三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)

1、摘 要從60年代初發(fā)明到現(xiàn)在，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）在制造業(yè)得到世界范圍廣泛應(yīng)用，成為3D檢測(cè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)得到迅速發(fā)展，而配套檢測(cè)軟件的發(fā)展，更是突飛猛進(jìn)。最早的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)只能顯示XYZ坐標(biāo)，而目前的各種檢測(cè)軟件幾乎可以解決用戶的絕大部分問(wèn)題。軟件日益成為影響用戶使用好壞的關(guān)鍵所在。CMM測(cè)量軟件發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)來(lái)說(shuō)，通常是設(shè)計(jì)部門(mén)提供二維圖紙，檢驗(yàn)部門(mén)根據(jù)圖紙對(duì)工件進(jìn)行尺寸及形位公差的檢測(cè)。隨著三維CAD軟件的應(yīng)用，越來(lái)越多的技術(shù)部門(mén)使用三維CAD建模技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此，各坐標(biāo)機(jī)廠家紛紛推出了基于三維CAD技術(shù)的測(cè)量軟件，直接將客戶設(shè)計(jì)好的三維CAD模型

2、導(dǎo)入測(cè)量軟件進(jìn)行檢測(cè)。這樣做的優(yōu)點(diǎn)非常明顯，不需要額外的圖紙，理論值可以直接捕獲，更可以進(jìn)行測(cè)量仿真，測(cè)頭干涉檢查等，所以，受到用戶的一致好評(píng)?；贑AD的測(cè)量成為目前三坐標(biāo)測(cè)量軟件的發(fā)展熱點(diǎn)。 關(guān)鍵詞三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) 傳感器 三維 傳動(dòng)裝置AbstractInvents from the beginning of the 60's to present, coordinate measuring machines (CMM) obtains the worldwide scale widespread application in the manufacturing industry,

3、becomes the 3D examination industry standard equipment. Three coordinates survey technology obtains the rapid development, but the necessary examination software development, is progresses by leaps and bounds. The earliest coordinate measuring machines only can demonstrate the XYZ coordinates, but t

4、he present each kind of examination software may solve user's major part problem nearly. The software becomes the influence user use quality the key to be at day by day. The CMM survey software trend of development, regarding the traditional coordinate measuring machines examination, usually is

5、designs the department to provide the two-dimensional blueprint, the inspection department carries on the size and the shape position common difference examination according to the blueprint to the work piece. Along with the three dimensional CAD software application, the more and more many technica

6、l department uses the three dimensional CAD modeling technology to carry on the design. Therefore, various coordinates machine factory has promoted in abundance based on the three dimensional CAD technology survey software, the three dimensional CAD model which designs the customer inducts directly

7、surveys the software to carry on the examination. Does this the merit is extremely obvious, does not need the extra blueprint, the theoretical value may catch directly, may carry on the survey simulation, the gauge head interference inspection and so on, therefore, receives the user the consistent h

8、igh praise. Survey the software based on the CAD survey into at present three coordinates the development hot spot.Key words Coordinate measuring machines Sensor Three dimensional Transmission device1.坐標(biāo)測(cè)量機(jī)1.1、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的產(chǎn)生20世紀(jì)60年代以來(lái)，工業(yè)生產(chǎn)有了很大的發(fā)展，特別是機(jī)床、機(jī)械、汽車(chē)、航空航天和電子工業(yè)興起后，各種復(fù)雜零件的研制和生產(chǎn)需要先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)與儀器，因而體現(xiàn)三維測(cè)量

9、技術(shù)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，并迅速發(fā)展和日趨完善。43615X2Y它的出現(xiàn)，一方面是由于自動(dòng)機(jī)床、數(shù)控機(jī)床高效率加工以及越來(lái)越多復(fù)雜形狀零件加工需要有快速可靠的測(cè)量設(shè)備與之配套；另一方面是由于電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(biāo)測(cè)量機(jī)的產(chǎn)生提供了技術(shù)基礎(chǔ)。1960年，英國(guó)FERRANTI公司研制成功世界上第一臺(tái)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，到20世紀(jì)60年代末，已有近十個(gè)國(guó)家的三十多家公司在生產(chǎn)CMM，不過(guò)這一時(shí)期的CMM尚處于初級(jí)階段。進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，以ZEISS、LEITZ、DEA、LK、三豐、SIP、FERRANTI、MOORE等為代表的眾多公司不斷推出新產(chǎn)品，使得C

10、MM的發(fā)展速度加快?，F(xiàn)代CMM不僅能在計(jì)算機(jī)控制下完成各種復(fù)雜測(cè)量，而且可以通過(guò)與數(shù)控機(jī)床交換信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)加工的控制，并且還可以根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)反求工程。目前，CMM已廣泛用于機(jī)械制造業(yè)、汽車(chē)工業(yè)、電子工業(yè)、航空航天工業(yè)和國(guó)防工業(yè)等各部門(mén)，成為現(xiàn)代工業(yè)檢測(cè)和質(zhì)量控制不可缺少的萬(wàn)能測(cè)量設(shè)備。Z圖1-1 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的組成1工作臺(tái) 2移動(dòng)橋架 3中央滑架 4Z軸 5測(cè)頭 6電子系統(tǒng)二、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的組成及工作原理（一）CMM的組成三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是典型的機(jī)電一體化設(shè)備，它由機(jī)械系統(tǒng)和電子系統(tǒng)兩大部分組成。 （1）機(jī)械系統(tǒng)：一般由三個(gè)正交的直線運(yùn)動(dòng)軸構(gòu)成。如圖9-1所示結(jié)構(gòu)中，X向?qū)к壪到y(tǒng)裝在工作臺(tái)上

11、，移動(dòng)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(gè)方向軸上均裝有光柵尺用以度量各軸位移值。人工驅(qū)動(dòng)的手輪及機(jī)動(dòng)、數(shù)控驅(qū)動(dòng)的電機(jī)一般都在各軸附近。用來(lái)觸測(cè)被檢測(cè)零件表面的測(cè)頭裝在Z軸端部。（2）電子系統(tǒng)：一般由光柵計(jì)數(shù)系統(tǒng)、測(cè)頭信號(hào)接口和計(jì)算機(jī)等組成，用于獲得被測(cè)坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。（二）CMM的工作原理21ZYX3OIAOI三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是基于坐標(biāo)測(cè)量的通用化數(shù)字測(cè)量設(shè)備。它首先將各被測(cè)幾何元素的測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)這些幾何元素上一些點(diǎn)集坐標(biāo)位置的測(cè)量，在測(cè)得這些點(diǎn)的坐標(biāo)位置后，再根據(jù)這些點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算求出其尺寸和形位誤差。如圖1-2所示，要測(cè)量工件上一圓柱孔的直徑，

