三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x初步講解

一、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的組成及工作原理

　　（一）CMM的組成

　　三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是典型的機(jī)電一體化設(shè)備，它由機(jī)械系統(tǒng)和電子系統(tǒng)兩大部分組成。

　　（1）機(jī)械系統(tǒng)：一般由三個(gè)正交的直線運(yùn)動(dòng)軸構(gòu)成。如圖9-1所示結(jié)構(gòu)中，X向?qū)к壪到y(tǒng)裝在工作臺(tái)上，移動(dòng)橋架橫梁是Y向?qū)к壪到y(tǒng)，Z向?qū)к壪到y(tǒng)裝在中央滑架內(nèi)。三個(gè)方向軸上均裝有光柵尺用以度量各軸位移值。人工驅(qū)動(dòng)的手輪及機(jī)動(dòng)、數(shù)控驅(qū)動(dòng)的電機(jī)一般都在各軸附近。用來(lái)觸測(cè)被檢測(cè)零件表面的測(cè)頭裝在Z軸端部。

　　（2）電子系統(tǒng)：一般由光柵計(jì)數(shù)系統(tǒng)、測(cè)頭信號(hào)接口和計(jì)算機(jī)等組成，用于獲得被測(cè)坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

　　（二）CMM的工作原理

　　三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是基于坐標(biāo)測(cè)量的通用化數(shù)字測(cè)量設(shè)備。它首先將各被測(cè)幾何元素的測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)這些幾何元素上一些點(diǎn)集坐標(biāo)位置的測(cè)量，在測(cè)得這些點(diǎn)的坐標(biāo)位置后，再根據(jù)這些點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算求出其尺寸和形位誤差。如圖9-2所示，要測(cè)量工件上一圓柱孔的直徑，可以在垂直于孔軸線的截面I內(nèi)，觸測(cè)內(nèi)孔壁上三個(gè)點(diǎn)（點(diǎn)1、2、3），則根據(jù)這三點(diǎn)的坐標(biāo)值就可計(jì)算出孔的直徑及圓心坐標(biāo)OI；如果在該截面內(nèi)觸測(cè)更多的點(diǎn)（點(diǎn)1，2，…，n，n為測(cè)點(diǎn)數(shù)），則可根據(jù)最小二乘法或最小條件法計(jì)算出該截面圓的圓度誤差；如果對(duì)多個(gè)垂直于孔軸線的截面圓（I，II，…，m，m為測(cè)量的截面圓數(shù)）進(jìn)行測(cè)量，則根據(jù)測(cè)得點(diǎn)的坐標(biāo)值可計(jì)算出孔的圓柱度誤差以及各截面圓的圓心坐標(biāo)，再根據(jù)各圓心坐標(biāo)值又可計(jì)算出孔軸線位置；如果再在孔端面A上觸測(cè)三點(diǎn)，則可計(jì)算出孔軸線對(duì)端面的位置度誤差。由此可見(jiàn)，CMM的這一工作原理使得其具有很大的通用性與柔性。從原理上說(shuō)，它可以測(cè)量任何工件的任何幾何元素的任何參數(shù)。

　　二、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的分類(lèi)

　　（一）按CMM的技術(shù)水平分類(lèi)

　　1．?dāng)?shù)字顯示及打印型

　　這類(lèi)CMM主要用于幾何尺寸測(cè)量，可顯示并打印出測(cè)得點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，但要獲得所需的幾何尺寸形位誤差，還需進(jìn)行人工運(yùn)算，其技術(shù)水平較低，目前已基本被陶汰。

　　2．帶有計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理型

　　這類(lèi)CMM技術(shù)水平略高，目前應(yīng)用較多。其測(cè)量仍為手動(dòng)或機(jī)動(dòng)，但用計(jì)算機(jī)處理測(cè)量數(shù)據(jù)，可完成諸如工件安裝傾斜的自動(dòng)校正計(jì)算、坐標(biāo)變換、孔心距計(jì)算、偏差值計(jì)算等數(shù)據(jù)處理工作。

　　3．計(jì)算機(jī)數(shù)字控制型

　　這類(lèi)CMM技術(shù)水平較高，可像數(shù)控機(jī)床一樣，按照編制好的程序自動(dòng)測(cè)量。

　　（二）按CMM的測(cè)量范圍分類(lèi)

　　1．小型坐標(biāo)測(cè)量機(jī)

