三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)培訓(xùn)教程

1、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)基礎(chǔ)培訓(xùn)教程無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院2008 年 6 月前言機(jī)械設(shè)計(jì)、制造及檢測(cè)是機(jī)械工程領(lǐng)域的三大技術(shù)支柱及研究?jī)?nèi)容。隨著計(jì)算 機(jī)輔助技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、制造及檢測(cè)的應(yīng)用日益普及，尤其是計(jì)算機(jī) 輔助設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，在目前的機(jī)械類課程教學(xué)中起到越來越重要的作用。隨著我國機(jī)械工業(yè)的迅速發(fā)展和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)技術(shù)作 為提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段以及逆向工程技術(shù)的發(fā)展，也日漸形成為一門獨(dú)立的學(xué) 科獲得了迅速的發(fā)展。在工業(yè)應(yīng)用上，各種計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)工藝及系統(tǒng)推陳出新。 除傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)外，近幾年發(fā)展起來許多新的檢測(cè)工藝如激光掃描測(cè)量、影 像測(cè)量、照相測(cè)量等等。檢測(cè)設(shè)備除傳

2、統(tǒng)的臺(tái)式機(jī)外，還涌現(xiàn)了關(guān)節(jié)臂式、手持式 等測(cè)量設(shè)備。而目前高校機(jī)械工程教學(xué)中對(duì)檢測(cè)領(lǐng)域的教學(xué)還僅限于傳統(tǒng)的工具階 段，雖有“互換性及技術(shù)測(cè)量基礎(chǔ)”，“幾何量精度設(shè)計(jì)與檢測(cè)”，“形狀與位置 公差”等與檢測(cè)相關(guān)的課程，但這些課程的教學(xué)還局限于傳統(tǒng)的游標(biāo)卡尺、千分 尺、水平儀等簡(jiǎn)單檢測(cè)工具的教學(xué)。對(duì)基于計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)技術(shù)的新一代高精度、 高柔性、數(shù)字化的檢測(cè)原理及工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域幾乎沒有涉及。顯然這是今后機(jī)械和儀 器儀表類課程教學(xué)和改革中必須加強(qiáng)的內(nèi)容，以提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力和適應(yīng)社 會(huì)需要的能力。本校本教程過小容負(fù)責(zé)編輯整理，在編寫過程中得到了三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)生產(chǎn)廠家其他有關(guān)高等院校和職業(yè)技術(shù)學(xué)院的大力

3、支持與幫助，同時(shí)還參閱了幾十種相關(guān)的書籍及其他文章資料，謹(jǐn)在此予以致謝。由于編者的水平所限，書中難免存在著缺點(diǎn)或疏漏，懇請(qǐng)批評(píng)指正。目錄第一章 計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)技術(shù)概論 1.1 計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)的基本概念1.2 計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)1.3 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) 1.4 計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用 1.5 計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)1.6標(biāo)準(zhǔn)球定義與檢驗(yàn)1.7幾何元素構(gòu)造第二章三 坐 標(biāo) 測(cè)量軟件MWorks-DMIS簡(jiǎn)介 2.1 MWorks-DMIS 軟件的主要功能特性 2.2 MWorks-DMIS 軟件的安裝與啟動(dòng) 2.3 MWorks-DMIS 軟件的用戶界面 2.4 軟件的環(huán)境、視圖與窗口

4、第三章三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)頭系統(tǒng)配置 3.1 分步式配置測(cè)頭系統(tǒng)3.2 向?qū)絼?chuàng)建測(cè)頭系統(tǒng) 第四章三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)坐標(biāo)系的建立與變換 4.1 坐標(biāo)系的建立4.2 坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)、平移、清零與轉(zhuǎn)換 4.3 坐標(biāo)系的存儲(chǔ)、調(diào)用與刪除 第五章 零件幾何特征的測(cè)量 5.1 點(diǎn) 線 面測(cè)量5.2 圓 圓柱 圓錐的測(cè)量5.3 球 橢圓的測(cè)量5.4 曲線 曲面的測(cè)量5.6 點(diǎn)云與數(shù)模對(duì)比測(cè)量第六章幾何特征的構(gòu)造 6.1 求交6.2 平分6.3 擬合6.4 投影 6.5 相切到6.6 相切過6.7 垂直過 6.8 平行過6.9 移位第七章零件的公差分析 7.1 尺寸公差 7.2 形狀公差 7.3 定位公差 7.4 定向公

