第七章 三坐标测量机
三坐标测量机工作原理
三坐标测量机工作原理
三坐标测量机的工作原理是在机械上安装了一个测量头，以被测工件为基准，用测针和测头的移动来测量工件上每一点的实际尺寸。
当被测件在两个坐标轴上移动时，测量头在空间内不断地测量、记录，并计算出工件各点的尺寸。
三坐标测量机由主机、支承装置、机架、测头等组成，主机包括测头、计算机和显示器等。
主机通过支承装置把三坐标测量机固定在被测件上，并使其保持在水平位置上；计算机连接打印机或其他显示装置；支承装置是一种类似于圆柱形的设备，它由多个支承点组成。
当被测件在两个坐标轴上移动时，测头就不断地测量被测件表面的每一点，并记录到计算机中；计算机将这些数据处理后，按预先设定好的规则，生成所需的数据文件。
三坐标测量机的测量过程分为以下几个步骤：
第一步是固定测头。
三坐标测量机的测头是用来测量工件尺寸的。
为了使测头能在两个坐标轴上自由移动，就需要固定在被测件表面上。
—— 1 —1 —。
三坐标测量机讲义
三坐标测量机讲义一、什么是三坐标测量机如果只是想知道什么是三坐标而不是什么测量机的问题，应该学过一点解析几何吧。
在一张纸上画个直角坐标系，那么这张纸（事实上是这张纸所属的平面）上的任何一点都可以表示为（X＝？，Y＝？）这样的表达式。
如果你想象有一根直线通过原点垂直于这张纸，那就是第三坐标Z。
理论上来说我们所处的这个空间上的任何一点都可以表达为（X＝？，Y＝？，Z＝？）。
而且有规律可循的轨迹或者面也可以用相应的一个或几个表达式表现出來。
这就是立体解析几何。
简单地说，三坐标测量机就是在三个相互垂直的方向上有导向机构、测长元件、数显装置，有一个能够放置工件的工作台(大型和巨型不一定有)，测头可以以手动或机动方式轻快地移动到被测点上，由读数设备和数显装置把被测点的坐标值显示出来的一种测量设备。
显然这是最简单、最原始的测量机。
有了这种测量机后，在测量容积里任意一点的坐标值都可通过读数装置和数显装置显示出来。
测量机的采点发讯装置是测头，在沿X，Y，Z三个轴的方向装有光栅尺和读数头。
其测量过程就是当测头接触工件并发出采点信号时，由控制系统去采集当前机床三轴坐标相对于机床原点的坐标值，再由计算机系统对数据进行处理和输出。
因此测量机可以用来测量直接尺寸，也可以获得间接尺寸和形位公差及各种相关关系，也可以实现全面扫描和一定的数据处理功能，为加工提供数据和测量结果。
自动型还可以进行自动测量，实现批量零件的自动检测。
二、三坐标测量机的结构本实验三坐标测量机外形图见图1 PEAPL小型三坐标测量机图1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）；悬臂z、y 结构（如图2-a、图2-b所示）、桥式（框架）结构（如图2-c、图2-d所示）、龙门结构（如图2-e、图2-f所示）、卧式镗床结构（如图2-g、图2-h所示）。
图2三坐标测量机的测量头软测头（触发式）、硬测头，如图3所示。
三坐标测量机的原理及应用
三坐标测量机的原理及应用1. 三坐标测量机的基本原理1.1 三坐标测量机的定义和作用三坐标测量机是一种高精度测量设备，它能够通过测量工件表面上的各种点的坐标来了解工件的几何形状和尺寸。
它的主要作用是用来检测工件的几何形状和尺寸是否符合设计要求，以实现工件的质量控制。
1.2 三坐标测量机的工作原理三坐标测量机通过夹具固定工件，并由数控系统控制探头在三个坐标轴上移动，测量工件表面上各个点的坐标值。
具体的工作原理如下：1.夹具固定工件：首先，将需要测量的工件夹在测量机的工作台上，固定工件的位置。
2.移动探头：测量机的数控系统会根据设定的测量路径，控制探头在三个坐标轴上进行移动。
探头可以实现旋转、抬升、下降等运动。
3.测量点坐标：当探头接触到工件的表面时，测量机会采集探头的坐标值，并记录下来。
通过多次测量不同的点，可以得到工件的整体几何形状。
4.数据处理：测量的数据会被送入三坐标测量机的计算机系统中。
计算机系统会对数据进行处理和分析，生成测量报告和测量结果。
2. 三坐标测量机的应用三坐标测量机在制造业中有广泛应用，特别是在需要高精度测量的行业。