12、可以在垂直于孔軸線的截面I內(nèi)，觸測(cè)內(nèi)孔壁上三個(gè)點(diǎn)（點(diǎn)1、2、3），則根據(jù)這三點(diǎn)的坐標(biāo)值就可計(jì)算出孔的直徑及圓心坐標(biāo)OI；如果在該截面內(nèi)觸測(cè)更多的點(diǎn)（點(diǎn)1，2，n，n為測(cè)點(diǎn)數(shù)），則可根據(jù)最小二乘法或最小條件法計(jì)算出該截面圓的圓度誤差；如果對(duì)多個(gè)垂直于孔軸線的截面圓（I，II，m，m為測(cè)量的截面圓數(shù)）進(jìn)行測(cè)量，則根據(jù)測(cè)得點(diǎn)的坐標(biāo)值可計(jì)算出孔的圓柱度誤差以及各截面圓的圓心坐標(biāo)，再根據(jù)各圓心坐標(biāo)值又可計(jì)算出孔軸線位置；如果再在孔端面A上觸測(cè)三點(diǎn)，則可計(jì)算出孔軸線對(duì)端面的位置度誤差。由此可見(jiàn)，CMM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(shuō)，它可以測(cè)量任何工件的任何幾何元素的任何參數(shù)。圖1-

13、2 坐標(biāo)測(cè)量原理三、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的分類（一）按CMM的技術(shù)水平分類 1數(shù)字顯示及打印型 這類CMM主要用于幾何尺寸測(cè)量，可顯示并打印出測(cè)得點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，但要獲得所需的幾何尺寸形位誤差，還需進(jìn)行人工運(yùn)算，其技術(shù)水平較低，目前已基本被陶汰。 2帶有計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理型 這類CMM技術(shù)水平略高，目前應(yīng)用較多。其測(cè)量仍為手動(dòng)或機(jī)動(dòng)，但用計(jì)算機(jī)處理測(cè)量數(shù)據(jù)，可完成諸如工件安裝傾斜的自動(dòng)校正計(jì)算、坐標(biāo)變換、孔心距計(jì)算、偏差值計(jì)算等數(shù)據(jù)處理工作。 3計(jì)算機(jī)數(shù)字控制型這類CMM技術(shù)水平較高，可像數(shù)控機(jī)床一樣，按照編制好的程序自動(dòng)測(cè)量。（二）按CMM的測(cè)量范圍分類 1小型坐標(biāo)測(cè)量機(jī) 這類CMM在其最長(zhǎng)一個(gè)坐標(biāo)軸

14、方向（一般為X軸方向）上的測(cè)量范圍小于500mm，主要用于小型精密模具、工具和刀具等的測(cè)量。 2中型坐標(biāo)測(cè)量機(jī) 這類CMM在其最長(zhǎng)一個(gè)坐標(biāo)軸方向上的測(cè)量范圍為5002000mm，是應(yīng)用最多的機(jī)型，主要用于箱體、模具類零件的測(cè)量。 3大型坐標(biāo)測(cè)量機(jī) 這類CMM在其最長(zhǎng)一個(gè)坐標(biāo)軸方向上的測(cè)量范圍大于2000mm，主要用于汽車(chē)與發(fā)動(dòng)機(jī)外殼、航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等大型零件的測(cè)量。（三）按CMM的精度分類1精密型CMM其單軸最大測(cè)量不確定度小于1×106L（L為最大量程，單位為mm），空間最大測(cè)量不確定度小于（23）×106L，一般放在具有恒溫條件的計(jì)量室內(nèi)，用于精密測(cè)量。2中、低精度CM

15、M低精度CMM的單軸最大測(cè)量不確定度大體在1×104L左右，空間最大測(cè)量不確定度為（23）×104L，中等精度CMM的單軸最大測(cè)量不確定度約為1×105L，空間最大測(cè)量不確定度為（23）×105L。這類CMM一般放在生產(chǎn)車(chē)間內(nèi)，用于生產(chǎn)過(guò)程檢測(cè)。（四）按CMM的結(jié)構(gòu)形式分類 按照結(jié)構(gòu)形式，CMM可分為移動(dòng)橋式、固定橋式、龍門(mén)式、懸臂式、立柱式等，見(jiàn)下節(jié)。1.2結(jié)構(gòu)形式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是由三個(gè)正交的直線運(yùn)動(dòng)軸構(gòu)成的，這三個(gè)坐標(biāo)軸的相互配置位置（即總體結(jié)構(gòu)形式）對(duì)測(cè)量機(jī)的精度以及對(duì)被測(cè)工件的適用性影響較大。圖1-3是目前常見(jiàn)的幾種CMM結(jié)構(gòu)形式，下面對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

16、和應(yīng)用范圍作簡(jiǎn)要介紹。(a)(g)(c)(h)(d)(e)(i)(f)(b)XZYXZYXZYXZYXZYXZYXZYXZYXZY圖1-3 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的結(jié)構(gòu)形式(a) 移動(dòng)橋式 (b)固定橋式 (c)中心門(mén)移動(dòng)式 (d) 龍門(mén)式 (e)懸臂式(f) 單柱移動(dòng)式 (g) 單柱固定式 (h) 橫臂立柱式 (i) 橫臂工作臺(tái)移動(dòng)式圖1-3a為移動(dòng)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(jiǎn)單，敞開(kāi)性好，工件安裝在固定工作臺(tái)上，承載能力強(qiáng)。但這種結(jié)構(gòu)的X向驅(qū)動(dòng)位于橋框一側(cè)，橋框移動(dòng)時(shí)易產(chǎn)生繞Z軸偏擺，而該結(jié)構(gòu)的X向標(biāo)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(huì)引起較大的阿貝誤差，因而

17、該結(jié)構(gòu)主要用于中等精度的中小機(jī)型。圖1-3b為固定橋式結(jié)構(gòu)，其橋框固定不動(dòng)，X向標(biāo)尺和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可安裝在工作臺(tái)下方中部，阿貝臂及工作臺(tái)繞Z軸偏擺小，其主要部件的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性好，運(yùn)動(dòng)誤差小，適用于高精度測(cè)量，但工作臺(tái)負(fù)載能力小，結(jié)構(gòu)敞開(kāi)性不好，主要用于高精度的中小機(jī)型。圖1-3c為中心門(mén)移動(dòng)式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，敞開(kāi)性一般，兼具移動(dòng)橋式結(jié)構(gòu)承載能力強(qiáng)和固定橋式結(jié)構(gòu)精度高的優(yōu)點(diǎn)，適用于高精度、中型尺寸以下機(jī)型。圖1-3d為龍門(mén)式結(jié)構(gòu)，它與移動(dòng)橋式結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別是它的移動(dòng)部分只是橫梁，移動(dòng)部分質(zhì)量小，整個(gè)結(jié)構(gòu)剛性好，三個(gè)坐標(biāo)測(cè)量范圍較大時(shí)也可保證測(cè)量精度，適用于大機(jī)型，缺點(diǎn)是立柱限制了工件裝卸，單側(cè)驅(qū)動(dòng)

