三坐标測量儀:高精密測量儀器-中文百科頻道

儀器簡介

三坐标測量儀是指在一個六面體的空間範圍内，能夠表現幾何形狀、長度及圓周分度等測量能力的儀器，又稱為三坐标測量機或三坐标量床。三坐标測量儀又可定義“一種具有可作三個方向移動的探測器，可在三個相互垂直的導軌上移動，此探測器以接觸或非接觸等方式傳遞訊号，三個軸的位移測量系統（如光栅尺）經數據處理器或計算機等計算出工件的各點（x，y，z）及各項功能測量的儀器”。三坐标測量儀的測量功能應包括尺寸精度、定位精度、幾何精度及輪廓精度等。祥宇計量是三坐标測量儀國内最佳供應商。也是華南地區雷頓三坐标制定技術廠家。

基本構成

全封閉框架移動橋式測量機是一種精度高、測量速度快、性能穩定的測量系統。具有兼容多測頭系統功能：光學CCD影像測頭、激光測頭，具備極佳的性價比；能夠滿足車間檢測需要，廣泛應用于各種零件、工裝夾具尺寸檢測及模具制造中的尺寸測量和複雜形面的快速掃描檢測。

一、性能特點

1、X向橫梁：采用精密斜梁技術

2、Y向導軌：采用獨特的直接加工在工作台上的整體下燕尾槽定位結構

3、導軌方式：采用自潔式預載荷高精度空氣軸承組成的四面環抱式靜壓氣浮導軌

4、驅動系統：采用本産高性能DC直流伺服電機、柔性同步齒形帶傳動裝置，各軸均有限位和電子控制，傳動更快捷、運動性能更佳

5、Z向主軸：可調節的氣動平衡裝置，提高了Z軸的定位精度

6、控制系統：采用進口的雙計算機三座标專用控制系統

7、機器系統：采用計算機輔助3D誤差修正技術（CAA），保證系統的長期的穩定性和高精度。

8、測量軟件：采用功能強大的3D-DMIS測量軟件包，具有完善的測量功能和聯機功能。

結構分類

按三坐标測量儀結構可分為如下幾類：

1、移動橋架型(Movingbridgetype)

移動橋架型，為最常用的三坐标測量儀的結構，軸為主軸在垂直方向移動，廂形架導引主軸沿水平梁在方向移動，此水平梁垂直軸且被兩支柱支撐于兩端，梁與支柱形成“橋架”，橋架沿着兩個在水平面上垂直和軸的導槽在軸方向移動。因為梁的兩端被支柱支撐，所以可得到最小的撓度，且比懸臂型有較高的精度。

2、床式橋架型(Bridgebedtype)

床式橋架型，軸為主軸在垂直方向移動，廂形架導引主軸沿着垂直軸的梁而移動，而梁沿着兩水平導軌在軸方向移動，導軌位于支柱的上表面，而支柱固定在機械本體上。此型與移動橋架型一樣，梁的兩端被支撐，因此梁的撓度為最少。此型比懸臂型的精度好，因為隻有梁在軸方向移動，所以慣性比全部橋架移動時為小，手動操作時比移動橋架型較容易。

3、柱式橋架型(Gantrytype)

柱式橋架型，與床式橋架型式比較時，柱式橋架型其架是直接固定在地闆上又稱為門型，比床式橋架型有較大且更好的剛性，大部分用在較大型的三坐标測量儀上。各軸都以馬達驅動，測量範圍很大，操作者可以在橋架内工作。

4、固定橋架型(Fixedbridgetype)

固定橋架型，軸為主軸在垂直方向移動，廂形架導引主軸沿着垂直軸的水平橫梁上做方向移動。橋架(支柱)被固定在機器本體上，測量台沿着水平平面的導軌作軸方向的移動，且垂直于和軸。每軸皆由馬達來驅動，可确保位置精度，此機型不适合手動操作。

5、L形橋架型(L-Shpaedbridgetype)

