2.5　三坐標測量機簡介

2.5.1　檢測技術的發展

科學技術的迅速發展帶來一系列最新的技術成就，如光柵、激光、感應同步器、磁柵以及射線技術。特別是隨著計算機技術的發展應用與三坐標測量機的完美結合，出現了一批高效率、新穎的幾何量精密測量設備。

在整個產品的生產制造過程中，要切實保障各零件的加工質量，就必須有相應的檢測技術手段。檢測技術的發展趨勢主要體現在以下幾方面：

（1）利用計算機的數據處理能力來儲存、分析、處理測量數據；

（2）提高各種傳感器工作可靠性，提高非接觸測量中的測量精度；

（3）測量原理簡單，操作方便，可同時獲得三維幾何體內、外曲面輪廓的數據。

由于三坐標測量機具有高準確度、高效率、測量范圍大等優點，故已成為幾何量測量儀器的一個主要發展方向。

2.5.2　三坐標測量機的特點

1.三坐標測量機的特點

三坐標測量機是測量和獲得尺寸數據的最有效的方法之一，可以代替多種表面測量工具及昂貴的組合量規，并把復雜的測量任務所需時間從小時減到分鐘，這是其他儀器所達不到的效果。

三坐標測量機不僅成為檢驗產品是否合格的重要檢驗工具，而且由于其具有通用性好、測量范圍大、精度高、測量效率高等諸多優點，其已越來越多地應用于加工生產線。

如果在三坐標測量機上設置分度頭、回轉臺（或數控轉臺），除采用直角坐標系外，還可采用極坐標系、圓柱坐標系測量，使測量范圍更加擴大。有X,Y，Z，回轉臺四軸坐標的測量機，常稱為四坐標測量機。增加回轉軸的數目，還有五坐標或六坐標測量機。

2.三坐標測量機的用途

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的，在測量范圍內可到達任意一個測點。三個軸的測量系統可以測出測點在X,Y，Z三個方向上的精確坐標位置。根據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。

三坐標測量機能高速、安全、精確地獲得三維幾何體內、外輪廓曲面的數據，對任意形狀的物體，只要測頭能感受（或瞄準）到的地方，就能測出物體相應的空間位置、形狀以及各個元素間的空間相互位置關系，并借助計算機完成數據處理。

三坐標測量機可用于機械、汽車、航空、軍工、家具、工具、機器等中小型配件、模具等行業中的箱體、機架、齒輪、凸輪、蝸輪、蝸桿、葉片、曲線、曲面等的測量，還可用于電子、五金、塑膠等行業中對工件的尺寸、形狀和形位公差進行精密檢測，從而完成零件檢測、外形測量、過程控制等任務。測量任務一般包含以下幾種：

①測量復雜形狀。三坐標測量機可以測量圓柱面凸輪、端面凸輪、凸輪軸、螺紋、絲杠、齒輪及非漸開線齒形等。

②周長、面積和體積測量。

③特殊參數測量?？梢愿鶕Ρ粶y件的測量計算出其重心、斷面二次力矩及斷面系數等參數。

3.三坐標測量機的精度

三坐標測量機是一種柔性的通用測量儀器，適于測量幾乎是任何物體的幾何參數，它的準確度（和精度）是衡量一臺機器好壞的重要指標。

三坐標測量機的測量精度單軸精度可達到1μm，三維空間精度可達到1～2μm。如果再結合數控回轉臺、極坐標系測量，其精度和使用范圍更廣。三坐標測量機已成為一種新穎、高效的幾何精度測量設備。

2.5.3　三坐標測量機硬件的構成及功能

1.三坐標測量機系統的構成

三坐標測量機系統的硬件主要由三部分組成。

（1）終端控制計算機和打印機。在三坐標測量機系統的硬件結構中，計算機是整個測量系統的管理者。計算機實現與操作者對話、控制程序的執行和結果處理、與外部設備的通信等功能。

（2）數控設備及其外部設備。數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）。數控設備通過由計算機傳來的數據計算出參考路徑，不斷地控制測量機的運動及與手提式控制盒的通信。

（3）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。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2-61列出了常見的幾種三坐標測量機的結構類型。

