轮测量机测量结果为参考值，两次测量存在21秒偏差，偏差交大。对比两种测量方法，间接测量法以手动操作为主，人为不确定性较大；齿轮测量机通过扫描齿形轮廓和齿向轮廓确定齿槽中心线，得出对齿角度，数据精准性较高，但是起吊、找正及测量时间较长，效率低下，无法满足生产进度。（二）对齿精度检测工艺优化改善间接测量法测量结果偏差较大，特对其进行改进。首先选取小齿轮的上端面作为空转方向，小齿轮上端圆作为圆心，小齿轮两边对齿的中心点作为旋转方向建立初定位坐标系；通过初定位坐标系，三坐标测量机能够快速准确地扫描工件的上下两个轴承档并使其公共轴线成为基准；再通过三坐标测量机运用未知曲线扫描功能对上下齿轮中部（即齿向最高点）的齿槽两边进行扫描，得到2条V形曲线（如图6）。构造与V形曲线相切的两个虚拟圆形，小行星轮选择直径为φ16.771的圆，大行星轮选择直径为φ15.797的圆（如图7）。以轴线作为基准，小行星轮虚拟圆圆心到轴线的连线作为方向基准建立坐标轴。通过计算两个虚拟圆圆心到轴线连线的夹角得出对齿角度。 图6 扫描程序图7 小行星轮拟合圆（左）；大行星轮拟合圆（右）表2 双联行星轮对齿角度数据序号改进前（三坐标）改进后（三坐标）（齿轮仪）方向10’40”0’22”0’20”顺时针20’38”0’18”0’20”顺时针30’42”0’23”0’20”逆时针40’20”0’13”0’10”逆时针50’15”0’36”0’35”逆时针60’40”0’51”0’50”逆时针70’28”0’9”0’12”顺时针80’30”0’13”0’13”顺时针90’5”0’21”0’20”顺时针100’13”0’35”0’35”顺时针110’30”0’15”0’12”顺时针120’28”0’10”0’12”逆时针130’5”0’24”0’20”顺时针140’45”0’24”0’25”顺时针150’5”0’25”0’23”顺时针160’10”0’30”0’29”顺时针170’5”0’20”0’20”顺时针180’30”0’10”0’5”逆时针190’24”0’23”0’25”逆时针200’19”0’40”0’38”顺时针210’28”0’14”0’10”顺时针220’13”0’32”0’30”顺时针230’10”0’30”0’32”顺时针240’40”0’25”0’25”顺时针250’15”0’33”0’30”顺时针260’29”0’22”0’20”逆时针270’42”0’22”0’25”顺时针280’8”0’29”0’28”逆时针290’28”0’16”0’12”逆时针300’40”0’20”0’21”顺时针平均偏差0’16”0’2”表2为30件工件的测量数据，以齿轮仪测量结果作为参考值。对比可见，改进前的数据平均偏差为16”，改进后的数据平均偏差为2”，表明改进后三坐标测量数据的稳定性及精确度都有了进一步提升，与齿轮仪的测量数据偏差较小，满足设计要求，提升测试效率，为双联行星轮的加工提供了强有力的数据支持，也为公司打破垄断走向市场提供了关键的检测技术支持。四、实施效果及意义通过对间接法进行改进优化，三坐标测量机适用于各类型双联行星轮组的对齿精度检测。对齿精度检测工艺的优化，也大大提升了产品合格率，取得了巨大成效，主要有以下4个方面。1.双联行星轮对齿精度合格率达98%；2.双联行星轮制造成本降低10%，产品质量和市场竞争力获得极大提高；3.双联行星轮的检测周期缩短20%，由以前的2天以上缩短至1天；4.双联行星轮可实现90%成品的对齿精度在正负30秒以内，媲美GE、西门子等公司同类产品要求。参考文献[1] 王兰群 张国建.渐开线花键M值得测量及量棒直径的选择 2005.9.1[2] 张志宏 张和平 双联行星齿轮模拟装配 2005.8.26[3] 郭海风 张丽 双联行星齿轮对齿技术 1994.1.1本文作者：中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司计量检测工程师 蒋瑞骐