L形橋架型，這個設計乃是為了使橋架在軸移動時有最小的慣性而作的改變。它與移動橋架型相比較，移動組件的慣性較少，因此操作較容易，但剛性較差。

6、軸移動懸臂型(Fixedtablecantileverarmtype)

軸移動懸臂型，軸為主軸在垂直方向移動，廂形架導引主軸沿着垂直軸的水平懸臂梁在軸方向移動，懸臂梁沿着在水平面的導槽在軸方向移動，且垂直于軸和軸。此型為三邊開放，容易裝拆工件，且工件可以伸出台面即可容納較大工件，但因懸臂會造成精度不高。

7、單支柱移動型(Movingtablecantileverarmtype)

單支柱移動型，軸為主軸在垂直方向移動，支柱整體沿着水平面的導槽在軸上移動，且垂直軸，而軸連接于支柱上。測量台沿着水平面的導槽在軸上移動，且垂直軸和軸。此型測量台面、支柱等具很好的剛性，因此變形少，且各軸的線性刻度尺與測量軸較接近，以符合阿貝定理。

8、單支柱測量台移動型(Singlecolumnxytabletype)

單支柱測量台移動型，軸為主軸在垂直方向移動，支柱上附有軸導槽，支柱被固定在測量儀本體上。測量時，測量台在水平面上沿着軸和軸方向作移動。

9、水平臂測量台移動型(Movingtablehorizontalarmtype)

水平臂測量台移動型，廂形架支撐水平臂沿着垂直的支柱在垂直(軸)的方向移動。探頭裝在水平方向的懸臂上，支柱沿着水平面的導槽在軸方向移動，且垂直軸，測量台沿着水平面的導槽在軸方向移動，且垂直于軸和軸。這是水平懸臂型的改良設計，為了消除水平臂在軸方向，因伸出或縮回所産生的撓度。

10、水平臂測量台固定型(Fixedtablehorizontalarmtype)

水平臂測量台固定型，其構造與測量台移動型相似。此型測量台固定，、軸均在導槽内移動，測量時支柱在軸的導槽移動，而軸滑動台面在垂直軸方向移動。

11、水平臂移動型(Movingramhorizotalarmtype)

水平臂移動型，軸懸臂在水平方向移動，支撐水平臂的廂形架沿着支柱在軸方向移動，而支柱垂直軸。支柱沿着水平面的導槽在軸方向移動，且垂直軸和軸，故不适合高精度的測量。除非水平臂在伸出或回收時，對因重量而造成的誤差有所補償。大多數情況應用在車輛檢驗工作。

12、閉環橋架型(Ringbridgetype)

閉環橋架型，由于它的驅動方式在工作台中心，可減少因橋架移動所造成沖擊，為所有三坐标測量儀中最穩定的一種。

功能原理

簡單地說,三坐标測量機就是在三個相互垂直的方向上有導向機構、測長元件、數顯裝置，有一個能夠放置工件的工作台(大型和巨型不一定有)，測頭可以以手動或機動方式輕快地移動到被測點上，由讀數設備和數顯裝置把被測點的坐标值顯示出來的一種測量設備。顯然這是最簡單、最原始的測量機。有了這種測量機後，在測量容積裡任意一點的坐标值都可通過讀數裝置和數顯裝置顯示出來。測量機的采點發訊裝置是測頭，在沿X，Y，Z三個軸的方向裝有光栅尺和讀數頭。其測量過程就是當測頭接觸工件并發出采點信号時，由控制系統去采集當前機床三軸坐标相對于機床原點的坐标值，再由計算機系統對數據進行處理。

常用掃描方法

三坐标測量機(CMM)的測量方式通常可分為接觸式測量、非接觸式測量和接觸與非接觸并用式測量。

其中，接觸測量方式常用于機加工産品、壓制成型産品、金屬膜等的測量。為了分析工件加工數據，或為逆向工程提供工件原始信息，經常需要用三坐标測量機對被測工件表面進行數據點掃描。本文以海克斯康和其中國華南制造公司思瑞三坐标的FOUNCTION-PRO型三坐标測量機為例，介紹三坐标測量機的幾種常用掃描方法及其草作步驟。

