三坐標測量機培訓(xùn)教程

1、三坐標測量機基礎(chǔ)培訓(xùn)教程無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院2008 年 6 月前言機械設(shè)計、制造及檢測是機械工程領(lǐng)域的三大技術(shù)支柱及研究內(nèi)容。隨著計算 機輔助技術(shù)的發(fā)展，計算機輔助設(shè)計、制造及檢測的應(yīng)用日益普及，尤其是計算機 輔助設(shè)計和制造技術(shù)，在目前的機械類課程教學(xué)中起到越來越重要的作用。隨著我國機械工業(yè)的迅速發(fā)展和市場競爭的日益激烈，計算機輔助檢測技術(shù)作 為提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段以及逆向工程技術(shù)的發(fā)展，也日漸形成為一門獨立的學(xué) 科獲得了迅速的發(fā)展。在工業(yè)應(yīng)用上，各種計算機輔助檢測工藝及系統(tǒng)推陳出新。 除傳統(tǒng)的三坐標測量機外，近幾年發(fā)展起來許多新的檢測工藝如激光掃描測量、影 像測量、照相測量等等。檢測設(shè)備除傳

2、統(tǒng)的臺式機外，還涌現(xiàn)了關(guān)節(jié)臂式、手持式 等測量設(shè)備。而目前高校機械工程教學(xué)中對檢測領(lǐng)域的教學(xué)還僅限于傳統(tǒng)的工具階 段，雖有“互換性及技術(shù)測量基礎(chǔ)”，“幾何量精度設(shè)計與檢測”，“形狀與位置 公差”等與檢測相關(guān)的課程，但這些課程的教學(xué)還局限于傳統(tǒng)的游標卡尺、千分 尺、水平儀等簡單檢測工具的教學(xué)。對基于計算機輔助檢測技術(shù)的新一代高精度、 高柔性、數(shù)字化的檢測原理及工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域幾乎沒有涉及。顯然這是今后機械和儀 器儀表類課程教學(xué)和改革中必須加強的內(nèi)容，以提高學(xué)生的實際動手能力和適應(yīng)社 會需要的能力。本校本教程過小容負責(zé)編輯整理，在編寫過程中得到了三坐標測量機生產(chǎn)廠家其他有關(guān)高等院校和職業(yè)技術(shù)學(xué)院的大力

3、支持與幫助，同時還參閱了幾十種相關(guān)的書籍及其他文章資料，謹在此予以致謝。由于編者的水平所限，書中難免存在著缺點或疏漏，懇請批評指正。目錄第一章 計算機輔助檢測技術(shù)概論 1.1 計算機輔助檢測的基本概念1.2 計算機輔助檢測技術(shù)與系統(tǒng)1.3 三坐標測量機 1.4 計算機輔助檢測技術(shù)的應(yīng)用 1.5 計算機輔助檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢1.6標準球定義與檢驗1.7幾何元素構(gòu)造第二章三 坐 標 測量軟件MWorks-DMIS簡介 2.1 MWorks-DMIS 軟件的主要功能特性 2.2 MWorks-DMIS 軟件的安裝與啟動 2.3 MWorks-DMIS 軟件的用戶界面 2.4 軟件的環(huán)境、視圖與窗口

4、第三章三坐標測量機測頭系統(tǒng)配置 3.1 分步式配置測頭系統(tǒng)3.2 向?qū)絼?chuàng)建測頭系統(tǒng) 第四章三坐標測量機坐標系的建立與變換 4.1 坐標系的建立4.2 坐標系的旋轉(zhuǎn)、平移、清零與轉(zhuǎn)換 4.3 坐標系的存儲、調(diào)用與刪除 第五章 零件幾何特征的測量 5.1 點 線 面測量5.2 圓 圓柱 圓錐的測量5.3 球 橢圓的測量5.4 曲線 曲面的測量5.6 點云與數(shù)模對比測量第六章幾何特征的構(gòu)造 6.1 求交6.2 平分6.3 擬合6.4 投影 6.5 相切到6.6 相切過6.7 垂直過 6.8 平行過6.9 移位第七章零件的公差分析 7.1 尺寸公差 7.2 形狀公差 7.3 定位公差 7.4 定向公