18、時(shí)仍會(huì)帶來(lái)較大的阿貝誤差，而雙側(cè)驅(qū)動(dòng)方式在技術(shù)上較為復(fù)雜，只有Y向跨距很大、對(duì)精度要求較高的大型測(cè)量機(jī)才采用。圖1-3e為懸臂式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有很好的敞開(kāi)性，但當(dāng)滑架在懸臂上作Y向運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)使懸臂的變形發(fā)生變化，故測(cè)量精度不高，一般用于測(cè)量精度要求不太高的小型測(cè)量機(jī)。圖1-3f為單柱移動(dòng)式結(jié)構(gòu)，也稱為儀器臺(tái)式結(jié)構(gòu)，它是在工具顯微鏡的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。其優(yōu)點(diǎn)是操作方便、測(cè)量精度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測(cè)量范圍小，適用于高精度的小型數(shù)控機(jī)型。圖1-3g為單柱固定式結(jié)構(gòu)，它是在坐標(biāo)鏜的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。其結(jié)構(gòu)牢靠、敞開(kāi)性較好，但工件的重量對(duì)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)有影響，同時(shí)兩維平動(dòng)工作臺(tái)行程不可能太大，因此僅用

19、于測(cè)量精度中等的中小型測(cè)量機(jī)。圖1-3h為橫臂立柱式結(jié)構(gòu)，也稱為水平臂式結(jié)構(gòu)，在汽車(chē)工業(yè)中有廣泛應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、敞開(kāi)性好，尺寸也可以較大，但因橫臂前后伸出時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大變形，故測(cè)量精度不高，用于中、大型機(jī)型。圖1-3i為橫臂工作臺(tái)移動(dòng)式結(jié)構(gòu)，其敞開(kāi)性較好，橫臂部件質(zhì)量較小，但工作臺(tái)承載有限，在兩個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)范圍較小，適用于中等精度的中小機(jī)型。二、工作臺(tái) 早期的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的工作臺(tái)一般是由鑄鐵或鑄鋼制成的，但近年來(lái)，各生產(chǎn)廠家已廣泛采用花崗巖來(lái)制造工作臺(tái)，這是因?yàn)榛◢弾r變形小、穩(wěn)定性好、耐磨損、不生銹，且價(jià)格低廉、易于加工。有些測(cè)量機(jī)裝有可升降的工作臺(tái)，以擴(kuò)大Z軸的測(cè)量范圍，還有些測(cè)量機(jī)備有旋轉(zhuǎn)

20、工作臺(tái)，以擴(kuò)大測(cè)量功能。三、導(dǎo)軌 導(dǎo)軌是測(cè)量機(jī)的導(dǎo)向裝置，直接影響測(cè)量機(jī)的精度，因而要求其具有較高的直線性精度。在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上使用的導(dǎo)軌有滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌和氣浮導(dǎo)軌，但常用的為滑動(dòng)導(dǎo)軌和氣浮導(dǎo)軌，滾動(dòng)導(dǎo)軌應(yīng)用較少，因?yàn)闈L動(dòng)導(dǎo)軌的耐磨性較差，剛度也較滑動(dòng)導(dǎo)軌低。在早期的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)中，許多機(jī)型采用的是滑動(dòng)導(dǎo)軌?；瑒?dòng)導(dǎo)軌精度高，承載能力強(qiáng)，但摩擦阻力大，易磨損，低速運(yùn)行時(shí)易產(chǎn)生爬行，也不易在高速下運(yùn)行，有逐步被氣浮導(dǎo)軌取代的趨勢(shì)。目前，多數(shù)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)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(diǎn)，如制造簡(jiǎn)單、精度高、摩擦力極小、工作平穩(wěn)等。123456A-AAA 圖1-4給出

21、的是一移動(dòng)橋式結(jié)構(gòu)CMM氣浮導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)示意圖，其結(jié)構(gòu)中有六個(gè)氣墊2（水平面四個(gè)，側(cè)面兩個(gè)），使得整個(gè)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(dòng)時(shí)，若產(chǎn)生扭動(dòng)，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(shí)的不平衡狀態(tài)，但在彈簧力的作用下會(huì)重新達(dá)到平衡，使之穩(wěn)定地保持10m的間隙量，以保證橋架的運(yùn)動(dòng)精度。氣浮導(dǎo)軌的進(jìn)氣壓力一般為36個(gè)大氣壓，要求有穩(wěn)壓裝置。圖1-4 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)氣浮導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)1工作臺(tái) 2氣墊 3 滾輪 4 壓縮彈簧 5導(dǎo)向塊 6橋架氣浮技術(shù)的發(fā)展使三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在加工周期和精度方面

22、均有很大的突破。目前不少生產(chǎn)廠在尋找高強(qiáng)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(dòng)橋架和橫梁上運(yùn)動(dòng)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(shí)效合金來(lái)制造導(dǎo)軌，使其時(shí)效變形極小且使其各部分的溫度更加趨于均勻一致，從而使整機(jī)的測(cè)量精度得到了提高，而對(duì)環(huán)境溫度的要求卻又可以放寬些。1.3三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量系統(tǒng) 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量系統(tǒng)由標(biāo)尺系統(tǒng)和測(cè)頭系統(tǒng)構(gòu)成，它們是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的關(guān)鍵組成部分，決定著CMM測(cè)量精度的高低。標(biāo)尺系統(tǒng)標(biāo)尺系統(tǒng)是用來(lái)度量各軸的坐標(biāo)數(shù)值的，目前三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上使用的標(biāo)尺系統(tǒng)種類很多，它們與在各種機(jī)床和儀器上使用的標(biāo)尺

23、系統(tǒng)大致相同，按其性質(zhì)可以分為機(jī)械式標(biāo)尺系統(tǒng)（如精密絲杠加微分鼓輪，精密齒條及齒輪，滾動(dòng)直尺）、光學(xué)式標(biāo)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(biāo)尺系統(tǒng)（如感應(yīng)同步器，磁柵）。根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)CMM所使用的標(biāo)尺系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)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CMM的標(biāo)尺系統(tǒng)采用了激光干涉儀。測(cè)頭系統(tǒng) （一）測(cè)頭 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是用測(cè)頭來(lái)拾取信號(hào)的，因而測(cè)頭的性能直接影響測(cè)量精度和測(cè)量效率，沒(méi)有先進(jìn)的測(cè)頭就無(wú)法充分發(fā)揮測(cè)量機(jī)的功能。在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上使用的測(cè)頭，按結(jié)構(gòu)原理可分為機(jī)械式、光學(xué)式和電氣式等；而按測(cè)量方法又可分為接觸式和非接觸式兩類。

24、1機(jī)械接觸式測(cè)頭(a)(b)(c)(d)(e)(f)機(jī)械接觸式測(cè)頭為剛性測(cè)頭，根據(jù)其觸測(cè)部位的形狀，可以分為圓錐形測(cè)頭、圓柱形測(cè)頭、球形測(cè)頭、半圓形測(cè)頭、點(diǎn)測(cè)頭、V型塊測(cè)頭等（如圖1-5所示）。這類測(cè)頭的形狀簡(jiǎn)單，制造容易，但是測(cè)量力的大小取決于操作者的經(jīng)驗(yàn)和技能，因此測(cè)量精度差、效率低。目前除少數(shù)手動(dòng)測(cè)量機(jī)還采用此種測(cè)頭外，絕大多數(shù)測(cè)量機(jī)已不再使用這類測(cè)頭。圖1-5 機(jī)械接觸式測(cè)頭(a) 圓錐形測(cè)頭 (b) 圓柱形測(cè)頭 (c) 球形測(cè)頭 (d) 半圓形測(cè)頭 (e) 點(diǎn)測(cè)頭 (f) V型塊測(cè)頭 2電氣接觸式測(cè)頭電氣接觸式測(cè)頭目前已為絕大部分坐標(biāo)測(cè)量機(jī)所采用，按其工作原理可分為動(dòng)態(tài)測(cè)頭和靜態(tài)測(cè)頭