三坐标測量機的掃描草作是應用PC DMIS程序在被測物體表面的特定區域内進行數據點采集，該區域可以是一條線、一個面片、零件的一個截面、零件的曲線或距邊緣一定距離的周線等。掃描類型與測量模式、測頭類型以及是否有CAD文件等有關，控制屏幕上的“掃描”(Scan)選項由狀态按鈕(手動/DCC)決定。若采用DCC方式測量，又有CAD文件，則可供選用的掃描方式有“開線”(Open Linear)、“閉線”(Closed Linear)、“面片”(Patch)、“截面”(Section)和“周線”(Perimeter)掃描；若采用DCC方式測量，而隻有線框型CAD文件，則可選用“開線”(Open Linear)、“閉線”(Closed Linear)和“面片”(Patch)掃描方式；若采用手動測量模式，則隻能使用基本的“手動觸發掃描”(Manul TTP Scan)方式；若采用手動測量方式并使用剛性測頭，則可用選項為“固定間隔”(Fixed Delta)、“變化間隔”(Variable Delta)、“時間間隔”(Time Delta)和“主體軸向掃描”(Body Axis Scan)方式。

下面詳細介紹在DCC狀态下，進入“功能”(Utility)菜單選取“掃描”(Scan)選項後可供選擇的五種掃描方式。

1、開線掃描(Open Linear Scan)

開線掃描是最基本的掃描方式。測頭從起始點開始，沿一定方向并按預定步長進行掃描，直至終止點。開線掃描可分為有、無CAD模型兩種情況。

(1)無CAD模型

如被測工件無CAD模型，首先輸入邊界點(Boundary Points)的名義值。打開對話框中的“邊界點”選項後，先點擊“1”，輸入掃描起始點數據；然後雙擊“D”，輸入方向點(表示掃描方向的坐标點)的新的X、Y、Z坐标值；最後雙擊“2”，輸入掃描終點數據。

第二項輸入步長。在“掃描”對話框(Scan Dialog)中“方向1技術”(Direction 1 Tech)欄中的“最大”(Max Inc)欄中輸入一個新步長值。

最後檢查設定的方向矢量是否正确，該矢量定義了掃描開始後第一測量點表面的法矢、截面以及掃描結束前最後一點的表面法矢。當所有數據輸入完成後點擊“創建”。

(2)有CAD模型

如被測工件有CAD模型，開始掃描時用鼠标左鍵點擊CAD模型的相應表面，PC DMIS程序将在CAD模型上生成一點并加标志“1”表示為掃描起始點；然後點擊下一點定義掃描方向；最後點擊終點(或邊界點)并标志為“2”。在“1”和“2”之間連線。對于每一所選點，PC DMIS已在對話框中輸入相應坐标值及矢量。确定步長及其它選項(如安全平面、單點等)後，點擊“測量”，然後點擊“創建”。

2、閉線掃描(Closed Linear Scan)

閉線掃描方式允許掃描内表面或外表面，它隻需“起點”和“方向點”兩個值(PC DMIS程序将起點也作為終點)。

(1)數據輸入草作

雙擊邊界點“1”，在編輯對話框中輸入位置；雙擊方向點“D”，輸入坐标值；選擇掃描類型(“線性”或“變量”)，輸入步長，定義觸測類型(“矢量”、“表面”或“邊緣”)；雙擊“初始矢量”，輸入第“1”點的矢量，檢查截面矢量；鍵入其它選項後，點擊“創建”。也可使用坐标測量機草作盤觸測被測工件表面的第一測點，然後觸測方向點，PC DMIS程序将把測量值自動放入對話框，并自動計算初始矢量。選擇掃描控制方式、測點類型及其它選項後，點擊“創建”。

