2.5　三坐标测量机简介

2.5.1　检测技术的发展

科学技术的迅速发展带来一系列最新的技术成就，如光栅、激光、感应同步器、磁栅以及射线技术。特别是随着计算机技术的发展应用与三坐标测量机的完美结合，出现了一批高效率、新颖的几何量精密测量设备。

在整个产品的生产制造过程中，要切实保障各零件的加工质量，就必须有相应的检测技术手段。检测技术的发展趋势主要体现在以下几方面：

（1）利用计算机的数据处理能力来储存、分析、处理测量数据；

（2）提高各种传感器工作可靠性，提高非接触测量中的测量精度；

（3）测量原理简单，操作方便，可同时获得三维几何体内、外曲面轮廓的数据。

由于三坐标测量机具有高准确度、高效率、测量范围大等优点，故已成为几何量测量仪器的一个主要发展方向。

2.5.2　三坐标测量机的特点

1.三坐标测量机的特点

三坐标测量机是测量和获得尺寸数据的最有效的方法之一，可以代替多种表面测量工具及昂贵的组合量规，并把复杂的测量任务所需时间从小时减到分钟，这是其他仪器所达不到的效果。

三坐标测量机不仅成为检验产品是否合格的重要检验工具，而且由于其具有通用性好、测量范围大、精度高、测量效率高等诸多优点，其已越来越多地应用于加工生产线。

如果在三坐标测量机上设置分度头、回转台（或数控转台），除采用直角坐标系外，还可采用极坐标系、圆柱坐标系测量，使测量范围更加扩大。有X,Y，Z，回转台四轴坐标的测量机，常称为四坐标测量机。增加回转轴的数目，还有五坐标或六坐标测量机。

2.三坐标测量机的用途

三坐标测量机的测量过程是由测头通过三个坐标轴导轨在三个空间方向自由移动实现的，在测量范围内可到达任意一个测点。三个轴的测量系统可以测出测点在X,Y，Z三个方向上的精确坐标位置。根据被测几何型面上若干个测点的坐标值即可计算出待测的几何尺寸和形位误差。另外，在测量工作台上，还可以配置绕Z轴旋转的分度转台和绕X轴旋转的带顶尖座的分度头，以方便螺纹、齿轮、凸轮等的测量。

三坐标测量机能高速、安全、精确地获得三维几何体内、外轮廓曲面的数据，对任意形状的物体，只要测头能感受（或瞄准）到的地方，就能测出物体相应的空间位置、形状以及各个元素间的空间相互位置关系，并借助计算机完成数据处理。

三坐标测量机可用于机械、汽车、航空、军工、家具、工具、机器等中小型配件、模具等行业中的箱体、机架、齿轮、凸轮、蜗轮、蜗杆、叶片、曲线、曲面等的测量，还可用于电子、五金、塑胶等行业中对工件的尺寸、形状和形位公差进行精密检测，从而完成零件检测、外形测量、过程控制等任务。测量任务一般包含以下几种：

①测量复杂形状。三坐标测量机可以测量圆柱面凸轮、端面凸轮、凸轮轴、螺纹、丝杠、齿轮及非渐开线齿形等。

②周长、面积和体积测量。

③特殊参数测量。可以根据对被测件的测量计算出其重心、断面二次力矩及断面系数等参数。

3.三坐标测量机的精度

三坐标测量机是一种柔性的通用测量仪器，适于测量几乎是任何物体的几何参数，它的准确度（和精度）是衡量一台机器好坏的重要指标。

三坐标测量机的测量精度单轴精度可达到1μm，三维空间精度可达到1～2μm。如果再结合数控回转台、极坐标系测量，其精度和使用范围更广。三坐标测量机已成为一种新颖、高效的几何精度测量设备。

2.5.3　三坐标测量机硬件的构成及功能

1.三坐标测量机系统的构成

三坐标测量机系统的硬件主要由三部分组成。

（1）终端控制计算机和打印机。在三坐标测量机系统的硬件结构中，计算机是整个测量系统的管理者。计算机实现与操作者对话、控制程序的执行和结果处理、与外部设备的通信等功能。

（2）数控设备及其外部设备。数控设备是计算机和测量机的接口（I/O、工具信号、紧急情况等）。数控设备通过由计算机传来的数据计算出参考路径，不断地控制测量机的运动及与手提式控制盒的通信。

