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1、第一章 三坐标测量机的概述一、 三坐标测量机的发展历史世界上第一台测量机是英国FERRANTI公司于1956年研制成功，当时的测量方式是测头接触工件后，靠脚踏板来记录当前坐标值，然后使用计算器来计算元素间的位置关系。1962年菲亚特汽车公司一位质量工程师在意大利都灵创建了世界上第一家专业制造坐标测量设备的公司，即先在仍然知名的DEA（Digital Electronic Automation）公司。随后，DEA公司先后推出了手动、机动并首先使用气浮导轨技术的测量机，也相应配备了各种测头和软件，使之成为世界上最大的测量机供应商之一。1964年，瑞士SIP公司开始使用软件来计算两点间的距离，开始了
2、利用软件进行测量数据计算的时代。随后的国ZEISS公司使用计算机辅助工件坐标系代替机械对准，从此测量机具备了对工件基本几何元素尺寸、形位公差的检测功能。随着计算机的飞速发展，测量机技术进入了CNC控制机时代，完成了复杂机械零件的测量和空间自由曲线曲面的测量，测量模式增加和完善了自学习功能，改善了人机界面，使用专门测量语言，提高了测量程序的开发效率。从90年代开始，随着工业制造行业向集成化、柔性化和信息化发展，产品的设计、制造和检测趋向一体化，这就对作为检测设备的三坐标测量机提出了更高的要求，从而提出了新一代测量机的概念。其特点是：1、具有与外界设备通讯的功能；2、具有与CAD系统直接对话的标准
3、数据协议格式；3、硬件电路趋于集成化,并以计算机扩展卡的形式,成为计算机的大型外部设备。到1992年全球就拥有三坐标测量机46100台，工业发达的欧美、日韩每6-7台机床配备一台三坐标测量机，我国三坐标测量机生产始于20世纪70年代，现在已被广泛应用在机械制造、汽车、家电、电子、模具和航空航天等制造领域，并保持快速增长。国内外生产三坐标的厂家较多如：德国的蔡司、意大利的Cord3、日本的三丰、美国的谢菲尔德，国内的海克斯康、青岛雷顿、西安爱德华、北京航空精密机械研究所（303所）、上海机床厂、上海第三机床厂、北京二机床、北京机床研究所、天津大学和新天光学仪器厂。二、 三坐标测量机发展的意义和作
4、用随着人们生活水平的提高和制造业的快速发展，特别是机床、机械、汽车、航空航天和电子工业，各种复杂零件的研制和生产需要先进的检测技术；同时为应对全球竞争，生产现场非常重视提高加工效率和降低生产成本，其中，最重要的便是生产出高质量的产品。为此，必须实行严格的质量管理，只有在保证高质量生产的前提下，制造业才能生存和发展。因此，为确保零件的尺寸和技术性能符合要求，必须进行精确的测量，因而体现三维测量技术的三坐标测量机应运而生，并迅速发展和日趋完善。三维测量是基于以下的客观要求发展起来的。1、越来越多的工件需要进行空间三维测量，而传统的测量方法不能满足生产的需要。传统测量方法是指用传统测量工具（如千分表
5、、量块、卡尺等）进行的测量，属相对测量，因其测量基准为被加工面，而不是直接的主轴基准，是一种过度基准，再加上传统测量工具本身精度不高，同时人为测量操作随机性误差也较大，这些因素导致测量结果不准；另一方面传统测量工具量程小、被测工件尺寸、形状受到限制，许多测量任务（如尺寸大、形状较复杂）用传统测量工具完成不了，且占用机时较长。2、 由于机械加工、数控机床加工及自动加工线的发展，生产节拍的加快，加工一个零件仅有几十分钟或几分钟，要求加快对复杂工件的检测。例如：汽车和摩托车都采用流水生产线，每辆车上有几千甚至上万个零件，这些零件是由专业化厂分散生产，最后集中部装和总装，每隔几分钟就生产出一辆车。3、
6、 在制造业中，大多数产品都是按照CAD数学模型在数控机床上制造完成的，它与原CAD数学模型相比，确定其在加工制造中产生的误差，就需用三坐标测量机进行测量。在三坐标测量机的软件系统中可以用图形方式显示原CAD数学模型，再按照可视化方式从图形上确定被测点，得到被测点的X、Y、Z坐标值及法向矢量，便可生成自动测量程序。三坐标测量机可按法线方向对工件进行精确测量，获得准确的坐标测量结果，也可与原CAD数学模型进行比较并以图形方式显示，生成坐标检测报告（包括文本报告和图表报告），全过程直观快捷，而用传统的检测方法则无法完成。4、 随着生产规模日益扩大，加工精度不断提高，除了需要高精度三坐标测量机的计量室
7、检测外，为了便于直接检测工件，测量往往需要在加工车间进行，或将测量机直接串连到生产线上。检验的零件数量加大，科学化管理程度加强，因而需要各种精度的坐标测量机，以满足生产的需要。5、 实现逆向（反求）工程的需要，例如随着模具生产的发展，在当前的生产制造中往往会碰到这么一种情况，客户能提供给制造者的只有实物而没有任何图纸或CAD数据，特别是样件中有曲线、曲面等很难通过测量获得其准确的数据的复杂模型。在这种情况下，传统的加工方法是使用雕刻法或其他方法制作出一个一比一的模具，再用模具进行生产。这种方法无法获得工件准确的尺寸图纸，也很难对其外型进行修改。现在采用的是三维扫描测量出工件轮廓曲线、曲面等数据
8、。因此需要与“数控机床”或“加工中心”相配合的三维检测技术。综上所述，三坐标测量机的出现是标志计量仪器从古典的手动方式向现代化自动测试技术过渡的一个里程碑。三坐标测量机在下述方面对三维测量技术有重要作用。1、实现了对基本的几何元素的高效率、高精度测量与评定，解决了复杂形状表面轮廓尺寸的测量，例如箱体零件的孔径与孔位、叶片与齿轮、汽车与飞机等的外廓尺寸检测。2、 提高了三维测量的测量精度，目前高精度的坐标测量机的单轴精度，每米长度内可达1um以内，三维空间精度可达1um-2um。对于车间检测用的三坐标测量机，每米测量精度单轴也达3um-4um。3、 由于三坐标测量机可与数控机床和加工中心配套组成