(2)有CAD模型的閉線掃描

如被測工件有CAD模型，測量前确認“閉線掃描”；首先點擊表面起始點，在CAD模型上生成符号“1”(點擊時表面和邊界點被加亮，以便選擇正确的表面)；然後點擊掃描方向點；PC DMIS将在對話框中給出所選位置點相應的坐标及矢量；選擇掃描控制方式、步長及其它選項後，點擊“創建”。

3、面片掃描(Patch Scan)

面片掃描方式允許掃描一個區域而不再是掃描線。應用該掃描方式至少需要四個邊界點信息，即開始點、方向點、掃描長度和掃描寬度。PC DMIS可根據基本(或缺省)信息給出的邊界點1、2、3确定三角形面片，掃描方向則由D的坐标值決定；若增加了第四或第五個邊界點，則面片可以為四方形或五邊形。采用面片掃描方式時，在複選框中選擇“閉線掃描”，表示掃描一個封閉元素(如圓柱、圓錐、槽等)，然後輸入起始點、終止點和方向點。終止點位置表示掃描被測元素時向上或向下移動的距離；用起始點、方向點和起始矢量可定義截平面矢量(通常該矢量平行于被測元素)。現以創建四邊形面片為例，介紹面片掃描的幾種定義方式：

(1)鍵入坐标值方式

雙擊邊界點“1”，輸入起始點坐标值X、Y、Z；雙擊邊界方向點“D”，輸入掃描方向點坐标值；雙擊邊界點“2”，輸入确定第一方向的掃描寬度；雙擊邊界點“3”，輸入确定第二方向的掃描寬度；點擊“3”，然後按“添加”按鈕，對話框給出第四個邊界點；雙擊邊界點“4”，輸入終止點坐标值；選擇掃描所需的步長(各點間的步距)和最大步長(1、2兩點間的步長)值後，點擊“創建”。

(2)觸測方式

選定“面片掃描”方式，用坐标測量機草作盤在所需起始點位置觸測第一點，該點坐标值将顯示在“邊界點”對話框的“#1”項内；然後觸測第二點，該點代表掃描第一方向的終止點，其坐标值将顯示在對話框的“D”項内；然後觸測第三點，該點代表掃描面片寬度，其坐标值将顯示在對話框的“#3”項内；點擊“3”，選擇“添加”，可在清單上添加第四點；觸測終止點，将關閉對話框。最後定義掃描行距和步長兩個方向數據；選擇掃描觸測類型及所需選項後，點擊“創建”。

(3)CAD曲面模型方式

該掃描方式隻适用于有CAD曲面模型的工件。首先選定“面片掃描”方式，左鍵點擊CAD工作表面；加亮“邊界點”對話框中的“1”，左鍵點擊曲面上的掃描起始點；然後加亮“D”，點擊曲面定義方向點；點擊曲面定義掃描寬度(#2)；點擊曲面定義掃描上寬度(#3)；點擊“3”，選擇“添加”，添加附加點“4”，加亮“4”，點擊定義掃描終止點，關閉對話框。定義兩個方向的步長及選擇所需選項後，點擊“創建”。

4、截面掃描(Section Scan)

截面掃描方式僅适用于有CAD曲面模型的工件，它允許對工件的某一截面進行掃描，掃描截面既可沿X、Y、Z軸方向，也可與坐标軸成一定角度。通過定義步長可進行多個截面掃描。可在對話框中設置截面掃描的邊界點。按“剖切CAD”轉換按鈕，可在CAD曲面模型内尋找任何孔，并可采用與開線掃描類似方式定義其邊界線，PC DMIS程序将使掃描路徑自動避開CAD曲面模型中的孔。按用戶定義表面剖切CAD的方法為：進入“邊界點”選項；進入“CAD元素選擇”框；選擇表面；在不清除“CAD元素選擇”框的情況下，選擇“剖切CAD”選項。此時PC DMIS程序将切割所選表面尋找孔。若CAD曲面模型中無定義孔，就沒有必要選“剖切CAD”選項，此時PC DMIS将按定義的起始、終止邊界點進行掃描。對于有多個曲面的複雜CAD圖形，可對不同曲面分組剖切，*#将剖切限制在局部CAD曲面模型上。

