節(jié)　概述

一、三坐標測量機的產(chǎn)生

三坐標測量機（Coordinate Measuring Machining，簡稱CMM）是20世紀60年代發(fā)展起來的一種新型高效的精密測量儀器。它的出現(xiàn)，一方面是由于自動機床、數(shù)控機床高效率加工以及越來越多復雜形狀零件加工需要有快速可靠的測量設備與之配套；另一方面是由于電子技術、計算機技術、數(shù)字控制技術以及精密加工技術的發(fā)展為三坐標測量機的產(chǎn)生提供了技術基礎。1960年，英國FERRANTI公司研制成功世界上臺三坐標測量機，到20世紀60年代末，已有近十個國家的三十多家公司在生產(chǎn)CMM，不過這一時期的CMM尚處于初級階段。進入20世紀80年代后，以深圳大通儀器設備經(jīng)營部TESA、ZEISS、LEITZ、DEA、LK、三豐、SIP、FERRANTI、MOORE等為代表的眾多公司不斷推出新產(chǎn)品，使得CMM的發(fā)展速度加快。現(xiàn)代CMM不僅能在計算機控制下完成各種復雜測量，而且可以通過與數(shù)控機床交換信息，實現(xiàn)對加工的控制，并且還可以根據(jù)測量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)反求工程。目前，CMM已廣泛用于機械制造業(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)檢測和質(zhì)量控制不可缺少的萬能測量設備。

                                         圖9-1 三坐標測量機的組成

1—工作臺   2—移動橋架   3—中央滑架   4—Z軸   5—測頭   6—電子系統(tǒng)

二、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(tǒng)和電子系統(tǒng)兩大部分組成。

   （1）機械系統(tǒng)：一般由三個正交的直線運動軸構成。如圖9-1所示結(jié)構中，X向?qū)к壪到y(tǒng)裝在工作臺上，移動橋架橫梁是Y向?qū)к壪到y(tǒng)，Z向?qū)к壪到y(tǒng)裝在中央滑架內(nèi)。三個方向軸上均裝有光柵尺用以度量各軸位移值。人工驅(qū)動的手輪及機動、數(shù)控驅(qū)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(tǒng)：一般由光柵計數(shù)系統(tǒng)、測頭信號接口和計算機等組成，用于獲得被測坐標點數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)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(shù)字測量設備。它首先將各被測幾何元素的測量轉(zhuǎn)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(nèi)，觸測內(nèi)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OI；如果在該截面內(nèi)觸測更多的點（點1，2，…，n，n為測點數(shù)），則可根據(jù)*小二乘法或*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)。

圖9-2 坐標測量原理

三、三坐標測量機的分類

（一）按CMM的技術水平分類

   1．數(shù)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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)處理工作。

   3．計算機數(shù)字控制型

這類CMM技術水平較高，可像數(shù)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*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*長一個坐標軸方向上的測量范圍為500～2000mm，是應用*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*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(fā)動機外殼、航空發(fā)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

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

2．中、低精度CMM

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

（四）按CMM的結(jié)構形式分類

   按照結(jié)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(jié)。

第二節(jié)　三坐標測量機的機械結(jié)構

一、結(jié)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(jié)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。圖9-3是目前常見的幾種CMM結(jié)構形式，下面對其結(jié)構特點和應用范圍作簡要介紹。

圖9-3 三坐標測量機的結(jié)構形式

(a)移動橋式  (b)固定橋式  (c)中心門移動式  (d) 龍門式  (e)懸臂式

(f) 單柱移動式  (g) 單柱固定式  (h) 橫臂立柱式  (i) 橫臂工作臺移動式

圖9-3a為移動橋式結(jié)構，它是目前應用*廣泛的一種結(jié)構形式，其結(jié)構簡單，敞開性好，工件安裝在固定工作臺上，承載能力強。但這種結(jié)構的X向驅(qū)動位于橋框一側(cè)，橋框移動時易產(chǎn)生繞Z軸偏擺，而該結(jié)構的X向標尺也位于橋框一側(cè)，在Y向存在較大的阿貝臂，這種偏擺會引起較大的阿貝誤差，因而該結(jié)構主要用于中等精度的中小機型。

圖9-3b為固定橋式結(jié)構，其橋框固定不動，X向標尺和驅(qū)動機構可安裝在工作臺下方中部，阿貝臂及工作臺繞Z軸偏擺小，其主要部件的運動穩(wěn)定性好，運動誤差小，適用于高精度測量，但工作臺負載能力小，結(jié)構敞開性不好，主要用于高精度的中小機型。

