三坐标测量机介绍

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三坐标测量机能在计算机控制下完成各种复杂的测量操作，并对加工中的零件实现在线质量控制。

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1.三坐标测量机

三坐标测量机（Coordinate Measuring Machine，CMM）是20世纪60年代发展起来的一种新型、高效、多功能的精密测量仪器。它的出现，一方面是由于自动机床、数控机床高效率加工，以及越来越多的复杂形状零件加工需要快速、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、数字控制技术及精密加工技术的发展为坐标测量机的产生奠定了技术基础。1963年，海克斯康公司研制出世界上第一台龙门式三坐标测量机，如图3-1-1所示。

图3-1-1　世界上第一台龙门式三坐标测量机

三坐标测量机不仅能在计算机控制下完成各种复杂测量，还可以通过与数控机床交换信息，实现在线检测加工中零件的质量控制，并且根据测量的数据实现逆向工程。图3-1-2为现代三坐标测量机的典型代表。

图3-1-2　现代三坐标测量机的典型代表

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行业，成为现代工业检测和质量控制不可缺少的测量设备。

2.三坐标测量机的原理

三坐标测量技术的原理为：任何形状都是由空间点组成的，所有的几何量测量都可以归结为空间点的测量，因此精确进行空间点坐标的采集，是评定任何几何形状的基础。

三坐标测量机的基本原理是将被测零件放入允许的测量空间，精确地测出被测零件表面的点在空间三个坐标位置的数值，将这些点的坐标数值经过计算机数据处理，拟合形成测量元素，如圆、球、圆柱、圆锥、曲面等，再经过数学计算的方法得出其形状、位置公差及其他几何量数据。

3.三坐标测量机的分类

三坐标测量机发展至今已经历了若干个阶段，从数字显示及打印型，到带有小型计算机型，直到目前的计算机数字控制（CNC）型。三坐标测量机的分类方法很多，包括以下几类，其中最常见的是按结构形式分类。

1）按结构形式分类

按照结构形式分类，三坐标测量机可分为移动桥式、固定桥式、龙门式和水平臂式等。不论结构形式如何变化，三坐标测量机都是建立在具有三根相互垂直轴的正交坐标系基础之上的。

2）按测量范围分类

按照测量范围分类，可将三坐标测量机分为小型、中型与大型三类。

3）按测量精度分类

按照测量精度分类，可将三坐标测量机分为低精度、中等精度和高精度三类。

4.三坐标测量机的常用结构形式

坐标测量机的机械结构最初是在精密机床基础上发展起来的。例如，美国Moore 公司的坐标测量机就是由“坐标镗→坐标磨→坐标测量机”逐步发展而来的；瑞士的SIP 公司的坐标测量机是在“大型万能工具显微镜→光学三坐标测量仪”的基础上逐步发展起来的。这些坐标测量机的结构都是没有脱离精密机床及传统精密测试仪器的结构。另外，三坐标测量机还可分为直角坐标测量机（固定式测量系统）与非正交系坐标测量机（便携式测量系统）。

直角坐标测量机的空间补偿数学模型较为成熟，具有精度高、功能完善等优势，因而在中小工业零件的几何量检测中占有重要地位，以下主要介绍这种结构。

三坐标测量机的结构形式主要取决于三组坐标轴的相对运动方式。常用的直角坐标测量机结构有移动桥式、固定桥式、水平悬臂移动式、龙门式四类结构，这四类结构都有互相垂直的三根轴及其导轨，坐标系为正交直角坐标系。

1）移动桥式结构测量机

移动桥式结构测量机由四部分组成：工作台、桥架、滑架、Z 轴。其结构如图3-1-3（a）所示，其模型如图3-1-3（b）所示。

图3-1-3　移动桥式结构测量机

（a）结构；（b）模型

移动桥式结构测量机的桥架可以在工作台上沿着导轨前后平移，滑架可沿桥架上的导轨沿水平方向移动，Z 轴则可以在滑架上沿上下方向移动，测头安装在Z 轴下端，随着X、Y、Z 的三个方向平移接近安装在工作台上的工件表面，完成采点测量。

移动桥式结构是目前三坐标测量机应用最为广泛的一类坐标测量结构，是目前中小型测量机主要采用的结构类型，其结构简单、紧凑，开放性好，工件装载在固定平台上不影响测量机的运行速度，工件质量对测量机动态性能没有影响，因此承载能力较大，且测量机本身具有台面，受地基影响相对较小，精度比固定桥式结构稍低。移动桥式结构测量机的缺点是桥架单边驱动，前后方向（Y 方向）光栅尺布置在工作台一侧，Y 方向有较大的阿贝臂，会引起较大的阿贝误差。