5、差 7.5 跳動(dòng)公差 7.6 截面綁定 7.7 數(shù)模對(duì)比設(shè)置 第八章三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量文件 8.1 測(cè)量文件的存儲(chǔ)與調(diào)用8.2 測(cè)量文件的編輯與修改8.3 測(cè)量文件的重復(fù)執(zhí)行8.4 CAD 模型的輸入輸出 136第一章 計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)技術(shù)概論1.1 計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)的基本概念在傳統(tǒng)的機(jī)械檢測(cè)領(lǐng)域，游標(biāo)卡尺、千分尺、螺旋測(cè)微儀等工具是手工檢測(cè)機(jī)械零件或裝 配件的主要工具。這種檢測(cè)方式的優(yōu)點(diǎn)是成本低、檢測(cè)方便、易學(xué)易用，但缺點(diǎn)是檢測(cè)精度不 高、檢測(cè)效率低、對(duì)于復(fù)雜零件的檢測(cè)無能為力。自上世紀(jì)七十年代以來，計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)獲得了迅猛的發(fā)展。在機(jī)械工程領(lǐng)域，計(jì)算 機(jī)輔助工程在設(shè)計(jì)、加工、分析、檢測(cè)以及

6、制造過程管理方面都獲得了廣泛的應(yīng)用，形成了一系列的新興學(xué)科，如計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）、計(jì)算機(jī)輔助分析（CAE）、計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)（CAI）、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）等等。 計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)是綜合利用機(jī)電技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制及軟件技術(shù)而發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，其特點(diǎn)是測(cè)量精度高、測(cè)量柔性好、測(cè)量效率較高，尤其是對(duì)復(fù)雜零件的檢測(cè)，更是傳 統(tǒng)測(cè)量方法所無法比擬的。經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)生了很大的變化。從測(cè)量原理上來看， 計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)由當(dāng)初的接觸式測(cè)量擴(kuò)展到非接觸以及復(fù)合式測(cè)量。測(cè)量的設(shè)備也由 當(dāng)初唯一的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)擴(kuò)展到目前的 激光測(cè)量?jī)x、影像（

7、視頻）測(cè)量?jī)x、照相（攝影）測(cè)量 儀等檢測(cè)工藝比較豐富的產(chǎn)品系列。顧名思義，接觸式測(cè)量?jī)x就是指測(cè)量器具通過與被測(cè)工件的表面接觸獲取物體表面的坐標(biāo) 信息。接觸式測(cè)量的典型產(chǎn)品是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。非接觸式測(cè)量是指利用工業(yè) CCD 鏡頭或激光對(duì)物體表面進(jìn)行測(cè)量從而獲得物體三維坐標(biāo) 信息的測(cè)量工具。目前此類系統(tǒng)主要有激光測(cè)量?jī)x、影像（視頻）測(cè)量?jī)x、照相（攝影）測(cè)量 儀等。復(fù)合式測(cè)量則是指在同一個(gè)測(cè)量工具上集成了兩種以上的測(cè)量方式，如接觸式的探針測(cè)頭 和影像測(cè)量或激光測(cè)量。1.2 計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)1.2.1 接觸式測(cè)量系統(tǒng)接觸式測(cè)量是指在測(cè)量過程中測(cè)量工具與被測(cè)工件表面直接接觸而獲得測(cè)點(diǎn)位置信息的測(cè)

8、量方法。目前常用的接觸測(cè)量方法包括：三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、關(guān)節(jié)臂式柔性三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等。不同的接觸式測(cè)量方法具有不同的測(cè)量原理。對(duì)于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)而言，測(cè)量機(jī)是由三個(gè)帶 有光柵尺的坐標(biāo)軸組成，當(dāng)測(cè)頭在測(cè)量過程中移動(dòng)時(shí)，附著在光柵尺上的讀書頭可以讀出移動(dòng) 的光柵格數(shù)，由軟件將走過的光柵格數(shù)根據(jù)光柵的分辨率記錄并轉(zhuǎn)化為長度值，然后由數(shù)據(jù)處 理軟件進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算，求出被測(cè)點(diǎn)的位置以及被測(cè)幾何元素的參數(shù)，如圓的半徑、直徑 和圓心位置等。圖 1-1 給出了工業(yè)用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。對(duì)于柔性關(guān)節(jié)臂三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)而言，機(jī)器的定位采用的是圓光柵，機(jī)器的任一關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn) 時(shí)，可以根據(jù)球坐標(biāo)系算出測(cè)針當(dāng)前的空間位置。機(jī)器