圖9-3c為中心門移動式結(jié)構，結(jié)構比較復雜，敞開性一般，兼具移動橋式結(jié)構承載能力強和固定橋式結(jié)構精度高的優(yōu)點，適用于高精度、中型尺寸以下機型。

圖9-3d為龍門式結(jié)構，它與移動橋式結(jié)構的主要區(qū)別是它的移動部分只是橫梁，移動部分質(zhì)量小，整個結(jié)構剛性好，三個坐標測量范圍較大時也可保證測量精度，適用于大機型，缺點是立柱限制了工件裝卸，單側(cè)驅(qū)動時仍會帶來較大的阿貝誤差，而雙側(cè)驅(qū)動方式在技術上較為復雜，只有Y向跨距很大、對精度要求較高的大型測量機才采用。

圖9-3e為懸臂式結(jié)構，結(jié)構簡單，具有很好的敞開性，但當滑架在懸臂上作Y向運動時，會使懸臂的變形發(fā)生變化，故測量精度不高，一般用于測量精度要求不太高的小型測量機。

圖9-3f為單柱移動式結(jié)構，也稱為儀器臺式結(jié)構，它是在工具顯微鏡的結(jié)構基礎上發(fā)展起來的。其優(yōu)點是操作方便、測量精度高，但結(jié)構復雜，測量范圍小，適用于高精度的小型數(shù)控機型。

圖9-3g為單柱固定式結(jié)構，它是在坐標鏜的基礎上發(fā)展起來的。其結(jié)構牢靠、敞開性較好，但工件的重量對工作臺運動有影響，同時兩維平動工作臺行程不可能太大，因此僅用于測量精度中等的中小型測量機。

圖9-3h為橫臂立柱式結(jié)構，也稱為水平臂式結(jié)構，在汽車工業(yè)中有廣泛應用。其結(jié)構簡單、敞開性好，尺寸也可以較大，但因橫臂前后伸出時會產(chǎn)生較大變形，故測量精度不高，用于中、大型機型。

圖9-3i為橫臂工作臺移動式結(jié)構，其敞開性較好，橫臂部件質(zhì)量較小，但工作臺承載有限，在兩個方向上運動范圍較小，適用于中等精度的中小機型。

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(chǎn)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(wěn)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(zhuǎn)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�；瑒訉к壘�度高，承載能力強，但摩擦阻力大，易磨損，低速運行時易產(chǎn)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(shù)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(yōu)點，如制造簡單、精度高、摩擦力極小、工作平穩(wěn)等。

   圖9-4給出的是一移動橋式結(jié)構CMM氣浮導軌的結(jié)構示意圖，其結(jié)構中有六個氣墊2（水平面四個，側(cè)面兩個），使得整個橋架浮起。滾輪3受壓縮彈簧4的壓力作用而與導向塊5緊貼，由彈簧力保證氣墊在工作狀態(tài)下與導軌導向面之間的間隙。當橋架6移動時，若產(chǎn)生扭動，則使氣墊與導軌面之間的間隙量發(fā)生變化，其壓力也隨之變化，從而造成瞬時的不平衡狀態(tài)，但在彈簧力的作用下會重新達到平衡，使之穩(wěn)定地保持10μm的間隙量，以保證橋架的運動精度。氣浮導軌的進氣壓力一般為3～6個大氣壓，要求有穩(wěn)壓裝置。

圖9-4 三坐標測量機氣浮導軌的結(jié)構

1—工作臺   2—氣墊   3— 滾輪   4— 壓縮彈簧   5—導向塊   6—橋架

氣浮技術的發(fā)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(chǎn)廠在尋找高強度輕型材料作為導軌材料，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，深圳大通儀器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(huán)境溫度的要求卻又可以放寬些。

第三節(jié)　三坐標測量機的測量系統(tǒng)

   三坐標測量機的測量系統(tǒng)由標尺系統(tǒng)和測頭系統(tǒng)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(tǒng)