5、差 7.5 跳動公差 7.6 截面綁定 7.7 數(shù)模對比設(shè)置 第八章三坐標測量機的測量文件 8.1 測量文件的存儲與調(diào)用8.2 測量文件的編輯與修改8.3 測量文件的重復(fù)執(zhí)行8.4 CAD 模型的輸入輸出 136第一章 計算機輔助檢測技術(shù)概論1.1 計算機輔助檢測的基本概念在傳統(tǒng)的機械檢測領(lǐng)域，游標卡尺、千分尺、螺旋測微儀等工具是手工檢測機械零件或裝 配件的主要工具。這種檢測方式的優(yōu)點是成本低、檢測方便、易學(xué)易用，但缺點是檢測精度不 高、檢測效率低、對于復(fù)雜零件的檢測無能為力。自上世紀七十年代以來，計算機輔助工程技術(shù)獲得了迅猛的發(fā)展。在機械工程領(lǐng)域，計算 機輔助工程在設(shè)計、加工、分析、檢測以及

6、制造過程管理方面都獲得了廣泛的應(yīng)用，形成了一系列的新興學(xué)科，如計算機輔助設(shè)計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助分析（CAE）、計算機輔助檢測（CAI）、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）等等。 計算機輔助檢測是綜合利用機電技術(shù)、計算機技術(shù)、控制及軟件技術(shù)而發(fā)展起來的一項新技術(shù)，其特點是測量精度高、測量柔性好、測量效率較高，尤其是對復(fù)雜零件的檢測，更是傳 統(tǒng)測量方法所無法比擬的。經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，計算機輔助檢測系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)生了很大的變化。從測量原理上來看， 計算機輔助檢測技術(shù)已經(jīng)由當(dāng)初的接觸式測量擴展到非接觸以及復(fù)合式測量。測量的設(shè)備也由 當(dāng)初唯一的三坐標測量機擴展到目前的 激光測量儀、影像（

7、視頻）測量儀、照相（攝影）測量 儀等檢測工藝比較豐富的產(chǎn)品系列。顧名思義，接觸式測量儀就是指測量器具通過與被測工件的表面接觸獲取物體表面的坐標 信息。接觸式測量的典型產(chǎn)品是三坐標測量機。非接觸式測量是指利用工業(yè) CCD 鏡頭或激光對物體表面進行測量從而獲得物體三維坐標 信息的測量工具。目前此類系統(tǒng)主要有激光測量儀、影像（視頻）測量儀、照相（攝影）測量 儀等。復(fù)合式測量則是指在同一個測量工具上集成了兩種以上的測量方式，如接觸式的探針測頭 和影像測量或激光測量。1.2 計算機輔助檢測技術(shù)與系統(tǒng)1.2.1 接觸式測量系統(tǒng)接觸式測量是指在測量過程中測量工具與被測工件表面直接接觸而獲得測點位置信息的測

8、量方法。目前常用的接觸測量方法包括：三坐標測量機、關(guān)節(jié)臂式柔性三坐標測量機等。不同的接觸式測量方法具有不同的測量原理。對于三坐標測量機而言，測量機是由三個帶 有光柵尺的坐標軸組成，當(dāng)測頭在測量過程中移動時，附著在光柵尺上的讀書頭可以讀出移動 的光柵格數(shù)，由軟件將走過的光柵格數(shù)根據(jù)光柵的分辨率記錄并轉(zhuǎn)化為長度值，然后由數(shù)據(jù)處 理軟件進行相應(yīng)的數(shù)學(xué)運算，求出被測點的位置以及被測幾何元素的參數(shù)，如圓的半徑、直徑 和圓心位置等。圖 1-1 給出了工業(yè)用三坐標測量機的結(jié)構(gòu)示意圖。對于柔性關(guān)節(jié)臂三坐標測量機而言，機器的定位采用的是圓光柵，機器的任一關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn) 時，可以根據(jù)球坐標系算出測針當(dāng)前的空間位置。機器

9、通過數(shù)據(jù)采集卡將空間位置信息傳出， 然后由數(shù)據(jù)處理軟件進行處理。圖 1-1 三坐標測量機1.2.2 非接觸式測量系統(tǒng)非接觸式測量是指在測量過程中測量工具與被測工件表面不發(fā)生直接接觸而獲得測點信息 的測量方法。目前常用的非接觸測量方法包括：激光掃描、影像測量、照相測量和工業(yè) CT 掃 描等。下面簡單介紹一下常用的幾種工藝方法。1.2.2.1 激光掃描測量激光掃描測量系統(tǒng)是近二十年來發(fā)展起來的一項新的測量工藝，它利用三角測量法的原 理，可以迅速獲取物體表面的三維幾何信息。三角測量法有被動三角測量和主動三角測量兩 種，被動三角測量法假設(shè)物體自發(fā)光；相反，主動三角測量法則是用激光照亮目標。三角測量的基

