三坐標測量機

1、三坐標測量機三坐標測量機，也稱為CMM，是典型的現(xiàn)代化儀器設備，它由機械系統(tǒng)和電子系統(tǒng)兩大部分組成。涵蓋了幾乎所有的普通尺寸測量，數(shù)據(jù)處理，外形分析等現(xiàn)代測量任務。三坐標測量機的測量過程是由測頭通過三個坐標軸導軌在三個空間方向自由移動實現(xiàn)的，在測量范圍內可到達任意一個測點。三個軸的測量系統(tǒng)可以測出測點在X，Y，Z三個方向上的精確坐標位置。根據(jù)被測幾何型面上若干個測點的坐標值即可計算出待測的幾何尺寸和形位誤差。另外，在測量工作臺上，還可以配置繞Z 軸旋轉的分度轉臺和繞X 軸旋轉的帶頂尖座的分度頭，以方便螺紋、齒輪、凸輪等的測量。1、三坐標測量機的工作原理三坐標測量機是基于坐標測量的通用化數(shù)字測量

2、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(jù)這些點的空間坐標值，經(jīng)過數(shù)學處理方法求出其尺寸和形位誤差。如圖所示，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(jù)這三點的坐標值就可計算出孔的直徑及圓心坐標O1；如果在該截面內觸測更多的點（點1，2，n，n為測點數(shù)），則可根據(jù)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(shù)）進行測量，則根據(jù)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(jù)各圓心坐標值

3、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(shù)。2、三坐標測量機系統(tǒng)的硬件構成和功能三坐標測量機系統(tǒng)的硬件主要有三部分組成： 終端控制計算機和打印機：在三坐標測量機系統(tǒng)的硬件結構中，計算機是整個測量系統(tǒng)的管理者。計算機實現(xiàn)與操作者對話、控制程序的執(zhí)行和結果處理、與外設的通訊等功能。 數(shù)控設備及其外設：數(shù)控設備是計算機和測量機的接口（I/O，工具信號，緊急情況等）。數(shù)控設備通過由計算機傳來的數(shù)據(jù)計算出參考路徑，不斷地控制測量機的運動及與手提式控

4、制盒的通訊。 三坐標測量機：三坐標測量機的主體主要由以下各部分組成：底座、測量工作臺、立柱、X向支撐梁和導軌、Y向支撐梁和導軌、Z軸部件、測頭、驅動電機及測長系統(tǒng)。其結構形式（總體布局形式）主要取決于三組坐標的相對運動方式，它對測量機的精度和適用性影響很大。圖1-1列出了常見的幾種結構形式： 懸臂式 圖1-1（a） 、（b）懸臂式又可分為Z架移動式 圖1-1 （a） 和Y架移動式 圖1-1（b）。Z架移動式的特點是Y軸懸臂在Y方向位置固定，而Z軸框架在Y軸上移動；Y架移動式的特點是Z軸固定在Y軸懸臂上，Y軸帶著Z軸作整體運動（包括Y方向）。懸臂式結構的特點是工作面開闊，有利于測量操作，缺點是懸

5、臂結構容易變形。采用這種結構必須考慮對變形的補償。 橋式 圖1-1（c） 、（d） 以橋框作為導向面，X軸能沿Y或X方向移動。這種結構的特點是剛性好，缺點是橋框立柱限制了工件的裝卸。這種結構適宜用于大型測量機。龍門式 圖1-1（e） 、（f）龍門式又可以分為龍門移動式 圖1-1 （e）和龍門固定式圖1-1（f）。龍門移動式便于工件的裝卸，操作性能好、龍門固定式的龍門剛度大，結構穩(wěn)定性好，但不宜測量重型工件，否則工作臺運動時的慣性太大。坐標鏜床式或臥式鏜床式 圖1-1 ( g )，( h ) 結構形式與坐標鏜床或臥式鏜床相似。坐標鏜床式 圖1-1（g）的測量范圍較小，精度較高；臥式鏜床式 圖1-