2）固定桥式结构测量机

固定桥式结构测量机由四部分组成：基坐台（含桥架）、移动工作台、滑架、Z 轴。其结构如图3-1-4（a）所示，其模型如图3-1-4（b）所示。

图3-1-4　固定桥式结构测量机

（a）结构；（b）模型

固定桥式结构测量机与移动桥式结构测量机类似，主要的不同是，在移动桥式结构测量机中，工作台固定不动，桥架在工作台上沿前后方向移动，而在固定式结构测量机中，移动工作台承担了前后移动的功能，桥架固定在机身中央不做运动。

高精度测量机通常采用固定桥式结构。固定桥式结构测量机的优点是结构稳定，整机刚性强，中央驱动，偏摆小，光栅在工作台的中央，阿贝误差小，X、Y 方向运动相互独立，相互影响小；其缺点是被测量对象由于放置在移动工作台上，降低了机器运动的加速度，承载能力较小；同时操作空间不如移动桥式结构开阔。

3）水平悬臂移动式结构测量机

水平悬臂移动式结构测量机由三部分组成：工作台、立柱、水平悬臂。其结构如图3-1-5（a）所示，其模型如图3-1-5（b）所示。

图3-1-5　水平悬臂移动式结构测量机

（a）结构；（b）模型

水平悬臂移动式结构测量机的立柱可以沿着工作台导轨前后平移，立柱上的水平悬臂可以沿上下和左右两个方向平移，测头安装于水平悬臂的末端，零位A（0°，0°）平行于水平悬臂，测头随着水平悬臂在三个方向上的移动接近安装于工作台上的工件，完成采点测量。

与水平悬臂移动式结构类似的，还有固定工作台水平悬臂式和移动工作台水平悬臂式两类结构。这两类结构水平悬臂的测头安装方式与水平悬臂移动式结构不同，测头零位A（0°，0°）方向与水平悬臂垂直。

水平悬臂移动式结构测量机在前后方向上可以做得很长，目前行程可达10 m 以上，竖直方向（即Z 方向）较高，整机开敞性比较好，是汽车行业汽车的分总成测量和白车身测量的最常用结构。

水平悬臂移动式结构测量机的优点是结构简单，开敞性好，测量范围大；其缺点是水平悬臂变形较大，悬臂的变形与臂长成正比，作用在悬臂上的载荷主要是悬臂加长测头的自重，悬臂的伸出量还会引起立柱的变形，另外补偿计算比较复杂，因此水平悬臂的行程不能做得太大。在白车身测量时，通常采用双机对称放置，双臂测量。当然，前提是需要在测量软件中建立正确的双臂关系。

4）龙门式结构测量机

龙门式结构测量机由四部分组成：导轨、横梁、立柱和Z 轴。其结构如图3-1-6（a）所示，其模型如图3-1-6（b）所示。在前后方向有两个平行的被立柱支撑在一定高度上的导轨，导轨上架着左右方向的横梁，横梁可以沿着这两列导轨做前后方向的移动，而Z轴则垂直加载在横梁上，其既可以沿着横梁做水平方向的平移，又可以沿竖直方向上下移动。测头装载于Z 轴下端，随着三个方向的移动接近安装于基座或者地面上的工件，完成采点测量。

图3-1-6　龙门式结构测量机

（a）结构；（b）模型

龙门式结构一般被大中型测量机所采用。其地基一般与立柱和工作台相连，要求有较好的整体性和稳定性；立柱对操作的开阔性有一定的影响，但相对于桥式结构测量机（固定桥式结构测量机、移动桥式结构测量机）的导轨在下，桥架在上的结构，龙门式结构中移动部分的质量有所减小，便于测量机精度及动态性能的提高。

龙门式结构要比水平悬臂移动式结构的刚性好，对大尺寸测量而言具有更好的精度。其在前后方向上的量程最长可达数10 m。缺点是与移动桥式结构相比结构复杂，要求有较好的地基；单边驱动时，前后方向（Y 方向）光栅尺布置在主导轨一侧，在Y 方向有较大的阿贝臂，会引起较大的阿贝误差。所以，大型龙门式结构测量机多采用双光栅/双驱动模式。