以下是三坐标测量机的一些主要应用领域：2.1 航空航天工业三坐标测量机被广泛应用于航空航天工业中。
在航空航天工业中，各种零部件和组件的尺寸和形状对于正常的工作至关重要。
三坐标测量机可以快速、精确地测量各种复杂曲面的形状和尺寸，保证了飞机和航天器的质量。
2.2 汽车制造业在汽车制造业中，三坐标测量机被广泛应用于汽车零部件的测量和质量控制。
利用三坐标测量机可以对发动机、车身、底盘等关键部件进行精确的测量，确保汽车的质量和性能符合设计要求。
2.3 机械制造业在机械制造业中，三坐标测量机被用于测量各种机械零部件的尺寸和形状。
机械制造业对于零部件的尺寸精度要求很高，使用三坐标测量机可以快速、准确地测量各种复杂形状的零部件。
2.4 其他领域除了上述应用领域外，三坐标测量机还被广泛应用于电子制造、仪器仪表、模具制造等行业。
三坐标测量机的结构组成
三坐标测量机的结构组成## 三坐标测量机的结构组成三坐标测量机是一种高精度测量设备，广泛应用于制造业和科学研究领域。
它能够实现对物体的尺寸、形状和位置的精确测量，是确保产品质量和优化生产流程的重要工具。
下面将介绍三坐标测量机的结构组成。
### 1. 底座三坐标测量机的底座是整个结构的支撑基础，通常由钢铁材料制成。
底座的重要性在于其稳定性和刚性要求较高，能够提供良好的机械支撑和抗振性能。
### 2. 主轴主轴是三坐标测量机中最为重要的部件之一，它负责支撑和移动测头。
主轴通常采用直线导轨和滚珠丝杆的方式实现，能够在三个坐标方向上实现高精度和稳定的运动。
### 3. 滑台滑台是三坐标测量机上的移动部件，通过主轴驱动进行前后、左右的移动。
滑台的设计和制造需要考虑到运动平稳、精度高、刚度好等要求，以保证测量的准确性。
### 4. 测头测头是三坐标测量机的核心部件，负责实际的测量工作。
根据不同的测量需求，可以选择不同类型的测头，如机械接触式测头、光学测头和激光测头等。
测头通常由传感器、测距装置和信号处理器等组成，能够实时捕获和处理测量数据。
### 5. 工作台工作台是放置待测物体的平台，通常由石英或大理石等材料制成，具有良好的稳定性和刚度。
工作台上的夹具和定位装置可以确保待测物体的稳定固定，以防止测量误差。
### 6. 控制系统控制系统是三坐标测量机的核心之一，负责控制和管理测量机的运动和测量过程。
控制系统通常由硬件电路和软件程序组成，能够准确控制测量机的运动和测量参数，并实时反馈和处理测量数据。
### 7. 计算机与软件计算机和软件是三坐标测量机的"大脑"，用于控制和管理整个系统的运行。
计算机通过软件程序与控制系统进行交互，接收和处理测量数据，并生成测量报告和分析结果。
### 8. 环境保护系统由于三坐标测量机对环境的要求比较高，为了保证测量的准确性，通常会配置环境保护系统，包括温湿度控制设备和防护罩等，以减少环境因素对测量结果的干扰。
三坐标测量机
三坐标测量机三坐标测量机（CMM）是一种以精密机械为基础，综合应用电子技术、计算机技术、光栅与激光干涉技术等先进技术的检测仪器。
三坐标测量机的主要功能是：1）可实现空间坐标点的测量，可方便的测量各种零件的三维轮廓尺寸、位置精度等。
测量精确可靠，万能性强。
2）由于计算机的引人，可方便的进行数字运算与程序控制，并具有很高的智能化程度。
因此它不仅可方便地进行空间三维尺寸的测量，还可实现主动测量和自动检测。
在模具制造工业中，充分显示了在测量方面的万能性、测量对象的多样性。
三坐标测量机广泛应用于机械制造、仪器制造、电子工业、航空和国防工业各部门，特别适用于测量箱体类零件的孔距和面距、模具、精密铸件、电子线路板、汽车外壳、发动机零件、凸轮以及飞机型体等带有空间曲面的工件。
三坐标测量机的作用不仅是由于它比传统的计量仪器增加了一二个坐标，使测量对象广泛，而且它的生命力还表现在它已经成为有些加工机床不可缺少的伴侣。
例如它能卓有成效地为数控机床制备数字穿孔带，而这种工作由于加工型面愈来愈复杂，用传统的方法是难以完成的，因此，它与数控“加工中心”相配合己具有“测量中心”之称号。
第一节三坐标测量机的类型三坐标测量机有多种分类方法，下面从不同的角度对其进行分类。
