三坐標(biāo)測量機的基本工作原理與精密檢測中的應(yīng)用

三 坐 標(biāo) 測 量 機 （ Coordinate Measuring Machining，簡稱 CMM）是近50年發(fā)展起來的一種高效率的新型精密測量儀器。它的出現(xiàn)，一方面是由于自動機床、數(shù)控機床高效率加工以及越來越多復(fù)雜形狀零件加工需要有快速可靠的測量設(shè)備與之配套；另一方面是由于電子技術(shù)、計算機技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)以及精密加工技術(shù)的發(fā)展為三坐標(biāo)測量機的產(chǎn)生提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

現(xiàn)代 CMM 不僅能在計算機控制下完成各種復(fù)雜測量，而且還可以通過與數(shù)控機床交換信息，實現(xiàn)對加工的控制，并且還能夠根據(jù)測量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)逆向工程。目前，CMM 已廣泛用于機械制造業(yè)、汽車工業(yè)、電子工業(yè)、航空航天工業(yè)和國防工業(yè)等各部門，成為現(xiàn)代工業(yè)檢測和質(zhì)量控制不可缺少的萬能測量設(shè)備。

由于它通用性強，測量范圍大，精度高，效率高，性能好，能與柔性制造系統(tǒng)相連接，已成為一類大型精密儀器，故有"測量中心”之稱。

在高精度測量領(lǐng)域，著名的廠商德國卡爾?蔡司(Carl Zeiss)公司的CONTURA G2 產(chǎn)品（如圖所示）以其在硬件和軟件配置上具有的優(yōu)勢，使得連續(xù)掃描測量和逆向工程測量完全滿足精密測量的要求。

德國ZEISS蔡司CONTURA系列三坐標(biāo)測量機

三坐標(biāo)測量機的基本工作原理

幾何量測量是以點的坐標(biāo)位置為基礎(chǔ)的，它分為一維、二維和三維測量。三坐標(biāo)測量機的基本原理是將被測零件放入它容許的測量空間，精密地測出被測零件在 X、Y、Z 三個坐標(biāo)位置的數(shù)值，根據(jù)這些點的數(shù)值經(jīng)過計算機數(shù)據(jù)處理，擬合形成測量元素，如圓、球、圓柱、圓錐、曲面等，經(jīng)過數(shù)學(xué)計算得出形狀、位置公差及其他幾何量數(shù)據(jù)。

CONTURA G2 RDS三坐標(biāo)測量機的組成和特性

1）測頭系統(tǒng)：

測頭系統(tǒng)包括探頭、吸盤、探針、讀數(shù)頭、光柵尺。

2）硬件控制系統(tǒng)：

C99 控制柜，具備計算機輔助誤差修正功能，可對 CMM 和傳感器做實時的動態(tài)修正，確保得到精確的結(jié)果。

電氣驅(qū)動系統(tǒng)，包括電機、摩擦滾、鋼帶、皮帶、氣墊（氣浮軸承）、氣管、過濾器、氣壓表、調(diào)壓閥。

3) 其它機械部件

包括花崗巖臺面、三軸導(dǎo)軌、減震墊、支撐基架、Z 軸平衡氣缸、電磁閥等。

數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)（CALYPSO 測量軟件），利用該軟件，可把 CAD 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成測量程序，從而獲得準(zhǔn)確無誤的檢測方案。

三坐標(biāo)測量機在精密檢測中的應(yīng)用

目前利用 CONTURA G2 RDS 三坐標(biāo)測量機，對下圖所示工件的開有多條狹縫的表面進(jìn)行了平面度的幾何測量。

測量程序的編制利用了Calypso測量軟件強大的開放式脫機編程功能，這種編程方法的好處一是只要將設(shè)計人員設(shè)計的CAD圖紙文件直接輸入到測量軟件中，就可以進(jìn)行編程。不必等工件加工完成后才可以進(jìn)行程序測量，可大大提高工作效率。第二是在程序編制完成之后，可以在CAD環(huán)境中直接調(diào)用程序進(jìn)行模擬測量，對程序進(jìn)行驗證，找出運行過程中出現(xiàn)的錯誤測量路徑和采點，同時對程序進(jìn)行修正，將實際測量中可能出現(xiàn)的問題降到最低，最大程度的保證了測量過程中的安全性。