10、本原理是由半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光通過聚光透鏡在被測曲面上結(jié)成光點并 反射，光敏元件(如PSD)接收其散射光，根據(jù)其在PSD 上的位置，即可測出被測點的空間坐 標。圖1-2給出了被動三角法的測量原理。圖 1-2 三角法測量原理激光掃描可以根據(jù)激光光源的不同可以分為點掃描和線掃描兩種。一般點掃描獲取點的速 度在每秒幾十點以上。而線掃描可根據(jù)線寬，得到從一萬到幾萬的掃描采點速度。根據(jù)激光掃描系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)，激光掃描可分為臺式、關(guān)節(jié)臂式以及手持式三種。臺式激 光掃描系統(tǒng)與三坐標測量的機械結(jié)構(gòu)類似，有工作臺、XYZ 坐標軸、光柵尺、運動導(dǎo)軌等，有 些測量系統(tǒng)還增加了旋轉(zhuǎn)臺，從而使系統(tǒng)的掃描功能獲得進一步

11、的增強。圖 1-3 給出了一種臺 式和關(guān)節(jié)臂式激光掃描儀的示意圖。a. 臺式激光掃描系統(tǒng)b. 關(guān)節(jié)臂式激光掃描系統(tǒng)圖 1-3 激光掃描系統(tǒng)示意圖關(guān)節(jié)臂式激光掃描系統(tǒng)是在關(guān)節(jié)臂式測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加激光掃描測頭而形成的。關(guān)節(jié) 臂式測量機，又稱柔性測量臂，由于機器操作比較靈活，目前在工程上已經(jīng)廣泛應(yīng)用，如對汽 車和飛機內(nèi)部的測量，生產(chǎn)現(xiàn)場的測量等等。關(guān)節(jié)臂式激光掃描系統(tǒng)目前以 5、6、7 個自由度的設(shè)備最多。1.2.2.2 圖像測量圖像測量又稱 CCD 測量、影像測量或視頻測量。它通過工業(yè) CCD 鏡頭對物體表面掃描和 光電轉(zhuǎn)換功能將空間的光強分布轉(zhuǎn)換為時序的圖像信號，并根據(jù)確定的時空參數(shù)間的相互

12、關(guān)系 獲得物體空間分布的狀態(tài)數(shù)據(jù)。圖 1-4 給出了一個完整的 CCD 圖像測量系統(tǒng)。圖 1-4 影象測量系統(tǒng)示意圖1.2.2.3 照相（攝影）測量照相（攝影）測量是指利用相機對物體多個角度測量得到圖像信息，再根據(jù)空間物體投影 的原理，利用物體表面的標志點信息對物體進行三維空間位置的反算，進而求出物體表面標志 點的三維信息。圖 1-5 給出照相測量的原理圖。首先利用相機對物體表面進行 拍攝，從不同角度拍出若干照片。由軟件計算出每張照片中的攝 像機的位置。軟件再由每個照片位置計算出三 維空間中的光線交叉。通過使用多個照片，可以獲得整個物體的全部情況。圖 1-5 照相測量原理示意圖照相測量在大地、

13、建筑、空間測量中比較普及，在機械測量行業(yè)中的應(yīng)用尚不普遍。近幾 年來，基于照相測量的技術(shù)發(fā)展很快，除國際上一些知名的產(chǎn)品外，國內(nèi)也已經(jīng)發(fā)展起來。1.2.3 復(fù)合式測量系統(tǒng)復(fù)合式測量系統(tǒng)是指在同一個測量系統(tǒng)上集成兩個以上的測量工藝或方法，常見的復(fù)合式 測量機有三坐標測量機與激光掃描的集成、三坐標測量機與圖像測量的集成，以及上述三種測 量工藝的集成等。復(fù)合式測量系統(tǒng)的優(yōu)點是利用同一臺測量機，可以測量一個零件的不同特征，從而使測量 的結(jié)果更準確，效率更高，并節(jié)約機器的購置成本。比如，對于既有復(fù)雜曲面又有典型幾何元 素形狀的機械零件來說，利用三坐標的接觸式測量方法和激光測量方法就可以取得較好的測量 效