9、通過數(shù)據(jù)采集卡將空間位置信息傳出， 然后由數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行處理。圖 1-1 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)1.2.2 非接觸式測(cè)量系統(tǒng)非接觸式測(cè)量是指在測(cè)量過程中測(cè)量工具與被測(cè)工件表面不發(fā)生直接接觸而獲得測(cè)點(diǎn)信息 的測(cè)量方法。目前常用的非接觸測(cè)量方法包括：激光掃描、影像測(cè)量、照相測(cè)量和工業(yè) CT 掃 描等。下面簡(jiǎn)單介紹一下常用的幾種工藝方法。1.2.2.1 激光掃描測(cè)量激光掃描測(cè)量系統(tǒng)是近二十年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新的測(cè)量工藝，它利用三角測(cè)量法的原 理，可以迅速獲取物體表面的三維幾何信息。三角測(cè)量法有被動(dòng)三角測(cè)量和主動(dòng)三角測(cè)量?jī)?種，被動(dòng)三角測(cè)量法假設(shè)物體自發(fā)光；相反，主動(dòng)三角測(cè)量法則是用激光照亮目標(biāo)。三角測(cè)量的基

10、本原理是由半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光通過聚光透鏡在被測(cè)曲面上結(jié)成光點(diǎn)并 反射，光敏元件(如PSD)接收其散射光，根據(jù)其在PSD 上的位置，即可測(cè)出被測(cè)點(diǎn)的空間坐 標(biāo)。圖1-2給出了被動(dòng)三角法的測(cè)量原理。圖 1-2 三角法測(cè)量原理激光掃描可以根據(jù)激光光源的不同可以分為點(diǎn)掃描和線掃描兩種。一般點(diǎn)掃描獲取點(diǎn)的速 度在每秒幾十點(diǎn)以上。而線掃描可根據(jù)線寬，得到從一萬到幾萬的掃描采點(diǎn)速度。根據(jù)激光掃描系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，激光掃描可分為臺(tái)式、關(guān)節(jié)臂式以及手持式三種。臺(tái)式激 光掃描系統(tǒng)與三坐標(biāo)測(cè)量的機(jī)械結(jié)構(gòu)類似，有工作臺(tái)、XYZ 坐標(biāo)軸、光柵尺、運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌等，有 些測(cè)量系統(tǒng)還增加了旋轉(zhuǎn)臺(tái)，從而使系統(tǒng)的掃描功能獲得進(jìn)一步

11、的增強(qiáng)。圖 1-3 給出了一種臺(tái) 式和關(guān)節(jié)臂式激光掃描儀的示意圖。a. 臺(tái)式激光掃描系統(tǒng)b. 關(guān)節(jié)臂式激光掃描系統(tǒng)圖 1-3 激光掃描系統(tǒng)示意圖關(guān)節(jié)臂式激光掃描系統(tǒng)是在關(guān)節(jié)臂式測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加激光掃描測(cè)頭而形成的。關(guān)節(jié) 臂式測(cè)量機(jī)，又稱柔性測(cè)量臂，由于機(jī)器操作比較靈活，目前在工程上已經(jīng)廣泛應(yīng)用，如對(duì)汽 車和飛機(jī)內(nèi)部的測(cè)量，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量等等。關(guān)節(jié)臂式激光掃描系統(tǒng)目前以 5、6、7 個(gè)自由度的設(shè)備最多。1.2.2.2 圖像測(cè)量圖像測(cè)量又稱 CCD 測(cè)量、影像測(cè)量或視頻測(cè)量。它通過工業(yè) CCD 鏡頭對(duì)物體表面掃描和 光電轉(zhuǎn)換功能將空間的光強(qiáng)分布轉(zhuǎn)換為時(shí)序的圖像信號(hào)，并根據(jù)確定的時(shí)空參數(shù)間的相互

12、關(guān)系 獲得物體空間分布的狀態(tài)數(shù)據(jù)。圖 1-4 給出了一個(gè)完整的 CCD 圖像測(cè)量系統(tǒng)。圖 1-4 影象測(cè)量系統(tǒng)示意圖1.2.2.3 照相（攝影）測(cè)量照相（攝影）測(cè)量是指利用相機(jī)對(duì)物體多個(gè)角度測(cè)量得到圖像信息，再根據(jù)空間物體投影 的原理，利用物體表面的標(biāo)志點(diǎn)信息對(duì)物體進(jìn)行三維空間位置的反算，進(jìn)而求出物體表面標(biāo)志 點(diǎn)的三維信息。圖 1-5 給出照相測(cè)量的原理圖。首先利用相機(jī)對(duì)物體表面進(jìn)行 拍攝，從不同角度拍出若干照片。由軟件計(jì)算出每張照片中的攝 像機(jī)的位置。軟件再由每個(gè)照片位置計(jì)算出三 維空間中的光線交叉。通過使用多個(gè)照片，可以獲得整個(gè)物體的全部情況。圖 1-5 照相測(cè)量原理示意圖照相測(cè)量在大地、