脫機編程時測量軟件應(yīng)設(shè)置為脫機工作模式。首先將預(yù)先在CAD環(huán)境下建立的模型直接導(dǎo)入測量軟件中（如下圖）。該測量軟件采用了圖形化可視界面，簡明易用，包含了基本的CAD功能，如放大、縮小、平移、旋轉(zhuǎn)、著色（陰影）等功能，軟件的直接的CAD接口，適用于所有重要的CAD格式，不會導(dǎo)致公差問題及精度的損失。

第二步建立工件坐標(biāo)系開始測量。坐標(biāo)系的建立采用常用的面線點（3-2-1）方式，然后選擇平面(Plane)測量元素，雙擊該平面元素，對其中測量策略進(jìn)行設(shè)置。由于待測平面比較特殊，上面并列有多條狹縫，而正因為如此才致使平面度超差存在可能性。為了得到全面精確可信的測量結(jié)果，根據(jù)廣度均分的原則將測量路徑選擇為多義線（Polyline），這樣使采集到的點盡可能的覆蓋到整個平面上。使用鼠標(biāo)在工件模型上點擊所要采點的位置，此時工件模型上會顯示所采點的位置及其矢量方向。根據(jù)所測量的幾何要素的需要，可進(jìn)行多次采點。當(dāng)采夠所需要的點數(shù)后再在采點窗口中點確定，系統(tǒng)將會驅(qū)動虛擬測頭進(jìn)行采點，并擬合出要測的幾何元素及其圖形。多義線測量界面如下圖所示。

下一步應(yīng)對測量路徑多義線再進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)置，其中包括分別根據(jù)實際情況對探針?biāo)俣纫约安杉狞c的個數(shù)的設(shè)定，接著應(yīng)修改平面元素的評價方法，設(shè)置為最小二乘法并選擇去除粗大誤差，確定即可。

元素測量完成后，應(yīng)對測量幾何平面度進(jìn)行評價。在菜單中選擇形狀和位置公差中的平面度，然后雙擊該平面度圖標(biāo)，選擇測量完的平面元素，輸入設(shè)計公差數(shù)值確定完成。平面度評價界面如上圖所示。

在測量程序自動運行之前，為了防止在實際測量中發(fā)生探針與待測工件意外碰撞應(yīng)設(shè)置安全平面，如下圖所示。

最后將編制完成的測量程序保存，通過聯(lián)機實際測量，得到如下圖的平面度測量的結(jié)果報告。從報告中可以直觀的得到相關(guān)的測量元素和坐標(biāo)數(shù)值及所有測量數(shù)據(jù)。用戶可根據(jù)需要給出實際尺寸、公差值、與理論值的偏差、超差情況等詳細(xì)的信息，對報告頭自己定義，保存后可隨時調(diào)看。

通過利用三坐標(biāo)測量機在對工件的測量應(yīng)用中，高效率采集到了大量精確、詳細(xì)的測量數(shù)據(jù)，完成了以前用其它測量工件平面度量具（如刀口尺等）無法實現(xiàn)的功能，三坐標(biāo)測量機具備了高精度高柔性以及優(yōu)異的數(shù)字化能力。在高質(zhì)量產(chǎn)品的制造中使用精密的三坐標(biāo)測量機可減少測量誤差，保證產(chǎn)品的精度和質(zhì)量，滿足設(shè)計與制造的需要， 加深理解并更好地掌握其工作原理和性能對完成并拓展裝備研制中精密零部件的質(zhì)量檢驗必將發(fā)揮重大的作用。