（3）三坐标测量机。三坐标测量机的主体主要由以下各部分组成：底座、测量工作台、立柱、X向支撑梁和导轨、Y向支撑梁和导轨、Z轴部件、测头、驱动电机及测长系统。其结构形式（总体布局形式）主要取决于三组坐标的相对运动方式，它对测量机的精度和适用性影响很大。图2-61列出了常见的几种三坐标测量机的结构类型。

2.三坐标测量机的构成

三坐标测量机总体由测量机主机、控制系统、测头测座系统、计算机（测量软件）等几部分组成。

（1）测量机主体的功能。根据操作或程序的命令，在零件的指定位置采集坐标点。

（2）控制系统的功能。

①控制、驱动测量机的运动，三轴同步、速度、加速度控制；

②在有触发信号时采集数据，对光栅读数进行处理；

③根据补偿文件，对测量机进行21项误差补偿（各轴的两个直线度、两个角摆误差、自转误差、位置误差、三轴之间的垂直度误差共21项）；

④采集温度数据，进行温度补偿；

⑤对测量机工作关态进行监测（行程控制、气压、速度、读数、测头等），采取保护；

⑥对扫描测头的数据进行处理，并控制扫描；

⑦与计算机进行各种信息交流。

（3）测头测座系统的功能。

①测座根据命令旋转到指定角度；

②测头传感器在探针接触被测点时发出触发信号。

三坐标测量机的结构配置见图2-62。

3.三坐标测量机的原理

将被测物体置于三坐标测量机的工作台上，通过手工及自动程序对物体进行逐点检测，将物体测点的坐标数值经计算处理成被测元素的几何尺寸和空间的相互位置关系。因此，对任意形状的物体，只要三坐标测量机检测头能够测到点的三维数值，就可获得物体相应的空间位置、形状及各个元素间的空间相互位置关系。

三坐标测量机的测量方法主要有投影光栅法、立体视觉法、由灰度恢复形状法三种。

4.三坐标测量机的应用

（1）三坐标测量机与加工中心相配合，具有“测量中心”之功能。在现代化生产中，三坐标测量机已成为CAD/CAM系统中的一个测量单元，它把测量信息反馈至系统主控计算机，进一步控制加工过程，提高产品质量。

（2）三坐标测量机及其配置的实物编程软件系统通过对实物与模型的测量，可得到加工面几何形状的各种参数而生成加工程序，完成实物编程；借助于绘图软件和绘图设备，可得到整个实物的外观设计图样，实现设计、制造一体化的生产系统，并且该图样可3D立体旋转，是逆向工程的最佳工具。

（3）多台测量机联机使用，组成柔性测量中心，可实现生产过程的自动检测，提高生产效率。因此，三坐标测量机越来越广泛地应用于机械制造、电子、汽车和航空航天工业领域。

（4）三坐标测量机通常配置有测量软件系统、输出打印机、绘图仪等外围设备，增强了数据处理和自动控制等功能。

5.三坐标测量机的类型

三坐标测量机是一种高精密仪器，包括通用的桥式测量机、悬臂式测量机、在线测量机，以及引领测量前沿技术的多功能工业CT测量机、复合式测量中心和纳米级测量机等不同等级和类型的测量机。

桥式测量机、龙门式测量机、水平悬臂式测量机和便携式测量机的外观见图2-63。

（1）三坐标测量机按其精度分为两大类。

①精密型万能测量机（UMM）：是一种计量型三坐标测量机，其精度可达1.5μm+2L/1000，一般放置在有恒温条件的计量室内，用于精密测量，分辨率为0.5μm，1μm或2μm，也有达0.2μm或0.1μm的。

②生产型测量机（CMM）：一般放置在生产车间，用于生产过程的检测，并可进行末道工序的精加工，分辨率为5μm或10μm，小型生产型测量机也有1μm或2μm的。

（2）三坐标测量机的测头系统种类很多，按性质可分为机械式、光学式和电气式测量系统。

（3）三坐标测量机按测头的测量方法可分为接触式和非接触式两大类。其中，接触式测量常用于测量机械加工产品以及压制成型品、金属膜等。接触式测头又可分为硬测头和软测头两类。