　　這類(lèi)CMM在其最長(zhǎng)一個(gè)坐標(biāo)軸方向（一般為X軸方向）上的測(cè)量范圍小于500mm，主要用于小型精密模具、工具和刀具等的測(cè)量。

　　2．中型坐標(biāo)測(cè)量機(jī)

　　這類(lèi)CMM在其最長(zhǎng)一個(gè)坐標(biāo)軸方向上的測(cè)量范圍為500～2000mm，是應(yīng)用最多的機(jī)型，主要用于箱體、模具類(lèi)零件的測(cè)量。

　　3．大型坐標(biāo)測(cè)量機(jī)

　　這類(lèi)CMM在其最長(zhǎng)一個(gè)坐標(biāo)軸方向上的測(cè)量范圍大于2000mm，主要用于汽車(chē)與發(fā)動(dòng)機(jī)外殼、航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等大型零件的測(cè)量。

　　（三）按CMM的精度分類(lèi)

　　1．精密型CMM

　　其單軸最大測(cè)量不確定度小于1×10－6L（L為最大量程，單位為mm），空間最大測(cè)量不確定度小于（2～3）×10－6L，一般放在具有恒溫條件的計(jì)量室內(nèi)，用于精密測(cè)量。

　　2．中、低精度CMM

　　低精度CMM的單軸最大測(cè)量不確定度大體在1×10－4L左右，空間最大測(cè)量不確定度為（2～3）×10－4L，中等精度CMM的單軸最大測(cè)量不確定度約為1×10－5L，空間最大測(cè)量不確定度為（2～3）×10－5L。這類(lèi)CMM一般放在生產(chǎn)車(chē)間內(nèi)，用于生產(chǎn)過(guò)程檢測(cè)。

　　（四）按CMM的結(jié)構(gòu)形式分類(lèi)

　　按照結(jié)構(gòu)形式，CMM可分為移動(dòng)橋式、固定橋式、龍門(mén)式、懸臂式、立柱式等，見(jiàn)下節(jié)。

　　第二節(jié)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

　　一、結(jié)構(gòu)形式

　　三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是由三個(gè)正交的直線運(yùn)動(dòng)軸構(gòu)成的，這三個(gè)坐標(biāo)軸的相互配置位置（即總體結(jié)構(gòu)形式）對(duì)測(cè)量機(jī)的精度以及對(duì)被測(cè)工件的適用性影響較大。

　　二、工作臺(tái)

　　早期的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的工作臺(tái)一般是由鑄鐵或鑄鋼制成的，但近年來(lái)，各生產(chǎn)廠家已廣泛采用花崗巖來(lái)制造工作臺(tái)，這是因?yàn)榛◢弾r變形小、穩(wěn)定性好、耐磨損、不生銹，且價(jià)格

　　低廉、易于加工。有些測(cè)量機(jī)裝有可升降的工作臺(tái)，以擴(kuò)大Z軸的測(cè)量范圍，還有些測(cè)量機(jī)備有旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，以擴(kuò)大測(cè)量功能。

　　三、導(dǎo)軌

　　導(dǎo)軌是測(cè)量機(jī)的導(dǎo)向裝置，直接影響測(cè)量機(jī)的精度，因而要求其具有較高的直線性精度。在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上使用的導(dǎo)軌有滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌和氣浮導(dǎo)軌，但常用的為滑動(dòng)導(dǎo)軌和氣浮導(dǎo)軌，滾動(dòng)導(dǎo)軌應(yīng)用較少，因?yàn)闈L動(dòng)導(dǎo)軌的耐磨性較差，剛度也較滑動(dòng)導(dǎo)軌低。在早期的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)中，許多機(jī)型采用的是滑動(dòng)導(dǎo)軌。滑動(dòng)導(dǎo)軌精度高，承載能力強(qiáng)，但摩擦阻力大，易磨損，低速運(yùn)行時(shí)易產(chǎn)生爬行，也不易在高速下運(yùn)行，有逐步被氣浮導(dǎo)軌取代的趨勢(shì)。目前，多數(shù)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)已采用空氣靜壓導(dǎo)軌（又稱(chēng)為氣浮導(dǎo)軌、氣墊導(dǎo)軌），它具有許多優(yōu)點(diǎn)，如制造簡(jiǎn)單、精度高、摩擦力極小、工作平穩(wěn)等。