14、果。而對于一些大量以平面特征為主的零部件來說，圖像測量與三坐標的配合則效果會更 好。1.3 三坐標測量機1.3.1 三坐標測量機的發(fā)展及工作原理一、三坐標測量機的產(chǎn)生三坐標測量機（Coordinate Measurement Machine，簡稱 CMM）,又稱三坐標測量儀，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(fù)雜形狀零件加工需要有快速可靠的測量設(shè)備與之配 套；另一方面是由于計算機技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)以及精密加工技術(shù)的發(fā)展為三坐標測量機的產(chǎn) 生提供了技術(shù)基礎(chǔ)。1960 年，英國 FERRANTI 公司研制成

15、功世界上第一臺三坐標測量機，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)三坐標測量機，不過這一時期的三坐 標測量機尚處于技術(shù)的發(fā)展階段。進入 20 世紀 80 年代后，以?？怂箍?、德國蔡氏、英國 LK、 日本三豐等為代表的眾多公司不斷采用新的檢測技術(shù)，推出新的產(chǎn)品，使得三坐標測量機的發(fā) 展速度加快。現(xiàn)代三坐標測量機不僅能在計算機控制下完成各種復(fù)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)逆向工程。目前，三坐 標測量機已廣泛應(yīng)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)量控制不可缺少的精

16、密測量設(shè)備。二、三坐標測量機的組成及工作原理（一）三坐標測量機的組成 三坐標測量機是典型的機電一體化設(shè)備，它由機械系統(tǒng)、測頭系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、以及計算機和軟件四大部分組成。（1）機械系統(tǒng)：一般由三個正交的直線運動軸構(gòu)成。如圖 1-6 所示結(jié)構(gòu)中，X 向?qū)к壪?統(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。（2）電氣系統(tǒng)：除機械系統(tǒng)外，三坐標測量系統(tǒng)中的光柵尺、光柵讀數(shù)頭、數(shù)據(jù)采集 卡、自動系統(tǒng)的運動控制卡、接口箱、電纜線、電機等構(gòu)成了三坐標測量機的電氣系統(tǒng)。（3）測頭系統(tǒng)：測頭系統(tǒng)是三坐標測量機的數(shù)據(jù)采集器，其作用是獲

17、取當(dāng)前坐標位置的信息。測頭系統(tǒng)按其組成有兩類：機械式測頭和電氣式測頭兩種。（4）計算機和軟件系統(tǒng)：一般由計算機、數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)組成，用于獲得被測點的坐 標數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行計算處理。6Y324X51圖 1-6 三坐標測量機的組成原理1工作平臺2移動橋架3中央滑架4Z 軸5測頭6電氣和軟件系統(tǒng)（二）三坐標測量機的工作原理 三坐標測量機是基于坐標測量的通用化數(shù)字測量設(shè)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(xué)運算求出其尺寸和形位誤差。如圖 1-7 所示，要測量工件上一圓柱孔的直徑，可以在垂直于孔軸線

18、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)最小二乘法或最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， 三坐標測量機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

19、任何參數(shù)。ZA1I3OI2OYX圖 1-7 坐標測量原理三、三坐標測量機的分類（一）按三坐標測量機的技術(shù)水平分類1數(shù)字顯示及打印型 這類三坐標測量機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(shù)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 這類三坐標測量機技術(shù)水平略高，目前應(yīng)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 這類三坐標測量機技術(shù)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）按三坐標

20、測量機的測量范圍分類1小型坐標測量機這類三坐標測量機在其最長一個坐標軸方向（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三坐標測量機在其最長一個坐標軸方向上的測量范圍為 5002000mm，是應(yīng)用最多的 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三坐標測量機在其最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）按三坐標測量機的精度分類1精密型三坐標測量機其單軸最大測量不確定度小于 1×106L（L 為最大量程，單位為 mm），空間最大測量