13、建筑、空間測(cè)量中比較普及，在機(jī)械測(cè)量行業(yè)中的應(yīng)用尚不普遍。近幾 年來，基于照相測(cè)量的技術(shù)發(fā)展很快，除國際上一些知名的產(chǎn)品外，國內(nèi)也已經(jīng)發(fā)展起來。1.2.3 復(fù)合式測(cè)量系統(tǒng)復(fù)合式測(cè)量系統(tǒng)是指在同一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)上集成兩個(gè)以上的測(cè)量工藝或方法，常見的復(fù)合式 測(cè)量機(jī)有三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)與激光掃描的集成、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)與圖像測(cè)量的集成，以及上述三種測(cè) 量工藝的集成等。復(fù)合式測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是利用同一臺(tái)測(cè)量機(jī)，可以測(cè)量一個(gè)零件的不同特征，從而使測(cè)量 的結(jié)果更準(zhǔn)確，效率更高，并節(jié)約機(jī)器的購置成本。比如，對(duì)于既有復(fù)雜曲面又有典型幾何元 素形狀的機(jī)械零件來說，利用三坐標(biāo)的接觸式測(cè)量方法和激光測(cè)量方法就可以取得較好的測(cè)量 效

14、果。而對(duì)于一些大量以平面特征為主的零部件來說，圖像測(cè)量與三坐標(biāo)的配合則效果會(huì)更 好。1.3 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)1.3.1 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的發(fā)展及工作原理一、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的產(chǎn)生三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（Coordinate Measurement Machine，簡(jiǎn)稱 CMM）,又稱三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x，是20 世紀(jì) 60 年代發(fā)展起來的一種新型高效的精密測(cè)量?jī)x器。它的出現(xiàn)，一方面是由于自動(dòng)機(jī) 床、數(shù)控機(jī)床高效率加工以及越來越多復(fù)雜形狀零件加工需要有快速可靠的測(cè)量設(shè)備與之配 套；另一方面是由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)以及精密加工技術(shù)的發(fā)展為三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的產(chǎn) 生提供了技術(shù)基礎(chǔ)。1960 年，英國 FERRANTI 公司研制成

15、功世界上第一臺(tái)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，到 20 世紀(jì) 60 年代末，已有近十個(gè)國家的三十多家公司在生產(chǎn)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，不過這一時(shí)期的三坐 標(biāo)測(cè)量機(jī)尚處于技術(shù)的發(fā)展階段。進(jìn)入 20 世紀(jì) 80 年代后，以?？怂箍怠⒌聡淌?、英國 LK、 日本三豐等為代表的眾多公司不斷采用新的檢測(cè)技術(shù)，推出新的產(chǎn)品，使得三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的發(fā) 展速度加快?，F(xiàn)代三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)不僅能在計(jì)算機(jī)控制下完成各種復(fù)雜測(cè)量，而且可以通過與數(shù) 控機(jī)床交換信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)加工的控制，并且還可以根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)逆向工程。目前，三坐 標(biāo)測(cè)量機(jī)已廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)、汽車工業(yè)、電子工業(yè)、航空航天工業(yè)和國防工業(yè)等各部 門，成為現(xiàn)代工業(yè)檢測(cè)和質(zhì)量控制不可缺少的精

16、密測(cè)量設(shè)備。二、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的組成及工作原理（一）三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)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)、測(cè)頭系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、以及計(jì)算機(jī)和軟件四大部分組成。（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 1-6 所示結(jié)構(gòu)中，X 向?qū)к壪?統(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。（2）電氣系統(tǒng)：除機(jī)械系統(tǒng)外，三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)中的光柵尺、光柵讀數(shù)頭、數(shù)據(jù)采集 卡、自動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制卡、接口箱、電纜線、電機(jī)等構(gòu)成了三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的電氣系統(tǒng)。（3）測(cè)頭系統(tǒng)：測(cè)頭系統(tǒng)是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的數(shù)據(jù)采集器，其作用是獲

17、取當(dāng)前坐標(biāo)位置的信息。測(cè)頭系統(tǒng)按其組成有兩類：機(jī)械式測(cè)頭和電氣式測(cè)頭兩種。（4）計(jì)算機(jī)和軟件系統(tǒng)：一般由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)組成，用于獲得被測(cè)點(diǎn)的坐 標(biāo)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理。6Y324X51圖 1-6 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的組成原理1工作平臺(tái)2移動(dòng)橋架3中央滑架4Z 軸5測(cè)頭6電氣和軟件系統(tǒng)（二）三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)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)過數(shù)學(xué)運(yùn)算求出其尺寸和形位誤差。如圖 1-7 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

18、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， 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)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(cè)量任何 工件的任何幾何元素的

19、任何參數(shù)。ZA1I3OI2OYX圖 1-7 坐標(biāo)測(cè)量原理三、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的分類（一）按三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的技術(shù)水平分類1數(shù)字顯示及打印型 這類三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)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 這類三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)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 這類三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)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）按三坐標(biāo)