　　氣浮技術(shù)的發(fā)展使三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在加工周期和精度方面均有很大的突破。目前不少生產(chǎn)廠在尋找高強(qiáng)度輕型材料作為導(dǎo)軌材料，有些生產(chǎn)廠已選用陶瓷或高膜量型的碳素纖維作為移動(dòng)橋架和橫梁上運(yùn)動(dòng)部件的材料。另外，為了加速熱傳導(dǎo)，減少熱變形，ZEISS公司采用帶涂層的抗時(shí)效合金來(lái)制造導(dǎo)軌，使其時(shí)效變形極小且使其各部分的溫度更加趨于均勻一致，從而使整機(jī)的測(cè)量精度得到了提高，而對(duì)環(huán)境溫度的要求卻又可以放寬些。

　　第三節(jié)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量系統(tǒng)

　　三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量系統(tǒng)由標(biāo)尺系統(tǒng)和測(cè)頭系統(tǒng)構(gòu)成，它們是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的關(guān)鍵組成部分，決定著CMM測(cè)量精度的高低。

　　一、標(biāo)尺系統(tǒng)

　　標(biāo)尺系統(tǒng)是用來(lái)度量各軸的坐標(biāo)數(shù)值的，目前三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上使用的標(biāo)尺系統(tǒng)種類(lèi)很多，它們與在各種機(jī)床和儀器上使用的標(biāo)尺系統(tǒng)大致相同，按其性質(zhì)可以分為機(jī)械式標(biāo)尺系統(tǒng)（如精密絲杠加微分鼓輪，精密齒條及齒輪，滾動(dòng)直尺）、光學(xué)式標(biāo)尺系統(tǒng)（如光學(xué)讀數(shù)刻線尺，光學(xué)編碼器，光柵，激光干涉儀）和電氣式標(biāo)尺系統(tǒng)（如感應(yīng)同步器，磁柵）。根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)CMM所使用的標(biāo)尺系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析可知，使用最多的是光柵，其次是感應(yīng)同步器和光學(xué)編碼器。有些高精度CMM的標(biāo)尺系統(tǒng)采用了激光干涉儀。

　　二、測(cè)頭系統(tǒng)

　　（一）測(cè)頭

　　三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是用測(cè)頭來(lái)拾取信號(hào)的，因而測(cè)頭的性能直接影響測(cè)量精度和測(cè)量效率，沒(méi)有先進(jìn)的測(cè)頭就無(wú)法充分發(fā)揮測(cè)量機(jī)的功能。在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上使用的測(cè)頭，按結(jié)構(gòu)原理可分為機(jī)械式、光學(xué)式和電氣式等；而按測(cè)量方法又可分為接觸式和非接觸式兩類(lèi)。

　　1．機(jī)械接觸式測(cè)頭

　　機(jī)械接觸式測(cè)頭為剛性測(cè)頭，根據(jù)其觸測(cè)部位的形狀，可以分為圓錐形測(cè)頭、圓柱形測(cè)頭、球形測(cè)頭、半圓形測(cè)頭、點(diǎn)測(cè)頭、V型塊測(cè)頭等（如圖9-5所示）。這類(lèi)測(cè)頭的形狀簡(jiǎn)單，制造容易，但是測(cè)量力的大小取決于操作者的經(jīng)驗(yàn)和技能，因此測(cè)量精度差、效率低。目前除少數(shù)手動(dòng)測(cè)量機(jī)還采用此種測(cè)頭外，絕大多數(shù)測(cè)量機(jī)已不再使用這類(lèi)測(cè)頭。

　　2．電氣接觸式測(cè)頭

　　電氣接觸式測(cè)頭目前已為絕大部分坐標(biāo)測(cè)量機(jī)所采用，按其工作原理可分為動(dòng)態(tài)測(cè)頭和靜態(tài)測(cè)頭。

　　（1）動(dòng)態(tài)測(cè)頭

　　測(cè)桿安裝在芯體上，而芯體則通過(guò)三個(gè)沿圓周1200分布的鋼球安放在三對(duì)觸點(diǎn)上，當(dāng)測(cè)桿沒(méi)有受到測(cè)量力時(shí)，芯體上的鋼球與三對(duì)觸點(diǎn)均保持接觸，當(dāng)測(cè)桿的球狀端部與工件接觸時(shí)，不論受到X、Y、Z哪個(gè)方向的接觸力，至少會(huì)引起一個(gè)鋼球與觸點(diǎn)脫離接觸，從而引起電路的斷開(kāi)，產(chǎn)生階躍信號(hào)，直接或通過(guò)計(jì)算機(jī)控制采樣電路，將沿三個(gè)軸方向的坐標(biāo)數(shù)據(jù)送至存儲(chǔ)器，供數(shù)據(jù)處理用。

