三坐標測量儀初步知識介紹

一、三坐標測量機的組成及工作原理

　　（一）CMM的組成

　　三坐標測量機是典型的機電一體化設備，它由機械系統和電子系統兩大部分組成。

　　（1）機械系統：一般由三個正交的直線運動軸構成。如圖9-1所示結構中，X向導軌系統裝在工作臺上，移動橋架橫梁是Y向導軌系統，Z向導軌系統裝在中央滑架內。三個方向軸上均裝有光柵尺用以度量各軸位移值。人工驅動的手輪及機動、數控驅動的電機一般都在各軸附近。用來觸測被檢測零件表面的測頭裝在Z軸端部。

　　（2）電子系統：一般由光柵計數系統、測頭信號接口和計算機等組成，用于獲得被測坐標點數據，并對數據進行處理。

　　（二）CMM的工作原理

　　三坐標測量機是基于坐標測量的通用化數字測量設備。它首先將各被測幾何元素的測量轉化為對這些幾何元素上一些點集坐標位置的測量，在測得這些點的坐標位置后，再根據這些點的空間坐標值，經過數學運算求出其尺寸和形位誤差。如圖9-2所示，要測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，觸測內孔壁上三個點（點1、2、3），則根據這三點的坐標值就可計算出孔的直徑及圓心坐標OI；如果在該截面內觸測更多的點（點1，2，…，n，n為測點數），則可根據最小二乘法或最小條件法計算出該截面圓的圓度誤差；如果對多個垂直于孔軸線的截面圓（I，II，…，m，m為測量的截面圓數）進行測量，則根據測得點的坐標值可計算出孔的圓柱度誤差以及各截面圓的圓心坐標，再根據各圓心坐標值又可計算出孔軸線位置；如果再在孔端面A上觸測三點，則可計算出孔軸線對端面的位置度誤差。由此可見，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，它可以測量任何工件的任何幾何元素的任何參數。

　　二、三坐標測量機的分類

　　（一）按CMM的技術水平分類

　　1．數字顯示及打印型

　　這類CMM主要用于幾何尺寸測量，可顯示并打印出測得點的坐標數據，但要獲得所需的幾何尺寸形位誤差，還需進行人工運算，其技術水平較低，目前已基本被陶汰。

　　2．帶有計算機進行數據處理型

　　這類CMM技術水平略高，目前應用較多。其測量仍為手動或機動，但用計算機處理測量數據，可完成諸如工件安裝傾斜的自動校正計算、坐標變換、孔心距計算、偏差值計算等數據處理工作。

　　3．計算機數字控制型

　　這類CMM技術水平較高，可像數控機床一樣，按照編制好的程序自動測量。

　　（二）按CMM的測量范圍分類

　　1．小型坐標測量機

　　這類CMM在其最長一個坐標軸方向（一般為X軸方向）上的測量范圍小于500mm，主要用于小型精密模具、工具和刀具等的測量。

　　2．中型坐標測量機

　　這類CMM在其最長一個坐標軸方向上的測量范圍為500～2000mm，是應用最多的機型，主要用于箱體、模具類零件的測量。

　　3．大型坐標測量機

　　這類CMM在其最長一個坐標軸方向上的測量范圍大于2000mm，主要用于汽車與發動機外殼、航空發動機葉片等大型零件的測量。

　　（三）按CMM的精度分類

　　1．精密型CMM

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

　　2．中、低精度CMM

　　低精度CMM的單軸最大測量不確定度大體在1×10－4L左右，空間最大測量不確定度為（2～3）×10－4L，中等精度CMM的單軸最大測量不確定度約為1×10－5L，空間最大測量不確定度為（2～3）×10－5L。這類CMM一般放在生產車間內，用于生產過程檢測。

