(完整版)三坐标测量机

三坐标测量机

三坐标测量机，也称为CMM，是典型的现代化仪器设备，它由机械系统和电子系统两大部分组成。涵盖了几乎所有的普通尺寸测量，数据处理，外形分析等现代测量任务。

三坐标测量机的测量过程是由测头通过三个坐标轴导轨在三个空间方向自由移动实现的，在测量范围内可到达任意一个测点。三个轴的测量系统可以测出测点在X，Y，Z三个方向上的精确坐标位置。根据被测几何型面上若干个测点的坐标值即可计算出待测的几何尺寸和形位误差。另外，在测量工作台上，还可以配置绕Z 轴旋转的分度转台和绕X 轴旋转的带顶尖座的分度头，以方便螺纹、齿轮、凸轮等的测量。

1、三坐标测量机的工作原理

三坐标测量机是基于坐标测量的通用化数字测量设备。它首先将各被测几何元素的测量转化为对这些几何元素上一些点集坐标位置的测量，在测得这些点的坐标位置后，再根据这些点的空间坐标值，经过数学处理方法求出其尺寸和形位误差。如图所示，要测量工件上一圆柱孔的直径，可以在垂直于孔轴线的截面I内，触测内孔壁上三个点（点1、2、3），则根据这三点的坐标值就可计算出孔的直径及圆心坐标O1；如果在该截面内触测更多的点（点1，2，…，n，n为测点数），则可根据最小二乘法或最小条件法计算出该截面圆的圆度误差；如果对多个垂直于孔轴线的截面圆（I，II，…，m，m为测量的截面圆数）进行测量，

则根据测得点的坐标值可计算出孔的圆柱度误差以及各截面圆的圆心坐标，再根据各圆心坐标值又可计算出孔轴线位置；如果再在孔端面A上触测三点，则可计算出孔轴线对端面的位置度误差。由此可见，CMM的这一工作原理使得其具有很大的通用性与柔性。从原理上说，它可以测量任何工件的任何几何元素的任何参数。

2、三坐标测量机系统的硬件构成和功能

三坐标测量机系统的硬件主要有三部分组成：

⑴终端控制计算机和打印机：在三坐标测量机系统的硬件结构中，计算机是整个测量系统的管理者。计算机实现与操作者对话、控制程序的执行和结果处理、与外设的通讯等功能。

⑵数控设备及其外设：数控设备是计算机和测量机的接口（I/O，工具信号，紧急情况等）。数控设备通过由计算机传来的数据计算出参考路径，不断地控制测量机的运动及与手提式控制盒的通讯。

⑶三坐标测量机：三坐标测量机的主体主要由以下各部分组成：底座、测量工作台、立柱、X向支撑梁和导轨、Y向支撑梁和导轨、Z轴部件、测头、驱动电机及测长系统。其结构形式（总体布局形式）主要取决于三组

坐标的相对运动方式，它对测量机的精度和适用性影响很大。图1-1列出了常见的几种结构形式：

①悬臂式[ 图1-1（a）、（b）]

悬臂式又可分为Z架移动式[ 图1-1 （a）] 和Y架移动式[ 图1-1（b）]。Z架移动式的特点是Y轴悬臂在Y方向位置固定，而Z轴框架在Y轴上移动；Y架移动式的特点是Z轴固定在Y轴悬臂上，Y轴带着Z轴作整体运动（包括Y方向）。悬臂式结构的特点是工作面开阔，有利于测量操作，缺点是悬臂结构容易变形。采用这种结构必须考虑对变形的补偿。

②桥式[ 图1-1（c）、（d）]

以桥框作为导向面，X轴能沿Y或X方向移动。这种结构的特点是刚性好，缺点是桥框立柱限制了工件的装卸。这种结构适宜用于大型测量机。

③龙门式[ 图1-1（e）、（f）]

龙门式又可以分为龙门移动式[ 图1-1 （e）]和龙门固定式［图1-1（f）］。龙门移动式便于工件的装卸，操作性能好、龙门固定式的龙门刚度大，结构稳定性好，但不宜测量重型工件，否则工作台运动时的惯性太大。

④坐标镗床式或卧式镗床式[ 图1-1 ( g )，( h ) ]

结构形式与坐标镗床或卧式镗床相似。坐标镗床式[ 图1-1（g）]的测量范围较小，精度较高；卧式镗床式[ 图1-1（h）] 适宜于完成与工作台面垂直的工件端面上的检测项目。

图1-1 三坐标测量机的结构形式

（a）, (b) 悬臂式; (c) , (d) 桥式; (e)，(f) 龙门式; (g) 坐标镗床式; (h) 卧式镗床式

三坐标测量机的测量系统的主要部件是测量头和测长系统。

⑴测量头

三坐标测量机的准确度和测量效率与测量头密切相关。现代三坐标测量机测头主要采用电气式测量头，或以电气式测头为基本配置，另外再辅助配置光学测头。电气式测头按其原理和功能可分为动态测头和静态测头。

①动态测头

常用的动态测头的简图如图1-2所示。测针通过三个钢珠安放在6个触点上。测量时，测针的球状端部接触工件，不论受到X，Y，Z哪个方向的接触力，都会引起支承钢球与触点脱离，从而引起电路的断开，产生阶跃信号，直接或通过计算机控制采样电路，将三维测长数据送至存储器，供数据处理用。

钢球

触点

图1-2 电气式动态测头

可见，测头是在工件表面触碰的运动过程中，在与工件接触的瞬间进行测量采样的，故称为动态测头，也称触发式测头。动态测头不能以接触状态停留在工件旁，因而只能对工件表面作离散的逐点测量，而不能作连续的扫描测量。在测量曲线、曲面时，需作扫描测量，此时应使用静态测头。

②静态测头

在静态测头中有三维几何量传感器，借助传感器可以将测头与工件表面接触时测球的三维位移量转换成电量，驱动伺服系统进行自动调整，使测头停在规定的位移量（相当一定的测量力）上，在测头静止的状态下采集三维坐标数据，故称为静态测头。

静态测头沿工件表面移动时，可始终保持接触状态，进行扫描测量，故静态测头也称扫描测头。

静态测头常用电感式位移传感器，此时也称电感测头。

图1-3为三维电感式静态测头的示意图。测头上装有三个方向互相垂直的导轨，在X ，Y ，Z 三个方向上都设有电感差动式变压器，可以灵敏地指示出方向和位置。

③光学非接触式测头

光学非接触式测头可用于对空间曲面、软体表面、光学刻线等的测量，

尤其是不能用机械测头和电测头测量的工件，只能用光学非接触式测头。光学点位测量头的原理如图1-4所示。光源4发出的光线经聚光镜5，照到十字分划板6上，分划板出来的光线经反射镜8、

物镜7投射到工件表面上，经工件漫反射，再经棱镜9、10、物镜11、直角屋脊棱镜3，成像在分

划板2上，通过目镜1进行观察。当显徽镜与工件之间的调焦距离很准确时，在目镜分划板上只有一个像，如果距离偏长或偏短，就出现两个像，这种

图1-3 静态测头

Z ——X-Z 平面测头；B ——Y-Z 平面测头； C ——X-Y 平面测头，具有五倍小探针； d ，e ，f ——Y ，X 和Z 的直线导轨

图1-4 光学非接触式测头

l ——目镜；2——分划板；3——直角屋脊棱镜；4——光源； 5——聚光镜；6 —— 分划板；7—— 物镜；8——反射镜；

9、10——棱镜；11——物镜