三坐标测量机原理及应用摘要三坐标测量机是近40年发展起来的一种高效率的新型精密测量仪器。

它广泛地应用于机械制造、电子、汽车和航空航天等工业领域中。

它可以进行零件和部件的尺寸、形状及相互位置的检测。

如箱体、导轨、涡轮和叶片、缸体、凸轮、形体等空间型面的测量。

此外，还可以用于划线、定中心孔、光刻集成电路等，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。

三坐标测量机在模具行业中的应用相当广泛，它是一种设计开发、检测、统计分析的现代化的智能工具，更是模具产品无与伦比的质量技术保障的有效工具。

当今主要使用的三坐标测量机有桥式测量机、龙门式测量机、水平臂式测量机和便携式测量机。

测量方式大致可分为接触式与非接触式两种。

关键词三坐标测量机传感器三维光栅尺目录第一章三坐标测量机简介第一节三坐标测量机的意义 (3)第二节三坐标测量机的研究现状 (4)第二章三坐标测量机的组成与结构第一节三坐标测量机的组成 (5)第二节三坐标测量机的结构。

(6)第三章三坐标测量机的分类及测量方法第一节三坐标测量机的分类 (8)第二节三坐标测量机的测量方法 (9)第四章三坐标测量机的应用及发展第一节三坐标测量机的应用 (10)第二节三坐标测量机的发展 (13)结束语 (15)参考文献 (16)第一章三坐标测量机简介三坐标测量机指在一个六面体的空间范围内，能够表现几何形状、长度及圆周分度等测量能力的仪器，又称为三坐标测量仪或三次元。

三坐标测量机作为现代大型精密测量仪器已有40多年的历史，20世纪60年代以来，随着机床、机械，汽车、航空航天和电子工业的兴起，各种复杂零件的研制急需先进的检测仪器对其检测；同时，随着产品更新节奏的加快，对产品检测速度的要求也越来越高，三坐标测量机正是集合了这两个优点，得以在测量领域得到广泛的应用。

随着计算机技术和计量软件技术的引入，三坐标测量机的应用领域愈加宽广，己经越来越显示出它的重要性和广阔的发展前景。

第一节三坐标测量机的意义三坐标测量机出现以前，空间三维尺寸的测量多采用高度尺和量规等通用量具进行测量；或者采用专用的量规、心轴、验棒等测量工具测量孔轴及其相互位置和精度，这些测量方法劳动强度大，效率低，精度上也不易保证。

20世纪60年代以来，随着工业生产的发展，特别是机床、机械、汽车、航空航天和电子工业的兴起，研制的各种复杂零件急需先进的检测技术和仪器对其进行检测，因而体现三维测量的三坐标测量机应运而生，并得以迅速发展和广泛应用。

三维测量正是基于以下客观需求而发展起来的[1]。

1)越来越多的工件需要进行空间的测量，传统的测量方法不能满足生产需要。

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，加工零件的时间越来越短，要求加快对复杂工件的检测。

3)随着生产规模的扩大，加工精度不断提高，测量除了需要在计量室进行外，还需要在加工车间中进行，或将测量机直接串接到生产线；检测的零件数量大，需要各种精度的测量机，以满足生产的需要。

4)反向工程的需要，随着模具生产的发展，往往按制好的工件模型去仿制模具，故需要三维扫描测量工件的轮廓曲线和数据。

根据这些数据编制加工的程序。

综上所述，三坐标测量机的出现是计量仪器从古典的手动方式向现代化的自动测试技术过渡的里程碑，三坐标测量机对三维测量起着重要的作用。

第二节三坐标测量机的研究现状世界上第一台测量机是在1959年由英国制造的。

现在，国内外的应用已相当普遍。

根据国际专业咨询公司统计，三坐标测量机的销售增长率在7%~25%。

目前，国内外三坐标测量机正迅速发展，世界上生产测量机的厂商已超过50家，品种规格也已达300种以上。

（1）国外概况国外三坐标测量机生产厂家较多，系列品种很多，大多数都有划线功能。

著名的国外生产厂家有德国的蔡司（Zeiss）和莱茨（Leitz）、意大利的DEA、美国的布朗-夏普（Brown&Sharpe）、日本的三丰（Mitutoyo）等公司。