6、1（h） 適宜于完成與工作臺面垂直的工件端面上的檢測項目。圖1-1 三坐標測量機的結構形式（a）, (b) 懸臂式; (c) , (d) 橋式; (e)，(f) 龍門式; (g) 坐標鏜床式; (h) 臥式鏜床式三坐標測量機的測量系統(tǒng)的主要部件是測量頭和測長系統(tǒng)。 測量頭三坐標測量機的準確度和測量效率與測量頭密切相關?，F(xiàn)代三坐標測量機測頭主要采用電氣式測量頭，或以電氣式測頭為基本配置，另外再輔助配置光學測頭。電氣式測頭按其原理和功能可分為動態(tài)測頭和靜態(tài)測頭。 動態(tài)測頭常用的動態(tài)測頭的簡圖如圖1-2所示。測針通過三個鋼珠安放在6個觸點上。測量時，測針的球狀端部接觸工件，不論受到X，Y，Z哪個方向

7、的接觸力，都會引起支承鋼球與觸點脫離，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，將三維測長數(shù)據(jù)送至存儲器，供數(shù)據(jù)處理用。 鋼球 觸點 圖1-2 電氣式動態(tài)測頭可見，測頭是在工件表面觸碰的運動過程中，在與工件接觸的瞬間進行測量采樣的，故稱為動態(tài)測頭，也稱觸發(fā)式測頭。動態(tài)測頭不能以接觸狀態(tài)停留在工件旁，因而只能對工件表面作離散的逐點測量，而不能作連續(xù)的掃描測量。在測量曲線、曲面時，需作掃描測量，此時應使用靜態(tài)測頭。 靜態(tài)測頭在靜態(tài)測頭中有三維幾何量傳感器，借助傳感器可以將測頭與工件表面接觸時測球的三維位移量轉換成電量，驅動伺服系統(tǒng)進行自動調整，使測頭停在規(guī)定的位移量（相當一定

8、的測量力）上，在測頭靜止的狀態(tài)下采集三維坐標數(shù)據(jù)，故稱為靜態(tài)測頭。 圖1-3 靜態(tài)測頭ZX-Z平面測頭；BY-Z平面測頭；CX-Y平面測頭，具有五倍小探針；d，e，fY，X和Z的直線導軌靜態(tài)測頭沿工件表面移動時，可始終保持接觸狀態(tài)，進行掃描測量，故靜態(tài)測頭也稱掃描測頭。靜態(tài)測頭常用電感式位移傳感器，此時也稱電感測頭。圖1-3為三維電感式靜態(tài)測頭的示意圖。測頭上裝有三個方向互相垂直的導軌，在X，Y，Z三個方向上都設有電感差動式變壓器，可以靈敏地指示出方向和位置。光學非接觸式測頭圖1-4 光學非接觸式測頭l目鏡；2分劃板；3直角屋脊棱鏡；4光源；5聚光鏡；6 分劃板；7 物鏡；8反射鏡；9、10棱

9、鏡；11物鏡光學非接觸式測頭可用于對空間曲面、軟體表面、光學刻線等的測量，尤其是不能用機械測頭和電測頭測量的工件，只能用光學非接觸式測頭。光學點位測量頭的原理如圖1-4所示。光源4發(fā)出的光線經(jīng)聚光鏡5，照到十字分劃板6上，分劃板出來的光線經(jīng)反射鏡8、物鏡7投射到工件表面上，經(jīng)工件漫反射，再經(jīng)棱鏡9、10、物鏡11、直角屋脊棱鏡3，成像在分劃板2上，通過目鏡1進行觀察。當顯徽鏡與工件之間的調焦距離很準確時，在目鏡分劃板上只有一個像，如果距離偏長或偏短，就出現(xiàn)兩個像，這種方法的瞄準準確度一般為土13m。 測長系統(tǒng)三坐標測量機采用的測長方法很多，以測長的標準器劃分，機械類有刻線標尺、精密絲桿、精密齒