標尺系統(tǒng)是用來度量各軸的坐標數(shù)值的，目前三坐標測量機上使用的標尺系統(tǒng)種類很多，它們與在各種機床和儀器上使用的標尺系統(tǒng)大致相同，按其性質(zhì)可以分為機械式標尺系統(tǒng)（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(tǒng)（如光學讀數(shù)刻線尺，光學編碼器，光柵，激光干涉儀）和電氣式標尺系統(tǒng)（如感應同步器，磁柵）。根據(jù)對國內(nèi)外生產(chǎn)CMM所使用的標尺系統(tǒng)的統(tǒng)計分析可知，使用*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(tǒng)采用了激光干涉儀。

二、測頭系統(tǒng)

   （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，沒有的測頭就無法充分發(fā)揮測量機的功能。在三坐標測量機上使用的測頭，按結(jié)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(jù)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(jīng)驗和技能，因此測量精度差、效率低。目前除少數(shù)手動測量機還采用此種測頭外，絕大多數(shù)測量機已不再使用這類測頭。

圖9-5 機械接觸式測頭

(a) 圓錐形測頭  (b) 圓柱形測頭  (c) 球形測頭  (d) 半圓形測頭  (e) 點測頭  (f) V型塊測頭

   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(tài)測頭和靜態(tài)測頭。

   （1）動態(tài)測頭

   常用動態(tài)測頭的結(jié)構如圖9-6所示。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(chǎn)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(shù)據(jù)送至存儲器，供數(shù)據(jù)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(tài)測頭，也稱為觸發(fā)式測頭。動態(tài)測頭結(jié)構簡單、成本低，可用于高速測量，但精度稍低，而且動態(tài)測頭不能以接觸狀態(tài)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(xù)的掃描測量。目前，絕大多數(shù)生產(chǎn)廠選用英國RENISHAW深圳大通儀器公司生產(chǎn)的觸發(fā)式測頭。

圖9-6 電氣式動態(tài)測頭

1—彈簧   2—芯體   3—測桿   4—鋼球   5—觸點

   （2）靜態(tài)測頭

靜態(tài)測頭除具備觸發(fā)式測頭的觸發(fā)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(qū)動伺服系統(tǒng)進行自動調(diào)整，使測頭停在規(guī)定的位移量上，在測頭接近靜止的狀態(tài)下采集三維坐標數(shù)據(jù)，故稱為靜態(tài)測頭。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，因而也稱為掃描測頭。其主要特點是精度高，可以作連續(xù)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。目前由深圳大通儀器TESA、LEITZ、ZEISS和KERRY等廠家生產(chǎn)的靜態(tài)測頭均采用電感式位移傳感器，此時也將靜態(tài)測頭稱為三向電感測頭。圖9-7為ZEISS公司生產(chǎn)的雙片簧層疊式三維電感測頭的結(jié)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)接座可作Z向運動。為了增強片簧的剛度和穩(wěn)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?qū)к壥撬�平安裝，故用三組彈簧2、14、15加以平衡。可調(diào)彈簧14的上方有一螺紋調(diào)節(jié)機構，通過平衡力調(diào)節(jié)微電機10轉(zhuǎn)動平衡力調(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(zhuǎn)一角度，則此時該向?qū)к壧幱谧杂蔂顟B(tài)。需鎖緊時，再使電機正轉(zhuǎn)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(chǎn)生阻尼力，避免由于片簧機構過于靈敏而產(chǎn)生振蕩。

該測頭加力機構工作原理如圖9-7a所示，其中X向加力機構和Y向加力機構相同（圖中只表示出了X向）。X向加力機構是利用電磁鐵6推動杠桿5，使其繞十字片簧8的回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動而推動中間傳力桿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，因而推動測頭在X方向“預偏置”。Z向加力機構是利用電磁鐵9產(chǎn)生的，當電磁鐵作用時，在Z向產(chǎn)生的上升或下降會通過頂桿12推動被懸掛的Z向的活動導軌板，從而推動測頭在Z方向“預偏置”。

圖9-7 加力式三向電感測頭

(a)總體結(jié)構  (b)鎖緊機構  (c)位移傳感器  (d)阻尼機構

1—Y向片簧   2—平衡彈簧   3—Z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—電磁鐵   10—平衡力調(diào)節(jié)微電機   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   16—X向片簧   17—轉(zhuǎn)接座   18—測桿

19—拔銷   20—電機   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

   （3）光學測頭

在多數(shù)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(yōu)點，主要體現(xiàn)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(shù)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(fā)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。