20、測(cè)量機(jī)的測(cè)量范圍分類1小型坐標(biāo)測(cè)量機(jī)這類三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在其最長一個(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)這類三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在其最長一個(gè)坐標(biāo)軸方向上的測(cè)量范圍為 5002000mm，是應(yīng)用最多的 機(jī)型，主要用于箱體、模具類零件的測(cè)量。3大型坐標(biāo)測(cè)量機(jī)這類三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在其最長一個(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）按三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的精度分類1精密型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)其單軸最大測(cè)量不確定度小于 1×106L（L 為最大量程，單位為 mm），空間最大測(cè)量

21、不確 定度小于（23）×106L，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、低精度三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)低精度三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的單軸最大測(cè)量不確定度大體在 1×104L 左右，空間最大測(cè)量不確 定度為（23）×104L，中等精度三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的單軸最大測(cè)量不確定度約為 1×105L，空 間最大測(cè)量不確定度為（23）×105L。這類三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)一般放在生產(chǎn)車間內(nèi)，用于生產(chǎn) 過程檢測(cè)。（四）按三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的結(jié)構(gòu)形式分類 按照結(jié)構(gòu)形式，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)可分為移動(dòng)橋式、固定橋式、龍門式、懸臂式、立柱式等，見下節(jié)。1.3.2 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

22、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。圖 1-8 是目前常見的幾種三坐 標(biāo)測(cè)量機(jī)結(jié)構(gòu)形式，下面對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和應(yīng)用范圍作簡(jiǎn)要介紹。圖 1-8a 為移動(dòng)橋式結(jié)構(gòu)，它是目前應(yīng)用最廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，敞開性 好，工件安裝在固定工作臺(tái)上，承載能力強(qiáng)。但這種結(jié)構(gòu)的 X 向驅(qū)動(dòng)位于橋框一側(cè)，橋框移動(dòng) 時(shí)易產(chǎn)生繞 Z 軸偏擺，而該結(jié)構(gòu)的 X 向標(biāo)尺也位于橋框一側(cè)，在 Y 向存在較大的阿貝臂，這種 偏擺會(huì)引起較大的阿貝誤差，因而該結(jié)構(gòu)主要用于中等精度的中小機(jī)型。圖 1-8b 為固定橋式結(jié)構(gòu)，其橋框固定不動(dòng)，

23、X 向標(biāo)尺和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可安裝在工作臺(tái)下方中 部，阿貝臂及工作臺(tái)繞 Z 軸偏擺小，其主要部件的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性好，運(yùn)動(dòng)誤差小，適用于高精度 測(cè)量，但工作臺(tái)負(fù)載能力小，結(jié)構(gòu)敞開性不好，主要用于高精度的中小機(jī)型。圖 1-8c 為中心門移動(dòng)式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，敞開性一般，兼具移動(dòng)橋式結(jié)構(gòu)承載能力 強(qiáng)和固定橋式結(jié)構(gòu)精度高的優(yōu)點(diǎn)，適用于高精度、中型尺寸以下機(jī)型。圖 1-8d 為龍門式結(jié)構(gòu)，它與移動(dòng)橋式結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別是它的移動(dòng)部分只是橫梁，移動(dòng)部 分質(zhì)量小，整個(gè)結(jié)構(gòu)剛性好，三個(gè)坐標(biāo)測(cè)量范圍較大時(shí)也可保證測(cè)量精度，適用于大機(jī)型，缺點(diǎn)是立柱限制了工件裝卸，單側(cè)驅(qū)動(dòng)時(shí)仍會(huì)帶來較大的阿貝誤差，而雙側(cè)驅(qū)動(dòng)方式在技術(shù)上較 為

24、復(fù)雜，只有 Y 向跨距很大、對(duì)精度要求較高的大型測(cè)量機(jī)才采用。圖 1-8e 為懸臂式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有很好的敞開性，但當(dāng)滑架在懸臂上作 Y 向運(yùn)動(dòng) 時(shí)，會(huì)使懸臂的變形發(fā)生變化，故測(cè)量精度不高，一般用于測(cè)量精度要求不太高的小型測(cè)量 機(jī)。ZZZXYYXY X(a)(b)(c)ZZXYXYZYX(d)(e)(f)ZZZYXXXY Y(g)(h)(i)(a) 移動(dòng)橋式 (b)固定橋式 (c)中心門移動(dòng)式 (d) 龍門式 (e)懸臂式 (f) 單柱移動(dòng)式 (g) 單柱固定式 (h) 橫臂立柱式 (i) 橫臂工作臺(tái)移動(dòng)式圖 1-8 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的結(jié)構(gòu)形式圖 1-8f 為單柱移動(dòng)式結(jié)構(gòu)，也稱為儀器臺(tái)式結(jié)構(gòu)