2.三坐標測量機的構成

三坐標測量機總體由測量機主機、控制系統、測頭測座系統、計算機（測量軟件）等幾部分組成。

（1）測量機主體的功能。根據操作或程序的命令，在零件的指定位置采集坐標點。

（2）控制系統的功能。

①控制、驅動測量機的運動，三軸同步、速度、加速度控制；

②在有觸發信號時采集數據，對光柵讀數進行處理；

③根據補償文件，對測量機進行21項誤差補償（各軸的兩個直線度、兩個角擺誤差、自轉誤差、位置誤差、三軸之間的垂直度誤差共21項）；

④采集溫度數據，進行溫度補償；

⑤對測量機工作關態進行監測（行程控制、氣壓、速度、讀數、測頭等），采取保護；

⑥對掃描測頭的數據進行處理，并控制掃描；

⑦與計算機進行各種信息交流。

（3）測頭測座系統的功能。

①測座根據命令旋轉到指定角度；

②測頭傳感器在探針接觸被測點時發出觸發信號。

三坐標測量機的結構配置見圖2-62。

3.三坐標測量機的原理

將被測物體置于三坐標測量機的工作臺上，通過手工及自動程序對物體進行逐點檢測，將物體測點的坐標數值經計算處理成被測元素的幾何尺寸和空間的相互位置關系。因此，對任意形狀的物體，只要三坐標測量機檢測頭能夠測到點的三維數值，就可獲得物體相應的空間位置、形狀及各個元素間的空間相互位置關系。

三坐標測量機的測量方法主要有投影光柵法、立體視覺法、由灰度恢復形狀法三種。

4.三坐標測量機的應用

（1）三坐標測量機與加工中心相配合，具有“測量中心”之功能。在現代化生產中，三坐標測量機已成為CAD/CAM系統中的一個測量單元，它把測量信息反饋至系統主控計算機，進一步控制加工過程，提高產品質量。

（2）三坐標測量機及其配置的實物編程軟件系統通過對實物與模型的測量，可得到加工面幾何形狀的各種參數而生成加工程序，完成實物編程；借助于繪圖軟件和繪圖設備，可得到整個實物的外觀設計圖樣，實現設計、制造一體化的生產系統，并且該圖樣可3D立體旋轉，是逆向工程的最佳工具。

（3）多臺測量機聯機使用，組成柔性測量中心，可實現生產過程的自動檢測，提高生產效率。因此，三坐標測量機越來越廣泛地應用于機械制造、電子、汽車和航空航天工業領域。

（4）三坐標測量機通常配置有測量軟件系統、輸出打印機、繪圖儀等外圍設備，增強了數據處理和自動控制等功能。

5.三坐標測量機的類型

三坐標測量機是一種高精密儀器，包括通用的橋式測量機、懸臂式測量機、在線測量機，以及引領測量前沿技術的多功能工業CT測量機、復合式測量中心和納米級測量機等不同等級和類型的測量機。

橋式測量機、龍門式測量機、水平懸臂式測量機和便攜式測量機的外觀見圖2-63。

（1）三坐標測量機按其精度分為兩大類。

①精密型萬能測量機（UMM）：是一種計量型三坐標測量機，其精度可達1.5μm+2L/1000，一般放置在有恒溫條件的計量室內，用于精密測量，分辨率為0.5μm，1μm或2μm，也有達0.2μm或0.1μm的。

②生產型測量機（CMM）：一般放置在生產車間，用于生產過程的檢測，并可進行末道工序的精加工，分辨率為5μm或10μm，小型生產型測量機也有1μm或2μm的。

（2）三坐標測量機的測頭系統種類很多，按性質可分為機械式、光學式和電氣式測量系統。

（3）三坐標測量機按測頭的測量方法可分為接觸式和非接觸式兩大類。其中，接觸式測量常用于測量機械加工產品以及壓制成型品、金屬膜等。接觸式測頭又可分為硬測頭和軟測頭兩類。