　　可見(jiàn)，測(cè)頭是在觸測(cè)工件表面的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，瞬間進(jìn)行測(cè)量采樣的，故稱(chēng)為動(dòng)態(tài)測(cè)頭，也稱(chēng)為觸發(fā)式測(cè)頭。動(dòng)態(tài)測(cè)頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，可用于高速測(cè)量，但精度稍低，而且動(dòng)態(tài)測(cè)頭不能以接觸狀態(tài)停留在工件表面，因而只能對(duì)工件表面作離散的逐點(diǎn)測(cè)量，不能作連續(xù)的掃描測(cè)量。目前，絕大多數(shù)生產(chǎn)廠選用英國(guó)RENISHAW公司生產(chǎn)的觸發(fā)式測(cè)頭。

　　（2）靜態(tài)測(cè)頭

　　靜態(tài)測(cè)頭除具備觸發(fā)式測(cè)頭的觸發(fā)采樣功能外，還相當(dāng)于一臺(tái)超小型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。測(cè)頭中有三維幾何量傳感器，在測(cè)頭與工件表面接觸時(shí)，在X、Y、Z三個(gè)方向均有相應(yīng)的位移量輸出，從而驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，使測(cè)頭停在規(guī)定的位移量上，在測(cè)頭接近靜止的狀態(tài)下采集三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，故稱(chēng)為靜態(tài)測(cè)頭。靜態(tài)測(cè)頭沿工件表面移動(dòng)時(shí)，可始終保持接觸狀態(tài)，進(jìn)行掃描測(cè)量，因而也稱(chēng)為掃描測(cè)頭。其主要特點(diǎn)是精度高，可以作連續(xù)掃描，但制造技術(shù)難度大，采樣速度慢，價(jià)格昂貴，適合于高精度測(cè)量機(jī)使用。目前由LEITZ、ZEISS和KERRY等廠家生產(chǎn)的靜態(tài)測(cè)頭均采用電感式位移傳感器，此時(shí)也將靜態(tài)測(cè)頭稱(chēng)為三向電感測(cè)頭。圖9-7為ZEISS公司生產(chǎn)的雙片簧層疊式三維電感測(cè)頭的結(jié)構(gòu)。

　　測(cè)頭采用三層片簧導(dǎo)軌形式，三個(gè)方向共有三層，每層由兩個(gè)片簧懸吊。轉(zhuǎn)接座17借助兩個(gè)X向片簧16構(gòu)成的平行四邊形機(jī)構(gòu)可作X向運(yùn)動(dòng)。該平行四邊形機(jī)構(gòu)固定在由Y向片簧1構(gòu)成的平行四邊形機(jī)構(gòu)的下方，借助片簧1，轉(zhuǎn)接座可作Y向運(yùn)動(dòng)。Y向平行四邊形機(jī)構(gòu)固定在由Z向片簧3構(gòu)成的平行四邊形機(jī)構(gòu)的下方，依靠它的片簧，轉(zhuǎn)接座可作Z向運(yùn)動(dòng)。為了增強(qiáng)片簧的剛度和穩(wěn)定性，片簧中間為金屬夾板。為保證測(cè)量靈敏、精確，片簧不能太厚，一般取0.1mm。由于Z向?qū)к壥撬桨惭b，故用三組彈簧2、14、15加以平衡。可調(diào)彈簧14的上方有一螺紋調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，通過(guò)平衡力調(diào)節(jié)微電機(jī)10轉(zhuǎn)動(dòng)平衡力調(diào)節(jié)螺桿11，使平衡力調(diào)節(jié)螺母套13產(chǎn)生升降來(lái)自動(dòng)調(diào)整平衡力的大小。為了減小Z向彈簧片受剪切力而產(chǎn)生變位，設(shè)置了彈簧2和15，分別用于平衡測(cè)頭Y向和X向部件的自重。