　　（四）按CMM的結構形式分類

　　按照結構形式，CMM可分為移動橋式、固定橋式、龍門式、懸臂式、立柱式等，見下節。

　　第二節三坐標測量機的機械結構

　　一、結構形式

　　三坐標測量機是由三個正交的直線運動軸構成的，這三個坐標軸的相互配置位置（即總體結構形式）對測量機的精度以及對被測工件的適用性影響較大。

　　二、工作臺

　　早期的三坐標測量機的工作臺一般是由鑄鐵或鑄鋼制成的，但近年來，各生產廠家已廣泛采用花崗巖來制造工作臺，這是因為花崗巖變形小、穩定性好、耐磨損、不生銹，且價格

　　低廉、易于加工。有些測量機裝有可升降的工作臺，以擴大Z軸的測量范圍，還有些測量機備有旋轉工作臺，以擴大測量功能。

　　三、導軌

　　導軌是測量機的導向裝置，直接影響測量機的精度，因而要求其具有較高的直線性精度。在三坐標測量機上使用的導軌有滑動導軌、滾動導軌和氣浮導軌，但常用的為滑動導軌和氣浮導軌，滾動導軌應用較少，因為滾動導軌的耐磨性較差，剛度也較滑動導軌低。在早期的三坐標測量機中，許多機型采用的是滑動導軌。滑動導軌精度高，承載能力強，但摩擦阻力大，易磨損，低速運行時易產生爬行，也不易在高速下運行，有逐步被氣浮導軌取代的趨勢。目前，多數三坐標測量機已采用空氣靜壓導軌（又稱為氣浮導軌、氣墊導軌），它具有許多優點，如制造簡單、精度高、摩擦力極小、工作平穩等。

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

　　第三節三坐標測量機的測量系統

　　三坐標測量機的測量系統由標尺系統和測頭系統構成，它們是三坐標測量機的關鍵組成部分，決定著CMM測量精度的高低。

　　一、標尺系統

　　標尺系統是用來度量各軸的坐標數值的，目前三坐標測量機上使用的標尺系統種類很多，它們與在各種機床和儀器上使用的標尺系統大致相同，按其性質可以分為機械式標尺系統（如精密絲杠加微分鼓輪，精密齒條及齒輪，滾動直尺）、光學式標尺系統（如光學讀數刻線尺，光學編碼器，光柵，激光干涉儀）和電氣式標尺系統（如感應同步器，磁柵）。根據對國內外生產CMM所使用的標尺系統的統計分析可知，使用最多的是光柵，其次是感應同步器和光學編碼器。有些高精度CMM的標尺系統采用了激光干涉儀。

　　二、測頭系統

　　（一）測頭

　　三坐標測量機是用測頭來拾取信號的，因而測頭的性能直接影響測量精度和測量效率，沒有先進的測頭就無法充分發揮測量機的功能。在三坐標測量機上使用的測頭，按結構原理可分為機械式、光學式和電氣式等；而按測量方法又可分為接觸式和非接觸式兩類。

　　1．機械接觸式測頭

　　機械接觸式測頭為剛性測頭，根據其觸測部位的形狀，可以分為圓錐形測頭、圓柱形測頭、球形測頭、半圓形測頭、點測頭、V型塊測頭等（如圖9-5所示）。這類測頭的形狀簡單，制造容易，但是測量力的大小取決于操作者的經驗和技能，因此測量精度差、效率低。目前除少數手動測量機還采用此種測頭外，絕大多數測量機已不再使用這類測頭。

　　2．電氣接觸式測頭

　　電氣接觸式測頭目前已為絕大部分坐標測量機所采用，按其工作原理可分為動態測頭和靜態測頭。

　　（1）動態測頭

　　測桿安裝在芯體上，而芯體則通過三個沿圓周1200分布的鋼球安放在三對觸點上，當測桿沒有受到測量力時，芯體上的鋼球與三對觸點均保持接觸，當測桿的球狀端部與工件接觸時，不論受到X、Y、Z哪個方向的接觸力，至少會引起一個鋼球與觸點脫離接觸，從而引起電路的斷開，產生階躍信號，直接或通過計算機控制采樣電路，將沿三個軸方向的坐標數據送至存儲器，供數據處理用。

　　可見，測頭是在觸測工件表面的運動過程中，瞬間進行測量采樣的，故稱為動態測頭，也稱為觸發式測頭。動態測頭結構簡單、成本低，可用于高速測量，但精度稍低，而且動態測頭不能以接觸狀態停留在工件表面，因而只能對工件表面作離散的逐點測量，不能作連續的掃描測量。目前，絕大多數生產廠選用英國RENISHAW公司生產的觸發式測頭。

　　（2）靜態測頭

　　靜態測頭除具備觸發式測頭的觸發采樣功能外，還相當于一臺超小型三坐標測量機。測頭中有三維幾何量傳感器，在測頭與工件表面接觸時，在X、Y、Z三個方向均有相應的位移量輸出，從而驅動伺服系統進行自動調整，使測頭停在規定的位移量上，在測頭接近靜止的狀態下采集三維坐標數據，故稱為靜態測頭。靜態測頭沿工件表面移動時，可始終保持接觸狀態，進行掃描測量，因而也稱為掃描測頭。其主要特點是精度高，可以作連續掃描，但制造技術難度大，采樣速度慢，價格昂貴，適合于高精度測量機使用。目前由LEITZ、ZEISS和KERRY等廠家生產的靜態測頭均采用電感式位移傳感器，此時也將靜態測頭稱為三向電感測頭。圖9-7為ZEISS公司生產的雙片簧層疊式三維電感測頭的結構。