10、條等；光學類有光柵式、激光干涉式；電類有感應同步器、磁柵式、編碼器等。現(xiàn)代的三坐標測量機多采用光柵測長。 三坐標測量機的測量系統(tǒng)的特性比較見表1-1。表1-1 三坐標測量機中測量系統(tǒng)的特性綜合比較測量系統(tǒng)名稱原理元件準確度mm準確度mm特性使用范圍測量絲杠加微分鼓機械07112適于手動，拖動力大，與控制電機配合，可實現(xiàn)自動控制坐標鏜床式測量機精密齒輪與齒條機械+光電-可靠性好，維護簡便，成本低中等準確度大型機光學讀數(shù)刻度尺光學2537可靠性高，維護簡便，成本低。由于手動，效率低手動測量樣機光電顯微鏡和金屬刻線尺光電2536準確度較高，但系統(tǒng)比較復雜，由于自動，效率高儀器臺式樣機光柵光電1324

11、準確度高，體積小易制造，安裝方便，但怕油污，灰塵，各種測量機直線編碼器旋轉編碼器光電35(直) -(圓)510(直) -(圓)抗干擾能力強，但制作麻煩，成本高需要絕對碼的測量機激光光電-1準確度很高，但使用條件要求高，成本高高準確度測量機感應同步器電氣25/25010元件易制造，可接長，價格低，不怕油污中等準確度、中等及大型測量機磁尺電氣-土0.01200600土0.0158001200易于生產、安裝，但易受外界干擾中等準確度測量機3、三坐標測量機系統(tǒng)的軟件功能現(xiàn)代三坐標測量機都配備有計算機，有計算機來采集數(shù)據(jù)，通過計算，并與預先存儲的理論數(shù)據(jù)相比較，然后輸出測量結果。圖1-5為測量機與計算機

12、及外設關系示意圖。測量機生產廠家一般提供若干測量軟件，如測頭校驗程序、坐標轉換程序、普通測量程序、齒輪測量程序、形位誤差評定程序、凸輪測量程序、三坐標測量機控制箱 （臺）計 算 機監(jiān) 視 器打 印 機繪 圖 儀電 源 系 統(tǒng)氣 源 系 統(tǒng)接 口接口手控盒顯示報警圖1-5 測量機與計算機及外設關系示意圖螺紋測量程序、葉片測量程序、學習程序等等。用戶可使用廠方提供的程序，也可以使用提供的語言自編程序，或通過功能鍵操作。 由于測量對象和測量項目多種多樣，利用計算機進行測量數(shù)據(jù)處理的內容很多。不同的測量機，不同的測量方法，選取測頭的數(shù)目不同，數(shù)據(jù)處理軟件也不通用。但其中有一些處理內容是共同的，主要有：

13、1） 測頭校驗三坐標測量機的測量，是以測頭上測針的球狀端部(測球)與被測工件表面接觸的方式進行的，三維測長裝置在測球接觸表面的瞬間進行采樣。因此，測球的位置和半徑將直矮影響三維坐標數(shù)據(jù)。在測量一個工件的過程中，為滿足不同表面的測量要求，往往需要更換測針甚至測頭，同一個測頭上也可以有多個測針（稱為星形測頭，如圖1-6）。此時，必須測定各測針的球徑和測針間的相互位置。這就是測頭校驗的基本任務。為了進行測頭校驗，需在三坐標測量機的工作臺上固定一校驗基準件。校驗基準件有基準球和基準立力體兩種類型，相應地，有兩種校驗方法和程序。圖1- 6 星形測頭2） 坐標變換如圖1-7 三種坐標系在三坐標測量機中，存