如圖9-8所示，由激光器2發(fā)出的光，經(jīng)聚光鏡3形成很細的平行光束，照射到被測工件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，三角法測頭是利用漫反射光進行探測的），其漫反射回來的光經(jīng)成像鏡5在光電檢測器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。當被測表面處于不同位置時，漫反射光斑按照一定三角關系成像于光電檢測器件的不同位置，從而探測出被測表面的位置。這種測頭的突出優(yōu)點是工作距離大，在離工件表面很遠的地方（如40mm～100mm）也可對工件進行測量，且測頭的測量范圍也較大（如±5mm～±10mm）。不過三角法測頭的測量精度不是很高，其測量不確定度大致在幾十至幾百微米左右。

圖9-8 激光非接觸式測頭工作原理

1—光電檢測器   2—激光器   3—聚光鏡   4—工件   5—成像鏡

（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(zhuǎn)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。

圖9-9a為球形測端，是*常用的測端。它具有制造簡單、便于從各個方向觸測工件表面、接觸變形小等優(yōu)點。

圖9-9b為盤形測端，用于測量狹槽的深度和直徑。

圖9-9c為尖錐形測端，用于測量凹槽、凹坑、螺紋底部和其它一些細微部位。

圖9-9d為半球形測端，其直徑較大，用于測量粗糙表面。

圖9-9e為圓柱形測端，用于測量螺紋外徑和薄板。

圖9-9 測端的形狀

(a)球形測端   (b)盤形測端   (c)尖錐形測端   (d)半球形測端   (e)圓柱形測端

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(fā)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(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頭上、測頭連接到回轉(zhuǎn)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。

　　圖9-10為星形測頭座示意圖，其上可以安裝若干不同的測頭，并通過測頭座連接到測量機主軸上。測量時，根據(jù)需要可由不同的測頭交替工作。

圖9-10 激光非接觸式測頭工作原理

1—星形測頭座   2—測頭   3—回轉(zhuǎn)接頭座   4—測頭   5—星形探針連接器   6—測頭   7—測頭

4．回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)附件，使探針或整個測頭回轉(zhuǎn)一定角度再進行測量，從而擴大測頭的功能。

常用的回轉(zhuǎn)附件為如圖9-11a所示的測頭回轉(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(xiàn)以7.5o為步距的轉(zhuǎn)位。它繞垂直軸的轉(zhuǎn)動范圍為360o，共48個位置，繞水平軸的轉(zhuǎn)動范圍為0o～105o，共15個位置。由于在繞水平軸轉(zhuǎn)角為0o（即測頭垂直向下）時，繞垂直軸轉(zhuǎn)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(tài)，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(zhuǎn)體為RENISHAW深圳大通儀器公司生產(chǎn)的各種測頭回轉(zhuǎn)體，圖9-11b為其實物照片。

圖9-11 可分度測頭回轉(zhuǎn)體

(a) 二維測頭回轉(zhuǎn)體示意圖  (b) PH10M測頭回轉(zhuǎn)體實物照片

1—測頭   2—測頭回轉(zhuǎn)體

第四節(jié)　三坐標測量機的控制系統(tǒng)

一、控制系統(tǒng)的功能

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

二、控制系統(tǒng)的結(jié)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(shù)據(jù)處理。隨著計算機技術及數(shù)控技術的發(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測量機自動進給和進行數(shù)據(jù)采樣，同時在計算機中完成數(shù)據(jù)處理。

1．手動型與機動型控制系統(tǒng)

   這類控制系統(tǒng)結(jié)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(tǒng)通常為光柵，測頭一般采用觸發(fā)式測頭。其工作過程是：每當觸發(fā)式測頭接觸工件時，測頭發(fā)出觸發(fā)信號，通過測頭控制接口向CPU發(fā)出一個中斷信號，CPU則執(zhí)行相應的中斷服務程序，實時地讀出計數(shù)接口單元的數(shù)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(shù)據(jù)緩沖區(qū)，供后續(xù)的數(shù)據(jù)處理使用。

2．CNC型控制系統(tǒng)

   CNC型控制系統(tǒng)的測量進給是計算機控制的。它可以通過程序?qū)�測量機各軸的運動進行控制以及對測量機運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，從而實現(xiàn)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(tǒng)又可分為集中控制與分布控制兩類。