龙门式结构测量机是大尺寸工件高精度测量的首选，一般都采用双光栅、双驱动等技术，以提高精度，适合于航空、航天、造船行业的大型零件或大型模具的测量。

5.三坐标测量机的系统组成

随着现代汽车工业、航空航天事业和机械加工业的突飞猛进，三坐标测量已经成为常规的检测手段。特别是一些外资和跨国企业，强调第三方认证，所有出厂产品必须提供由检测资格方出具的零件公差检测报告。所以，三坐标测量机对加工制造业来说越来越重要。

三坐标测量机主要包括以下结构：三坐标测量机主机、探测系统、控制系统、软件系统等，其结构如图3-1-7所示。

图3-1-7　三坐标测量机的结构组成(www.xing528.com)

1）三坐标测量机主机

三坐标测量机主机，即测量系统的机械主体，为被测工件提供相应的测量空间，并装载探测系统（测头），按照程序要求进行测量点的采集。

三坐标测量机主机结构主要包括代表笛卡尔坐标系的三根轴及其相应的位移传感器和驱动装置，含工作台、桥架、滑架、Z 轴等在内的机体框架。三坐标测量机主机结构如图3-1-8所示。

图3-1-8　三坐标测量机主机机构

（1）框架结构。机体框架主要包括工作台、桥架（包括立柱和横梁）、滑架、Z 轴及保护罩，工作台一般为花岗岩材质，桥架和滑架一般为花岗岩、铝合金或陶瓷材质。

（2）标尺系统。标尺系统是三坐标测量机的重要组成部分，是决定仪器精度的一个重要环节。所用的标尺有线纹尺、光栅尺、磁尺、精密丝杠、同步器、感应同步器及光波波长等。三坐标测量机一般采用测量几何量用的计量光栅中的长光栅，该类光栅一般用于线位移测量，是三坐标测量机的长度基准，刻线间距范围为2～200 μm。

（3）导轨。导轨是三坐标测量机实现三维运动的重要部件，常采用滑动导轨、滚动轴承导轨和气浮导轨，其中气浮导轨的使用较广泛。气浮导轨由导轨体和气垫组成，有的导轨体和工作台合二为一。此外，气浮导轨还应包括气源、稳定器、过滤器、气管和分流器等气动装置。

（4）驱动装置。驱动装置是三坐标测量机的重要运动机构，可实现机动和程序控制伺服运动的功能。一般，在三坐标测量机上采用的驱动装置有丝杠螺母、滚动轮、光轴滚动轮、钢丝、齿形带、齿轮齿条等，并配以伺服马达驱动。

（5）平衡部件。平衡部件主要用于Z 轴框架结构中，其功能是平衡Z 轴的重量，以使Z 轴上下运动时无偏重干扰，使检测时Z 方向测力稳定。Z 轴平衡装置有重锤、发条或弹簧、气缸活塞杆等类型。

（6）转台与附件。转台是三坐标测量机的重要元件，它能使三坐标测量机增加一个转动的自由度，便于某些种类零件的测量。转台包括数控转台、万能转台、分度台和单轴回转台等。

三坐标测量机的附件很多，需视测量情况而定，其一般指基准平尺、角尺、步距规、标准球体测微仪及用于自检的精度检测样板等。

2）三坐标测量机的控制系统

控制系统在三坐标测量过程中的主要功能体现在：读取空间坐标值，对测头信号进行实时响应与处理，控制机械系统实现测量所必需的运动，实时监测三坐标测量机的状态，以保证整个系统的安全性与可靠性，有的还对三坐标测量机进行几何误差与温度误差补偿，以提高三坐标测量机的测量精度。

控制系统按照自动化程度可以分为手动型、机动型及自动（Computer Numerical Control，CNC）型三种类型，其中自动型控制系统又称为DCC（Direct Computer Control）型控制系统。

手动型和机动型控制系统主要完成空间坐标值的监控与实时采样，一般用于经济型的小型测量机。手动型控制系统结构简单，机动型控制系统则在手动型控制系统的基础上添加了对三坐标测量机三轴电动机、驱动器的控制，机动型控制系统是手动型和CNC 型控制系统的过渡机型。

CNC 型控制系统的测量过程是由计算机控制的，它不仅可以实现全自动点对点触发和模拟扫描测量，也可像机动型控制系统那样通过操纵盒摇杆进行半自动测量。随着计算机技术及数控技术的发展，CNC 型控制系统的应用意味着整个三坐标测量机系统获得更高的精度、更高的速度、更好的自动化和智能化水平。

（1）手动型控制系统。手动型控制系统主要包括坐标测量系统、测头系统、状态监测系统等。其中测量系统是将X、Y、Z 三个方向的光栅信号经过处理后，送入计数器，CPU（中央处理器）读取计数器中的脉冲数，计算出相应的空间位移量。

