(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

方法的瞄准准确度一般为土1～3μm。

⑵测长系统

三坐标测量机采用的测长方法很多，以测长的标准器划分，机械类有刻线标尺、精密丝杆、精密齿条等；光学类有光栅式、激光干涉式；电类有感应同步器、磁栅式、编码器等。现代的三坐标测量机多采用光栅测长。三坐标测量机的测量系统的特性比较见表1-1。

表1-1 三坐标测量机中测量系统的特性综合比较

3、三坐标测量机系统的软件功能

现代三坐标测量机都配备有计算机，有计算机来采集数据，通过计算，并与预先存储的理论数据相比较，然后输出测量结果。图1-5为测量机与计算机及外设关系示意图。

测量机生产厂家一般提供若干测量软件，如测头校验程序、坐标转换程序、普通测量程序、齿轮测量程序、形位误差评定程序、凸轮测量程序、

图1-5 测量机与计算机及外设关系示意图

螺纹测量程序、叶片测量程序、学习程序等等。用户可使用厂方提供的程序，也可以使用提供的语言自编程序，或通过功能键操作。

由于测量对象和测量项目多种多样，利用计算机进行测量数据处理的内容很多。不同的测量机，不同的测量方法，选取测头的数目不同，数据处理软件也不通用。但其中有一些处理内容是共同的，主要有：1）测头校验

三坐标测量机的测量，是以测头上测针的球状端部(测球)与被测工件表面接触的方式进行的，三维测长装置在测球接触表面的瞬间进行采样。因此，测球的位置和半径将直矮影响三维坐标数据。