　　在每一層導(dǎo)軌中各設(shè)置有三個(gè)部件：①鎖緊機(jī)構(gòu)：如圖9-7b所示，在其定位塊24上有一凹槽，與鎖緊杠桿22上的鎖緊鋼球23精確配合，以確定導(dǎo)軌的“零位"。在需打開(kāi)時(shí)，可讓電機(jī)20反轉(zhuǎn)一角度，則此時(shí)該向?qū)к壧幱谧杂蔂顟B(tài)。需鎖緊時(shí)，再使電機(jī)正轉(zhuǎn)一角度即可。②位移傳感器：用以測(cè)量位移量的大小，如圖9-7c所示，在兩層導(dǎo)軌上，一面固定磁芯27，另一面固定線圈26和線圈支架25。③阻尼機(jī)構(gòu)：用以減小高分辨率測(cè)量時(shí)外界振動(dòng)的影響。如圖9-7d所示，在作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的上阻尼支架28和下阻尼支架31上各固定阻尼片29和30，在兩阻尼片間形成毛細(xì)間隙，中間放入粘性硅油，使兩層導(dǎo)軌在運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生阻尼力，避免由于片簧機(jī)構(gòu)過(guò)于靈敏而產(chǎn)生振蕩。

　　（3）光學(xué)測(cè)頭

　　在多數(shù)情況下，光學(xué)測(cè)頭與被測(cè)物體沒(méi)有機(jī)械接觸，這種非接觸式測(cè)量具有一些突出優(yōu)點(diǎn)，主要體現(xiàn)在：1）由于不存在測(cè)量力，因而適合于測(cè)量各種軟的和薄的工件；2）由于是非接觸測(cè)量，可以對(duì)工件表面進(jìn)行快速掃描測(cè)量；3）多數(shù)光學(xué)測(cè)頭具有比較大的量程，這是一般接觸式測(cè)頭難以達(dá)到的；4）可以探測(cè)工件上一般機(jī)械測(cè)頭難以探測(cè)到的部位。近年來(lái)，光學(xué)測(cè)頭發(fā)展較快，目前在坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上應(yīng)用的光學(xué)測(cè)頭的種類(lèi)也較多，如三角法測(cè)頭、激光聚集測(cè)頭、光纖測(cè)頭、體視式三維測(cè)頭、接觸式光柵測(cè)頭等。下面簡(jiǎn)要介紹一下三角法測(cè)頭的工作原理。（二）測(cè)頭附件

　　為了擴(kuò)大測(cè)頭功能、提高測(cè)量效率以及探測(cè)各種零件的不同部位，常需為測(cè)頭配置各種附件，如測(cè)端、探針、連接器、測(cè)頭回轉(zhuǎn)附件等。

　　1．測(cè)端

　　對(duì)于接觸式測(cè)頭，測(cè)端是與被測(cè)工件表面直接接觸的部分。對(duì)于不同形狀的表面需要采用不同的測(cè)端。圖9-9為一些常見(jiàn)的測(cè)端形狀。

　　2．探針

　　探針是指可更換的測(cè)桿。在有些情況下，為了便于測(cè)量，需選用不同的探針。探針對(duì)測(cè)量能力和測(cè)量精度有較大影響，在選用時(shí)應(yīng)注意：1）在滿(mǎn)足測(cè)量要求的前提下，探針應(yīng)盡量短；2）探針直徑必須小于測(cè)端直徑，在不發(fā)生干涉條件下，應(yīng)盡量選大直徑探針；3）在需要長(zhǎng)探針時(shí)，可選用硬質(zhì)合金探針，以提高剛度。若需要特別長(zhǎng)的探針，可選用質(zhì)量較輕的陶瓷探針。

　　3．連接器

　　為了將探針連接到測(cè)頭上、測(cè)頭連接到回轉(zhuǎn)體上或測(cè)量機(jī)主軸上，需采用各種連接器。常用的有星形探針連接器、連接軸、星形測(cè)頭座等。

　　4．回轉(zhuǎn)附件

　　對(duì)于有些工件表面的檢測(cè)，比如一些傾斜表面、整體葉輪葉片表面等，僅用與工作臺(tái)垂直的探針探測(cè)將無(wú)法完成要求的測(cè)量，這時(shí)就需要借助一定的回轉(zhuǎn)附件，使探針或整個(gè)測(cè)頭回轉(zhuǎn)一定角度再進(jìn)行測(cè)量，從而擴(kuò)大測(cè)頭的功能。