國際三坐標(biāo)測量機生產(chǎn)商

?？怂箍等鴺?biāo)：

海克斯康三坐標(biāo)是?？怂箍导瘓F旗下的一個子產(chǎn)業(yè)，擁有100多個分支機構(gòu)。青島前哨國有制改革期間，將其三坐標(biāo)產(chǎn)業(yè)出售給海克斯康，也就是現(xiàn)在的青島?？怂箍瞪a(chǎn)基地。?？怂箍等鴺?biāo)旗下還有DEA、Brown & Sharpe、Leitz、Romer、Cimcore、Sheffield、Starret、CEJ、Leica等品牌，涵蓋了高中低端產(chǎn)品市場，在中國市場占有率最高。

德國蔡司ZEISS、溫澤Wenzel、東京精密、日本三豐：

均在中國設(shè)立生產(chǎn)基地，主要位于上海、蘇州等地。主要生產(chǎn)中小尺寸的自動化三坐標(biāo)和手動式三坐標(biāo)。在中國市場占有一定的份額。其他三坐標(biāo)品牌：

意大利COORD3，德國MORA（已被AEH并購）、英國LK等，基本以代理商為主，在本國享有較高知名度，國內(nèi)市場份額較少。

國內(nèi)三坐標(biāo)生產(chǎn)商

***智泰

成立于1996年的***企業(yè)，在國內(nèi)有深圳、昆山兩個生產(chǎn)基地。產(chǎn)品系列較多，包括分析儀器、三坐標(biāo)儀、影像儀等系列。

西安愛德華

德國AEH測量在華投資企業(yè)，該公司是90年代中期成立的三坐標(biāo)測量機專業(yè)生產(chǎn)廠家，主要生產(chǎn)中小尺寸的生產(chǎn)型測量機（其中包括CNC全自動類型和手動類型），其三坐標(biāo)測量機屬于中低價位系列。

青島弗爾迪

青島前哨國有制改革期間，一部分資深三坐標(biāo)測量專家自主創(chuàng)業(yè)的企業(yè)，擁有十年左右的生產(chǎn)經(jīng)驗，主要生產(chǎn)中小尺寸的CNC自動式和手動式測量機，擁有三坐標(biāo)研發(fā)生產(chǎn)專利，青島地區(qū)三坐標(biāo)培訓(xùn)基地、三坐標(biāo)檢測基地。

北京303所

國有研究所性質(zhì)，國內(nèi)最早研究三坐標(biāo)測量機的單位之一。主要產(chǎn)品為航空類、測量機、數(shù)控機床等。

其他代理商

三坐標(biāo)測量行業(yè)算是儀器儀表行業(yè)的新興行業(yè)，經(jīng)過這幾年的發(fā)展，國內(nèi)代理三坐標(biāo)測量儀的貿(mào)易類公司越來越多，其中企業(yè)資質(zhì)良莠不齊，主要是代理中低端市場產(chǎn)品。

行業(yè)總體局勢

1、國際品牌依靠其品牌優(yōu)勢、技術(shù)優(yōu)勢占據(jù)高端市場?？蛻羧后w多是汽車行業(yè)，研究機構(gòu)、航空航天等高端客戶。

2、國內(nèi)生產(chǎn)廠商在中低端市場拼殺，價格戰(zhàn)爭持續(xù)不斷，代理商以及貿(mào)易公司進(jìn)入，市場價格更加混亂。

3、海克斯康依靠其各種品牌系列，獨特的產(chǎn)品線的長度和寬度，高端市場與溫澤、蔡司共享，低端市場全面覆蓋。

三坐標(biāo)測量機作為現(xiàn)代大型精密儀器，已越來越顯示出它的重要性和廣闊發(fā)展前景。它可方便的進(jìn)行空間三維尺寸的測量，可以實現(xiàn)在線檢測及自動化測量。