　　測頭采用三層片簧導軌形式，三個方向共有三層，每層由兩個片簧懸吊。轉接座17借助兩個X向片簧16構成的平行四邊形機構可作X向運動。該平行四邊形機構固定在由Y向片簧1構成的平行四邊形機構的下方，借助片簧1，轉接座可作Y向運動。Y向平行四邊形機構固定在由Z向片簧3構成的平行四邊形機構的下方，依靠它的片簧，轉接座可作Z向運動。為了增強片簧的剛度和穩定性，片簧中間為金屬夾板。為保證測量靈敏、精確，片簧不能太厚，一般取0.1mm。由于Z向導軌是水平安裝，故用三組彈簧2、14、15加以平衡。可調彈簧14的上方有一螺紋調節機構，通過平衡力調節微電機10轉動平衡力調節螺桿11，使平衡力調節螺母套13產生升降來自動調整平衡力的大小。為了減小Z向彈簧片受剪切力而產生變位，設置了彈簧2和15，分別用于平衡測頭Y向和X向部件的自重。

　　在每一層導軌中各設置有三個部件：①鎖緊機構：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，以確定導軌的“零位"。在需打開時，可讓電機20反轉一角度，則此時該向導軌處于自由狀態。需鎖緊時，再使電機正轉一角度即可。②位移傳感器：用以測量位移量的大小，如圖9-7c所示，在兩層導軌上，一面固定磁芯27，另一面固定線圈26和線圈支架25。③阻尼機構：用以減小高分辨率測量時外界振動的影響。如圖9-7d所示，在作相對運動的上阻尼支架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間隙，中間放入粘性硅油，使兩層導軌在運動時，產生阻尼力，避免由于片簧機構過于靈敏而產生振蕩。

　　（3）光學測頭

　　在多數情況下，光學測頭與被測物體沒有機械接觸，這種非接觸式測量具有一些突出優點，主要體現在：1）由于不存在測量力，因而適合于測量各種軟的和薄的工件；2）由于是非接觸測量，可以對工件表面進行快速掃描測量；3）多數光學測頭具有比較大的量程，這是一般接觸式測頭難以達到的；4）可以探測工件上一般機械測頭難以探測到的部位。近年來，光學測頭發展較快，目前在坐標測量機上應用的光學測頭的種類也較多，如三角法測頭、激光聚集測頭、光纖測頭、體視式三維測頭、接觸式光柵測頭等。下面簡要介紹一下三角法測頭的工作原理。（二）測頭附件

　　為了擴大測頭功能、提高測量效率以及探測各種零件的不同部位，常需為測頭配置各種附件，如測端、探針、連接器、測頭回轉附件等。

　　1．測端

　　對于接觸式測頭，測端是與被測工件表面直接接觸的部分。對于不同形狀的表面需要采用不同的測端。圖9-9為一些常見的測端形狀。

　　2．探針

　　探針是指可更換的測桿。在有些情況下，為了便于測量，需選用不同的探針。探針對測量能力和測量精度有較大影響，在選用時應注意：1）在滿足測量要求的前提下，探針應盡量短；2）探針直徑必須小于測端直徑，在不發生干涉條件下，應盡量選大直徑探針；3）在需要長探針時，可選用硬質合金探針，以提高剛度。若需要特別長的探針，可選用質量較輕的陶瓷探針。

　　3．連接器

　　為了將探針連接到測頭上、測頭連接到回轉體上或測量機主軸上，需采用各種連接器。常用的有星形探針連接器、連接軸、星形測頭座等。

　　4．回轉附件

　　對于有些工件表面的檢測，比如一些傾斜表面、整體葉輪葉片表面等，僅用與工作臺垂直的探針探測將無法完成要求的測量，這時就需要借助一定的回轉附件，使探針或整個測頭回轉一定角度再進行測量，從而擴大測頭的功能。