（1）集中控制

   集中控制由一個主CPU實現(xiàn)監(jiān)測與坐標值的采樣，完成主計算機命令的接收、解釋與執(zhí)行、狀態(tài)信息及數(shù)據(jù)的回送與實時顯示、控制命令的鍵盤輸入及安全監(jiān)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(tǒng)，完成單軸的伺服控制、三軸聯(lián)動以及運動狀態(tài)的監(jiān)測。從功能上看，運動控制CPU既要完成數(shù)字調(diào)節(jié)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(tǒng)中使用多個CPU，每個CPU完成特定的控制，同時這些CPU協(xié)調(diào)工作，共同完成測量任務，因而速度快，提高了控制系統(tǒng)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(zhuǎn)臺只需在系統(tǒng)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?qū)λ欧�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(xiàn)對工件的測量。三坐標測量機的測量進給與數(shù)控機床的加工進給基本相同，但其對運動精度、運動平穩(wěn)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(lián)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(lián)動來實現(xiàn)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(tǒng)中，插補器由CPU程序控制來實現(xiàn)。根據(jù)設定的軌跡，CPU不斷地向三軸伺服控制系統(tǒng)提供坐標軸的位置命令，單軸伺服控制系統(tǒng)則不斷地跟蹤，從而使測頭一步一步地從起始點向終點運動。

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)通信是指主計算機與控制系統(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)接主計算機與控制系統(tǒng)的通信總線實現(xiàn)的。外通信則是指當CMM作為FMS系統(tǒng)或CIMS系統(tǒng)中的組成部分時，控制系統(tǒng)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(jié)　三坐標測量機的軟件系統(tǒng)

   現(xiàn)代三坐標測量機都配備有計算機，由計算機來采集數(shù)據(jù)，通過運算輸出所需的測量結(jié)果。其軟件系統(tǒng)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(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(xiàn)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*簡單的方式，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?yún)��?shù)，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(diào)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(chǎn)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(fā)現(xiàn)錯誤則進行修改。其優(yōu)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(tǒng)中，通常由CAD/CAM系統(tǒng)自動生成測量程序。三坐標測量機一方面讀取由CAD系統(tǒng)生成的設計圖紙數(shù)據(jù)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(jù)虛擬工件自動生成測量路徑，實現(xiàn)無人自動測量。這一過程中的測量程序是完全由系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(chǎn)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(fā)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(fā)動機葉片等零件的專用測量軟件包。

三、系統(tǒng)調(diào)試軟件

用于調(diào)試測量機及其控制系統(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(jié)果對測量機誤差進行修正；

   （3）系統(tǒng)參數(shù)識別及控制參數(shù)優(yōu)化軟件包：用于CMM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(tǒng)工作軟件

測量軟件系統(tǒng)必須配置一些屬于協(xié)調(diào)和輔助性質(zhì)的工作軟件，其中有些是必備的，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(zhuǎn)控制等；

   （2）數(shù)控運行軟件：用于測頭運動控制；

   （3）系統(tǒng)監(jiān)控軟件：用于對系統(tǒng)進行監(jiān)控（如監(jiān)控電源、氣源等）；

   （4）編譯系統(tǒng)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(shù)據(jù)文件管理軟件：用于各類文件管理；

   （7）聯(lián)網(wǎng)通訊軟件：用于與其他計算機實現(xiàn)雙向或單向通訊。

第六節(jié)　MISTRAL070705型三坐標測量機簡介

一、結(jié)構形式及主要技術指標

MISTRAL070705型三坐標測量機是意大利 DEA公司生產(chǎn)的，其結(jié)構如圖9-12所示。它為移動橋式結(jié)構，橫梁采用獨特的精密三角梁設計，具有良好的剛性質(zhì)量比；采用輕型鋁合金橋架、氣浮導軌及伺服電機驅(qū)動，重量輕，慣性小，運行輕便；采用的標尺為高分辨率的光柵尺。

測量機主要性能參數(shù)如下：

   行程范圍：  710×660×460mm

   測量精度：  3.5＋4×L／1000μm

   分辨率：    0.5μm

圖9-12 MISTRAL070705型三坐標測量機

1—花崗巖工作臺   2—移動橋架   3—Z軸   4—中央滑架   5—橫梁   6—底座

二、測量機主要功能

   1．幾何尺寸測量：可完成點、線、面、孔、球、圓柱、圓錐、槽、拋物面、環(huán)的幾何尺寸測量，同時可測出相關的形狀誤差。

   2．幾何元素構造：通過測量相關尺寸，可構造出未知的點、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。

