三坐标测量机
张海涛 zhanghaitao@ 指导教师：刘书桂教授
精密测试技术及仪器国家重点实验室
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几何量用来描叙物体的大小、长短、形状和位置
几何量
等几何特征。 长度量和角度量
直线度、平面度、圆度、圆柱度、表面粗糙度等
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概述
三坐标测量机
组成系统
测量不确定度—21项误差 误差的检定方法
状态监控 测量过程的管理 参数的管理与初始化 通讯功能
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CNC型控制系统—光栅
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CNC型控制系统—细分器
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CNC型控制系统—电机、驱动器
电机
直流电机/测速机伺服机组 起动扭矩大，起动电压低，时间响应快。
驱动器
PWM (Pulse-Width Modulation)
调速比高、响应速度快、起动性能好 过压、过流、过速、过热等多种保护手段
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坐标测量机—探测系统
测头回转体 测头 附件
探测系统的主要组成部分
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探测系统—附件
测头附件是指那些与测头相连接、扩大其功能的
零部件。
对于接触式测头来说，测端与探针为直接对被测 工件进行探测的部件。对于不同尺寸、不同形状 的工件需要采用不同的测端与探针。
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探测系统—测端
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探测系统—测端
较强。
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坐标测量机—主机系统
绝对光栅&相对光栅
绝对光栅：读数头在光栅的任一位置，其读数均是固定的。
相对光栅(增量式光栅)：读数头在任一位置的读数并不一 定，和所设的零点位置或预置点的读数有关，任一位置的
读数皆是从所设点(零点或预置数)按增减脉冲的计数来显
示位置，测量机大多用增量式光栅，而且大多数测量机开 机后要回家，以设置光栅零点(亦就是机器坐标零点)。
针直径太小，会影响刚度，在测量中应根据需 要合理选择。
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探测系统—探针
增加探针长度对增强测量能
力有好处，但会使探针刚度 急剧下降。 探针直径必须比测球直径
小，在不发生干涉的条件
下，应尽量增大探针直径。 需要长探针时，常采用硬质合金探针，以提高刚度。 对于特别长的探针，应使用质量轻的陶瓷探针。
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接收器件所接收的光是由尺面反射而来，由于组合在读数头 中的发射及接收器件均在光栅一侧，而且新型光栅的尺身与
读数头间隙比较大(LIDA 181 可以达到 0.8 毫米)，因此安装
方便，多数测量机采用了反射式光栅。
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坐标测量机—主机系统
闭式光栅&开式光栅
闭式光栅：为了防尘，把光栅及读数头组合并封闭在 铝长盒内；优点是可以整体安装，不需要进行读数头
将被测零件放入坐标测量机的测量空间，精确 地测出被测零件表面的点在空间三个坐标位置
的数值，然后将这些点的坐标数值经过计算机
数据处理，拟合形成测量元素，如圆、球、圆 柱、圆锥、曲面等，经过数学计算的方法得出 其形状、位置公差及其他几何量数据。
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坐标测量技术的发展
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坐标测量技术的发展
DEA（Digital Electronic Automation）
DSP(Digital Signal Processor，即数字信号 处理器)代替以前的 CPU，DSP 所具有的高
速运算功能，使得控制周期缩短，大大提高
了系统的轨迹控制能力，测量机动作更快， 测量效率更高。
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CNC型控制系统—控制器
精确、实时地读取空间坐标值
控 制 器 的 功 能
运动轨迹的控制
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CNC系统的结构—上下位机式
上位机—PC
测量软件对进行 分析、计算并给 出测量结果 理论位置、运 动及触测指令 回复机器实际位 置及触测结果
下位机—控制卡
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三坐标测量机四大系统
1
主机系统
2
3 4
探测系统
控制系统 软件系统
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坐标测量机—软件系统
准确、稳定、可靠、精度高，速度快、功能强、
龙门式坐标测量机
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坐标测量机的主要结构形式
水平悬臂式坐标测量机
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概述
三坐标测量机
组成系统
测量不确定度—21项误差 误差的检定方法
测量数据处理实例
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三坐标测量机组成系统
1
主机系统 探测系统
2
3
控制系统 软件系统
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4
坐标测量机—主机系统
框架 标尺系统 导轨 驱动装置 平衡部件
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坐标测量机—主机系统
测量数据处理实例
4
概述
1
坐标测量技术的发展 坐标测量机的组成部分 坐标测量机的主要结构形式
2
3