25、，它是在工具顯微鏡的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展 起來的。其優(yōu)點(diǎn)是操作方便、測(cè)量精度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測(cè)量范圍小，適用于高精度的小型數(shù) 控機(jī)型。圖 1-8g 為單柱固定式結(jié)構(gòu)，它是在坐標(biāo)鏜的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。其結(jié)構(gòu)牢靠、敞開性較 好，但工件的重量對(duì)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)有影響，同時(shí)兩維平動(dòng)工作臺(tái)行程不可能太大，因此僅用于測(cè) 量精度中等的中小型測(cè)量機(jī)。圖 1-8h 為橫臂立柱式結(jié)構(gòu)，也稱為水平臂式結(jié)構(gòu)，在汽車工業(yè)中有廣泛應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單、敞開性好，尺寸也可以較大，但因橫臂前后伸出時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大變形，故測(cè)量精度不高，用 于中、大型機(jī)型。圖 1-8i 為橫臂工作臺(tái)移動(dòng)式結(jié)構(gòu)，其敞開性較好，橫臂部件質(zhì)量較小，但工作臺(tái)承載有 限，

26、在兩個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)范圍較小，適用于中等精度的中小機(jī)型。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，各生產(chǎn)廠家已廣泛采用花崗巖來制造工作臺(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)

27、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。6A-A543AA21圖 1-9 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)氣浮導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)1工作臺(tái)2氣墊3 滾輪4 壓縮彈簧5導(dǎo)向塊6橋架圖 1-9 給出的是一移動(dòng)橋式結(jié)構(gòu)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)氣浮導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)示意圖，其結(jié)構(gòu)中有六個(gè)氣 墊 2（水平面四個(gè)，側(cè)面兩個(gè)），使得整個(gè)橋架浮起。滾輪 3 受壓縮彈簧 4 的壓力作用而與導(dǎo) 向塊 5 緊貼，由彈簧力保

28、證氣墊在工作狀態(tài)下與導(dǎo)軌導(dǎo)向面之間的間隙。當(dāng)橋架 6 移動(dòng)時(shí)，若 產(chǎn)生扭動(dòng)，則使氣墊與導(dǎo)軌面之間的間隙量發(fā)生變化，其壓力也隨之變化，從而造成瞬時(shí)的不 平衡狀態(tài)，但在彈簧力的作用下會(huì)重新達(dá)到平衡，使之穩(wěn)定地保持 10m 的間隙量，以保證橋 架的運(yùn)動(dòng)精度。氣浮導(dǎo)軌的進(jìn)氣壓力一般為 36 個(gè)大氣壓，要求有穩(wěn)壓裝置。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)效合金來制造導(dǎo)軌，使其時(shí)效變形

29、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。1.3.3 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，決定著三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量精度的高低。一、標(biāo)尺系統(tǒng) 標(biāo)尺系統(tǒng)是用來度量各軸的坐標(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)國內(nèi)外

30、 生產(chǎn)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)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。有些高精度三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)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，沒有先進(jìn)的測(cè)頭就無法充分發(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。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 1-10 所示）。這類測(cè)頭的形狀簡(jiǎn) 單，制

31、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)已不再使用這類測(cè)頭。(a)(b)(c)(d)(e)(f)(a) 圓錐形測(cè)頭 (b) 圓柱形測(cè)頭 (c) 球形測(cè)頭 (d) 半圓形測(cè)頭 (e) 點(diǎn)測(cè)頭 (f) V 型塊測(cè)頭圖 1-10 機(jī)械接觸式測(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)頭常用動(dòng)態(tài)測(cè)頭的結(jié)構(gòu)如圖 1-11 所示。測(cè)桿安裝在芯體上，而芯體則通過三個(gè)沿圓周 1200 分布的鋼球安放在三對(duì)觸點(diǎn)上，當(dāng)測(cè)桿沒有受到測(cè)量力時(shí)，芯體上的鋼球

32、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，產(chǎn)生階躍信號(hào)，直接或通過計(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?？梢姡瑴y(cè)頭是在觸測(cè)工件表面的運(yùn)動(dòng)過程中，瞬間進(jìn)行測(cè)量采樣的，故稱為動(dòng)態(tài)測(cè)頭， 也稱為觸發(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 RENISHAW 公司生產(chǎn)的觸發(fā)式測(cè)頭。12435圖 1-11 電氣式動(dòng)態(tài)

33、測(cè)頭1彈簧2芯體3測(cè)桿4鋼球5觸點(diǎn)（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

34、式位移傳感器，此時(shí)也將靜態(tài)測(cè)頭稱為三向電感測(cè)頭。圖 1-12 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

35、 Z 向?qū)к壥撬桨惭b，故用三組彈簧 2、14、15 加以平衡?？烧{(diào)彈簧 14 的上方 有一螺紋調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，通過平衡力調(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：鎖緊機(jī)構(gòu)：如圖 1-12b 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