总的来说，国外机器有以下特点：1.绝大多数机器总体布局为悬臂式，空间敞开性好，便于安装大的零件或整车；2.采用AutoCAD和有限元法进行优化设计，结构较合理，造型优美；3.专项开发力量强，专用软件和附件较多，能满足更多用户的特殊需要；4.移动构件多数用合金铝材，移动件质量尽可能小，做到高刚性、低惯性；5.配有21项误差补偿软件，可以廉价地提高机器精度；6.配有32位DSP连续轨迹控制系统，它是一种性能优于CPU的数据信号处理器，是超大规模集成电路。

它除了有较高的运算和控制功能外，还有内部存储的许多可供开发的高级语言程序；7.绝大多数机器采用Renishaw公司（英国）的电测头，功能齐全，质量可靠；8.配有功能齐全的控制测量软件、专用和误差修正软件；9.机器的性能高度稳定可靠，使用寿命长；10.三坐标测量机与计算机工作站和数控机床联网；11.三坐标测量及技术近十多年来突飞猛进发展，特别是数控系统和测量软件每二三年便更新一代；12.系列品种齐全，“三化”（即标准化、通用化、系列化）程度高。

（2）国内概况我国自20世纪70年代开始引进、研制三坐标测量机以来，也有了很大发展。

国内引进较多的是Zeiss、Brown&Sharpe、Leitz、EDA等公司的产品。

而国内的生产单位也已经有了很大的发展，主要的生产厂家中有中国航空精密机械研究所、青岛前哨英柯发测量设备有限公司、上海机床厂、北京机床研究所、哈尔滨量具刃具厂、昆明机床厂和新天光仪器厂等。

现在，我国具有年产几百台各种型号三坐标测量机的能力。

国内三坐标测量及近十年来发展也较快，但同国外相比还有一定差距，主要有以下几方面：系列品种较少，“三化”程度低；新产品开发周期长，主要原因是原件和材料配套难；机加工周期长等；产品的稳定性较差，特别是电控系统，可靠性较差，故障率较高，寿命相对低，此外软件功能相对少些，特别是专用软件更少，与计算机工作站和数控机床联网问题，仅有极少数测量机刚刚起步，多数机器还没开始这项工作，有待进一步开发研究。

第二章三坐标测量机的组成与结构第一节三坐标测量机的组成三坐标测量机的主要组成：1，主机机械系统（X、Y、Z三轴或其它）；2，测头系统；3，电气控制硬件系统；4，数据处理软件系统（测量软件）；1—工作台 2—移动桥架 3—中央滑架 4—Z 轴 5—测头 6—电子系统 7—辅助气源一主机结构分为：1、框架，是指测量机的主体机械结构架子。