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坐标测量技术的发展
坐标测量技术的基本原理
任何形状都是由空间点组成的，所有
的几何量测量都可以归结为空间点的测量，
因此精确进行空间点坐标的采集，是评定 任何几何形状的基础。
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坐标测量技术的发展
坐标测量机的基本原理
电压输出：读数头输出的信号为电压信号；它又可以分为
正弦电压输出与方波电压输出两种，正弦电压输出的标准
电压为 1V 峰峰值，后面直接连接电压放大器。方波电压 输出 TTL 为电平，可以直接连到计数器，这类的后置电
路简单，抗干扰能力也较强，但分辨力不是太高。
电流输出：要用电阻转换为电压输出，优点是抗干扰能力
长接近，主要用于光谱分析，测量机上不用。
计量光栅：是指几何量测量中应用的光栅，它的刻线距 离比光波波长大很多，一般从 4 微米到 100 微米(每毫 米 250 条刻线到 10 条刻线)，测量机均应用此类光栅。 计量光栅从形状上可分为长光栅及圆光栅，两者原理相 同，只是形状不同；长光栅一般用于线位移测量，是坐 标测量机的长度基准。
操作方便，是对测量机总体性能的要求。测量
机本体(包括测头)只是提取零件表面空间坐标 点的工具，过去，人们一直认为精度高，速度 快，完全由测量机的硬件部分决定(测量机机械 结构，控制系统，测头)，实际上，由于误差补
偿技术的发展，算法及控制软件的改进，测量
机精度在很大程度上依赖于软件。测量机软件 成为决定测量机性能的主要因素，这一点巳普 遍被人们所认识。
机械式测头
光学式测头
电气式测头
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探测系统—测头
触发测头(Trigger Probe)
测头的主要任务是探测零件并发出锁存信号，实时的锁存
被测表面坐标点的三维坐标值。 触发测头一般发出的为跳变的方波电信号，利用电信 号的前沿跳变作为锁存信号，由于前沿信号很陡，一 般在微秒级，因此保证了锁存坐标值的实时性。
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软件系统—探针校正
补偿测端球径与探针挠曲变形误差
测量的时候测量力会使探针有变形，尽管接触式探针的测量力不
是很大，但对于高精度的三坐标测量来说，测量力使得测杆挠曲 变形带来的误差是不容忽视的。理论和实践都表明，一根普通的
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探测系统—测头
触发测头的基本结构
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探测系统—测头
触发测头工作时的基本动作
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探测系统—测头
发测头工作时的电气原理
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探测系统—测头
表示测头每次在同一点触发 的性能
重复性 预行程 反向误差
触发测头的重要性能要素
从探针接触零件到测头发出触 发信号这段时间，反映在测头 处探针的变形量
由于改变了探测方向而产生 的误差
转动范围为0°~150°，共15个位
置。由于在绕水平轴转角为0°时， 绕垂直轴转动不改变测端的位置， 所以测端在空间一共有 48X14+1=673个位置。
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探测系统—回转体
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探测系统—测头
测头回转体 测头 附件
探测系统的主要组成部分
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探测系统—测头
测头
测量方法
结构原理
接触式测头非接触式测头
探测系统—探针与测端的选择
尽量选用短探针
尽量减少接头
选用的测球直径要尽量大
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探测系统—加长杆
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三坐标测量机四大系统
1
主机系统
2
3 4
探测系统
控制系统 软件系统
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坐标测量机—控制系统
控制系统是三坐标测量机的四大组成部分之一。
其主要功能是：读取空间坐标值，对测头信号
进行实时响应与处理，控制机械系统实现测量 所必需的运动，实时监测坐标测量机的状态以 保证整个系统的安全性与可靠性，有的还包括 对坐标测量机进行几何误差与温度误差补偿以
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探测系统—测头
扫描测头(Scanning Probe)
扫描测头具有三个相互垂直的距离传感器，可以感觉到与 零件接触的程度和矢量方向，这些数据作为测量机的控制 分量，控制测量机的运动轨迹。扫描测头在与零件表面接 触、运动过程中定时发出信号，采集光栅数据。由于取点 时没有测量机的机械往复运动，因此采点率大大提高。由 于探针的三维运动可以确定该点所在表面的法矢方向，因 此更适于曲面的测量。
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坐标测量机—主机系统
平衡部件
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三坐标测量机四大系统
1 2 3
主机系统 探测系统 控制系统
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软件系统
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坐标测量机—探测系统
三坐标测量机的探测系统是由回转体、测头及其附件组成 的系统，测头是测量机探测时发送信号的装置，它可以输 出开关信号，亦可以输出与探针偏转角度成正比的比例信 号，它是坐标测量机的关键部件，测头精度的高低很大程 度决定了测量机的测量重复性及精度；不同零件需要选择 不同功能的测头进行测量。
标尺系统
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坐标测量机—主机系统
光栅
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坐标测量机—主机系统
光栅分类
原理