①硬测头：多为机械测头，主要用于手动测量和精度要求不高的场合。

②软测头：是目前三坐标测量机普遍采用的测头，又分为触发式测头和三维测微头两种。触发式测头也称为电触式测头，其作用是瞄准，可用于“飞越”（允许若干毫米超程）测量。

（4）三坐标测量机按结构分为桥式、臂式（悬臂式和水平臂式）、立柱式、龙门式、卧镗式等类型。

①桥式：是将测头系统支持在桥式框架上，此结构刚性好，适用于大型测量机。桥式三坐标测量机是当前三坐标测量机的主流结构。按运动形式，桥式三坐标测量机又可分为移动桥式和固定桥式两类。

②悬臂式：悬臂式Z轴移动结构的特点是左右方向开阔，操作方便，但容易引起Y轴挠曲而使Y轴的测量范围受限制；悬臂式Y轴移动结构的特点是Z轴固定在悬臂Y轴上，随Y轴一同前后移动，有利于工件的装卸。

③龙门式：龙门式又分为龙门移动式结构和龙门固定式结构，其装卸工件非常方便，操作性能好，适宜精度高的小型测量机。

④卧镗式：卧式镗床结构的测量机，精度较高，但结构复杂。

（5）根据测量原理的不同，三坐标测量机可分为机械接触式坐标测量机、激光坐标测量机、光学坐标测量机。

①机械接触式坐标测量机：通过监测测头与实物的接触情况获取坐标数据。机械接触式坐标测量机最早大多采用的是固定刚性测头，其测量过程简单方便，对被测物体的材质和颜色无特殊要求；但测头与工件之间的接触程度主要靠测量人员的手感把握，存在系统误差大、测量速度低、测量数据密度低等缺点，需要对测量结果进行测头损伤和测头半径三维补偿，并且不能对软质材料或超薄形物体进行检测。

②激光坐标测量机：由激光扫描实物，同时由摄像机录下光束与实物接触部位，属于非接触测量。激光坐标测量机从根本上解决了接触式测量所产生的各种缺陷，有效避免了在高精度测量中测量力所带来的系统误差和随机误差，且可以方便地实现对软质材料或超薄形物体表面形状的检测。其测量速度快、效率高，但测量过程会受到物体的材质和颜色的影响。当光束投射到物体表面时，由于物体表面对光的散射作用，且被测表面倾斜引起接收光功率质心偏移，测量精度随入射角而变化，造成一定测量误差甚至使测量失效。

③光学坐标测量机：随着计算机技术和光电技术的发展，基于光学原理、以计算机图像处理为主要手段的三维复杂曲面非接触式快速测量技术得到飞速发展。光学坐标测量机由光源照射实物，利用干涉条纹技术计算实物坐标数据。

2.5.4　三坐标测量机的使用操作

1.三坐标测量机的使用操作基本步骤

（1）一般使用步骤。

①规划检测方案。首先是要查看零件图纸，了解测量的要求和方法，规划检测方案或调出检测程序。

②操作守则。吊装放置被测零件的过程中，特别要注意遵守吊车安全的操作规程，保护不损坏测量机和零件；零件应安放在方便检测、阿贝误差最小的位置并固定牢固。

③安装探针及附件。按照测量方案安装探针及探针附件，要按下“紧急停”按钮再进行安装，并注意轻拿轻放，用力适当；更换后试运行时要注意试验一下测头保护功能是否正常。

④注意事项。实施测量过程中，操作人员要精力集中，首次运行程序时要注意减速运行，确定编程无误后再使用正常速度。

⑤意外情况。一旦发现异常响声或异常气味时，应立即按“紧急停”按钮，切断电源，保护现场，并找专业修理人员维修或直接打电话与经销商联系，切勿自行拆卸。

⑥存档。检测完成后，将测量程序和程序运行参数及测头配置等说明存档。

⑦清洁。拆卸（更换）零件，清洁台面。

⑧后期保养。三坐标测量机在使用之后要进行适当的清理，后期保养也很重要。

（2）开机顺序。

三坐标测量机开机的顺序是：打开气压阀（检查气压是否在0.4～0.45MPa，且检查过滤器中有没有杂质）；打开电源和控制柜电源；打开电脑和PC-DMIS软件；用无尘布蘸酒精沿一个方向擦导轨；电机加电并打开自动模式；测量机回零。