14、在三種坐標系，如圖1-7。 測頭坐標系（A，B，C）不同測針在此坐標系中有不同的坐標位置，引起測量數(shù)據(jù)基準不統(tǒng)一。測頭校驗，相當于將不同位置的測針統(tǒng)一到一個位置固定的“虛擬”測針上。 三坐標測量機坐標系（X，Y，Z ） 工件坐標系（X，Y，Z）從三坐標測量機測長系統(tǒng)采到的測量數(shù)據(jù)是相對于測量機坐標系的，但工件的尺寸要求是標注在工件坐標系中的，兩者需要統(tǒng)一。傳統(tǒng)的機械和光學坐標系的測量中，需調整測量坐標系或工件坐標系，使兩者互相平行或重合。在三坐標測量機中，則可以通過軟件，將測量機坐標數(shù)據(jù)轉換到工件坐標系中來，相當于建立一個“虛擬”的與工件坐標系重合的測量坐標系。這個虛擬的坐標系有軟件形成，可隨

15、工件位置而變，故稱為柔性坐標系。坐標轉換包括兩項工作： 建立坐標系按工件的實際位置確定虛擬坐標系的位置，即測定工件坐標系與測量機坐標系的相對位置。 坐標轉換 X l1 m1 n1 x g Y = l2 m2 n2 y + h Z l3 m3 n3 z k每次測量后，用程序將采得的測量機坐標值轉換到工件坐標系中，再進行幾何參數(shù)計算。3） 幾何參數(shù)計算根據(jù)工件表面各測點的坐標值，計算各種幾何參數(shù)值，如 兩點間距離的測量A(xl，y1，z1)，B(x2，y2，z2)兩點的距離L可由下式計算： 圓的直徑和圓心的測量測量圓上任意三點的坐標值 (x1,y1)，(x2，y2)， (x3，y3)，則圓心C的坐

16、標xc、yc，半徑R通過公式即可計算出來，在三坐標機上用類似的方法可以測量球面的曲率半徑，這時，需在球面上測取不在同一圓周上的4點的坐標值。 求直線方向根據(jù)空間兩點P1(xl，y1，z1)，P2(X2，Y2，Z2)，可以確定它在XY平面上的投影與X軸夾角，直線與同XY面相垂直的軸的夾角。類似的，直線與其他坐標軸的夾角，直線在其他坐標平面的投影與坐標軸的夾角也可計算出來。 對于形位誤差評定，應用比較普遍的是最小二乘法。最小區(qū)域法是最合理的評定方法，但算法較為復雜，有的形位誤差的數(shù)據(jù)處理，如圓柱度的評定，只能是近似計算。 計算機數(shù)控三坐標測量機能實現(xiàn)自動測量。測量時可用預先編好的程序或采用“學習程

17、序”。學習程序是模擬人工測量的方式來編制程序的。計算機記錄下第一個零件手工測量的全過程，包括測頭移動的軌跡、測量點坐標、子程序的調用等，作為這一批零件的測量程序。在測量同批零件時，可反復調用此程序，并通過數(shù)控伺服機構控制測量機按程序自動測量。這種方法可縮短編程時間，提高測量效率。4、三坐標測量機主要功能： 幾何尺寸測量：測量機能實現(xiàn)點、線、面、孔、球、圓柱、圓錐、槽、拋物面、環(huán)的幾何尺寸測量，在測量點數(shù)足夠的情況下，形狀誤差也同時測量出來。 幾何元素構造：測量機通過測量相關尺寸，由軟件構造出未知的點、線、面、孔、球、圓柱、圓錐、槽、拋物面、環(huán)等，并計算出它們的幾何尺寸和形狀誤差。計算元素間的關

18、系：測量機通過測量一些相關尺寸，由軟件計算出元素間的距離、相交、對稱、投影、角度等關系位置誤差檢測：測量機可方便地測量出平行度、垂直度、傾斜度、同軸度、位置度、對稱度等位置誤差。幾何形狀掃描：用DEA公司提供的TFSCAN軟件包可掃描測量多邊形（由特定點定義的工件上的一個區(qū)域）或輪廓（工件輪廓線或形狀）。 測量機所具有的測量方式： 手動測量：在WTUTOR測量環(huán)境下，利用手控盒（見圖1-10）手動控制測頭完成測量操作過程。 自動測量：即CNC測量模式，用DEA-PPL語言人工編制測量程序，經(jīng)WTCOMP編譯器編譯生成TEC執(zhí)行文件控制測量機自動檢測。 自學習測量：相同零件首件測量時，在WTUT