25、。 （1）動(dòng)態(tài)測(cè)頭 常用動(dòng)態(tài)測(cè)頭的結(jié)構(gòu)如圖1-6所示。測(cè)桿安裝在芯體上，而芯體則通過(guò)三個(gè)沿圓周1200分布的鋼球安放在三對(duì)觸點(diǎn)上，當(dāng)測(cè)桿沒(méi)有受到測(cè)量力時(shí)，芯體上的鋼球與三對(duì)觸點(diǎn)均保持接觸，當(dāng)測(cè)桿的球狀端部與工件接觸時(shí)，不論受到X、Y、Z哪個(gè)方向的接觸力，至少會(huì)引起一個(gè)鋼球與觸點(diǎn)脫離接觸，從而引起電路的斷開(kāi)，產(chǎn)生階躍信號(hào)，直接或通過(guò)計(jì)算機(jī)控制采樣電路，將沿三個(gè)軸方向的坐標(biāo)數(shù)據(jù)送至存儲(chǔ)器，供數(shù)據(jù)處理用。 可見(jiàn)，測(cè)頭是在觸測(cè)工件表面的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，瞬間進(jìn)行測(cè)量采樣的，故稱為動(dòng)態(tài)測(cè)頭，也稱為觸發(fā)式測(cè)頭。動(dòng)態(tài)測(cè)頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，可用于高速測(cè)量，但精度稍低，而且動(dòng)態(tài)測(cè)頭不能以接觸狀態(tài)停留在工件表面，因而只

26、能對(duì)工件表面作離散的逐點(diǎn)測(cè)量，不能作連續(xù)12534的掃描測(cè)量。目前，絕大多數(shù)生產(chǎn)廠選用英國(guó)RENISHAW公司生產(chǎn)的觸發(fā)式測(cè)頭。圖1-6 電氣式動(dòng)態(tài)測(cè)頭1彈簧 2芯體 3測(cè)桿 4鋼球 5觸點(diǎn) （2）靜態(tài)測(cè)頭靜態(tài)測(cè)頭除具備觸發(fā)式測(cè)頭的觸發(fā)采樣功能外，還相當(dāng)于一臺(tái)超小型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。測(cè)頭中有三維幾何量傳感器，在測(cè)頭與工件表面接觸時(shí)，在X、Y、Z三個(gè)方向均有相應(yīng)的位移量輸出，從而驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，使測(cè)頭停在規(guī)定的位移量上，在測(cè)頭接近靜止的狀態(tài)下采集三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，故稱為靜態(tài)測(cè)頭。靜態(tài)測(cè)頭沿工件表面移動(dòng)時(shí)，可始終保持接觸狀態(tài)，進(jìn)行掃描測(cè)量，因而也稱為掃描測(cè)頭。其主要特點(diǎn)是精度高，可以作連續(xù)掃描，

27、但制造技術(shù)難度大，采樣速度慢，價(jià)格昂貴，適合于高精度測(cè)量機(jī)使用。目前由LEITZ、ZEISS和KERRY等廠家生產(chǎn)的靜態(tài)測(cè)頭均采用電感式位移傳感器，此時(shí)也將靜態(tài)測(cè)頭稱為三向電感測(cè)頭。圖1-7為ZEISS公司生產(chǎn)的雙片簧層疊式三維電感測(cè)頭的結(jié)構(gòu)。測(cè)頭采用三層片簧導(dǎo)軌形式，三個(gè)方向共有三層，每層由兩個(gè)片簧懸吊。轉(zhuǎn)接座17借助兩個(gè)X向片簧16構(gòu)成的平行四邊形機(jī)構(gòu)可作X向運(yùn)動(dòng)。該平行四邊形機(jī)構(gòu)固定在由Y向片簧1構(gòu)成的平行四邊形機(jī)構(gòu)的下方，借助片簧1，轉(zhuǎn)接座可作Y向運(yùn)動(dòng)。Y向平行四邊形機(jī)構(gòu)固定在由Z向片簧3構(gòu)成的平行四邊形機(jī)構(gòu)的下方，依靠它的片簧，轉(zhuǎn)接座可作Z向運(yùn)動(dòng)。為了增強(qiáng)片簧的剛度和穩(wěn)定性，片簧中間

28、為金屬夾板。為保證測(cè)量靈敏、精確，片簧不能太厚，一般取0.1mm。由于Z向?qū)к壥撬桨惭b，故用三組彈簧2、14、15加以平衡。可調(diào)彈簧14的上方有一螺紋調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，通過(guò)平衡力調(diào)節(jié)微電機(jī)10轉(zhuǎn)動(dòng)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(lái)自動(dòng)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(cè)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(gè)部件：鎖緊機(jī)構(gòu)：如圖1-7b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(kāi)時(shí)，可讓電機(jī)20反轉(zhuǎn)一角度，則此時(shí)該向?qū)к壧幱谧杂蔂顟B(tài)。需鎖緊時(shí)，再使電機(jī)正轉(zhuǎn)一角度

29、即可。位移傳感器：用以測(cè)量位移量的大小，如圖1-7c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(jī)構(gòu)：用以減小高分辨率測(cè)量時(shí)外界振動(dòng)的影響。如圖1-7d所示，在作相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(xì)間隙，中間放入粘性硅油，使兩層導(dǎo)軌在運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生阻尼力，避免由于片簧機(jī)構(gòu)過(guò)于靈敏而產(chǎn)生振蕩。該測(cè)頭加力機(jī)構(gòu)工作原理如圖1-7a所示，其中X向加力機(jī)構(gòu)和Y向加力機(jī)構(gòu)相同（圖中只表示出了X向）。X向加力機(jī)構(gòu)是利用電磁鐵6推動(dòng)杠桿5，使其繞十字片簧8的回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)而推動(dòng)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

30、傳力桿與轉(zhuǎn)接座17用片簧相連，因而推動(dòng)測(cè)頭在X方向“預(yù)偏置”。Z向加力機(jī)構(gòu)是利用電磁鐵9產(chǎn)生的，當(dāng)電磁鐵作用時(shí)，在Z向產(chǎn)生的上升或下降會(huì)通過(guò)頂桿12推動(dòng)被懸掛的Z向的活動(dòng)導(dǎo)軌板，從而推動(dòng)測(cè)頭在Z方向“預(yù)偏置”。12314457891315161718610111230312928222526272321201924(d)(c)(b)(a)ZX圖1-7 加力式三向電感測(cè)頭(a)總體結(jié)構(gòu) (b)鎖緊機(jī)構(gòu) (c)位移傳感器 (d)阻尼機(jī)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電磁鐵 10平衡力調(diào)節(jié)微電機(jī) 11平衡力調(diào)節(jié)螺桿 12頂桿13平衡力調(diào)節(jié)螺