21、不確 定度小于（23）×106L，一般放在具有恒溫條件的計量室內(nèi)，用于精密測量。2中、低精度三坐標測量機低精度三坐標測量機的單軸最大測量不確定度大體在 1×104L 左右，空間最大測量不確 定度為（23）×104L，中等精度三坐標測量機的單軸最大測量不確定度約為 1×105L，空 間最大測量不確定度為（23）×105L。這類三坐標測量機一般放在生產(chǎn)車間內(nèi)，用于生產(chǎn) 過程檢測。（四）按三坐標測量機的結(jié)構(gòu)形式分類 按照結(jié)構(gòu)形式，三坐標測量機可分為移動橋式、固定橋式、龍門式、懸臂式、立柱式等，見下節(jié)。1.3.2 三坐標測量機的機械結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)形式 三

22、坐標測量機是由三個正交的直線運動軸構(gòu)成的，這三個坐標軸的相互配置位置（即總體結(jié)構(gòu)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 1-8 是目前常見的幾種三坐 標測量機結(jié)構(gòu)形式，下面對其結(jié)構(gòu)特點和應(yīng)用范圍作簡要介紹。圖 1-8a 為移動橋式結(jié)構(gòu)，它是目前應(yīng)用最廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)主要用于中等精度的中小機型。圖 1-8b 為固定橋式結(jié)構(gòu)，其橋框固定不動，

23、X 向標尺和驅(qū)動機構(gòu)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(gòu)敞開性不好，主要用于高精度的中小機型。圖 1-8c 為中心門移動式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，敞開性一般，兼具移動橋式結(jié)構(gòu)承載能力 強和固定橋式結(jié)構(gòu)精度高的優(yōu)點，適用于高精度、中型尺寸以下機型。圖 1-8d 為龍門式結(jié)構(gòu)，它與移動橋式結(jié)構(gòu)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(gòu)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(shù)上較 為

24、復(fù)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 1-8e 為懸臂式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，具有很好的敞開性，但當(dāng)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。ZZZXYYXY X(a)(b)(c)ZZXYXYZYX(d)(e)(f)ZZZYXXXY Y(g)(h)(i)(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 1-8 三坐標測量機的結(jié)構(gòu)形式圖 1-8f 為單柱移動式結(jié)構(gòu)，也稱為儀器臺式結(jié)構(gòu)

25、，它是在工具顯微鏡的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)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(gòu)復(fù)雜，測量范圍小，適用于高精度的小型數(shù) 控機型。圖 1-8g 為單柱固定式結(jié)構(gòu)，它是在坐標鏜的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。其結(jié)構(gòu)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 1-8h 為橫臂立柱式結(jié)構(gòu)，也稱為水平臂式結(jié)構(gòu)，在汽車工業(yè)中有廣泛應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)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 1-8i 為橫臂工作臺移動式結(jié)構(gòu)，其敞開性較好，橫臂部件質(zhì)量較小，但工作臺承載有 限，

26、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(dǎo)軌 導(dǎo)軌是測量機的導(dǎo)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(dǎo)軌有滑動導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌和氣浮導(dǎo)軌，但常用的為滑動導(dǎo)軌和 氣浮導(dǎo)軌，滾動導(dǎo)軌應(yīng)用較少，因為滾動導(dǎo)軌的耐磨性較差，剛度也較滑動導(dǎo)軌低。在早期的 三坐標測

27、量機中，許多機型采用的是滑動導(dǎo)軌?；瑒訉?dǎo)軌精度高，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(dǎo)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(dǎo)軌（又稱為氣浮導(dǎo)軌、氣墊導(dǎo)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。6A-A543AA21圖 1-9 三坐標測量機氣浮導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)1工作臺2氣墊3 滾輪4 壓縮彈簧5導(dǎo)向塊6橋架圖 1-9 給出的是一移動橋式結(jié)構(gòu)三坐標測量機氣浮導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)示意圖，其結(jié)構(gòu)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(dǎo) 向塊 5 緊貼，由彈簧力保

28、證氣墊在工作狀態(tài)下與導(dǎo)軌導(dǎo)向面之間的間隙。當(dāng)橋架 6 移動時，若 產(chǎn)生扭動，則使氣墊與導(dǎo)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 10m 的間隙量，以保證橋 架的運動精度。氣浮導(dǎo)軌的進氣壓力一般為 36 個大氣壓，要求有穩(wěn)壓裝置。氣浮技術(shù)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(dǎo)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(dǎo)，減少熱變形，ZEISS 公司采用帶涂層 的抗時效合金來制造導(dǎo)軌，使其時效變形