　　常用的回轉附件為如圖9-11a所示的測頭回轉體。它可以繞水平軸A和垂直軸B回轉，在它的回轉機構中有精密的分度機構，其分度原理類似于多齒分度盤。在靜盤中有48根沿圓周均勻分布的圓柱，而在動盤中有與之相應的48個鋼球，從而可實現以7.5o為步距的轉位。它繞垂直軸的轉動范圍為360o，共48個位置，繞水平軸的轉動范圍為0o～105o，共15個位置。由于在繞水平軸轉角為0o（即測頭垂直向下）時，繞垂直軸轉動不改變測端位置，這樣測端在空間一共可有48×14＋1＝673個位置。能使測頭改變姿態，以擴展從各個方向接近工件的能力。目前在測量機上使用較多的測頭回轉體為RENISHAW公司生產的各種測頭回轉體，

　　第四節三坐標測量機的控制系統

　　一、控制系統的功能

　　控制系統是三坐標測量機的關鍵組成部分之一。其主要功能是：讀取空間坐標值，控制測量瞄準系統對測頭信號進行實時響應與處理，控制機械系統實現測量所必需的運動，實時監控坐標測量機的狀態以保障整個系統的安全性與可靠性等。

　　二、控制系統的結構

　　按自動化程度分類，坐標測量機分為手動型、機動型和CNC型。早期的坐標測量機以手動型和機動型為主，其測量是由操作者直接手動或通過操縱桿完成各個點的采樣，然后在計算機中進行數據處理。隨著計算機技術及數控技術的發展，CNC型控制系統變得日益普及，它是通過程序來控制坐標測量機自動進給和進行數據采樣，同時在計算機中完成數據處理。

　　1．手動型與機動型控制系統

　　這類控制系統結構簡單，操作方便，價格低廉，在車間中應用較廣。這兩類坐標測量機的標尺系統通常為光柵，測頭一般采用觸發式測頭。其工作過程是：每當觸發式測頭接觸工件時，測頭發出觸發信號，通過測頭控制接口向CPU發出一個中斷信號，CPU則執行相應的中斷服務程序，實時地讀出計數接口單元的數值，計算出相應的空間長度，形成采樣坐標值X、Y和Z，并將其送入采樣數據緩沖區，供后續的數據處理使用。

　　2．CNC型控制系統

　　CNC型控制系統的測量進給是計算機控制的。它可以通過程序對測量機各軸的運動進行控制以及對測量機運行狀態進行實時監測，從而實現自動測量。另外，它也可以通過操縱桿進行手工測量。CNC型控制系統又可分為集中控制與分布控制兩類。

　　（1）集中控制

　　集中控制由一個主CPU實現監測與坐標值的采樣，完成主計算機命令的接收、解釋與執行、狀態信息及數據的回送與實時顯示、控制命令的鍵盤輸入及安全監測等任務。它的運動控制是由一個獨立模塊完成的，該模塊是一個相對獨立的計算機系統，完成單軸的伺服控制、三軸聯動以及運動狀態的監測。從功能上看，運動控制CPU既要完成數字調節器的運算，又要進行插補運算，運算量大，其實時性與測量進給速度取決于CPU的速度。

　　（2）分布式控制

　　分布式控制是指系統中使用多個CPU，每個CPU完成特定的控制，同時這些CPU協調工作，共同完成測量任務，因而速度快，提高了控制系統的實時性。另外，分布式控制的特點是多CPU并行處理，由于它是單元式的，故維修方便、便于擴充。如要增加一個轉臺只需在系統中再擴充一個單軸控制單元，并定義它在總線上的地址和增加相應的軟件就可以了。

　　三、測量進給控制

　　手動型以外的坐標測量機是通過操縱桿或CNC程序對伺服電機進行速度控制，以此來控制測頭和測量工作臺按設定的軌跡作相對運動，從而實現對工件的測量。三坐標測量機的測量進給與數控機床的加工進給基本相同，但其對運動精度、運動平穩性及響應速度的要求更高。三坐標測量機的運動控制包括單軸伺服控制和多軸聯動控制。單軸伺服控制較為簡單，各軸的運動控制由各自的單軸伺服控制器完成。但當要求測頭在三維空間按預定的軌跡相對于工件運動時，則需要CPU控制三軸按一定的算法聯動來實現測頭的空間運動，這樣的控制由上述單軸伺服控制及插補器共同完成。在三坐標測量機控制系統中，插補器由CPU程序控制來實現。根據設定的軌跡，CPU不斷地向三軸伺服控制系統提供坐標軸的位置命令，單軸伺服控制系統則不斷地跟蹤，從而使測頭一步一步地從起始點向終點運動。

