1课题的背景和意义扫描式三维形貌检测系统即为三坐标测量机，是经过40多年发展起来的一种高效率的新型精密测量仪器，有着非常广泛的用途。

20世纪60年代以来，工业生产有了很大的发展，特别是机床、机械、汽车、航空航天和电子工业兴起后，各种复杂零件的研制和生产需要先进的检测技术与仪器，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。

作为近40年发展起来的一种高效率的新型精密测量仪器，三坐标测量机已广泛地用于机械制造、电子、汽车和航空航天等工业中。

它可以进行零件和部件的尺寸、形状及相互位置的检测，例如箱体、导轨、涡轮和叶片、缸体、凸轮、齿轮、形体等空间型面的测量。

此外，还可用于划线、定中心孔、光刻集成线路等，并可对连续曲面进行扫描及制备数控机床的加工程序等。

由于它的通用性强、测量范围大、精度高、效率高、性能好、能与柔性制造系统相连接，已成为一类大型精密仪器，故有“测量中心”之称。

三坐标测量机主要由四大部分组成：主机机械系统（X、Y、Z三轴或其它）、测头系统、电气控制硬件系统、数据处理软件系统（测量软件）。

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而对三维测量技术有重要作用: （1）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1μm以内，三维空间精度可达1μm一2μm。

对于车间检测用的三坐标测量机，每米测量精度单轴也可达3μm一4μm；（3）由于三坐标测量机可与数控机床和加工中心配套组成生产加工线或柔性制造系统，从而促进了自动化生产线的发展；（4）随着三坐标测量机的精度不断提高，自动化程度不断发展，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。

2本课题相关技术的国内外发展概况2.1三坐标测量机的发展历程三坐标测量机是集机械、光学、控制技术、计算机技术为一体的大型的精密测量仪器，由于它的通用性强，测量范围大、精度高、效率高、性能好，因此自1959年世界上第一台三坐标测量机在英国制造出来，仅几十多年的历史，它就取得了飞速的发展，至今己经历了以下三个发展阶段:(1)手动数显打印型:这种类型坐标测量机主要用于几何尺寸测量，采用数字显示，可打印测量结果，一般采用手动测量。

带有电传打印系统的坐标测量机虽然解决了数据打印问题，但记录下来的数据仍需要人工进行运算。

例如在测量机上测量孔距，实际上测得的是孔上各点的x与 Y坐标，需要进行计算处理才能得出结果，人工计算工作量很大，所以这类测量机目前已被淘汰。

（2）手动型：带有小型电子计算机的测量机的数据系统由三部分组成：即数据输入部分、数据处理部分与数据输出部分。

有了电子计算机可进行诸如工件安装倾斜的自动校正计算、坐标变换、孔心距计算、偏差值计算等工作。

并且可以预先储备一定量的数据，通过计量软件存储所需测量件的数学模型，对曲线表面轮廓进行扫描测量。

此类型的三坐标测量机采用手动或机动皆可。

（3）计算机数字控制型（CNC）：带有小型电子计算机数据处理的测量机虽解决了数据处理问题，但测量过程仍然是手动或机动的，对一些大型零件（如汽车外壳、叶片或航空工业与空间技术中的一些具有曲线表面的零件）和一些精度要求较高或对测力有一定要求的零件（如非金属材料或薄壁零件等）的测量，手工操作既费力，又不能保证检验精度，因此发展出计算机数字控制坐标测量机。

这种测量机可按照编制好的程序自动进行测量。

计算机将贮存在磁盘中的程序读入，经信息处理，通过数控伺服机构控制测量机按程序自动测量，并将测量的结果输入计算机，按测量要求进行数据处理并自动打印数据或磁盘等形式输出。

2.2三坐标测量机未来的发展趋势先进制造技术、各种工程项目与科学实验的需要也对三坐标测量机不断提出新的、更高的要求。

从目前国内外三坐标测量机发展情况和科技、生产对三坐标测量机提出的要求看，在今后一段时期内，它的主要发展趋势可以概括为以下几方面。

（1）普及高速测量：质量与效率一直是衡量各种机器性能、生产过程优劣的两项主要指标。

传统的概念是为了保证测量精度，测量速度不宜过高。

随着生产节奏不断加快，用户在要求测量机保证测量精度的同时，会对CMM的测量速度（Measuring Speed）提出越来越高的要求。

（2）新材料和新技术的应用：为确保可靠高速的测量功能，国外十分重视研究机体原材料的选用，最近在传统的铸铁、铸钢基础上，增加了合金、石材、陶瓷等新材料。

Zeiss、 Sheffield、 LeiLz.、FerranLi（英国）、DEA等世界上的主要三坐标测量机制造厂商，大都采用了重量轻、刚性好、导热性强的合金材料，来制造测量机上的运动机构部件。

铝合金、陶瓷材料以及各种合成材料在三坐标测量机中得到了越来越广泛的应用。

（3）控制系统的改进：在现代制造系统中，测量的目的越来越不能仅仅局限于成品验收检验，而是向整个制造系统提供有关制造过程的信息，为控制提供依据。

从这一要求出发，必须要求测量机具有开放式控制系统，具有更大的柔性。

为此，要尽可能利用发展迅速的新的电子工业技术，尤其是计算机，设计新的高性价比系统。

（4）测量机测头的发展：三坐标测量机除了机械本体外，测头是测量机达到高精度的关键，也是坐标测量机的核心。

与其他各项技术指标相比，提高测头的性能指标难度最大。

解决理想测头的途径必然带动“固体传感器”技术的发展，并且探测方式应由被动感知改为主动探测，此外，测量机测头的另一个重要趋势是，非接触测头将得到广泛的应用。

（5）软件技术的革新：测量机的功能主要由软件决定。

三坐标测量机的操作、使用的方便性，也首先取决于软件，测量机每一项新技术的发展，都必须有相应配套的软件技术跟上。

可以说测量机软件是三坐标测量机中发展最为迅速的一项技术。

软件的发展将使三坐标测量机向智能化的方向发展，它至少将包括能进行自动编程、按测量任务对测量机进行优化、故障自动诊断等方面的内容。

2.3 扫描式三维形貌检测系统Z方向驱动设计此次设计的主要内容是基于光电原理的三维形貌检测系统的驱动设计，包括三大部分：机械系统设计、检测系统设计和控制系统设计。