29、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。1.3.3 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(gòu)成，它們是三坐標測量機的關(guān)鍵組成部 分，決定著三坐標測量機測量精度的高低。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(xué)式標尺系統(tǒng)（如光學(xué)讀數(shù)刻線尺， 光學(xué)編碼器，光柵，激光干涉儀）和電氣式標尺系統(tǒng)（如感應(yīng)同步器，磁柵）。根據(jù)對國內(nèi)外

30、 生產(chǎn)三坐標測量機所使用的標尺系統(tǒng)的統(tǒng)計分析可知，使用最多的是光柵，其次是感應(yīng)同步器 和光學(xué)編碼器。有些高精度三坐標測量機的標尺系統(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，沒有先進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(gòu)原理可分 為機械式、光學(xué)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 1-10 所示）。這類測頭的形狀簡 單，制

31、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。(a)(b)(c)(d)(e)(f)(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 型塊測頭圖 1-10 機械接觸式測頭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(gòu)如圖 1-11 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(dāng)測桿沒有受到測量力時，芯體上的鋼球

32、與三對觸點均保持接 觸，當(dāng)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?？梢姡瑴y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(gòu)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 公司生產(chǎn)的觸發(fā)式測頭。12435圖 1-11 電氣式動態(tài)

33、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(dāng)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(yīng)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(shù)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 LEITZ、ZEISS 和 KERRY 等廠 家生產(chǎn)的靜態(tài)測頭均采用電感

34、式位移傳感器，此時也將靜態(tài)測頭稱為三向電感測頭。圖 1-12 為 ZEISS 公司生產(chǎn)的雙片簧層疊式三維電感測頭的結(jié)構(gòu)。測頭采用三層片簧導(dǎo)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(gòu)成的平行四邊形機構(gòu)可作 X 向運動。該平行四邊形機構(gòu)固定在由 Y 向片簧 1 構(gòu)成的平行四邊形機構(gòu)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(gòu)固定 在由 Z 向片簧 3 構(gòu)成的平行四邊形機構(gòu)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

35、 Z 向?qū)к壥撬桨惭b，故用三組彈簧 2、14、15 加以平衡?？烧{(diào)彈簧 14 的上方 有一螺紋調(diào)節(jié)機構(gòu)，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(shè)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(dǎo)軌中各設(shè)置有三個部件：鎖緊機構(gòu)：如圖 1-12b 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(dǎo)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

36、。位移傳感器：用以測量位移量的大小，如圖 1-12c 所示，在兩層導(dǎo)軌上，一面固定磁芯27，另一面固定線圈 26 和線圈支架 25。阻尼機構(gòu)：用以減小高分辨率測量時外界振動的影 響。如圖 1-12d 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(dǎo)軌在運動時，產(chǎn)生阻尼力，避 免由于片簧機構(gòu)過于靈敏而產(chǎn)生振蕩。該測頭加力機構(gòu)工作原理如圖 1-12a 所示，其中 X 向加力機構(gòu)和 Y 向加力機構(gòu)相同（圖中 只表示出了 X 向）。X 向加力機構(gòu)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)

37、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(yù)偏置”。Z 向加力機構(gòu)是利用電磁鐵 9 產(chǎn)生的，當(dāng)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(dǎo)軌板，從而 推動測頭在 Z 方向“預(yù)偏置”。（3）光學(xué)測頭 在多數(shù)情況下，光學(xué)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(xué)測頭具有比較大的量程，這是一 般接觸式測頭難以達到的

38、；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(xué)測頭發(fā)展較快，目前在坐標測量機上應(yīng)用的光學(xué)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 1-13 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(dāng)被測表面處于不同位置時，漫反射光斑按照一定三角關(guān)系成像于

39、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 40mm100mm）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。2021102212311241213(b142526789654321152716(c2829X301731Z18(d(a圖 1-12 加力式三向電感測頭(a)總體結(jié)構(gòu) (b)鎖緊機構(gòu) (c)位移傳感器 (d)阻尼機構(gòu)1Y 向片簧2平衡彈簧3Z 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

40、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16X 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12354圖 1-13 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 1-14 為一