　　四、控制系統的通信

　　控制系統的通信包括內通信和外通信。內通信是指主計算機與控制系統兩者之間相互傳送命令、參數、狀態與數據等，這些是通過聯接主計算機與控制系統的通信總線實現的。外通信則是指當CMM作為FMS系統或CIMS系統中的組成部分時，控制系統與其它設備間的通信。目前用于坐標測量機通信的主要有串行RS－232標準與并行IEEE－488標準。

　　第五節三坐標測量機的軟件系統

　　現代三坐標測量機都配備有計算機，由計算機來采集數據，通過運算輸出所需的測量結果。其軟件系統功能的強弱直接影響到測量機的功能。因此各坐標測量機生產廠家都非常重視軟件系統的研究與開發，在這方面投入的人力和財力的比例在不斷增加。下面對在三坐標測量機中使用的軟件作簡要介紹。

　　一、編程軟件

　　為了使三坐標測量機能實現自動測量，需要事前編制好相應的測量程序。而這些測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，它是通過圖形菜單選擇被測元素，建立坐標系，并通過“窗口"提示選擇操作過程及輸入參數，編制測量程序。該方式僅適用于比較簡單的單項幾何元素測量的程序編制。

　　（二）自學習編程方式

　　這種編程方式是在CNC測量機上，由操作者引導測量過程，并鍵入相應指令，直到完成測量，而由計算機自動記錄下操作者手動操作的過程及相關信息，并自動生成相應的測量程序，若要重復測量同種零件，只需調用該測量程序，便可自動完成以前記錄的全部測量過程。該方式適合于批量檢測，也屬于比較簡單的編程方式。

　　（三）脫機編程

　　這種方式是采用三坐標測量機生產廠家提供的專用測量機語言在其它通用計算機上預先編制好測量程序，它與坐標測量機的開啟無關。編制好程序后再到測量機上試運行，若發現錯誤則進行修改。其優點是能解決很復雜的測量工作，缺點是容易出錯。

　　（四）自動編程

　　在計算機集成制造系統中，通常由CAD/CAM系統自動生成測量程序。三坐標測量機一方面讀取由CAD系統生成的設計圖紙數據文件，自動構造虛擬工件，另一方面接受由CAM加工出的實際工件，并根據虛擬工件自動生成測量路徑，實現無人自動測量。這一過程中的測量程序是*由系統自動生成的。

　　二、測量軟件包

　　測量軟件包可含有許多種類的數據處理程序，以滿足各種工程需要。一般將三坐標測量機的測量軟件包分為通用測量軟件包和專用測量軟件包。通用測量軟件包主要是指針對點、線、面、圓、圓柱、圓錐、球等基本幾何元素及其形位誤差、相互關系進行測量的軟件包。通常各三坐標測量機都配置有這類軟件包。專用測量軟件包是指坐標測量機生產廠家為了提高對一些特定測量對象進行測量的測量效率和測量精度而開發的各類測量軟件包。如有不少三坐標測量機配備有針對齒輪、凸輪與凸輪軸、螺紋、曲線、曲面等常見零件和表面測量的專用測量軟件包。在有的測量機中，還配備有測量汽車車身、發動機葉片等零件的專用測量軟件包。

　　三、系統調試軟件

　　用于調試測量機及其控制系統，一般具有以下軟件。

　　（1）自檢及故障分析軟件包：用于檢查系統故障并自動顯示故障類別；

　　（2）誤差補償軟件包：用于對三坐標測量機的幾何誤差進行檢測，在三坐標測量機工作時，按檢測結果對測量機誤差進行修正；

　　（3）系統參數識別及控制參數優化軟件包：用于CMM控制系統的總調試，并生成具有優化參數的用戶運行文件；

　　（4）精度測試及驗收測量軟件包：用于按驗收標準測量檢具。

　　四、系統工作軟件

　　測量軟件系統必須配置一些屬于協調和輔助性質的工作軟件，其中有些是的，有些用于擴充功能。

　　（1）測頭管理軟件：用于測頭校準、測頭旋轉控制等；

　　（2）數控運行軟件：用于測頭運動控制；

　　（3）系統監控軟件：用于對系統進行監控（如監控電源、氣源等）；

　　（4）編譯系統軟件：用此程序編譯，生成運行目標碼；

　　（5）DMIS接口軟件：用于翻譯DMIS格式文件；

　　（6）數據文件管理軟件：用于各類文件管理；

　　（7）聯網通訊軟件：用于與其他計算機實現雙向或單向通訊。