一、按照技术水平的高低分类（1）数显及打字型（N）——这种类型主要用于几何尺寸测量，采用数字显示，并可打印出测量结果，一般采用手动测量，但多数具有微动机构和机动装置，这类测量机的水平不高，虽然提高了测量效率，解决了数据打印问题，但记录下来的数据仍需进行人工运算。
例如测量孔距，测得的是孔上各点的坐标值，需计算处理才能得出结果。
（2）带有小型电子计算机进行数据处理型（NC）——这类测量机水平略高，目前应用较多。
测量仍为手动或机动，但用计算机处理测量数据，其原理框图如图7－1所示，该机由三部分组成：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、孔心距计算及自动补偿等工作。
三坐标测量机
三坐标测量机三坐标测量机，也称为CMM，是典型的现代化仪器设备，它由机械系统和电子系统两大部分组成。
涵盖了几乎所有的普通尺寸测量，数据处理，外形分析等现代测量任务。
三坐标测量机的测量过程是由测头通过三个坐标轴导轨在三个空间方向自由移动实现的，在测量范围内可到达任意一个测点。
三个轴的测量系统可以测出测点在X，Y，Z三个方向上的精确坐标位置。
根据被测几何型面上若干个测点的坐标值即可计算出待测的几何尺寸和形位误差。
另外，在测量工作台上，还可以配置绕Z 轴旋转的分度转台和绕X 轴旋转的带顶尖座的分度头，以方便螺纹、齿轮、凸轮等的测量。
1、三坐标测量机的工作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，经过数学处理方法求出其尺寸和形位误差。
如图所示，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O1；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。
2、三坐标测量机系统的硬件构成和功能三坐标测量机系统的硬件主要有三部分组成：⑴终端控制计算机和打印机：在三坐标测量机系统的硬件结构中，计算机是整个测量系统的管理者。
计算机实现与操作者对话、控制程序的执行和结果处理、与外设的通讯等功能。
三坐标测量机
最后打开报告显示器观察测量结果，需要时可以打印输出。
图4.68 圆度误差 0.01mm
系统启动
安装被测工件
启动MeasureMax+ 启动MeasureMax+ 测头校正
建立工件坐标系
进行测量 结果输出
退出MeasureMax+ 退出MeasureMax+
图4.58 .MeasureMax+ 测量软件
关闭系统
图4.57. 测量操作流程
启动MeasureMax+后得到图 后得到图4.59所示三坐标测量机 所示三坐标测量机 启动 后得到图 所示 控制中心（ 控制中心（CMM Control Center）主窗口，在这里可以 ）主窗口， 进行机器设置、系统设置、用户管理、 进行机器设置、系统设置、用户管理、运行已有的测量 程序，以及打开当前XYZ坐标值显示、测量图形显示、提 坐标值显示、 程序，以及打开当前 坐标值显示 测量图形显示、 示显示以及报告显示等操作。 示显示以及报告显示等操作。
图4.61 Measure Window
（2）建立工件坐标系 以测量图3.12中孔2 的圆度为例：
利用测量窗口 “Measure” 按钮中的平面测量
1. 利用测量窗口 “Measure” 按钮中的平面测量向导，测量工件的上表面（测 头至少与上表面接触3次）得到Plan1平面；同样用圆测量 到Circl1圆和Circl2圆； 向导，测量孔 1、 孔 2 得
测量窗口有许多功能操作按钮和图标显示，按下不同的功能 按钮，在窗口下方会显示该功能包含的内容，如图4.60 按下的是 “Measure” 按钮，下面显示的图标表示可以进行点、线、面、圆、 椭圆、圆柱扫描等测量。按下“Probe” 按钮可进行测头操作，按 下“Reference Frame” 按钮可进行工件坐标系设置操作，如图 4.61.所示，
三坐标测量机
三坐标测量机三坐标测量机是20世纪60年代后期发展起来的一种高效率的精密测量仪器。
它的出现，一方面是由于生产发展的需要。