　　常用的回轉(zhuǎn)附件為如圖9-11a所示的測(cè)頭回轉(zhuǎn)體。它可以繞水平軸A和垂直軸B回轉(zhuǎn)，在它的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中有精密的分度機(jī)構(gòu)，其分度原理類(lèi)似于多齒分度盤(pán)。在靜盤(pán)中有48根沿圓周均勻分布的圓柱，而在動(dòng)盤(pán)中有與之相應(yīng)的48個(gè)鋼球，從而可實(shí)現(xiàn)以7.5o為步距的轉(zhuǎn)位。它繞垂直軸的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為360o，共48個(gè)位置，繞水平軸的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為0o～105o，共15個(gè)位置。由于在繞水平軸轉(zhuǎn)角為0o（即測(cè)頭垂直向下）時(shí)，繞垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)不改變測(cè)端位置，這樣測(cè)端在空間一共可有48×14＋1＝673個(gè)位置。能使測(cè)頭改變姿態(tài)，以擴(kuò)展從各個(gè)方向接近工件的能力。目前在測(cè)量機(jī)上使用較多的測(cè)頭回轉(zhuǎn)體為RENISHAW公司生產(chǎn)的各種測(cè)頭回轉(zhuǎn)體，

　　第四節(jié)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的控制系統(tǒng)

　　一、控制系統(tǒng)的功能

　　控制系統(tǒng)是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的關(guān)鍵組成部分之一。其主要功能是：讀取空間坐標(biāo)值，控制測(cè)量瞄準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)測(cè)頭信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)與處理，控制機(jī)械系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)測(cè)量所必需的運(yùn)動(dòng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的狀態(tài)以保障整個(gè)系統(tǒng)的安全性與可靠性等。

　　二、控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

　　按自動(dòng)化程度分類(lèi)，坐標(biāo)測(cè)量機(jī)分為手動(dòng)型、機(jī)動(dòng)型和CNC型。早期的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)以手動(dòng)型和機(jī)動(dòng)型為主，其測(cè)量是由操作者直接手動(dòng)或通過(guò)操縱桿完成各個(gè)點(diǎn)的采樣，然后在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，CNC型控制系統(tǒng)變得日益普及，它是通過(guò)程序來(lái)控制坐標(biāo)測(cè)量機(jī)自動(dòng)進(jìn)給和進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，同時(shí)在計(jì)算機(jī)中完成數(shù)據(jù)處理。

　　1．手動(dòng)型與機(jī)動(dòng)型控制系統(tǒng)

　　這類(lèi)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，價(jià)格低廉，在車(chē)間中應(yīng)用較廣。這兩類(lèi)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的標(biāo)尺系統(tǒng)通常為光柵，測(cè)頭一般采用觸發(fā)式測(cè)頭。其工作過(guò)程是：每當(dāng)觸發(fā)式測(cè)頭接觸工件時(shí)，測(cè)頭發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)測(cè)頭控制接口向CPU發(fā)出一個(gè)中斷信號(hào)，CPU則執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，實(shí)時(shí)地讀出計(jì)數(shù)接口單元的數(shù)值，計(jì)算出相應(yīng)的空間長(zhǎng)度，形成采樣坐標(biāo)值X、Y和Z，并將其送入采樣數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，供后續(xù)的數(shù)據(jù)處理使用。

　　2．CNC型控制系統(tǒng)

　　CNC型控制系統(tǒng)的測(cè)量進(jìn)給是計(jì)算機(jī)控制的。它可以通過(guò)程序?qū)y(cè)量機(jī)各軸的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制以及對(duì)測(cè)量機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量。另外，它也可以通過(guò)操縱桿進(jìn)行手工測(cè)量。CNC型控制系統(tǒng)又可分為集中控制與分布控制兩類(lèi)。

　　（1）集中控制

　　集中控制由一個(gè)主CPU實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)與坐標(biāo)值的采樣，完成主計(jì)算機(jī)命令的接收、解釋與執(zhí)行、狀態(tài)信息及數(shù)據(jù)的回送與實(shí)時(shí)顯示、控制命令的鍵盤(pán)輸入及安全監(jiān)測(cè)等任務(wù)。它的運(yùn)動(dòng)控制是由一個(gè)獨(dú)立模塊完成的，該模塊是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，完成單軸的伺服控制、三軸聯(lián)動(dòng)以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。從功能上看，運(yùn)動(dòng)控制CPU既要完成數(shù)字調(diào)節(jié)器的運(yùn)算，又要進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，運(yùn)算量大，其實(shí)時(shí)性與測(cè)量進(jìn)給速度取決于CPU的速度。

　　（2）分布式控制

　　分布式控制是指系統(tǒng)中使用多個(gè)CPU，每個(gè)CPU完成特定的控制，同時(shí)這些CPU協(xié)調(diào)工作，共同完成測(cè)量任務(wù)，因而速度快，提高了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。另外，分布式控制的特點(diǎn)是多CPU并行處理，由于它是單元式的，故維修方便、便于擴(kuò)充。如要增加一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)只需在系統(tǒng)中再擴(kuò)充一個(gè)單軸控制單元，并定義它在總線上的地址和增加相應(yīng)的軟件就可以了。