36、。位移傳感器：用以測(cè)量位移量的大小，如圖 1-12c 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。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 1-12d 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)過于靈敏而產(chǎn)生振蕩。該測(cè)頭加力機(jī)構(gòu)工作原理如圖 1-12a 所示，其中 X 向加力機(jī)構(gòu)和 Y 向加力機(jī)構(gòu)相同（圖中 只表示出了 X 向）。X 向加力機(jī)構(gòu)是利用電磁鐵 6 推動(dòng)杠桿 5，使其繞十字片簧 8 的回轉(zhuǎn)中心 轉(zhuǎn)

37、動(dòng)而推動(dòng)中間傳力桿 7 圍繞波紋管 4 組成的多向回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)，由于中間傳力桿與轉(zhuǎn)接座 17 用片簧相連，因而推動(dòng)測(cè)頭在 X 方向“預(yù)偏置”。Z 向加力機(jī)構(gòu)是利用電磁鐵 9 產(chǎn)生的，當(dāng)電 磁鐵作用時(shí)，在 Z 向產(chǎn)生的上升或下降會(huì)通過頂桿 12 推動(dòng)被懸掛的 Z 向的活動(dòng)導(dǎo)軌板，從而 推動(dòng)測(cè)頭在 Z 方向“預(yù)偏置”。（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

38、；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，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。如圖 1-13 所示，由激光器 2 發(fā)出的光，經(jīng)聚光鏡 3 形成很細(xì)的平行光束，照射到被測(cè)工 件 4 上（工件表面反射回來的光可能是鏡面反射光，也可能是漫反射光，三角法測(cè)頭是利用漫 反射光進(jìn)行探測(cè)的），其漫反射回來的光經(jīng)成像鏡 5 在光電檢測(cè)器 1 上成像。照明光軸與成像光軸間有一夾角，稱為三角成像角。當(dāng)被測(cè)表面處于不同位置時(shí)，漫反射光斑按照一定三角關(guān)系成像于

39、光電檢測(cè)器件的不同位置，從而探測(cè)出被測(cè)表面的位置。這種測(cè)頭的突出優(yōu)點(diǎn)是工作 距離大，在離工件表面很遠(yuǎn)的地方（如 40mm100mm）也可對(duì)工件進(jìn)行測(cè)量，且測(cè)頭的測(cè)量范 圍也較大（如±5mm±10mm）。不過三角法測(cè)頭的測(cè)量精度不是很高，其測(cè)量不確定度大致 在幾十至幾百微米左右。2021102212311241213(b142526789654321152716(c2829X301731Z18(d(a圖 1-12 加力式三向電感測(cè)頭(a)總體結(jié)構(gòu) (b)鎖緊機(jī)構(gòu) (c)位移傳感器 (d)阻尼機(jī)構(gòu)1Y 向片簧2平衡彈簧3Z 向片簧4波紋管5杠桿6電磁鐵7中間傳力桿8十字片簧9電

40、磁鐵10平衡力調(diào)節(jié)微電機(jī)11平衡力調(diào)節(jié)螺桿12頂桿13平衡力調(diào)節(jié)螺母套14平衡彈簧15平衡彈簧16X 向片簧17轉(zhuǎn)接座18測(cè)桿19拔銷20電機(jī)21彈簧22杠桿23鎖緊鋼球24定位塊25線圈支架26線圈27磁芯28上阻尼支架 29阻尼片30阻尼片31下阻尼支架12354圖 1-13 激光非接觸式測(cè)頭工作原理1光電檢測(cè)器2激光器3聚光鏡4工件5成像鏡（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 1-14 為一

41、些常見的測(cè)端形狀。圖 1-14a 為球形測(cè)端，是最常用的測(cè)端。它具有制造簡(jiǎn)單、便于從各個(gè)方向觸測(cè)工件表 面、接觸變形小等優(yōu)點(diǎn)。圖 1-14b 為盤形測(cè)端，用于測(cè)量狹槽的深度和直徑。圖 1-14c 為尖錐形測(cè)端，用于測(cè)量凹槽、凹坑、螺紋底部和其它一些細(xì)微部位。 圖 1-14d 為半球形測(cè)端，其直徑較大，用于測(cè)量粗糙表面。圖 1-14e 為圓柱形測(cè)端，用于測(cè)量螺紋外徑和薄板。(a)(b)(c)(d)(e)(a)球形測(cè)端(b)盤形測(cè)端(c)尖錐形測(cè)端(d)半球形測(cè)端(e)圓柱形測(cè)端圖 1-14 測(cè)端的形狀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