在测量一个工件的过程中，为满足不同表

面的测量要求，往往需要更换测针甚至测头，

同一个测头上也可以有多个测针（称为星形测

头，如图1-6）。此时，必须测定各测针的球径

和测针间的相互位置。这就是测头校验的基本

任务。为了进行测头校验，需在三坐标测量机

的工作台上固定一校验基准件。校验基准件有

基准球和基准立力体两种类型，相应地，有两

种校验方法和程序。

2） 坐标变换

在三坐标测量机中，存在三种坐标系，如

图1-7。

⑴ 测头坐标系（A ，B ，C ） 不同测针在此坐标系中有不

同的坐标位置，引起测量数据基

准不统一。测头校验，相当于将

不同位置的测针统一到一个位

置固定的“虚拟”测针上。

⑵ 三坐标测量机坐标

系（X ，Y ，Z ） ⑶ 工件坐标系（X ′，Y ′，Z ′）

从三坐标测量机测长系统采到的测量数据是相对于测量机坐标系的，

但工件的尺寸要求是标注在工件坐标系中的，两者需要统一。传统的机械

和光学坐标系的测量中，需调整测量坐标系或工件坐标系，使两者互相平

行或重合。在三坐标测量机中，则可以通过软件，将测量机坐标数据转换

到工件坐标系中来，相当于建立一个“虚拟”的与工件坐标系重合的测量

X ′ Z ′ Y ′ O ′ Z Y X O θ θ

如图1-7 三种坐标系 图1- 6 星形测头

坐标系。这个虚拟的坐标系有软件形成，可随工件位置而变，故称为柔性

坐标系。坐标转换包括两项工作：

① 建立坐标系

按工件的实际位置确定虚拟坐标系的位置，即测定工件坐标系与测量

机坐标系的相对位置。

② 坐标转换

每次测量后，用程序将采得的测量机坐标值转换到工件坐标系中，再进

行几何参数计算。

3） 几何参数计算

根据工件表面各测点的坐标值，计算各种几何参数值，如

① 两点间距离的测量

A(x l ，y 1，z 1)，B(x 2，y 2，z 2)两点的距离L 可由下式计算： )z ()()(122122122---++=z y y x x L

② 圆的直径和圆心的测量

测量圆上任意三点的坐标值 (x 1,y 1)，(x 2，y 2)， (x 3，y 3)，则圆心C

的坐标x c 、y c ，半径R 通过公式即可计算出来，在三坐标机上用类似的方法

可以测量球面的曲率半径，这时，需在球面上测取不在同一圆周上的4点

的坐标值。

③ 求直线方向

根据空间两点P 1(x l ，y 1，z 1)，P 2(X 2，Y 2，Z 2)，可以确定它在XY 平面上

的投影与X 轴夹角θ，直线与同XY 面相垂直的轴的夹角β。类似的，直线

与其他坐标轴的夹角，直线在其他坐标平面的投影与坐标轴的夹角也可计

X l 1 m 1

n 1 x ′ g Y = l 2 m 2 n 2 y ′ + h Z l 3 m 3 n 3 z ′ k

算出来。

对于形位误差评定，应用比较普遍的是最小二乘法。最小区域法是最合理的评定方法，但算法较为复杂，有的形位误差的数据处理，如圆柱度的评定，只能是近似计算。

计算机数控三坐标测量机能实现自动测量。测量时可用预先编好的程序或采用“学习程序”。学习程序是模拟人工测量的方式来编制程序的。计算机记录下第一个零件手工测量的全过程，包括测头移动的轨迹、测量点坐标、子程序的调用等，作为这一批零件的测量程序。在测量同批零件时，可反复调用此程序，并通过数控伺服机构控制测量机按程序自动测量。这种方法可缩短编程时间，提高测量效率。

