三坐标测量机文献综述

三坐标测量机文献综述

1.三坐标测量机的研究背景

随着人们生活水平的提高和制造业的快速发展，特别是机床、机械、汽车、航空航天和电子工业，各种复杂零件的研制和生产需要先进的检测技术；同时为应对全球竞争，生产现场非常重视提高加工效率和降低生产成本，其中，最重要的便是生产出高质量的产品。为此，必须实行严格的质量管理，只有在保证高质量生产的前提下，制造业才能生存和发展。因此，为确保零件的尺寸和技术性能符合要求，必须进行精确的测量，因而体现三维测量技术的三坐标测量机应运而生，并迅速发展和日趋完善。三维测量是基于以下的客观要求发展起来的。

(1).越来越多的工件需要进行空间三维测量，而传统的测量方法不能满足生产的需要。传统测量方法是指用传统测量工具（如千分表、量块、卡尺等）进行的测量，属相对测量，因其测量基准为被加工面，而不是直接的主轴基准，是一种过度基准，再加上传统测量工具本身精度不高，同时人为测量操作随机性误差也较大，这些因素导致测量结果不准；另一方面传统测量工具量程小、被测工件尺寸、形状受到限制，许多测量任务（如尺寸大、形状较复杂）用传统测量工具完成不了，且占用机时较长。

(2).由于机械加工、数控机床加工及自动加工线的发展，生产节拍的加快，加工一个零件仅有几十分钟或几分钟，要求加快对复杂工件的检测。例如：汽车和摩托车都采用流水生产线，每辆车上有几千甚至上万个零件，这些零件是由专业化厂分散生产，最后集中部装和总装，每隔几分钟就生产出一辆车。

(3). 在制造业中，大多数产品都是按照CAD数学模型在数控机床上制造完成的，它与原CAD 数学模型相比，确定其在加工制造中产生的误差，就需用三坐标测量机进行测量。在三坐标测量机的软件系统中可以用图形方式显示原CAD数学模型，再按照可视化方式从图形上确定被测点，得到被测点的X、Y、Z坐标值及法向矢量，便可生成自动测量程序。三坐标测量机可按法线方向对工件进行精确测量，获得准确的坐标测量结果，也可与原CAD数学模型进行比较并以图形方式显示，生成坐标检测报告（包括文本报告和图表报告），全过程直观快捷，而用传统的检测方法则无法完成。

(4). 随着生产规模日益扩大，加工精度不断提高，除了需要高精度三坐标测量机的计量室检测外，为了便于直接检测工件，测量往往需要在加工车间进行，或将测量机直接串连到生产线上。检验的零件数量加大，科学化管理程度加强，因而需要各种精度的坐标测量机，以满足生产的需要。

(5). 实现逆向（反求）工程的需要，例如随着模具生产的发展，在当前的生产制造中往往会碰到这么一种情况，客户能提供给制造者的只有实物而没有任何图纸或CAD数据，特别是样件中有曲线、曲面等很难通过测量获得其准确的数据的复杂模型。在这种情况下，传统的加工方法是使用雕刻法或其他方法制作出一个一比一的模具，再用模具进行生产。这种方法无法获得工件准确的尺寸图纸，也很难对其外型进行修改。现在采用的是三维扫描测量出工件轮廓曲线、曲面等数据。因此需要与“数控机床”或“加工中心”相配合的三维检测技术。

2.三坐标测量机的研究意义

扫描式三维形貌检测系统即为三坐标测量机，是经过40多年发展起来的一种高效率的新型精密测量仪器，有着非常广泛的用途。

20世纪60年代以来，工业生产有了很大的发展，特别是机床、机械、汽车、航空航天

和电子工业兴起后，各种复杂零件的研制和生产需要先进的检测技术与仪器，因而体现三维测量技术的三坐标测量机应运而生，并迅速发展和日趋完善。作为近40年发展起来的一种高效率的新型精密测量仪器，三坐标测量机已广泛地用于机械制造、电子、汽车和航空航天等工业中。它可以进行零件和部件的尺寸、形状及相互位置的检测，例如箱体、导轨、涡轮和叶片、缸体、凸轮、齿轮、形体等空间型面的测量。此外，还可用于划线、定中心孔、光刻集成线路等，并可对连续曲面进行扫描及制备数控机床的加工程序等。由于它的通用性强、测量范围大、精度高、效率高、性能好、能与柔性制造系统相连接，已成为一类大型精密仪器，故有“测量中心”之称。

三坐标测量机主要由四大部分组成：主机机械系统（X、Y、Z三轴或其它）、测头系统、电气控制硬件系统、数据处理软件系统（测量软件）。三坐标测量机的出现是标志计量仪器从古典的手动方式向现代化自动测试技术过渡的一个里程碑。三坐标测量机在下述方而对三维测量技术有重要作用:

(1).解决了复杂形状表面轮廓尺寸的测量，例如箱体零件的孔径与孔位、叶片与齿轮、汽车与飞机等的外廓尺寸检测；

(2).提高了三维测量的精度，目前高精度的坐标测量机的单轴精度，每米长度内可达1μm 以内，三维空间精度可达1μm一2μm。对于车间检测用的三坐标测量机，每米测量精度单轴也可达3μm一4μm；

(3).由于三坐标测量机可与数控机床和加工中心配套组成生产加工线或柔性制造系统，从而促进了自动化生产线的发展；

(4).随着三坐标测量机的精度不断提高，自动化程度不断发展，促进了三维测量技术的进步，大大地提高了测量效率。尤其是电子计算机的引入，不但便于数据处理，而且可以完成CNC 的控制功能，可缩短测量时间达95%以上。

3.三坐标测量机研究国内外现状

国内外的应用都已相当普遍。根据国际专业咨询公司统计，三坐标测量机的销售增长率在7%～25%上下。其中发达国家拥有量较高,但增长率逐年下降，大约为7%～10%；而发展中国家拥有量较低但增长率不断提高，大约为15%～25%。目前，国内外三坐标测量机正迅速发展，世界上生产测量机的厂商已超过50家，品种规格也已达300种以上。我国自2002年起连续8年测量机消费量位居全球第一。

主要用于机械、汽车、航空、军工、家具、工具原型、机器等中小型配件、模具等行业中的箱体、机架、齿轮、凸轮、叶片、曲线、曲面等的测量 还可用于电子、五金、塑胶等行业中 可以对工件的尺寸、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。

三坐标测量机是集机械、光学、控制技术、计算机技术为一体的大型的精密测量仪器，由于它的通用性强，测量范围大、精度高、效率高、性能好，因此自1959年世界上第一台三坐标测量机在英国制造出来，仅几十多年的历史，它就取得了飞速的发展，至今己经历了以下三个发展阶段:

(1).手动数显打印型:这种类型坐标测量机主要用于几何尺寸测量，采用数字显示，可打印测量结果，一般采用手动测量。带有电传打印系统的坐标测量机虽然解决了数据打印问题，但记录下来的数据仍需要人工进行运算。例如在测量机上测量孔距，实际上测得的是孔上各点的x与 Y坐标，需要进行计算处理才能得出结果，人工计算工作量很大，所以这类测量机目前已被淘汰。

(2).手动型：带有小型电子计算机的测量机的数据系统由三部分组成：即数据输入部分、数