31、母套 14平衡彈簧 15平衡彈簧 16X向片簧 17轉(zhuǎn)接座 18測(cè)桿19拔銷(xiāo) 20電機(jī) 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 （3）光學(xué)測(cè)頭在多數(shù)情況下，光學(xué)測(cè)頭與被測(cè)物體沒(méi)有機(jī)械接觸，這種非接觸式測(cè)量具有一些突出優(yōu)點(diǎn)，主要體現(xiàn)在：1）由于不存在測(cè)量力，因而適合于測(cè)量各種軟的和薄的工件；2）由于是非接觸測(cè)量，可以對(duì)工件表面進(jìn)行快速掃描測(cè)量；3）多數(shù)光學(xué)測(cè)頭具有比較大的量程，這是一般接觸式測(cè)頭難以達(dá)到的；4）可以探測(cè)工件上一般機(jī)械測(cè)頭難以探測(cè)到的部位。近年來(lái)，光學(xué)測(cè)頭發(fā)展較快，目前在坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上應(yīng)用的

32、光學(xué)測(cè)頭的種類也較多，如三角法測(cè)頭、激光聚集測(cè)頭、光纖測(cè)頭、體視式三維測(cè)頭、接觸式光柵測(cè)頭等。下面簡(jiǎn)要介紹一下三角法測(cè)頭的工作原理。如圖1-8所示，由激光器2發(fā)出的光，經(jīng)聚光鏡3形成很細(xì)的平行光束，照射到被測(cè)工件4上（工件表面反射回來(lái)的光可能是鏡面反射光，也可能是漫反射光，三角法測(cè)頭是利用漫反射光進(jìn)行探測(cè)的），其漫反射回來(lái)的光經(jīng)成像鏡5在光電檢測(cè)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(cè)表面處于不同位置時(shí)，漫反射光斑按照一定三角關(guān)系成像于光電檢測(cè)器件的不同位置，從而探測(cè)出被測(cè)表面的位置。這種測(cè)頭的突出優(yōu)點(diǎn)是工作距離大，在離工件表面很遠(yuǎn)的地方（如40mm100mm）也可對(duì)工

33、件進(jìn)行測(cè)量，且測(cè)頭的測(cè)量范圍也較大（如±5mm±10mm）。不過(guò)三角法測(cè)頭的測(cè)量精度不是很高，其測(cè)量不確定度大致在幾十至幾百微米左右。52314圖1-8 激光非接觸式測(cè)頭工作原理1光電檢測(cè)器 2激光器 3聚光鏡 4工件 5成像鏡（二）測(cè)頭附件為了擴(kuò)大測(cè)頭功能、提高測(cè)量效率以及探測(cè)各種零件的不同部位，常需為測(cè)頭配置各種附件，如測(cè)端、探針、連接器、測(cè)頭回轉(zhuǎn)附件等。1測(cè)端 對(duì)于接觸式測(cè)頭，測(cè)端是與被測(cè)工件表面直接接觸的部分。對(duì)于不同形狀的表面需要采用不同的測(cè)端。圖1-9為一些常見(jiàn)的測(cè)端形狀。圖1-9a為球形測(cè)端，是最常用的測(cè)端。它具有制造簡(jiǎn)單、便于從各個(gè)方向觸測(cè)工件表面、接觸變形

34、小等優(yōu)點(diǎn)。圖1-9b為盤(pán)形測(cè)端，用于測(cè)量狹槽的深度和直徑。圖1-9c為尖錐形測(cè)端，用于測(cè)量凹槽、凹坑、螺紋底部和其它一些細(xì)微部位。圖1-9d為半球形測(cè)端，其直徑較大，用于測(cè)量粗糙表面。(a)(c)(d)(b)(e)圖1-9e為圓柱形測(cè)端，用于測(cè)量螺紋外徑和薄板。圖1-9 測(cè)端的形狀(a)球形測(cè)端 (b)盤(pán)形測(cè)端 (c)尖錐形測(cè)端 (d)半球形測(cè)端 (e)圓柱形測(cè)端2探針探針是指可更換的測(cè)桿。在有些情況下，為了便于測(cè)量，需選用不同的探針。探針對(duì)測(cè)量能力和測(cè)量精度有較大影響，在選用時(shí)應(yīng)注意：1）在滿足測(cè)量要求的前提下，探針應(yīng)盡量短；2）探針直徑必須小于測(cè)端直徑，在不發(fā)生干涉條件下，應(yīng)盡量選大直徑探

35、針；3）在需要長(zhǎng)探針時(shí)，可選用硬質(zhì)合金探針，以提高剛度。若需要特別長(zhǎng)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(cè)頭上、測(cè)頭連接到回轉(zhuǎn)體上或測(cè)量機(jī)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(cè)頭座等。5126437圖1-10為星形測(cè)頭座示意圖，其上可以安裝若干不同的測(cè)頭，并通過(guò)測(cè)頭座連接到測(cè)量機(jī)主軸上。測(cè)量時(shí)，根據(jù)需要可由不同的測(cè)頭交替工作。圖1-10 激光非接觸式測(cè)頭工作原理1星形測(cè)頭座 2測(cè)頭 3回轉(zhuǎn)接頭座 4測(cè)頭 5星形探針連接器 6測(cè)頭 7測(cè)頭4回轉(zhuǎn)附件對(duì)于有些工件表面的檢測(cè)，比如一些傾斜表面、整體葉輪葉片表面等，僅用與工作臺(tái)垂直的探針探測(cè)將無(wú)法完成要求

36、的測(cè)量，這時(shí)就需要借助一定的回轉(zhuǎn)附件，使探針或整個(gè)測(cè)頭回轉(zhuǎn)一定角度再進(jìn)行測(cè)量，從而擴(kuò)大測(cè)頭的功能。B2211A(b)(a)常用的回轉(zhuǎn)附件為如圖1-11a所示的測(cè)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(jī)構(gòu)中有精密的分度機(jī)構(gòu)，其分度原理類似于多齒分度盤(pán)。在靜盤(pán)中有48根沿圓周均勻分布的圓柱，而在動(dòng)盤(pán)中有與之相應(yīng)的48個(gè)鋼球，從而可實(shí)現(xiàn)以7.5o為步距的轉(zhuǎn)位。它繞垂直軸的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為360o，共48個(gè)位置，繞水平軸的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為0o105o，共15個(gè)位置。由于在繞水平軸轉(zhuǎn)角為0o（即測(cè)頭垂直向下）時(shí)，繞垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)不改變測(cè)端位置，這樣測(cè)端在空間一共可有48×141673個(gè)位置。能使