41、些常見的測端形狀。圖 1-14a 為球形測端，是最常用的測端。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 1-14b 為盤形測端，用于測量狹槽的深度和直徑。圖 1-14c 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 1-14d 為半球形測端，其直徑較大，用于測量粗糙表面。圖 1-14e 為圓柱形測端，用于測量螺紋外徑和薄板。(a)(b)(c)(d)(e)(a)球形測端(b)盤形測端(c)尖錐形測端(d)半球形測端(e)圓柱形測端圖 1-14 測端的形狀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

42、精度有較大影響，在選用時應(yīng)注意：1）在滿足測量要求的前提下，探針應(yīng)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(yīng)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 1-15 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。45326171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測頭圖 1-1

43、5 激光非接觸式測頭工作原理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 1-16a 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(gòu)中有精密的分度機構(gòu)，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(yīng)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 0o1

44、05o，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 48×141673 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 公司生產(chǎn)的各種測頭回轉(zhuǎn)體，圖 1-16b 為其實物照片。 22B11A(a)(b)圖 1-16 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1.3.4三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(guān)鍵組成部分之一。其主要功能是：讀取空間坐標值，控

45、制測量瞄準系統(tǒng)對測頭信號進行實時響應(yīng)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(gòu)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(shù)及數(shù)控技術(shù)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(gòu)簡單，操作方便，價格低廉，在車間中應(yīng)用較廣。這兩類坐標測量機的標尺系統(tǒng)

46、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(dāng)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(yīng)的中 斷服務(wù)程序，實時地讀出計數(shù)接口單元的數(shù)值，計算出相應(yīng)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。2CNC 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)y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

47、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(wù)。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(wù)，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，

48、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(yīng)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姍C進行速度控制，以此來控 制測頭和測量工作臺按設(shè)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(yīng)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(dāng)要求測頭在三維空間按預(yù)定的軌跡相對于工件運動時，則需要 CPU 控制

49、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(shè)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(dāng)三坐標測量機作為 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(shè)備間 的通信。目前用于坐標測量機通信的

50、主要有串行 RS232 標準與并行 IEEE488 標準。1.3.5 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，由計算機進行數(shù)據(jù)采集，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、通用測量軟件 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(yīng)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 圖示及窗口編程是最簡單的方式，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

51、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(xué)習(xí)編程方式這種編程方式是在 CNC 測量機上，由操作者引導(dǎo)測量過程，并鍵入相應(yīng)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(guān)信息，并自動生成相應(yīng)的測量程 序，若要重復(fù)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(yù)先編制好測量程序，它與坐標測量機的開啟無關(guān)。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。

52、其優(yōu)點是能解決很復(fù)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(shè)計圖紙數(shù)據(jù)文件，自動構(gòu)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、專用測量軟件 專用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(guān)系進行

53、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）

54、系統(tǒng)參數(shù)識別及控制參數(shù)優(yōu)化軟件包：用于三坐標測量機控制系統(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。1.4 計算機輔助檢測技術(shù)的應(yīng)用計算機輔助檢測技術(shù)的應(yīng)用十分普遍。從應(yīng)用領(lǐng)域來講，主要有質(zhì)量控制和逆向工程兩個 方面。1.4.1 質(zhì)量控制計算機輔助檢測技術(shù)最早是隨著產(chǎn)品質(zhì)量控制的要求逐步發(fā)展起來的。因此，它的自然應(yīng) 用領(lǐng)域首先是在產(chǎn)品的質(zhì)量控制上。在早期的機械零部件生產(chǎn)中，一般使用簡易的測量儀器進行產(chǎn)品質(zhì)量的檢驗，比如游標卡 尺、千分尺等。但隨著機械零件的復(fù)雜化，尤其是汽車和航空工業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的機械檢測手 段已經(jīng)難以滿足檢測要求，三坐標測量機應(yīng)運而生。在現(xiàn)代制造行業(yè)中，大多數(shù)產(chǎn)品都是按照 CAD 數(shù)學(xué)模型在數(shù)控加工機床上制造出來的。要 了解它與原 CAD 數(shù)學(xué)模型相比，確定其在加工制造過程中產(chǎn)生的誤差，就需要使用三坐標測量 機進行測量。在三坐標測量機的軟件系統(tǒng)中可以用圖形方式顯示原 CAD 數(shù)學(xué)模型，再按照可視 化方式從圖形上確定被測點，得到被測點的 X、Y、Z 坐標值及法向矢量，便可生成自動測量程 序。三坐標測量機可按法線方向?qū)ぜM行精確測量，獲得準確的坐標