手动型控制系统的操作方式：手动移动测头去接触工件，测头发出的信号用作计数器的锁存信号和CPU 的中断信号；锁存信号将X、Y、Z 三轴的当前光栅数值记录下来。CPU 在执行中断服务程序时，读取计数器中的锁存值，这样就完成了一个坐标点的采集，计算机通过这些坐标点数据分析出工件的形状误差和位置误差。

随着半导体技术与计算机技术的发展，光栅信号接口单元、测头控制单元、状态监测单元等集成在一块PCI（外部设备互连）或ISA（工业标准结构）总线卡上，直接插入计算机或专用的控制器中，使得系统可靠性提高，成本降低，便于维护，易于开发。

手动型控制系统结构简单、成本低，适合于对精度和效率要求不太高的场合。

（2）机动型控制系统。机动型控制系统与手动型控制系统相比，增加了电动机、驱动器和操纵盒。测头的移动不再需要手动，而是用操纵盒通过电动机来驱动。电动机运转的速度和方向都通过操纵盒上手操杆偏摆的角度和方向来控制。

机动型控制系统减轻了操作人员的体力劳动强度，是一种过渡机型，随着CNC 型控制系统成本的降低，机动型控制系统目前采用得较少。

（3）CNC 型控制系统。CNC 型控制系统的测量过程是由计算机通过测量软件进行控制的，它不仅可以实现利用测量软件进行自动测量、自学习测量、扫描测量，也可通过操纵杆进行机动测量。CNC 型控制系统通过接收来自软件系统发出的指令，来控制三坐标测量机主机的运动和数据的采集。

CNC 型控制系统除了在X、Y、Z 三个方向装有三根光栅尺及电动机、传动等装置外，还具有以控制器和光栅组成的位置环；控制器不断将计算机给出的理论位置与光栅反馈回来的实测位置进行比较，通过PID（比例、积分、微分控制）参数的控制，随时调整输出的驱动信号，努力使三坐标测量机的实际位置与计算机要求的理论位置相匹配。

CNC 型控制系统实现了自动测量，大大提高了工作效率，特别适合于生产线和批量零件的检测。由于排除了人为因素，CNC 型控制系统可以保证每次都以同样的速度和方向进行触测，从而使得测量精度得到很大提高。

3）三坐标测量机的探测系统

三坐标测量机的探测系统是由测头及其附件组成的。测头是三坐标测量机探测时发送信号的装置，它可以输出开关信号，也可以输出与探针偏转角度成正比的比例信号，它是三坐标测量机的关键部件，测头精度的高低很大程度决定了三坐标测量机的测量重复性及精度；不同零件需要选择不同功能的测头进行测量。

三坐标测量机是靠测头来获取信号的，其功能、效率、精度均与测头密切相关。没有先进的测头，就无法发挥三坐标测量机的功能。测头的两大基本功能是测微（即测出与给定标准坐标值的偏差量）和触发过零信号。测头可以分为触发式测头、扫描式测头、非接触式（激光、影像）测头等。

（1）触发式测头。触发式测头（Trigger Probe）又称为开关测头，是使用最多的一种测头。其工作原理是采用一个开关式传感器，当测针与零件产生接触而产生角度变化时，发出一个开关信号。这个信号传送到控制系统后，控制系统对此刻光栅计数器中的数据进行锁存，经处理后传送给测量软件，表示测量了一个点。触发式测头如图3-1-9所示。

图3-1-9　触发式测头

（2）扫描式测头。扫描式测头（Scanning Probe）又称为比例测头或模拟测头，有两种工作方式，分别是触发式和扫描式。扫描测头本身具有三个相互垂直的距离传感器，可以感觉到与零件接触的程度和矢量方向。这些数据作为三坐标测量机的控制分量，控制三坐标测量机的运动轨迹。扫描测头在与零件表面接触、运动过程中定时发出信号，采集光栅数据，并可以过滤粗大误差。扫描测头的工作方式也可以是触发式，该方式是高精度的方式，与触发式测头工作原理的区别在于它采用的是回退触发方式。扫描式测头如图3-1-10所示。