19、OR測量環(huán)境下，采用自學習測量方式，計算機記錄下第一次零件手工測量的全過程，包括測頭移動的軌跡，測量點的坐標、子程序的調用等，自動生成相應的TEC測量程序，后續(xù)件的測量可反復調用此程序實現(xiàn)自動測量。這種測量方法可縮短編程時間，提高測量效率。 測量機控制系統(tǒng)（ B3P控制盒）：測量機控制系統(tǒng)安裝在測量機后面的金屬盒內，是測量機與計算機的接口電路，通過RS-232串口與計算機連接。它包括： 電源板、邏輯運算板、電機驅動板、故障檢測板等?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖1-9所示。LOG186卡：控制的數(shù)字部分。它調整和控制三坐標測量機的三個坐標軸，實現(xiàn)與工具信號的接口和處理系統(tǒng)的緊急情況。PWM24卡：三坐標測量

20、機三維坐標的伺服驅動卡。XTU04手控盒計算機LOG186卡電源板PWM24卡B3P 數(shù)控設備PILZ 卡220V應急按鈕 X Y Z驅動電機狀態(tài)(過流、過熱、斷路等檢測) X Y Z 驅動電機測量機電 纜 光 柵數(shù)據(jù)采集RENISHAW 測 頭圖1-9 B3P控制盒電源盒：為數(shù)控設備的馬達和邏輯電路供電。測量機的手提式控制盒TU04如圖1-10。它借助操縱桿對馬達驅動進行手動控制，通過異步串行線與LOG 186卡相聯(lián)。手控盒安裝了操縱桿用于運動控制，8個按鍵分別負責測量功能、電源控制和緊急情況處理、進給以及緊急制動。紅色蘑菇狀的急停按鈕使測量機停止運動。松開按鈕必須沿順時針方向轉動。紅色EM

21、E燈亮表示整個系統(tǒng)處于緊急狀態(tài)。紅色FAIL燈亮表示系統(tǒng)有致命錯誤。 黃色ON燈亮表示控制系統(tǒng)打開。MOTOR ON按鍵起動馬達，需要時可緊急復位和給測量機馬達供電。START按鍵啟動檢查過程。HOLD按鍵中止檢查過程。X OZ/CTU04MOT. ONSTARTHOLDEMEFNILONMODIFYDELETEINSERTY12急停按鈕調速旋鈕聯(lián)動開關三軸移動操縱桿測頭飛行狀態(tài)測頭測量狀態(tài)圖1-10 TU-04手控盒 !注意： TU04盒左側功能鍵（8個）皆滅測頭處于飛行狀態(tài)，此時測頭移動速度較快，應注意碰撞。測量機只能在允許的測量范圍內沿X，Y，Z三個坐標軸移動，三坐標軸形成一個直角笛卡兒

22、參考坐標系。具體操作步驟為： 計算機分析部件程序指令或操作者的命令，定義將要執(zhí)行的基本操作，并把它傳輸?shù)綌?shù)控設備的邏輯卡。 邏輯卡計算運動的路徑，傳送參考值到軸伺服控制卡并檢查運動的精度，再把這些值與軸輸出值進行比較。 當測頭與工件接觸時，邏輯卡讀出測量點的位置坐標并傳送到計算機，計算機按照測量程序發(fā)出的指令來進行處理。 測量結果以選定的格式輸出，也可存儲起來供以后處理。 測頭MISTRAL070705 三坐標測量機采用英國RENISHAW公司生產的PH10M型測頭，它由旋轉測座、動態(tài)測頭、測尖三部分組成。旋轉測座可在垂直方向（A向）旋轉0 105，在水平方向（B向）旋轉 -180 +180，（逆時針方向為“+”）。測尖為球形，由人造紅寶石加工而成，分別有6mm、3mm、2mm、1mm、0.5mm，可根據(jù)需要選擇安裝使用。PH10M測頭的測量力為10g左右，故工件安裝要求不高。