2.5 三坐标测量机简介

2.5.1 检测技术的发展

在整个零件的生产制造过程中，要切实保障零件的加工质量，必须有相应的检测技术手段。检测技术的发展趋势主要体现在以下几点：

（1）利用计算机的数据处理能力来储存、分析、处理测量数据；

（2）提高各种传感器工作可靠性，提高非接触测量中的测量精度；

（3）测量原理简单，操作方便，可同时获得三维几何体内、外曲面轮廓的数据。

与现代制造技术相对应的计算机辅助测量技术，在机械加工领域，最具代表性的就是三坐标测量技术。

2.5.2 三坐标测量机

三坐标测量机诞生与20世纪60年代中期，最早的测量机是手动机型，还配有计算机。经过了几十年的发展，三坐标测量机越来越多的融入了先进的科学技术。

（1）特点。三坐标测量机是集精密机械、电子、光学、传感、计算机技术等为一体，不仅成为检验产品是否合格的重要检验工具，而且由于它的通用性好、测量范围大、精度高、测量效率高等诸多优点，越来越多地应用于加工生产线，成为柔性制造系统的一个有机组成部分。

（2）应用。三坐标测量机能高速、安全、精确地获得三维几何体内、外轮廓曲面的数据，对任意形状的物体，只要测头能感受到的地方，就能测出物体相应的空间位置、形状、及各个元素间的空间相互位置关系，并借助计算机完成数据处理。

（3）精度。三坐标测量机测量精度单轴精度可达到1μm，三维空间精度可达到1～2μm。如果再结合数控回转台、极坐标系测量，其使用范围更广。三坐标测量机成为一种新颖的、高效的几何精度测量设备。

2.5.3 三坐标测量原理

（1）原理。将被测物体置于三坐标测量机的工作台上，通过手工及自动程序对物体进行逐点检测，将物体测点的坐标数值经计算处理后的反映被测元素的几何尺寸和空间的相互位置关系。

因此，对任意形状的物体，只要三坐标测量机检测头能够测到点的三维数值，就可获得物体相应的空间位置、形状及各个元素间的空间相互位置关系。

（2）测量方法。三坐标测量机具体测量方法主要有：投影光栅法、立体视觉法、由灰度恢复形状法三种。

2.5.4 三坐标测量机的类型

1．三坐标测量机特点

三坐标测量机种类繁多，形式各异，性能各样。三坐标测量机采用比较被测量与标准量进行测量，并将测量结果用数据表示出来，因此三坐标测量机通常具有三个方向的标准器（标尺），通过控制与驱动系统使三维测头系统沿导轨实现相对运动，对被测物体进行检测或扫描，并将测量数据处理后输出。

2．三坐标测量机的类型

（1）三坐标测量机按结构分为桥式、臂式（悬臂式和水平臂式）、立柱式、龙门式、卧镗式等类型。

（2）按运动形式，桥式三坐标测量机又可分为移动桥式和固定桥式。

桥式结构是将测头系统支持在桥式框架上，此结构刚性好，适用于大型测量机。桥式三坐标测量机是当前三坐标测量机的主流结构。

悬臂式Z轴移动结构的特点是左右方向开阔，操作方便，但容易引起Y轴挠曲而使Y轴的测量范围受限制。悬臂式Y轴移动结构的特点是Z轴固定在悬臂Y轴上，随Y轴一同前后移动，有利于工件的装卸。

龙门移动式和龙门固定式结构，装卸工件非常方便，操作性能好，适宜精度高的小型测量机。

卧式镗床结构的测量机，精度较高，但结构复杂。

（3）根据测量原理的不同，三坐标测量机可分为机械接触式坐标测量机、激光坐标测量机、光学坐标测量机。

① 机械接触式坐标测量机。机械接触式坐标测量机通过检测测头与实物的接触情况获取坐标数据。

坐标测量机最早大多采用的是固定刚性测头，其测量过程简单方便，对被测物体的材质和颜色无特殊要求；但测头与工件之间的接触程度主要靠测量人员的手感把握，存在系统误差大、测量速度低，测量数据密度低，需要对测量结果进行测头损伤和测头半径三维补偿；并且不能对软质材料或超薄形物体进行检测。

② 激光坐标测量机。激光坐标测量机由激光扫描实物，同时由摄象机录下光束与实物接触部位，属于非接触测量。

该机从根本上解决了接触式测量所产生的各种缺陷，有效避免了在高精度测量中测量力带来的系统误差和随机误差，且可以方便地实现对软质材料或超薄形物体表面形状的检测。其测量速度快、效率高，但测量结果会受到物体的材质和颜色的影响。当光束投射到物体表面时，由于物体表面对光的散射作用或被测表面倾斜会引起接收光功率质心偏移，测量精度随入射角而变化，造成一定测量误差甚至使测量失效。

③ 光学坐标测量机。随着计算机技术和光电技术的发展，基于光学原理、以计算机图像处理为主要手段的三维复杂曲面非接触式快速测量技术得到飞速发展。光学坐标测量机由光源照射实物，利用干涉条纹技术计算实物坐标数据。

2.5.5 三坐标测量机组成

三坐标测量机由主机、测头系统、电气系统三大部分组成。

（1）主机。主机能放置被测物体并使测头能够顺利而平稳的沿导轨运动。

主机主要由测量机的床身框架结构、标尺系统、导轨、机械运动装置、平衡部件、工作台与附件等组成。

（2）电气系统。电气系统是三坐标测量仪的重要组成部分之一，关系到坐标测量机的精度、成本和寿命。

（3）测头系统。测头系统主要用于检测被测物体采集数据。为便于检测物体，测头底座部分可自由旋转。

三坐标测量机的测头系统种类很多，按性质可分为机械式、光学式和电气式测量系统。

测量头按测量方法分为接触式和非接触式两大类。接触式测量头又可分为硬测头和软测头两类。硬测头多为机械测头，主要用于手动测量和精度要求不高的场合。软测头是目前三坐标测量仪普遍采用的测量头，软测头有触发式测头和三维测微头两种。触发式测头也称为电触式测头，其作用是瞄准，可用于“飞越”（允许若干毫米超程）测量，其组成参见图2-26。

测头系统主要由测头底座、加长杆、传感器和探针四部分组成。三坐标测量机的外观参见图2-27。