37、測(cè)頭改變姿態(tài)，以擴(kuò)展從各個(gè)方向接近工件的能力。目前在測(cè)量機(jī)上使用較多的測(cè)頭回轉(zhuǎn)體為RENISHAW公司生產(chǎn)的各種測(cè)頭回轉(zhuǎn)體，圖1-11b為其實(shí)物照片。圖1-11 可分度測(cè)頭回轉(zhuǎn)體(a) 二維測(cè)頭回轉(zhuǎn)體示意圖 (b) PH10M測(cè)頭回轉(zhuǎn)體實(shí)物照片1測(cè)頭 2測(cè)頭回轉(zhuǎn)體14三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的控制系統(tǒng)141、控制系統(tǒng)的功能控制系統(tǒng)是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的關(guān)鍵組成部分之一。其主要功能是：讀取空間坐標(biāo)值，控制測(cè)量瞄準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)測(cè)頭信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)與處理，控制機(jī)械系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)測(cè)量所必需的運(yùn)動(dòng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的狀態(tài)以保障整個(gè)系統(tǒng)的安全性與可靠性等。142、控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 按自動(dòng)化程度分類，坐標(biāo)測(cè)量機(jī)分為手動(dòng)型、機(jī)動(dòng)型和CNC

38、型。早期的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)以手動(dòng)型和機(jī)動(dòng)型為主，其測(cè)量是由操作者直接手動(dòng)或通過(guò)操縱桿完成各個(gè)點(diǎn)的采樣，然后在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。隨著計(jì)算機(jī)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(guò)程序來(lái)控制坐標(biāo)測(cè)量機(jī)自動(dòng)進(jìn)給和進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，同時(shí)在計(jì)算機(jī)中完成數(shù)據(jù)處理。1手動(dòng)型與機(jī)動(dòng)型控制系統(tǒng) 這類控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，價(jià)格低廉，在車(chē)間中應(yīng)用較廣。這兩類坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的標(biāo)尺系統(tǒng)通常為光柵，測(cè)頭一般采用觸發(fā)式測(cè)頭。其工作過(guò)程是：每當(dāng)觸發(fā)式測(cè)頭接觸工件時(shí)，測(cè)頭發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)測(cè)頭控制接口向CPU發(fā)出一個(gè)中斷信號(hào)，CPU則執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，實(shí)時(shí)地讀出計(jì)數(shù)接口單元的數(shù)值，計(jì)算出相應(yīng)的空間長(zhǎng)度，形

39、成采樣坐標(biāo)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(cè)量進(jìn)給是計(jì)算機(jī)控制的。它可以通過(guò)程序?qū)y(cè)量機(jī)各軸的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制以及對(duì)測(cè)量機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量。另外，它也可以通過(guò)操縱桿進(jìn)行手工測(cè)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(gè)主CPU實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)與坐標(biāo)值的采樣，完成主計(jì)算機(jī)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(shí)時(shí)顯示、控制命令的鍵盤(pán)輸入及安全監(jiān)測(cè)等任務(wù)。它的運(yùn)動(dòng)控制是由一個(gè)獨(dú)立模塊完成的，該模塊是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，完成單軸的伺服控制、三軸聯(lián)動(dòng)以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。從功

40、能上看，運(yùn)動(dòng)控制CPU既要完成數(shù)字調(diào)節(jié)器的運(yùn)算，又要進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，運(yùn)算量大，其實(shí)時(shí)性與測(cè)量進(jìn)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(gè)CPU，每個(gè)CPU完成特定的控制，同時(shí)這些CPU協(xié)調(diào)工作，共同完成測(cè)量任務(wù)，因而速度快，提高了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。另外，分布式控制的特點(diǎn)是多CPU并行處理，由于它是單元式的，故維修方便、便于擴(kuò)充。如要增加一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)只需在系統(tǒng)中再擴(kuò)充一個(gè)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。143、測(cè)量進(jìn)給控制 手動(dòng)型以外的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是通過(guò)操縱桿或CNC程序?qū)λ欧姍C(jī)進(jìn)行速度控制，以此來(lái)控制測(cè)頭和測(cè)量工作臺(tái)按設(shè)定的軌跡作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，

41、從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的測(cè)量。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量進(jìn)給與數(shù)控機(jī)床的加工進(jìn)給基本相同，但其對(duì)運(yùn)動(dòng)精度、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性及響應(yīng)速度的要求更高。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制包括單軸伺服控制和多軸聯(lián)動(dòng)控制。單軸伺服控制較為簡(jiǎn)單，各軸的運(yùn)動(dòng)控制由各自的單軸伺服控制器完成。但當(dāng)要求測(cè)頭在三維空間按預(yù)定的軌跡相對(duì)于工件運(yùn)動(dòng)時(shí)，則需要CPU控制三軸按一定的算法聯(lián)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)頭的空間運(yùn)動(dòng)，這樣的控制由上述單軸伺服控制及插補(bǔ)器共同完成。在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)控制系統(tǒng)中，插補(bǔ)器由CPU程序控制來(lái)實(shí)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(biāo)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(cè)頭一步一步地從起始點(diǎn)向終點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。144、控

42、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(jì)算機(jī)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(guò)聯(lián)接主計(jì)算機(jī)與控制系統(tǒng)的通信總線實(shí)現(xiàn)的。外通信則是指當(dāng)CMM作為FMS系統(tǒng)或CIMS系統(tǒng)中的組成部分時(shí)，控制系統(tǒng)與其它設(shè)備間的通信。目前用于坐標(biāo)測(cè)量機(jī)通信的主要有串行RS232標(biāo)準(zhǔn)與并行IEEE488標(biāo)準(zhǔn)。1.5三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的軟件系統(tǒng) 現(xiàn)代三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)都配備有計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)來(lái)采集數(shù)據(jù)，通過(guò)運(yùn)算輸出所需的測(cè)量結(jié)果。其軟件系統(tǒng)功能的強(qiáng)弱直接影響到測(cè)量機(jī)的功能。因此各坐標(biāo)測(cè)量機(jī)生產(chǎn)廠家都非常重視軟件系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)，在這方面投入的人力和財(cái)力的比例在不斷增加。下面對(duì)在三坐標(biāo)

43、測(cè)量機(jī)中使用的軟件作簡(jiǎn)要介紹。1.5.1編程軟件為了使三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量，需要事前編制好相應(yīng)的測(cè)量程序。而這些測(cè)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(jiǎn)單的方式，它是通過(guò)圖形菜單選擇被測(cè)元素，建立坐標(biāo)系，并通過(guò)“窗口”提示選擇操作過(guò)程及輸入?yún)?shù)，編制測(cè)量程序。該方式僅適用于比較簡(jiǎn)單的單項(xiàng)幾何元素測(cè)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(cè)量機(jī)上，由操作者引導(dǎo)測(cè)量過(guò)程，并鍵入相應(yīng)指令，直到完成測(cè)量，而由計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄下操作者手動(dòng)操作的過(guò)程及相關(guān)信息，并自動(dòng)生成相應(yīng)的測(cè)量程序，若要重復(fù)測(cè)量同種零件，只需調(diào)用該測(cè)量程序，便可自動(dòng)完成以前