即高效率加工机床的出现，产品质量要求进一步提高，复杂立体形状加工技术的发展等都要求有快速、可靠的测量设备与之配合；另一方面也由于电子技术、计算技术及精密加工技术的发展，为三坐标测量机的出现提供了技术基础。
三坐标测量机（CMM）是一种以精密机械为基础，综合应用电子技术、计算机技术、光栅与激光干涉技术等先进技术的检测仪器。
三坐标测量机的主要功能是：1）可实现空间坐标点的测量，可方便的测量各种零件的三维轮廓尺寸、位置精度等。
测量精确可靠，万能性强。
2）由于计算机的引人，可方便的进行数字运算与程序控制，并具有很高的智能化程度。
因此它不仅可方便地进行空间三维尺寸的测量，还可实现主动测量和自动检测。
在模具制造工业中，充分显示了在测量方面的万能性、测量对象的多样性。
三坐标测量机广泛应用于机械制造、仪器制造、电子工业、航空和国防工业各部门，特别适用于测量箱体类零件的孔距和面距、模具、精密铸件、电子线路板、汽车外壳、发动机零件、凸轮以及飞机型体等带有空间曲面的工件。
三坐标测量机的作用不仅是由于它比传统的计量仪器增加了一二个坐标，使测量对象广泛，而且它的生命力还表现在它已经成为有些加工机床不可缺少的伴侣。
例如它能卓有成效地为数控机床制备数字穿孔带，而这种工作由于加工型面愈来愈复杂，用传统的方法是难以完成的，因此，它与数控“加工中心”相配合己具有“测量中心”之称号。
第一节三坐标测量机的类型三坐标测量机有多种分类方法，下面从不同的角度对其进行分类。
一、按照技术水平的高低分类（1）数显及打字型（N）——这种类型主要用于几何尺寸测量，采用数字显示，并可打印出测量结果，一般采用手动测量，但多数具有微动机构和机动装置，这类测量机的水平不高，虽然提高了测量效率，解决了数据打印问题，但记录下来的数据仍需进行人工运算。
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第七章三坐标测量机
⇩基本原理与作用
⇩三坐标测量机的类型和组成⇩三坐标机测量过程与应用
一、数字测量的需求与应用现代制造发展的需求7.1 基本原理与作用
适用于测量箱体零件的孔距和面距、模具、精密铸件、电子线路板、汽车外壳、凸轮、飞机型体等带
世界上第一台三坐标测量机
（英国Ferranti 公司1956
）
二、三维数字测量机历史
三、几何量的数字化表示X 轴Y 轴
Z 轴
A 轴
B 轴
C 轴
点
(X,Y,Z,I,J,K)
α
γ
β
“0”
四、几何量数字测量的基本原理
运动轴系
探测系统
检测定义
计算分析
测量评价
三维数字测量的原理
通过探测传感器（测头）与测量空间轴线运动的配合，对被测几何元素进行离散的空间点坐标的获取，然后通过相应的数学计算定义，完成对所测得点（点群）的拟合计算，还原出被测的几何元素，并在此基础上进行其与理论值（名义值）之间的偏差计算与后续评估，从而完成对被测零件的检验工作。
坐标测量的特点
测量精度高
工作适应性强
测量结果一致性好
一次装夹完成尽可能
多的复杂测量
完成人工无法胜任的测
量工作
五、几何量数字测量的特点基于计算机的数字控制与测量基于软件功能的广泛适应性
基于精密机电技术的测量精度
六、几何量数字测量的功能
7.2 三坐标测量机的类型和组成
一、三坐标测量的类型
数显及打字型
带有小型电子计算机进
行数据处理
计算机数字控制
悬臂式桥式龙门式镗床式
龙门式桥式
悬臂式
双悬臂式
三、三坐标测量机的组成
基础平台
机架系统
运动支承
驱动系统
测量系统
测头系统
控制系统
软件系统
(1)坐标测量机基础平台
基础刚性
支承精度
热稳定性
零件安装
(2) 坐标测量机的机架
支架刚性
轻量化
热稳定性全对称三角形横梁结构
(3)气浮运动支承
支承刚性
摩擦力最小
精度保持性好气浮支承系统布局
运动支承导轨
(4) 测量系统
1、机械式测量系统
精密丝杠加微分鼓轮式
精密齿条及齿轮式
滚轮直尺式
2、电气式测量系统
感应同步器式
磁栅式
编码器
3、光学式测量系统
(4) 测量系统3、光学式测量系统
一般采用数字式连续位移系统
光学读数刻度尺式
光电显微镜和金属刻尺式
光栅测量系统
光学编码式
激光干涉式
(5) 测头系统
测量传感器
探针系统
探针标定
探测方法类型
表面数字化方法