它是工作台、立柱、桥框、壳体等机械结构的集合体；2、标尺系统，是测量机的重要组成部分，是决定仪器精度的一个重要环节。

三坐标测量机所用的标尺有线纹尺、精密丝杆、感应同步器、光栅尺、磁尺及光波波长等。

该系统还应包括数显电气装置。

3、导轨，是测量机实现三维运动的重要部件。

测量机多采用滑动导轨、滚动轴承导轨和气浮导轨，而以气浮静压导轨为主要形式。

气浮导轨由导轨体和气垫组成，有的导轨体和工作台合二为一。

气浮导轨还应包括气源、稳压器、过滤器、气管、分流器等一套气体装置。

4、驱动装置，是测量机的重要运动机构，可实现机动和程序控制伺服运动的功能。

在测量机上一般采用的驱动装置有丝杆丝母、滚动轮、钢丝、齿形带、齿轮齿条、光轴滚动轮等传动，并配以伺服马达驱动。

直线马达驱动正在增多。

5、平衡部件，主要用于Z轴框架结构中。

它的功能是平衡Z轴的重量，以使Z 轴上下运动时无偏得干扰，使检测时Z向测力稳定。

如更换Z轴上所装的测头时，应重新调节平衡力的大小，以达到新的平衡。

Z轴平衡装置有重锤、发条或弹簧、气缸活塞杆等类型。

6、转台与附件，转台是测量机的重要元件，它使测量机增加一个转动运动的自由度，便于某些种类零件的测量。

转台包括分度台、单轴回转台、万能转台（二轴或三轴）和数控转台等。

用于坐标测量机的附件很多，视需要而定。

一般指基准平尺、角尺、步距规、标准球体（或立方体）、测微仪及用于自检的精度检测样板等。

二三维测头即是三维测量的传感器，它可在三个方向上感受瞄准信号和微小位移，以实现瞄准与测微两种功能。

测量的测头主要有硬测头、电气测头、光学测头等，此外还有测头回转体等附件。

测头有接触式和非接触式之分。

按输出的信号分，有用于发信号的触发式测头和用于扫描的瞄准式测头、测微式测头。

三电气系统分为：1、电气控制系统是测量机的电气控制部分。

它具有单轴与多轴联动控制、外围设备控制、通信控制和保护与逻辑控制等。

2、计算机硬件部分，三坐标测量机可以采用各种计算机，一般有PC机和工作站等。

3、测量机软件，包括控制软件与数据处理软件。

这些软件可进行坐标交换与测头校正，生成探测模式与测量路径，可用于基本几何元素及其相互关系的测量，形状与位置误差测量，齿轮，螺纹与凸轮的测量，曲线与曲面的测量等。

具有统计分析、误差补偿和网络通信等功能。

4、打印与绘图装置，此装置可根据测量要求，打印出数据、表格，亦可绘制图形，为测量结果的输出设备。

第二节三坐标测量机的结构三坐标测量机的结构材料对其测量精度、性能有很大影响，随着各种新型材料的研究、开发和应用，三坐标测量机的结构材料也越来越多，性能也越来越好。

常见的结构材料主要有以下几种：1 铸铁铸铁是应用较为普遍的一种材料，主要用于底座、滑动与滚动导轨、立柱、支架、床身等。

它的优点是：变形小、耐磨性好、易于加工、成本较低、线膨胀系数与多数被测件（钢件）接近，是早期三坐标测量机广泛使用的材料。

至今在有些测量机上仍主要用铸铁材料。

但铸铁也有缺点：易受腐蚀，耐磨性低于花岗石，强度不高。

目前铸铁主要用在划线机等测量机上。

现在越来越多地为其它材料（如钢板焊件、花岗石）代替。

2钢钢主要用于外壳、支架等结构，有的测量机底座也采用钢。

一般采用低碳钢，而且必须要进行热处理。

钢的优点是刚性和强度好。

它的缺点是容易变形，这是因为钢在加工之后，内部的残余应力释放导致变形。

钢材料的又一优点是可用焊接件。

在80年代初期焊接件成功地应用于测量机及机器人。

与铸铁件相比较，焊接件有以下优点：（1）焊接构件经过充分地人工时效后可获得较高的稳定性。

（2）能获得较高刚度，设计的灵活性比铸件要好，钢构件比铸铁轻（3）、焊接件的尺寸可以得到很好的控制。

成批生产条件下，靠夹具保证焊接件的尺寸；在单件或小批量生产时则靠工人的技术掌握3 花岗岩花岗石比钢轻，比铝重，是目前应用较为普遍的一种材料。

花岗岩的主要优点是变形小、稳定性好、不生锈，易于作平面加工，易于达到比铸铁更高的平面度，适合制作高精度的平台与导轨。

花岗石也存在不少缺点，主要是：虽然可以用粘贴的方法制成空心结构，但较麻烦；实心结构质量大，不易加工，特别是螺钉孔和光孔难以加工，不能将磁力表架吸附到其上，造价高于铸铁；花岗石材质较脆，粗加工时容易崩边；遇水会产生微量变形。