44、記錄的全部測(cè)量過(guò)程。該方式適合于批量檢測(cè)，也屬于比較簡(jiǎn)單的編程方式。（三）脫機(jī)編程這種方式是采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)生產(chǎn)廠家提供的專用測(cè)量機(jī)語(yǔ)言在其它通用計(jì)算機(jī)上預(yù)先編制好測(cè)量程序，它與坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的開(kāi)啟無(wú)關(guān)。編制好程序后再到測(cè)量機(jī)上試運(yùn)行，若發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤則進(jìn)行修改。其優(yōu)點(diǎn)是能解決很復(fù)雜的測(cè)量工作，缺點(diǎn)是容易出錯(cuò)。 （四）自動(dòng)編程 在計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)中，通常由CAD/CAM系統(tǒng)自動(dòng)生成測(cè)量程序。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)一方面讀取由CAD系統(tǒng)生成的設(shè)計(jì)圖紙數(shù)據(jù)文件，自動(dòng)構(gòu)造虛擬工件，另一方面接受由CAM加工出的實(shí)際工件，并根據(jù)虛擬工件自動(dòng)生成測(cè)量路徑，實(shí)現(xiàn)無(wú)人自動(dòng)測(cè)量。這一過(guò)程中的測(cè)量程序是完全由系統(tǒng)自動(dòng)生成的。1.5

45、.2測(cè)量軟件包 測(cè)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(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量軟件包分為通用測(cè)量軟件包和專用測(cè)量軟件包。通用測(cè)量軟件包主要是指針對(duì)點(diǎn)、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(jìn)行測(cè)量的軟件包。通常各三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)都配置有這類軟件包。專用測(cè)量軟件包是指坐標(biāo)測(cè)量機(jī)生產(chǎn)廠家為了提高對(duì)一些特定測(cè)量對(duì)象進(jìn)行測(cè)量的測(cè)量效率和測(cè)量精度而開(kāi)發(fā)的各類測(cè)量軟件包。如有不少三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)配備有針對(duì)齒輪、凸輪與凸輪軸、螺紋、曲線、曲面等常見(jiàn)零件和表面測(cè)量的專用測(cè)量軟件包。在有的測(cè)量機(jī)中，還配備有測(cè)量汽車(chē)車(chē)身、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等零件的專用測(cè)量軟件包。1.5.3、系統(tǒng)調(diào)試

46、軟件用于調(diào)試測(cè)量機(jī)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(dòng)顯示故障類別； （2）誤差補(bǔ)償軟件包：用于對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的幾何誤差進(jìn)行檢測(cè)，在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)工作時(shí)，按檢測(cè)結(jié)果對(duì)測(cè)量機(jī)誤差進(jìn)行修正； （3）系統(tǒng)參數(shù)識(shí)別及控制參數(shù)優(yōu)化軟件包：用于CMM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(yùn)行文件； （4）精度測(cè)試及驗(yàn)收測(cè)量軟件包：用于按驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量檢具。1.5.4、系統(tǒng)工作軟件測(cè)量軟件系統(tǒng)必須配置一些屬于協(xié)調(diào)和輔助性質(zhì)的工作軟件，其中有些是必備的，有些用于擴(kuò)充功能。（1）測(cè)頭管理軟件：用于測(cè)頭校準(zhǔn)、測(cè)頭旋轉(zhuǎn)控制等； （2）數(shù)控運(yùn)行軟件：用于測(cè)頭運(yùn)動(dòng)控制； （

47、3）系統(tǒng)監(jiān)控軟件：用于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控（如監(jiān)控電源、氣源等）； （4）編譯系統(tǒng)軟件：用此程序編譯，生成運(yùn)行目標(biāo)碼； （5）DMIS接口軟件：用于翻譯DMIS格式文件； （6）數(shù)據(jù)文件管理軟件：用于各類文件管理； （7）聯(lián)網(wǎng)通訊軟件：用于與其他計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)雙向或單向通訊。1.6MISTRAL070705型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)簡(jiǎn)介1.6.1、結(jié)構(gòu)形式及主要技術(shù)指標(biāo)MISTRAL070705型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是意大利 DEA公司生產(chǎn)的，其結(jié)構(gòu)如圖1-12所示。它為移動(dòng)橋式結(jié)構(gòu)，橫梁采用獨(dú)特的精密三角梁設(shè)計(jì)，具有良好的剛性質(zhì)量比；采用輕型鋁合金橋架、氣浮導(dǎo)軌及伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，重量輕，慣性小，運(yùn)行輕便；采用的標(biāo)尺為高分辨

48、率的光柵尺。測(cè)量機(jī)主要性能參數(shù)如下： 行程范圍： 710×660×460mm 測(cè)量精度： 3.54×L1000m123546 分辨率： 0.5m圖1-12 MISTRAL070705型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)1花崗巖工作臺(tái) 2移動(dòng)橋架 3Z軸 4中央滑架 5橫梁 6底座1.6.2測(cè)量機(jī)主要功能 1幾何尺寸測(cè)量：可完成點(diǎn)、線、面、孔、球、圓柱、圓錐、槽、拋物面、環(huán)的幾何尺寸測(cè)量，同時(shí)可測(cè)出相關(guān)的形狀誤差。 2幾何元素構(gòu)造：通過(guò)測(cè)量相關(guān)尺寸，可構(gòu)造出未知的點(diǎn)、線、面、孔、球、圓柱、圓錐、槽、拋物面、環(huán)等，并計(jì)算出它們的幾何尺寸和形狀誤差。 3計(jì)算元素間的關(guān)系：通過(guò)測(cè)量一些相關(guān)尺寸

49、，可計(jì)算出元素間的距離、相交、對(duì)稱、投影、角度等關(guān)系。 4位置誤差檢測(cè)：可完成平行度、垂直度、同軸度、位置度等位置誤差的測(cè)量。5幾何形狀掃描：用DEA公司提供的SCAN3D軟件包可對(duì)工件進(jìn)行掃描測(cè)量。1.6.3測(cè)量機(jī)所具有的測(cè)量方式 1手動(dòng)測(cè)量：在TUTOR測(cè)量環(huán)境下，利用手控盒手動(dòng)控制測(cè)頭進(jìn)行測(cè)量。 2自動(dòng)測(cè)量：在CNC測(cè)量模式下，用DEAPPL語(yǔ)言脫機(jī)編制測(cè)量程序，經(jīng)WTCOMP編譯器編譯生成TEC執(zhí)行文件，用其控制測(cè)量機(jī)自動(dòng)檢測(cè)。3自學(xué)習(xí)測(cè)量：在TUTOR測(cè)量環(huán)境下，可采用自學(xué)習(xí)測(cè)量方式。1.6.4、測(cè)量機(jī)控制系統(tǒng) 該測(cè)量機(jī)的控制系統(tǒng)安裝在測(cè)量機(jī)后面的金屬盒內(nèi)，是測(cè)量機(jī)與計(jì)算機(jī)的接口電路