2.三坐标测量机测量时的测量顺序

（1）三坐标测量机测量的内容。

三坐标测量机测量的内容包括基准点、分型（边界）线、轮廓线、面、结构等。

（2）三坐标测量机测量时的顺序。

①先难后易。指先测量难度较大的部分。

②先重后轻。指先测量重要的部分，如基准点、分型线等。

③先配合后个体。指先测量装配结合部分。

④先整体后细节。指先完成主体的形位测量，再补充细节。

在安排次序时，还要结合下面的具体情况灵活处理：

①造型进度的需要。

②在同一次定位下完成尽可能多的数据测量。

③测量器具的局限。如探针在同一方位下可测量尽可能多的数据，以减少探针的换位次数。

3.三坐标测量机测头校正时的注意事项

①三坐标测量机的测头、测座、加长杆、测针、标准球要安装可靠牢固，不能松动有间隙。既需要检查测针、标准球安装的是否牢固，又要擦拭测针和标准球上的手印和污渍，保持测针和标准球清洁。

②三坐标测量机校正测头时，测量速度应与测量时的速度一致。注意观察校正后测针的直径和校正时的形状误差。若变化较大，则查找原因并清洁标准球和测针。重复进行校正，观察其结果的重复程度。如此，既检查了测头、测针、标准球是否安装牢固，同时也检查了机器的工作状态。

③当三坐标测量机需要进行多个测头角度、位置或不同测针长度的测头校正时，可使用测球功能，用校正后的全部测头一次测量标准球，观察坐标的变化。如果变化比较大，则需要检查测座、测头、加长杆、测针、标准球的安装是否牢固，这些是造成此现象的重要原因。

④不同的软件使用方法不同，因为测针长度是测头自动校正的重要参数，如果出现错误会导致测针的碰撞，轻则碰坏测针，重则造成测头损坏。

⑤正确输入标准球直径。从以上可以看出，标准球直径直接影响测针宝石球直径的校正值。这虽是一个“小概率事件”，但是却有可能发生。

⑥在正常容量的情况下，室温控温可在（20±1）℃范围内。

4.三坐标测量机使用时的注意事项

正确使用三坐标测量机对其使用寿命、精度起到关键作用，使用中应注意以下几个问题：

①工件吊装前，要将探针退回坐标原点，为吊装位置预留较大的空间。

②工件吊装要平稳，不可撞击三坐标测量机的任何构件。

②正确安装零件，安装前确保符合零件与测量机的等温要求。

③建立正确的坐标系，只有保证所建的坐标系符合图纸的要求，才能确保所测数据准确。

④当编好程序自动运行时，要防止探针与工件的干涉，故需注意增加拐点。

⑤对于一些大型较重的模具、检具，测量结束后应及时吊下工作台，以避免工作台长时间处于承载状态。

2.5.5　三坐标测量机在模具行业的应用

（1）模具的型芯与型腔、导柱与导套的匹配如果出现偏差，可通过三坐标测量机找出偏差值以便纠正。

（2）在模具的型芯、型腔轮廓加工成型后，很多镶件和局部的曲面要通过电极在电脉冲上加工成型，从而电极加工的质量和非标准的曲面质量成为模具质量的关键。因此，用三坐标测量机测量电极的形状必不可少。

（3）三坐标测量机可以应用3D数模的输入，将成品模具与数模上的定位、尺寸、相关的形位公差、曲线、曲面进行测量比较，输出图形化报告，直观清晰地反映模具质量，从而形成完整的模具成品检测报告。

（4）在某些模具使用了一段时间出现磨损要进行修正，但又无原始设计数据（即数模）的情况下，可以用截面法采集点云，用规定格式输出，探针半径补偿后造型，从而达到完好如初的修复效果。

（5）当一些曲面轮廓既非圆弧，又非抛物线，而是一些不规则的曲面时，可用油泥或石膏手工做出曲面作为底胚，然后用三坐标测量机测出各个截面上的截线、特征线和分型线，用规定格式输出，探针半径补偿后造型，在造型过程中圆滑曲线，从而设计制造出全新的模具。