5、邊界掃描(Perimeter Scan)

邊界掃描方式僅适用于有CAD曲面模型的工件。該掃描方式采用CAD數學模型計算掃描路徑，該路徑與邊界或外輪廓偏置一定距離(由用戶選定)。創建邊界掃描時，首先選定“邊界掃描”選項；若為内邊界掃描，則在對話框中選擇“内邊界掃描”；選擇工作曲面時，啟動“選擇”複選框，每選一個曲面則加亮一個，選定所有期望曲面後，退出複選框；點擊表面确定掃描起始點；在同一表面上點擊确定掃描方向點；點擊表面确定掃描終止點，若不給出終止點，則起始點即為終止點；在“掃描構造”編輯框内輸入相應值(包括“增值”、“CAD公差”等)；選擇“計算邊界”選項，計算掃描邊界；确認偏差值正确後，按“産生測點”按鈕，PC DMIS程序将自動計算執行掃描的理論值；點擊“創建”。

6、應用要點

(1)應根據被測工件的具體特點及建模要求合理選用适當的掃描測量方式，以達到提高數據采集精度和測量效率的目的。

(2)為便于測量草作和測頭移動，應合理規劃被測工件裝夾位置；為保證造型精度，裝夾工件時應盡量使測頭能一次完成全部被測對象的掃描測量。

(3)掃描測量點的選取應包括工件輪廓幾何信息的關鍵點，在曲率變化較明顯的部位應适當增加測量點。

數據管理

一、數據轉換

數據轉換的任務和要求：

（1）将測量數據格式轉化為CAD軟件可識别的IGES格式，合并後以産品名稱或用戶指定的名稱分類保存。

（2）不同産品、不同屬性、不同定位、易于混淆的數據應存放在不同的文件中，并在IGES文件中分層分色。

數據轉換使用《三坐标測量數據處理系統》完成，草作方法見軟件用戶手冊。

二、重定位整合

1、應用背景

在産品的測繪過程中，往往不能在同一坐标系将産品的幾何數據一次測出。其原因一是産品尺寸超出測量機的行程，二是測量探頭不能觸及産品的反面，三是在工件拆下後發現數據缺失，需要補測。這時就需要在不同的定位狀态（即不同的坐标系）下測量産品的各個部分，稱為産品的重定位測量。而在造型時則應将這些不同坐标系下的重定位數據變換到同一坐标系中，這個過程稱為重定位數據的整合。對于複雜或較大的模型，測量過程中常需要多次定位測量，最終的測量數據就必需依據一定的轉換路徑進行多次重定位整合，把各次定位中測得的數據轉換成一個公共定位基準下的測量數據。

2、重定位整合原理

工件移動（重定位）後的測量數據與移動前的測量數據存在着移動錯位，如果我們在工件上确定一個在重定位前後都能測到的形體（稱為重定位基準），那麼隻要在測量結束後，通過一系列變換使重定位後對該形體的測量結果與重定位前的測量結果重合，即可将重定位後的測量數據整合到重合前的數據中。重定位基準在重定位整合中起到了紐帶的作用.。PID控制是：比例，積分，微分控制的縮寫。

P參數：決定系統對位置誤差的整個響應過程。數值越低，系統越穩定，不産生振蕩，但剛性差，到位誤差大；數值越高，剛性越好，到位誤差小，但系統可能産生振蕩。

I參數：控制由于摩擦力和負載引起的靜态到位誤差。數值越低，到位時間越長；數值越高，可能在理論位置上下振蕩。

D參數：此參數通過阻止誤差變化過沖給系統提供阻尼和穩定性。數值越低，使系統對位置誤差響應快；數值越高，系統響應越慢。