激
计
测核
非接触式接触式
连续式
非光学式
光学式触发式
三角形法结
构
光
法
光
干
涉
法
算
机
视
觉
法
C
T
量
法
磁
共
振
测
量
法
层
析
法
超
声
波
法
测头探测方法
Tesastar 手动旋转Tesastar I
手动分度
Tesastar M
自动分度
点到点测头
T-Probe
轻便型测头
LSP X3
最大加长杆长度：
360 mm
LSP X5
最大加长杆长度：
500 mm
LSP S2/S4
最大加长杆长度：
600 -800 mm
高精度扫描测头
接触式测头系统
CMM-V CCD 照相
G-SCAN 线激光测头
G-Tube 非接触管件测
头
非接触传感器
T-Scan 便携式扫描头
CW 43L
最大测头加长长度：570 mm
连续伺服关节
非接触式与控制回转测头系统
1）触发式测头系统
RENISHAW电阻型触发式探头
测量精度高探针组合大角度固定
测量方便
探针组合有限制探针长度有限制存在步距角
RENISHAW 回转测头
3）回转式测头系统
RENISHAW 连续回转扫描测头
(6) 坐标测量机控制系统框架
7.3 三坐标机测量过程与应用
⇩测量坐标系的建立
⇩常规几何元素测点推荐
⇩被测零件的定位
⇩被测零件的装夹
⇩坐标测量机应用过程
⇩测量机使用中需注意的问题
⇩应用实例
1
2 3
确定尺寸投影平面(3点)
确定尺寸投影方向(2点)
定义尺寸计算起点(1点)
测量坐标建立方法
3
2
1一、测量坐标系的建立
二、常规几何元素测点推荐
三、被测零件的定位
传统测量方法数字测量方法
零件方位精确调整零件方位数字对准(测量坐标系)
基准源于测量工具基准源于测量工具和
数字模型
零件无需精确放置
四、被测零件的装夹
零件方位合理
零件装夹合理
零件装夹一致性
检测评价工况保障
五、坐标测量机应用过程
被测零件几何要求
要求分析与控制转换
测量工艺过程确定
测量名义数据准备探针组合
设计
辅助装夹
系统
具体测量
工艺
测量结果
输出格式坐标测量程序编制
测量程序调试
实际测量过程
测量数据处理
坐标测量机
测量评价方法
被测零件测量要求分析内容对被测零件进行测量要求的分析是三座标测量机应用中的一个最基本的环节，对被测零件测量要求的分析主要包括以下几个方面的内容：
1. 零件中所需测量的内容：包括数据采集的位置、被测几
何元素的内容等
2. 对测量数据处理的要求：包括尺寸的换算、被测几何元
素的相互关系计算、几何元素的尺寸与位置公差计算等3. 对测量结果输出的要求：包括测量结果输出的格式与内
容
坐标测量机应用步骤
4. 根据被测零件的实际形状以及测量要求，确定零件的装夹
方式，并设计相应的测量夹具
5. 根据被测零件的实际形状以及测量要求，确定测量座标系
的建立方式
6. 根据被测零件的实际形状以及测量要求，确定探针的组合
方式
7. 根据被测零件的实际形状以及测量要求，确定整个测量工
序、测量机运行的路径以及测量结果计算方法
8. 根据被测零件的实际形状以及测量要求，确定被测零件名
义值的输入情况，特别是在有复杂的曲面曲线形状的测量中，往往还需输入CAD模型，以此作为测量的名义值
六、测量机使用中需注意的问题
1.测量要求的明确，测量方法、数据处理方法的沟通与确认
2.零件测量工艺的制订及相关规范的建立
3.确认测量坐标系的建立方法，并验证所建坐标系的准确性
4.注意探针组合的标定误差
5.确认零件安装的稳定性，以及零件加工工艺的影响
6.确认具体采点方法与密度，特别是具体取点的方法及零件状况
7.逐步确认所测几何元素的精度状态（多次测量、直观数据）
8.注意使用重复测量验证测量结果的稳定性
9.注意测量结果计算的条件
10. 注意结果输出的方式方法（信息集成与管理）
七、应用实例
1.精密箱体类零件
基准状况良好
精度要求高
测杆长
测量方位多
形位公差计算
环境要求高
1.精密箱体类零件
2.注塑类零件
需专用夹具保持工况
被测元素状况差
多测曲面曲线
零件方位一致性差
可用间接测量
测力需要控制
3.金属压铸类零件
需专用夹具保持工况
被测元素状况差
多测表面空间点
零件方位一致性差
常需迭代方法建坐标
零件易变形。