50、，它通過(guò)RS-232串行口與計(jì)算機(jī)連接。它由電源板、邏輯運(yùn)算板（LOG186卡）、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器卡（PWZ4卡）、故障檢測(cè)板（PILZ卡）等組成，如圖1-13所示。（1）電源板：為伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)和邏輯電路供電。（2）LOG186卡：用于調(diào)整和控制三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的三個(gè)坐標(biāo)軸，接收測(cè)頭信號(hào)及采集光柵數(shù)據(jù)，并處理系統(tǒng)的緊急情況。（3）PWM24卡：為伺服驅(qū)動(dòng)卡，用于驅(qū)動(dòng)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的三個(gè)坐標(biāo)軸。手控盒計(jì)算機(jī)PWM24卡YLOG186卡測(cè)頭Z應(yīng)急按鈕測(cè)量機(jī)電纜電源板X(qián)YZ驅(qū)動(dòng)電機(jī)狀態(tài)X驅(qū)動(dòng)電機(jī)PILZ卡光柵220V（4）PILZ卡：用于系統(tǒng)的故障診斷。圖1-13 MISTRAL070705三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的控制系統(tǒng)

51、控制系統(tǒng)的工作過(guò)程為：計(jì)算機(jī)分析零件程序指令或操作者的命令，定義將要執(zhí)行的基本操作，并把它傳輸?shù)綌?shù)控裝置的邏輯卡；邏輯卡計(jì)算運(yùn)動(dòng)的路徑，傳送參考值到伺服控制卡并檢查運(yùn)動(dòng)的精度，再把這些值與各軸輸出值進(jìn)行比較；當(dāng)測(cè)頭與工件接觸時(shí)，邏輯卡讀出測(cè)量點(diǎn)的位置坐標(biāo)并傳送到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)按照測(cè)量程序發(fā)出的指令來(lái)進(jìn)行處理；測(cè)量結(jié)果以選定的格式輸出，也可存儲(chǔ)起來(lái)供以后處理。1.6.5測(cè)頭 MISTRAL070705三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)采用英國(guó)RENISHAW公司生產(chǎn)的測(cè)頭及其附件。常用的有PH9、PH10M等二維測(cè)頭回轉(zhuǎn)體和TP2、TP6等觸發(fā)式測(cè)頭。PH10M是功能強(qiáng)大的可分度機(jī)動(dòng)測(cè)頭回轉(zhuǎn)體，能夠攜帶加長(zhǎng)桿和各種測(cè)

52、頭，具備高度可重復(fù)性的動(dòng)態(tài)連接，允許快速的測(cè)頭或加長(zhǎng)桿更換而不需要重新校正，它可在垂直方向（A向）旋轉(zhuǎn)0o105o，在水平方向（B向）旋轉(zhuǎn)-180o+180o，步進(jìn)角為7.5o。PH10M測(cè)座采用RENISHAW的專利技術(shù)“自動(dòng)鉸接”可直接連接TP6等測(cè)頭，加長(zhǎng)桿可達(dá)300mm。其重復(fù)定位精度高，轉(zhuǎn)位后不需重新標(biāo)定測(cè)頭。1.6.6、測(cè)量軟件MISTRAL070705三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)使用的主要軟件為DEA公司的TUTOR通用測(cè)量軟件，它是采用基于特征測(cè)量方法的數(shù)據(jù)處理及控制軟件，為用戶提供了一個(gè)非常容易學(xué)習(xí)的圖形界面（圖1-14為測(cè)量操作頁(yè)面），并有100多種已編好的程序來(lái)加速工件的檢測(cè)。它具有如下

53、一些特點(diǎn)：（1）操作簡(jiǎn)便，通過(guò)簡(jiǎn)單的鼠標(biāo)點(diǎn)擊完成所有操作。（2）具有標(biāo)準(zhǔn)操作員界面（如圖1-14）。在該環(huán)境下，測(cè)量機(jī)可完成：一些不需要測(cè)量機(jī)的輔助操作，如激活在線幫助、顯示W(wǎng)INDOWS文件管理窗；啟動(dòng)一些不需要測(cè)量機(jī)的應(yīng)用軟件；接通或斷開(kāi)測(cè)量機(jī)；執(zhí)行零件程序；調(diào)用數(shù)據(jù)文件；啟動(dòng)測(cè)量功能。圖1-14 TUTOR的標(biāo)準(zhǔn)操作員界面（3）具備基于結(jié)果和基于過(guò)程的測(cè)量模式，通過(guò)選擇按鈕或調(diào)用存儲(chǔ)程序，快速完成測(cè)量過(guò)程。（4）具有完善的數(shù)據(jù)輸出功能。（5）在單頁(yè)測(cè)量屏幕菜單上，包括了完成各幾何元素測(cè)量所須的信息和命令（如圖1- 15所示)。且測(cè)量指令圖形化顯示，可利用鼠標(biāo)激活。（6）可以自學(xué)習(xí)方式創(chuàng)建

54、零件程序，用于批量工件的檢測(cè)。（7）軟件中嵌入了一個(gè)稱之為MAESTRO的專用教師軟件包，操作者可利用它自學(xué)控制功能的使用方法。圖1-15 TUTOR的測(cè)量操作界面一、滾珠絲杠結(jié)構(gòu)1、 滾珠絲杠副的種類與結(jié)構(gòu) 滾珠絲杠螺母副：是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的傳動(dòng)裝置，在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中一般采用滾珠絲杠副來(lái)改善摩擦特性。工作原理是：當(dāng)絲杠相對(duì)于螺母旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩者發(fā)生軸向位移，而滾珠則可沿著滾道流動(dòng)，如圖341和圖3421返向器2螺3絲杠4滾珠 （a）單圓弧 （b）雙圓弧 圖 341滾珠絲杠副 圖342 螺紋滾道型面按滾珠返回的方式不同可以分為內(nèi)循環(huán)式和外循環(huán)式兩種。1）內(nèi)循環(huán)式內(nèi)循環(huán)方式的滾珠在循

55、環(huán)過(guò)程中始終與絲杠表面保持接觸。如圖343。在螺母的側(cè)面孔內(nèi)，裝有接通相鄰滾道的反向器，利用反向器引導(dǎo)滾珠越過(guò)絲杠的螺紋頂部進(jìn)入相鄰滾道，形成一個(gè)循環(huán)回路。一般在同一螺母上裝有24個(gè)反向器，并沿螺母圓周均勻分布。 優(yōu)缺點(diǎn)：滾珠循環(huán)的回路短、流暢性好、效率高、螺母的徑向尺寸也較小，但制造精度要求高。圖343 內(nèi)循環(huán)示意圖 1凸鍵 2、3反向鍵2）外循環(huán)式 外循環(huán)方式的滾珠在循環(huán)反向時(shí)，離開(kāi)絲杠螺紋滾道，在螺母體內(nèi)或體外做循環(huán)運(yùn)動(dòng)。如圖344，（a）為螺旋槽式外循環(huán)（b）為插管式外循環(huán)。優(yōu)缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、但徑向尺寸大，且彎管兩端耐磨性和抗沖擊性差。圖344 外循環(huán)示意圖（a）螺旋槽式：1套筒；