9、生产加工线或柔性制造系统，从而促进了自动生产线的发展。4、 随着三坐标测量机的精度不断提高，自动化程序不断发展，促进了三维测量技术的进步，大大地提高了测量效率。尤其是电子计算机的引入，不但便于数据处理，而且可以完成CNC的控制功能，可缩短测量时间达95%以上。5、 随着激光扫描技术的不断成熟，同时满足了高精度测量（质量检测）和激光扫描（逆向工程）多功能复合型的三坐标测量机发展更好地满足了用户需求，大大降低用户投入成本，提高工作效率。三、 三坐标测量机的原理以及长度测量示值误差、空间探测误差1、 三坐标测量机的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
10、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，经过数学运算求出其尺寸和形位误差。如图1-1-1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OI；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
11、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21ZYX3OIAOI图1-1-1 三坐标测量机原理图2、 长度测量示值误差、空间探测误差检测原理长度测量示值误差和空间探测误差的组合可以作为评价坐标测量机性能和精度的指标。长度测量示值误差是使用坐标测量机测量长度实物标准器上两点距离的指示值与真值的差，主要反映了坐标测量机的机构误差；探测误差是使用坐标测量机测量标准球半径的示值变化范围而确定的误差，主要反映了测头的各向异性、瞄准误差和作用直径的影响，提供了坐标测量机的方向特性参数
12、。探测误差是影响测量不确定度的重要因素，对于不同的测头，探测误差也不同。空间探测误差的检测原理如下：选用一个球度误差很小的标准球，在不同的截面上测量标准球半球上25个点,用全部25个点计算出最小二乘球的中心，并分别计算出25个点对该球心的径向距离r，r的最大值和最小值的差即为探测误差。检测时要求各个截面上的探测点彼此错开，让测头从不同方向探测。根据坐标测量机校准规范，标准球必须是经校准的标准球，直径在1050 mm之间，其形状误差应优于被测坐标测量机最大允许探测误差的五分之一。第二章 三坐标测量机的组成、结构、分类一、三坐标测量机的组成三坐标测量机是典型的机电一体化设备，它由机械系统和电子系统
13、两大部分组成。 1、机械系统（主机）：一般由三个正交的直线运动轴构成。如图1-2-1所示结构中，X向导轨系统装在工作台上，移动桥架横梁是Y向导轨系统，Z向导轨系统装在中央滑架内。三个方向轴上均装有光栅尺用以度量各轴位移值。人工驱动的手轮及机动、数控驱动的电机一般都在各轴附近。用来触测被检测零件表面的测头装在Z轴端部（测头）。2、电子系统（控制系统）：一般由光栅计数系统、测头信号接口和计算机等组成，用于获得被测坐标点数据，并对数据进行处理。43615X2YZ图1-2-1 三坐标测量机的组成1工作台 2移动桥架 3中央滑架 4Z轴 5测头 6电子系统二、三坐标测量机的机械结构按照机械结构分类，测量
14、机的主要结构形式可分为：1、移动桥式：移动桥式是当前三坐标测量机的主流结构。有沿着相互正交的导轨而运行的三个组成部分，装有探测系统的第一部分装在第二部分上，并相对其作垂直运动，第一和第二部分的总成相对第三部分作水平运动，第三部分被架在机座的对应两侧的支柱支承上，并相对机座作水平运动，机座承载工件。移动桥式坐标测量机是目前中小型测量机的主要结构型式，承载能力较大，本身具有台面，受地基影响相对较小，开敞性好，精密比固定桥式稍低。优点：（1）结构简单，结构刚性好，承重能力大；（2）工件重量对测量机的动态性能没有影响。缺点：（1）X向的驱动在一侧进行，单边驱动，扭摆大，容易产生扭摆误差；（2）光栅是偏
15、置在工作台一边的，产生的阿贝臂误差较大，对测量机的精度有一定影响；（3）测量空间受框架影响。图1-2-2 移动桥式坐标测量机2、固定桥式：这类测量机有沿着相互正交的导轨而运动的三个组成部分，装有探测系统的第一部分装在第二部分上并相对其作垂直运动，第一和第二部分的总成沿着牢固装在机座两侧的桥架上端作水平运动，在第三部分上安装工件。高精度测量机通常采用固定桥式结构，经过改进这类测量机速度可达400mm/S,加速度达到3000mm/S2，承重达2000KG，典型的固定桥式有目前世界上精度最好的出自德国LEITZ公司的PMM-C测量机。图1-2-3 PMM-C固定桥式测量机优点：（1）结构稳定，整机刚性强，中央驱动，偏摆小；（2）光栅在工作台的中央，阿贝误差小；（3）X、Y方向运动相互独立，相互影响小。缺点：（1）被测量对象由于放置在移动工作台上，降低了机动的移动速度，承载能力较小；（2）基座长度大于2倍的量程，所以占据空间较大；（3）操作空间不如移动桥式开阔。3、固定工作台悬臂式：这类坐标测量机有沿着相互正交的导轨而运动的三个组成部分，装有探测系统的第一部分装在第二部分上并相对第三部分作水平运动，第三部分以悬臂状被支撑在一端，并相对机座作水平运动，机座承载工件。优点：（
