浅析三坐标测量仪的应用

摘要：三坐标测量仪是指在三维可测的空间范围内，能够根据侧头系统返回点的数据，通过三坐标的软件系统计算各类几何形状、尺寸等测量能力的仪器。现代的三坐标测量仪都配备有计算机，由计算机来采集数据，通过运算输出所需的测量结果，更好满足用户需要，大大降低用户投入成本，提高工作效率。

关键词：三坐标测量仪;意义与作用;组成与原理;测量及控制

中图分类号：G718     文献标识码：B    文章编号：1672-1578（2019）07-0011-02

1.三坐标测量仪的意义与作用

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的发展，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。因此为保证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。

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。传统的测量方法是用传统测量工具（游标卡尺、千分尺、量块等）进行测量，测量工具本身精度不高，人为误差较大，工具量程小，被测工件尺寸、形状受到限制，许多形状复杂的测量任务（如曲面）难以实现，且占用工时较长。

由于机械加工、数控机床加工及自动化加工线的发展，生产节拍的加快，加工一个零件仅用几十分钟或几分钟，这就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，这些零件是专业化厂生产，最后集中部装和总装，每隔几分钟就生产出一辆车。在制造业中，大多数产品都是按照CAD数字模型在数控机床上制造完成的，它与原CAD数字模型相比，确定其在加工制造中产生的误差，就需用三坐标测量仪进行测量。在三坐标测量仪软件系统中可以用图形方式显示CAD数字模型，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坐标轴及法向矢量，便可自动生成测量程序。三坐标测量仪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数字模型进行比较并以图形方式显示，生成坐标检测报告（文本报告和图表报告）全过程直观快速，而用传统的检测方法无法实现。

综合上述，三坐标测量仪的出现，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。三坐标测量仪对三维测量技术有重要的作用。实现对基本几何元素的高效率、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、汽车与飞机等外廓尺寸检测;提高了三维测量的测量精度，目前高精度坐标测量机的单轴精度，每米长度内可达1微米，三维空间精度可达1-2微米。对于车间检测用的三坐标测量机，每米测量精度单轴也达3-4微米。

随着三坐标测量仪的精度不断提升，自动化程序不断发展，三维测量技术不断进步，大大提高测量效率，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功能控制，可使测量时间大大縮短。三坐标测量仪与数控机床和加工中心配套组成生产加工线，促进自动生产线的发展。

2.三坐标测量仪的组成及工作原理

三坐标测量仪是典型的机电一体化设备，它由机械系统和电子系统两大系统部分组成。机械系统一般由3个正交的直线运动轴构成，横向X导轨系统装在工作台上，移动桥架横梁是Y向导轨系统，竖直Z向导轨系统装在中央滑架内，3个方向轴上均装有光栅尺用于测量各轴位移值。人工驱动的手轮及机动、数控驱动的电动机一般都在各轴附近，用来触测被检测零件表面的测头Z轴的端部。电子系统一般由光栅计数系统、测头信号接口和计算机等组成，由于获得被测坐标点数据，并对数据进行处理。

三坐标测量仪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这些几何元素上一些点坐标位置的测量，在测得这些点的坐标位置后，再根据这些点的空间坐标值，经过数字运算求出其尺寸和几何误差。如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内，触测内孔壁上3个点，再根据这三个点的坐标值就可计算出孔的直径及圆心坐标;如果在该截面内触测更多的点，则可根据最小二乘法或最小条件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进行测量，则可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，又可以计算出孔轴线位置;如果再在孔端面上触测三点，可计算出孔轴线对端面位置度误差。由此可见，三坐标测量仪的这一测量原理使其具有很大的通用性与柔性。从原理上说，它可以测量工件上任何几何元素的几何参数。

3.三坐标测量仪的测量及控制系统

三坐标测量仪测量系统由标尺系统和测头系统构成，它们是三坐标测量仪关键组成部分，决定着三坐标测量仪测量精度的高低。标尺系统是用来度量各轴的坐标值的，目前三坐标测量仪上使用的标尺系统种类很多，它们与在各机床和仪器上使用的标尺系统大致相同，按其性质可分机械式标尺系统、光学式标尺系统和电气式标尺系统。根据国内外生产三坐标测量仪所使用的标尺系统统计分析，使用最多的是光栅，其次是感应同步器和光学编码器。有些高精度三坐标测量仪的标尺系统采用激光干涉仪。三坐标测量仪是用测头来拾取信号的，因而测头的性能直接影响测量精度和测量效率，没有先进的测头就无法充分发挥测量仪器的功能。为了扩大测头功能，提高测量效率以及探测各种零件的不同部位，常需为测头配置各种附件，如测端、探针、连接器、测头回转附件等。

控制系统是三坐标测量仪的关键组成部分之一，其主要功能：读取空间坐标值，控制测量瞄准系统对测头信号进行实时响应与处理，控制机械系统实现测量所必须的运动，实现监控坐标测量仪的状态以保障整个系统的安全性和可靠性等。

现代的三坐标测量仪都配备有计算机，由计算机来采集数据，通过运算输出所需的测量结果，更好满足用户需要，大大降低用户投入成本，提高工作效率。

参考文献：

[1] 胡风兰.互换性与技术测量基础[M].北京，高等教育出版社，2010.

[2] 胡立志.互换性与技术测量[M].北京，清华大学大学出版社，2013.

[3] 杨佳慧.零件检测与质量分析[M].北京，机械工业出版社，2015.

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