　　三、測(cè)量進(jìn)給控制

　　手動(dòng)型以外的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是通過(guò)操縱桿或CNC程序?qū)λ欧姍C(jī)進(jìn)行速度控制，以此來(lái)控制測(cè)頭和測(cè)量工作臺(tái)按設(shè)定的軌跡作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的測(cè)量。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量進(jìn)給與數(shù)控機(jī)床的加工進(jìn)給基本相同，但其對(duì)運(yùn)動(dòng)精度、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性及響應(yīng)速度的要求更高。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制包括單軸伺服控制和多軸聯(lián)動(dòng)控制。單軸伺服控制較為簡(jiǎn)單，各軸的運(yùn)動(dòng)控制由各自的單軸伺服控制器完成。但當(dāng)要求測(cè)頭在三維空間按預(yù)定的軌跡相對(duì)于工件運(yùn)動(dòng)時(shí)，則需要CPU控制三軸按一定的算法聯(lián)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)頭的空間運(yùn)動(dòng)，這樣的控制由上述單軸伺服控制及插補(bǔ)器共同完成。在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)控制系統(tǒng)中，插補(bǔ)器由CPU程序控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)設(shè)定的軌跡，CPU不斷地向三軸伺服控制系統(tǒng)提供坐標(biāo)軸的位置命令，單軸伺服控制系統(tǒng)則不斷地跟蹤，從而使測(cè)頭一步一步地從起始點(diǎn)向終點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。

　　四、控制系統(tǒng)的通信

　　控制系統(tǒng)的通信包括內(nèi)通信和外通信。內(nèi)通信是指主計(jì)算機(jī)與控制系統(tǒng)兩者之間相互傳送命令、參數(shù)、狀態(tài)與數(shù)據(jù)等，這些是通過(guò)聯(lián)接主計(jì)算機(jī)與控制系統(tǒng)的通信總線實(shí)現(xiàn)的。外通信則是指當(dāng)CMM作為FMS系統(tǒng)或CIMS系統(tǒng)中的組成部分時(shí)，控制系統(tǒng)與其它設(shè)備間的通信。目前用于坐標(biāo)測(cè)量機(jī)通信的主要有串行RS－232標(biāo)準(zhǔn)與并行IEEE－488標(biāo)準(zhǔn)。

　　第五節(jié)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的軟件系統(tǒng)

　　現(xiàn)代三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)都配備有計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)來(lái)采集數(shù)據(jù)，通過(guò)運(yùn)算輸出所需的測(cè)量結(jié)果。其軟件系統(tǒng)功能的強(qiáng)弱直接影響到測(cè)量機(jī)的功能。因此各坐標(biāo)測(cè)量機(jī)生產(chǎn)廠家都非常重視軟件系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)，在這方面投入的人力和財(cái)力的比例在不斷增加。下面對(duì)在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)中使用的軟件作簡(jiǎn)要介紹。

　　一、編程軟件

　　為了使三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量，需要事前編制好相應(yīng)的測(cè)量程序。而這些測(cè)量程序的編制有以下幾種方式。

　　（一）圖示及窗口編程方式

　　圖示及窗口編程是的方式，它是通過(guò)圖形菜單選擇被測(cè)元素，建立坐標(biāo)系，并通過(guò)“窗口"提示選擇操作過(guò)程及輸入?yún)?shù)，編制測(cè)量程序。該方式僅適用于比較簡(jiǎn)單的單項(xiàng)幾何元素測(cè)量的程序編制。

　　（二）自學(xué)習(xí)編程方式

　　這種編程方式是在CNC測(cè)量機(jī)上，由操作者引導(dǎo)測(cè)量過(guò)程，并鍵入相應(yīng)指令，直到完成測(cè)量，而由計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄下操作者手動(dòng)操作的過(guò)程及相關(guān)信息，并自動(dòng)生成相應(yīng)的測(cè)量程序，若要重復(fù)測(cè)量同種零件，只需調(diào)用該測(cè)量程序，便可自動(dòng)完成以前記錄的全部測(cè)量過(guò)程。該方式適合于批量檢測(cè)，也屬于比較簡(jiǎn)單的編程方式。