①硬測頭：多為機械測頭，主要用于手動測量和精度要求不高的場合。

②軟測頭：是目前三坐標測量機普遍采用的測頭，又分為觸發式測頭和三維測微頭兩種。觸發式測頭也稱為電觸式測頭，其作用是瞄準，可用于“飛越”（允許若干毫米超程）測量。

（4）三坐標測量機按結構分為橋式、臂式（懸臂式和水平臂式）、立柱式、龍門式、臥鏜式等類型。

①橋式：是將測頭系統支持在橋式框架上，此結構剛性好，適用于大型測量機。橋式三坐標測量機是當前三坐標測量機的主流結構。按運動形式，橋式三坐標測量機又可分為移動橋式和固定橋式兩類。

②懸臂式：懸臂式Z軸移動結構的特點是左右方向開闊，操作方便，但容易引起Y軸撓曲而使Y軸的測量范圍受限制；懸臂式Y軸移動結構的特點是Z軸固定在懸臂Y軸上，隨Y軸一同前后移動，有利于工件的裝卸。

③龍門式：龍門式又分為龍門移動式結構和龍門固定式結構，其裝卸工件非常方便，操作性能好，適宜精度高的小型測量機。

④臥鏜式：臥式鏜床結構的測量機，精度較高，但結構復雜。

（5）根據測量原理的不同，三坐標測量機可分為機械接觸式坐標測量機、激光坐標測量機、光學坐標測量機。

①機械接觸式坐標測量機：通過監測測頭與實物的接觸情況獲取坐標數據。機械接觸式坐標測量機最早大多采用的是固定剛性測頭，其測量過程簡單方便，對被測物體的材質和顏色無特殊要求；但測頭與工件之間的接觸程度主要靠測量人員的手感把握，存在系統誤差大、測量速度低、測量數據密度低等缺點，需要對測量結果進行測頭損傷和測頭半徑三維補償，并且不能對軟質材料或超薄形物體進行檢測。

②激光坐標測量機：由激光掃描實物，同時由攝像機錄下光束與實物接觸部位，屬于非接觸測量。激光坐標測量機從根本上解決了接觸式測量所產生的各種缺陷，有效避免了在高精度測量中測量力所帶來的系統誤差和隨機誤差，且可以方便地實現對軟質材料或超薄形物體表面形狀的檢測。其測量速度快、效率高，但測量過程會受到物體的材質和顏色的影響。當光束投射到物體表面時，由于物體表面對光的散射作用，且被測表面傾斜引起接收光功率質心偏移，測量精度隨入射角而變化，造成一定測量誤差甚至使測量失效。

③光學坐標測量機：隨著計算機技術和光電技術的發展，基于光學原理、以計算機圖像處理為主要手段的三維復雜曲面非接觸式快速測量技術得到飛速發展。光學坐標測量機由光源照射實物，利用干涉條紋技術計算實物坐標數據。

2.5.4　三坐標測量機的使用操作

1.三坐標測量機的使用操作基本步驟

（1）一般使用步驟。

①規劃檢測方案。首先是要查看零件圖紙，了解測量的要求和方法，規劃檢測方案或調出檢測程序。

②操作守則。吊裝放置被測零件的過程中，特別要注意遵守吊車安全的操作規程，保護不損壞測量機和零件；零件應安放在方便檢測、阿貝誤差最小的位置并固定牢固。

③安裝探針及附件。按照測量方案安裝探針及探針附件，要按下“緊急?！卑粹o再進行安裝，并注意輕拿輕放，用力適當；更換后試運行時要注意試驗一下測頭保護功能是否正常。

④注意事項。實施測量過程中，操作人員要精力集中，首次運行程序時要注意減速運行，確定編程無誤后再使用正常速度。

⑤意外情況。一旦發現異常響聲或異常氣味時，應立即按“緊急停”按鈕，切斷電源，保護現場，并找專業修理人員維修或直接打電話與經銷商聯系，切勿自行拆卸。

⑥存檔。檢測完成后，將測量程序和程序運行參數及測頭配置等說明存檔。

⑦清潔。拆卸（更換）零件，清潔臺面。

⑧后期保養。三坐標測量機在使用之后要進行適當的清理，后期保養也很重要。

（2）開機順序。

三坐標測量機開機的順序是：打開氣壓閥（檢查氣壓是否在0.4～0.45MPa，且檢查過濾器中有沒有雜質）；打開電源和控制柜電源；打開電腦和PC-DMIS軟件；用無塵布蘸酒精沿一個方向擦導軌；電機加電并打開自動模式；測量機回零。