图3-1-10　扫描式测头

（3）非接触式（激光、影像）测头。非接触式测头是无须与待测表面发生实体接触的探测系统，如激光测头、影像测头等。

在三维测量中，非接触式测量方法由于其测量的高效性和广泛的适应性而得到了广泛的研究，其中以激光、白光为代表的光学测量方法备受关注。根据工作原理的不同，光学测量方法可被分成多个不同的种类，包括摄影测量法、飞行时间法、三角法、投影光栅法、成像面定位方法、共焦显微镜方法、干涉测量法和隧道显微镜方法等。采用不同的技术可以实现不同的测量精度，这些技术的深度分辨率范围为103～106 mm，覆盖了从大尺度三维形貌测量到微观结构研究的大部分应用和研究领域。

4）三坐标测量机的软件系统

三坐标测量机的精度主要取决于主机、控制系统和探测系统，而功能则主要取决于软件系统，操作方便与否也与软件系统有很大关系。

三坐标测量机的软件系统包括安装有测量软件的计算机系统及辅助完成测量任务所需的打印机、绘图仪等外接设备。

随着计算机技术、计算技术及几何量测试技术的迅猛发展，三坐标测量机的智能化程度越来越高，且使用三坐标测量机更加简便高效。先进的教学模型和算法的涌现，不断完善和充实着三坐标测量机的软件系统，这使得误差评价更具科学性和可靠性。

软件系统中测量软件的作用在于指挥三坐标测量机完成测量动作，并对测量数据进行计算和分析，最终给出测量报告。

测量软件的具体功能包括：探针校正、坐标系建立与转换、几何元素测量、形位公差评价和输出检测报告等全测量过程，以及重复性测量中的自动化程序编制和执行。此外，测量软件还提供统计分析功能，结合定量与定性方法对海量测量数据进行统计研究，用以监控生产线加工能力或产品质量。

（1）根据软件功能划分。根据软件功能的不同，三坐标测量机测量软件可分为基本测量软件、专用测量软件和附加功能软件三种。

①基本测量软件是三坐标测量机必备的最小配置软件。它负责完成整个测量系统的管理，包括探针校正、坐标系的建立与转换、输入/输出管理、基本几何要素的尺寸与几何精度测量等基本功能。

②专用测量软件是针对某种具有特定用途的零部件的测量问题而开发的软件，如齿轮转子、螺纹、凸轮、自由曲线和自由曲面等测量都需要各自的专用测量软件。

③附加功能软件能够增强三坐标测量机的功能，并且用软件补偿的方法提高测量精度，如附件驱动软件、统计分析软件、误差检测软件、误差补偿软件、CAD 软件等。

（2）根据软件性质划分。根据软件性质的不同，三坐标测量机测量软件可分为控制软件和数据处理软件。

①控制软件主要是对三坐标测量机的X、Y、Z 三轴运动进行控制的软件，包括速度和加速度控制、数字PID 调节、三轴联动、各种探测模式（如点位探测、自定中心探测和扫描探头控制）等。

②数据处理软件是对离散采样数据点的集合，用一定的数学模型进行计算，以获得测量结果的软件。

至今为止，三坐标测量机测量软件的发展经历了以下三个重要阶段。

第一阶段是DOS 操作系统及其以前的时期，测量软件能够实现坐标找正、简单几何要素的测量、形位公差和相关尺寸计算。

第二阶段是Windows 操作系统时代，这一阶段，计算机的内存容量和操作环境都有了极大的改善，测量软件在功能的完善和操作的友好性上有了飞跃性的改变，大量地采用图标和窗口显示，使功能调用和数据管理变得非常简单。

第三阶段是从20世纪90年代末开始的，以CAD 技术引入测量软件为标志的时代。测量软件使用CAD 数模编程，是受CAD/CAM 的影响，也是制造技术发展的必然结果。CAD 数模编程大大提高了零件编程技术，其巨大优势在于可以进行仿真模拟，既可以检查测头干涉，也验证了程序逻辑和测量流程的正确性。CAD 数模编程既不需要三坐标测量机，也不需要实际工件，这将极大地提高三坐标测量机的使用效率或有效利用时间。对于生产线上使用的三坐标测量机，这就意味着投资成本的降低。CAD 数模编程可以在零件投产之前即可完成零件测量程序的编制。

随着工业自动化、智能化、数字化及网络化水平的提高，目前软件系统的概念已经外延。除了传统意义上的测量软件功能，当代的先进软件系统，已经发展出了无纸化测量和全自动程序编制、自定制报告的网络化实时传输等技术。

在今后相当长的一段时间内，软件系统将成为三坐标测量机技术发展最快、发展空间最大的一部分。

任务实施

1.三坐标测量机的常用结构形式有哪几种？

2.三坐标测量机的主要结构是什么？

知识拓展

简述实验室所用三坐标测量机的结构、型号及名称。