　　（三）脫機(jī)編程

　　這種方式是采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)生產(chǎn)廠家提供的專(zhuān)用測(cè)量機(jī)語(yǔ)言在其它通用計(jì)算機(jī)上預(yù)先編制好測(cè)量程序，它與坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的開(kāi)啟無(wú)關(guān)。編制好程序后再到測(cè)量機(jī)上試運(yùn)行，若發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤則進(jìn)行修改。其優(yōu)點(diǎn)是能解決很復(fù)雜的測(cè)量工作，缺點(diǎn)是容易出錯(cuò)。

　　（四）自動(dòng)編程

　　在計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)中，通常由CAD/CAM系統(tǒng)自動(dòng)生成測(cè)量程序。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)一方面讀取由CAD系統(tǒng)生成的設(shè)計(jì)圖紙數(shù)據(jù)文件，自動(dòng)構(gòu)造虛擬工件，另一方面接受由CAM加工出的實(shí)際工件，并根據(jù)虛擬工件自動(dòng)生成測(cè)量路徑，實(shí)現(xiàn)無(wú)人自動(dòng)測(cè)量。這一過(guò)程中的測(cè)量程序是*由系統(tǒng)自動(dòng)生成的。

　　二、測(cè)量軟件包

　　測(cè)量軟件包可含有許多種類(lèi)的數(shù)據(jù)處理程序，以滿(mǎn)足各種工程需要。一般將三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量軟件包分為通用測(cè)量軟件包和專(zhuān)用測(cè)量軟件包。通用測(cè)量軟件包主要是指針對(duì)點(diǎn)、線、面、圓、圓柱、圓錐、球等基本幾何元素及其形位誤差、相互關(guān)系進(jìn)行測(cè)量的軟件包。通常各三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)都配置有這類(lèi)軟件包。專(zhuān)用測(cè)量軟件包是指坐標(biāo)測(cè)量機(jī)生產(chǎn)廠家為了提高對(duì)一些特定測(cè)量對(duì)象進(jìn)行測(cè)量的測(cè)量效率和測(cè)量精度而開(kāi)發(fā)的各類(lèi)測(cè)量軟件包。如有不少三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)配備有針對(duì)齒輪、凸輪與凸輪軸、螺紋、曲線、曲面等常見(jiàn)零件和表面測(cè)量的專(zhuān)用測(cè)量軟件包。在有的測(cè)量機(jī)中，還配備有測(cè)量汽車(chē)車(chē)身、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等零件的專(zhuān)用測(cè)量軟件包。

　　三、系統(tǒng)調(diào)試軟件

　　用于調(diào)試測(cè)量機(jī)及其控制系統(tǒng)，一般具有以下軟件。

　　（1）自檢及故障分析軟件包：用于檢查系統(tǒng)故障并自動(dòng)顯示故障類(lèi)別；

　　（2）誤差補(bǔ)償軟件包：用于對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的幾何誤差進(jìn)行檢測(cè)，在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)工作時(shí)，按檢測(cè)結(jié)果對(duì)測(cè)量機(jī)誤差進(jìn)行修正；

　　（3）系統(tǒng)參數(shù)識(shí)別及控制參數(shù)優(yōu)化軟件包：用于CMM控制系統(tǒng)的總調(diào)試，并生成具有優(yōu)化參數(shù)的用戶(hù)運(yùn)行文件；

　　（4）精度測(cè)試及驗(yàn)收測(cè)量軟件包：用于按驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量檢具。

　　四、系統(tǒng)工作軟件

　　測(cè)量軟件系統(tǒng)必須配置一些屬于協(xié)調(diào)和輔助性質(zhì)的工作軟件，其中有些是的，有些用于擴(kuò)充功能。

　　（1）測(cè)頭管理軟件：用于測(cè)頭校準(zhǔn)、測(cè)頭旋轉(zhuǎn)控制等；

　　（2）數(shù)控運(yùn)行軟件：用于測(cè)頭運(yùn)動(dòng)控制；

　　（3）系統(tǒng)監(jiān)控軟件：用于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控（如監(jiān)控電源、氣源等）；

　　（4）編譯系統(tǒng)軟件：用此程序編譯，生成運(yùn)行目標(biāo)碼；

　　（5）DMIS接口軟件：用于翻譯DMIS格式文件；

　　（6）數(shù)據(jù)文件管理軟件：用于各類(lèi)文件管理；

　　（7）聯(lián)網(wǎng)通訊軟件：用于與其他計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)雙向或單向通訊。