2.三坐標測量機測量時的測量順序

（1）三坐標測量機測量的內容。

三坐標測量機測量的內容包括基準點、分型（邊界）線、輪廓線、面、結構等。

（2）三坐標測量機測量時的順序。

①先難后易。指先測量難度較大的部分。

②先重后輕。指先測量重要的部分，如基準點、分型線等。

③先配合后個體。指先測量裝配結合部分。

④先整體后細節。指先完成主體的形位測量，再補充細節。

在安排次序時，還要結合下面的具體情況靈活處理：

①造型進度的需要。

②在同一次定位下完成盡可能多的數據測量。

③測量器具的局限。如探針在同一方位下可測量盡可能多的數據，以減少探針的換位次數。

3.三坐標測量機測頭校正時的注意事項

①三坐標測量機的測頭、測座、加長桿、測針、標準球要安裝可靠牢固，不能松動有間隙。既需要檢查測針、標準球安裝的是否牢固，又要擦拭測針和標準球上的手印和污漬，保持測針和標準球清潔。

②三坐標測量機校正測頭時，測量速度應與測量時的速度一致。注意觀察校正后測針的直徑和校正時的形狀誤差。若變化較大，則查找原因并清潔標準球和測針。重復進行校正，觀察其結果的重復程度。如此，既檢查了測頭、測針、標準球是否安裝牢固，同時也檢查了機器的工作狀態。

③當三坐標測量機需要進行多個測頭角度、位置或不同測針長度的測頭校正時，可使用測球功能，用校正后的全部測頭一次測量標準球，觀察坐標的變化。如果變化比較大，則需要檢查測座、測頭、加長桿、測針、標準球的安裝是否牢固，這些是造成此現象的重要原因。

④不同的軟件使用方法不同，因為測針長度是測頭自動校正的重要參數，如果出現錯誤會導致測針的碰撞，輕則碰壞測針，重則造成測頭損壞。

⑤正確輸入標準球直徑。從以上可以看出，標準球直徑直接影響測針寶石球直徑的校正值。這雖是一個“小概率事件”，但是卻有可能發生。

⑥在正常容量的情況下，室溫控溫可在（20±1）℃范圍內。

4.三坐標測量機使用時的注意事項

正確使用三坐標測量機對其使用壽命、精度起到關鍵作用，使用中應注意以下幾個問題：

①工件吊裝前，要將探針退回坐標原點，為吊裝位置預留較大的空間。

②工件吊裝要平穩，不可撞擊三坐標測量機的任何構件。

②正確安裝零件，安裝前確保符合零件與測量機的等溫要求。

③建立正確的坐標系，只有保證所建的坐標系符合圖紙的要求，才能確保所測數據準確。

④當編好程序自動運行時，要防止探針與工件的干涉，故需注意增加拐點。

⑤對于一些大型較重的模具、檢具，測量結束后應及時吊下工作臺，以避免工作臺長時間處于承載狀態。

2.5.5　三坐標測量機在模具行業的應用

（1）模具的型芯與型腔、導柱與導套的匹配如果出現偏差，可通過三坐標測量機找出偏差值以便糾正。

（2）在模具的型芯、型腔輪廓加工成型后，很多鑲件和局部的曲面要通過電極在電脈沖上加工成型，從而電極加工的質量和非標準的曲面質量成為模具質量的關鍵。因此，用三坐標測量機測量電極的形狀必不可少。

（3）三坐標測量機可以應用3D數模的輸入，將成品模具與數模上的定位、尺寸、相關的形位公差、曲線、曲面進行測量比較，輸出圖形化報告，直觀清晰地反映模具質量，從而形成完整的模具成品檢測報告。

（4）在某些模具使用了一段時間出現磨損要進行修正，但又無原始設計數據（即數模）的情況下，可以用截面法采集點云，用規定格式輸出，探針半徑補償后造型，從而達到完好如初的修復效果。

（5）當一些曲面輪廓既非圓弧，又非拋物線，而是一些不規則的曲面時，可用油泥或石膏手工做出曲面作為底胚，然后用三坐標測量機測出各個截面上的截線、特征線和分型線，用規定格式輸出，探針半徑補償后造型，在造型過程中圓滑曲線，從而設計制造出全新的模具。