42、精度有較大影響，在選用時(shí)應(yīng)注意：1）在滿足測(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。圖 1-15 為星形測(cè)頭座示意圖，其上可以安裝若干不同的測(cè)頭，并通過測(cè)頭座連接到測(cè)量 機(jī)主軸上。測(cè)量時(shí)，根據(jù)需要可由不同的測(cè)頭交替工作。45326171星形測(cè)頭座2測(cè)頭3回轉(zhuǎn)接頭座4測(cè)頭5星形探針連接器6測(cè)頭7測(cè)頭圖 1-1

43、5 激光非接觸式測(cè)頭工作原理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 1-16a 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(dòng)盤中有與之相應(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 0o1

44、05o，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 48×141673 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，圖 1-16b 為其實(shí)物照片。 22B11A(a)(b)圖 1-16 可分度測(cè)頭回轉(zhuǎn)體(a) 二維測(cè)頭回轉(zhuǎn)體示意圖 (b) PH10M 測(cè)頭回轉(zhuǎn)體實(shí)物照片1測(cè)頭2測(cè)頭回轉(zhuǎn)體1.3.4三坐標(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

45、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，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 通過程序來控制坐標(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) 這類控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，價(jià)格低廉，在車間中應(yīng)用較廣。這兩類坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的標(biāo)尺系統(tǒng)

46、通常為光柵，測(cè)頭一般采用觸發(fā)式測(cè)頭。其工作過程是：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。2CNC 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。（1）集中控制集中控制由一個(gè)主 CPU

47、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，

48、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)是通過操縱桿或 CNC 程序?qū)λ欧姍C(jī)進(jìn)行速度控制，以此來控 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

49、三軸按一定的算法聯(lián)動(dòng)來實(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)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)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

50、主要有串行 RS232 標(biāo)準(zhǔn)與并行 IEEE488 標(biāo)準(zhǔn)。1.3.5 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)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過運(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、通用測(cè)量軟件 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 圖示及窗口編程是最簡(jiǎn)單的方式，它是通過圖形菜單選擇被測(cè)元素，建立坐標(biāo)系，并通過“窗口”提示

51、選擇操作過程及輸入?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)廠家提供的專用測(cè)量機(jī)語言在其它通用計(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)的開啟無關(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。

52、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)無人自動(dòng)測(cè)量。這一過程中的測(cè)量 程序是完全由系統(tǒng)自動(dòng)生成的。二、專用測(cè)量軟件 專用測(cè)量軟件包可含有許多種類的數(shù)據(jù)處理程序，以滿足各種工程需要。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

53、測(cè)量的軟件包。通 常各三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)都配置有這類軟件包。專用測(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)量精度而開發(fā)的各類測(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、曲面等常見零件和表面測(cè)量的專用測(cè)量 軟件包。在有的測(cè)量機(jī)中，還配備有測(cè)量汽車車身、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等零件的專用測(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）

54、系統(tǒng)參數(shù)識(shí)別及控制參數(shù)優(yōu)化軟件包：用于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)控制系統(tǒng)的總調(diào)試，并生 成具有優(yōu)化參數(shù)的用戶運(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。1.4 計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用十分普遍。從應(yīng)用領(lǐng)域來講，主要有質(zhì)量控制和逆向工程兩個(gè) 方面。1.4.1 質(zhì)量控制計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)技術(shù)最早是隨著產(chǎn)品質(zhì)量控制的要求逐步發(fā)展起來的。因此，它的自然應(yīng) 用領(lǐng)域首先是在產(chǎn)品的質(zhì)量控制上。在早期的機(jī)械零部件生產(chǎn)中，一般使用簡(jiǎn)易的測(cè)量?jī)x器進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量的檢驗(yàn)，比如游標(biāo)卡 尺、千分尺等。但隨著機(jī)械零件的復(fù)雜化，尤其是汽車和航空工業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的機(jī)械檢測(cè)手 段已經(jīng)難以滿足檢測(cè)要求，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。在現(xiàn)代制造行業(yè)中，大多數(shù)產(chǎn)品都是按照 CAD 數(shù)學(xué)模型在數(shù)控加工機(jī)床上制造出來的。要 了解它與原 CAD 數(shù)學(xué)模型相比，確定其在加工制造過程中產(chǎn)生的誤差，就需要使用三坐標(biāo)測(cè)量 機(jī)進(jìn)行測(cè)量。在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的軟件系統(tǒng)中可以用圖形方式顯示原 CAD 數(shù)學(xué)模型，再按照可視 化方式從圖形上確定被測(cè)點(diǎn)，得到被測(cè)點(diǎn)的 X、Y、Z 坐標(biāo)值及法向矢量，便可生成自動(dòng)測(cè)量程 序。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)可按法線方向?qū)ぜM(jìn)行精確測(cè)量，獲得準(zhǔn)確的坐標(biāo)