   3．計算元素間的關系：通過測量一些相關尺寸，可計算出元素間的距離、相交、對稱、投影、角度等關系。

   4．位置誤差檢測：可完成平行度、垂直度、同軸度、位置度等位置誤差的測量。

5．幾何形狀掃描：用DEA公司提供的SCAN3D軟件包可對工件進行掃描測量。

三、測量機所具有的測量方式

   1．手動測量：在TUTOR測量環(huán)境下，利用手控盒手動控制測頭進行測量。

   2．自動測量：在CNC測量模式下，用DEAPPL語言脫機編制測量程序，經(jīng)WTCOMP編譯器編譯生成TEC執(zhí)行文件，用其控制測量機自動檢測。

3．自學習測量：在TUTOR測量環(huán)境下，可采用自學習測量方式。

四、測量機控制系統(tǒng)

   該測量機的控制系統(tǒng)安裝在測量機后面的金屬盒內(nèi)，是測量機與計算機的接口電路，它通過RS-232串行口與計算機連接。它由電源板、邏輯運算板（LOG186卡）、電機驅(qū)動器卡（PWZ4卡）、故障檢測板（PILZ卡）等組成，如圖9-13所示。

（1）電源板：為伺服驅(qū)動電機和邏輯電路供電。

（2）LOG186卡：用于調(diào)整和控制三坐標測量機的三個坐標軸，接收測頭信號及采集光柵數(shù)據(jù)，并處理系統(tǒng)的緊急情況。

（3）PWM24卡：為伺服驅(qū)動卡，用于驅(qū)動坐標測量機的三個坐標軸。

（4）PILZ卡：用于系統(tǒng)的故障診斷。

圖9-13 MISTRAL070705三坐標測量機的控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的工作過程為：①計算機分析零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)控裝置的邏輯卡；②邏輯卡計算運動的路徑，傳送參考值到伺服控制卡并檢查運動的精度，再把這些值與各軸輸出值進行比較；③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；④測量結(jié)果以選定的格式輸出，也可存儲起來供以后處理。

五、測頭

   MISTRAL070705三坐標測量機采用英國RENISHAW公司生產(chǎn)的測頭及其附件。常用的有PH9、PH10M等二維測頭回轉(zhuǎn)體和TP2、TP6等觸發(fā)式測頭。PH10M是功能強大的可分度機動測頭回轉(zhuǎn)體，能夠攜帶加長桿和各種測頭，具備高度可重復性的動態(tài)連接，允許快速的測頭或加長桿更換而不需要重新校正，它可在垂直方向（A向）旋轉(zhuǎn)0o～105o，在水平方向（B向）旋轉(zhuǎn)-180o～+180o，步進角為7.5o。PH10M測座采用RENISHAW的技術“自動鉸接”可直接連接TP6等測頭，加長桿可達300mm。其重復定位精度高，轉(zhuǎn)位后不需重新標定測頭。

六、測量軟件

MISTRAL070705三坐標測量機使用的主要軟件為DEA深圳大通儀器公司的TUTOR通用測量軟件，它是采用基于特征測量方法的數(shù)據(jù)處理及控制軟件，為用戶提供了一個非常容易學習的圖形界面（圖9-14為測量操作頁面），并有100多種已編好的程序來加速工件的檢測。它具有如下一些特點：

（1）操作簡便，通過簡單的鼠標點擊完成所有操作。

（2）具有標準操作員界面（如圖9-14）。在該環(huán)境下，測量機可完成：一些不需要測量機的輔助操作，如激活在線幫助、顯示W(wǎng)INDOWS文件管理窗；啟動一些不需要測量機的應用軟件；接通或斷開測量機；執(zhí)行零件程序；調(diào)用數(shù)據(jù)文件；啟動測量功能。

圖9-14 TUTOR的標準操作員界面

（3）具備基于結(jié)果和基于過程的測量模式，通過選擇按鈕或調(diào)用存儲程序，快速完成測量過程。

（4）具有完善的數(shù)據(jù)輸出功能。

（5）在單頁測量屏幕菜單上，包括了完成各幾何元素測量所須的信息和命令（如圖9- 15所示)。且測量指令圖形化顯示，可利用鼠標激活。

（6）可以自學習方式創(chuàng)建零件程序，用于批量工件的檢測。

（7）軟件中嵌入了一個稱之為MAESTRO的專用教師軟件包，操作者可利用它自學控制功能的使用方法。

原創(chuàng)作者：深圳市賽德力檢測設備有限公司