4、三坐标测量机主要功能：

①几何尺寸测量：

测量机能实现点、线、面、孔、球、圆柱、圆锥、槽、抛物面、环的几何尺寸测量，在测量点数足够的情况下，形状误差也同时测量出来。

②几何元素构造：

测量机通过测量相关尺寸，由软件构造出未知的点、线、面、孔、球、圆柱、圆锥、槽、抛物面、环等，并计算出它们的几何尺寸和形状误差。

③计算元素间的关系：测量机通过测量一些相关尺寸，由软件计算出元素间的距离、相交、对称、投影、角度等关系

④位置误差检测：测量机可方便地测量出平行度、垂直度、倾斜度、同轴度、位置度、对称度等位置误差。

⑤几何形状扫描：用DEA公司提供的TFSCAN软件包可扫描测量多边形（由特定点定义的工件上的一个区域）或轮廓（工件轮廓线或形状）。

⑵测量机所具有的测量方式：

①手动测量：在WTUTOR测量环境下，利用手控盒（见图1-10）手动

控制测头完成测量操作过程。

② 自动测量：即CNC 测量模式，用DEA-PPL 语言人工编制测量程序，

经WTCOMP 编译器编译生成TEC 执行文件控制测量机自动检测。

③ 自学习测量：相同零件首件测量时，在 WTUTOR 测量环境下，采用

自学习测量方式，计算机记录下第一次零件手工测量的全过程，包括测头

移动的轨迹，测量点的坐标、子程序的调用等，自动生成相应的TEC 测量

程序，后续件的测量可反复调用此程序实现自动测量。这种测量方法可缩

短编程时间，提高测量效率。

⑶ 测量机控制系统（ B3P 控制盒）：

测量机控制系统安装在测量机后面的金属盒内，是测量机与计算机的

接口电路，通过RS-232串口与计算机连接。它包括： 电源板、逻辑运算

板、电机驱动板、故障检测板等。控制系统框图如图1-9所示。

①LOG186卡：控制的数字部分。它调整和控制三坐标测量机的三个

坐标轴，实现与工具信号的接口和处理系统的紧急情况。

②PWM24卡：三坐标测量机三维坐标的伺服驱动卡。

(过流、过热、断路等检测) 电 缆 测

③电源盒：为数控设备的马达和逻辑电路供电。

测量机的手提式控制盒TU04如图1-10。它借助操纵杆对马达驱动进行

手动控制，通过异步串行线与LOG 186卡相联。手控盒安装了操纵杆用于

运动控制，8个按键分别负责测量功能、电源控制和紧急情况处理、进给以

及紧急制动。

①红色蘑菇状的急停按钮使测量机停止运动。松开按钮必须沿顺时针方

向转动。

②红色EME 灯亮表示整个系统处于紧急状态。

③红色FAIL 灯亮表示系统有致命错误。

④黄色ON 灯亮表示控制系统打开。

⑤MOTOR ON 按键起动马达，需要时可紧急复位和给测量机马达供电。

⑥START 按键启动检查过程。

⑦HOLD 按键中止检查过程。

X O Z/C TU04 MOT. ON START HOLD EME FNIL ON MODIFY DELET INSERT Y 1 2 急停按钮 调速旋钮 联动开关

三轴移动 操纵杆 测头飞行状态 测头测量状态 图1-10 TU-04手控盒

!注意： TU04盒左侧功能键（8个）皆灭测头处于飞行状态，此时测头移动速度较快，应注意碰撞。

测量机只能在允许的测量范围内沿X，Y，Z三个坐标轴移动，三坐标

轴形成一个直角笛卡儿参考坐标系。具体操作步骤为：

①计算机分析部件程序指令或操作者的命令，定义将要执行的基本操作，并把它传输到数控设备的逻辑卡。

②逻辑卡计算运动的路径，传送参考值到轴伺服控制卡并检查运动的精度，再把这些值与轴输出值进行比较。

③当测头与工件接触时，逻辑卡读出测量点的位置坐标并传送到计算机，计算机按照测量程序发出的指令来进行处理。

④测量结果以选定的格式输出，也可存储起来供以后处理。

⑷测头

MISTRAL070705 三坐标测量机采用英国RENISHAW公司生产的PH10M型测头，它由旋转测座、动态测头、测尖三部分组成。旋转测座可在垂直方向（A向）旋转0°～105°，在水平方向（B向）旋转-180°～+180°，（逆时针方向为“+”）。测尖为球形，由人造红宝石加工而成，分别有6mm、3mm、2mm、1mm、0.5mm，可根据需要选择安装使用。PH10M

测头的测量力为10g左右，故工件安装要求不高。

⑸测量机系统的主要软件

MISTRAL070705 三坐标测量机使用DEA公司的WTUTOR测量软件，它是采用基于特征测量方法的控制及数据处理软件，为用户提供了一个非常容易学习的图形接口。该接口在其图示例行程序和任务转换的操作中是一致的。它减少了误差的可能性，并可使任何接受过基本培训的人都可以进行测量。该软件中还嵌入了一个称之为MAESTRO的专用教师软件包，使操作者既可自学控制功能的使用方法，也可以对其不经常使用的操作例程的存储器进行更新。MAESTRO还包括一个绘图CMM模拟器，使操作者可在没有使用CMM的情况下进行训练和实验。该软件系统具有执行诸如将测量同统计估算相结合的多任务的功能，并能通过柔性协议同几乎任何打印机、绘图机或监测装置进行通信。它还具有动态数据交换（DDE）的能力，通过WINDOWS TOOLS，如词处理及电子数据表（ELECTRONIC

SPREADSHEET）程序，可将测量结果转换成管理报告。

此外，还有应用程序库软件包，它包括SPC、手动或自动连续扫描及DMIS转换程序，另外还配有能以图形方式显示测量结果的齿轮及凸轮测量软件包。

5、总结

系统主要特点：（1）灵活的参考点，用户不仅可以根据测量产品的不同方便快捷的设定参考点，而且还可以根据需要在触摸屏上设定参考点的初始值。（2）数据的批量处理，用户只需要把存放测量点坐标的USB存储设备与触摸屏连接，测量点坐标就会自动读入系统；系统还可以自动的把测量结果生成Excel表格导入到用户的USB的存储设备。（3）操作灵活方便，系统配备了手持遥控装置，方便操作人员在测量产品的任何位置操作，而且可以在手持面板上任意选择要测量的点，操作人员只需要点开始按钮，系统就会根据用户选择的测量点坐标运动。