其中驱动系统的机械系统设计部分是主要的内容，它包括了驱动系统总体设计、机械传动设计、机械支承设计、执行部件设计，由于驱动系统的Z轴方向为竖直立式结构，所以还包括了制动系统设计；驱动系统的检测系统设计部分主要涉及到了基于光电原理的测头检测系统设计、控制Z轴方向测头位置的位移检测系统设计以及限制行程起保护作用的接近开关检测系统设计；而驱动系统的控制系统设计主要是利用PLC作为控制器，通过闭环反馈实现对驱动系统的精确控制。

通过上述三部分所组成的驱动系统，实现了扫描式三维形貌检测系统在Z轴方向的高精度驱动此次设计的要求及主要的技术参数有：A.行程范围：0-500mm；B.定位精度：±0.005mm；C.驱动方式：伺服或步进驱动；D.控制方式：PLC或计算机控制；E.系统性能可靠，结构简单，维修、维护方便。

2.3.1 机械系统设计驱动系统的机械系统设计部分是主要的内容，它包括了驱动系统总体设计、机械传动设计、机械支承设计、执行部件设计以及制动系统设计。

其中总体设计关系到驱动系统的结构布局，对后面零部件的设计选型有着决定性的影响，而最能影响总体设计方案选择的无疑就是驱动系统的传动方案选择，通过不同的传动方式功能特点和应用特性的比较，考虑到螺旋传动中的滚珠丝杠副传动有着传动效率高、定位精度高、刚度好、运动平稳、使用寿命长等众多优点，所以驱动系统采用了滚珠丝杠副进行传动，通过由计算所得出的丝杠必需的额定动载荷用CQ368T4滚珠丝杠，再通过对丝杠的接触刚度和拉压扭转刚度、丝杠稳定性以及丝杠寿命的计算校核，表明所采用的滚珠丝杠合格通过，可以选用；而介于丝杠和执行部件之间起传递转矩并有过载保持作用的联接零件，根据实际需要采用了联轴器，又因凸缘联轴器与其他类型的联轴器相比有着结构简单、工作可靠、装拆方便、刚性好、传递转矩大等优点，所以采用了GB5843-86凸缘联轴器YLD3，再通过传递转矩和转速的校核确定了这类联轴器可以安全有效使用。

机械支承设计主要包括轴承的选型、导轨的选型和机构支架的设计，考虑到较之滑动轴承，滚动轴承有着摩擦阻力小、启动及运转力矩小、启动灵敏、功率损耗小且轴承单位宽度承载能力较大、润滑安装及维修方便等优点，所以丝杠两端采用了滚动轴承承载，又因为轴承在既要承受径向载荷又要承受轴向载荷，且轴向载荷较大，所以采用了两单列角接触轴承面对面安装的组合轴承，最后通过滚动轴承的寿命计算校核通过了此类轴承的选择；由于滑动导轨结构简单、制造方便、接触刚度好、抗振性高、工艺性好，所以驱动系统采用了成本较低且安装方便的光轴直线滑动导轨；而机构支架设计主要是根据支架必须满足工作要求、有足够的承载能力、工艺性好和实际的形状结构需要进行设计，符合实用、经济、美观三项基本原则。

执行部件设计先通过不同类型执行部件的优缺点比较，决定使用以电能作为动力的电动执行部件，即电动机，又通过步进电机和交流伺服电机在控制精度、速度响应性能、运行性能、过载能力、矩频特性、低频特性六个方面的比较，决定使用总体性能更优越的交流伺服电机进行驱动。

由于驱动系统的Z轴方向为竖直立式结构，所以驱动系统还包括了制动系统设计，在这里选择了利用制动器进行制动的设计方案，由于锥盘式摩擦制动器制动盘轴不受弯曲、构造紧凑、磨损比较均匀、制动转矩大小与旋转方向无关、摩擦面散热条件较好等优点符合驱动系统的需要，所以选择了操作方便反应快捷的电磁锥盘式制动器进行制动，防止由于滚珠丝杠副不能自锁而产生的电机停止时丝杠副逆转现象，起到了制动保护的作用。

图2.1 驱动系统总体结构1.电磁制动器2.滚动轴承3.导轨副4.滚珠丝杠5.丝母6.接近开关7.光栅尺8.联轴器9.电机2.3.2 检测系统设计驱动系统的检测系统设计部分主要涉及到了基于光电原理的测头检测系统设计、控制Z 轴方向测头位置的位移检测系统设计以及限制行程起保护作用的接近开关检测系统设计三个部分。

其中基于光电原理的测头检测系统设计是对被测物进行三维形貌检测的直接检测系统，其核心元件为光电传感器，具有精度高、反应快、非接触、可测参数多、传感器的结构简单、形式灵活多样等优点。

控制Z 轴方向测头位置的位移检测系统设计根据精度指标、效率指标和电气接口形式选择采用封闭式光栅尺HQ-200，其性能指标达到了驱动系统Z 轴方向测头位移测量定位的实际需要。