淺析三坐標測量儀的應用

朱冬偉

(襄陽汽車職業技術學院 湖北 襄陽 441021)

1.三坐標測量儀的意義與作用

隨著人們生活水平的提高和制造業的快速發展，特別是機床、機械、汽車、航空航天和電子工業的發展，各種復雜零件的研制和生產需要先進的檢測技術；同時為應對競爭，生產現場非常重視提高加工效率和降低生產成本，其中最重要的是生產出高質量的產品。為此必須實行嚴格的質量管理，只有在保證高質量生產的前提下，制造業才能生存和發展。因此為保證零件的尺寸和技術性能符合要求，必須進行精確的測量，因而體現三維測量技術的三坐標測量機應運而生，并迅速發展和日趨完善。

越來越多的工件需要進行空間三維測量，而傳統的測量方法不能滿足生產的需要。傳統的測量方法是用傳統測量工具(游標卡尺、千分尺、量塊等)進行測量，測量工具本身精度不高，人為誤差較大，工具量程小，被測工件尺寸、形狀受到限制，許多形狀復雜的測量任務(如曲面)難以實現，且占用工時較長。

由于機械加工、數控機床加工及自動化加工線的發展，生產節拍的加快，加工一個零件僅用幾十分鐘或幾分鐘，這就要求加快對復雜工件的檢測。例如汽車和摩托車都采用流水生產線，每輛車上有幾千甚至上萬個零件，這些零件是專業化廠生產，最后集中部裝和總裝，每隔幾分鐘就生產出一輛車。在制造業中，大多數產品都是按照CAD數字模型在數控機床上制造完成的，它與原CAD數字模型相比，確定其在加工制造中產生的誤差，就需用三坐標測量儀進行測量。在三坐標測量儀軟件系統中可以用圖形方式顯示CAD數字模型，再按照可視化方式從圖形上確定被測點，得到被測點的X、Y、Z坐標軸及法向矢量，便可自動生成測量程序。三坐標測量儀可按法線方向對工件進行精確測量，獲得準確的坐標測量結果，也可與原CAD數字模型進行比較并以圖形方式顯示，生成坐標檢測報告(文本報告和圖表報告)全過程直觀快速，而用傳統的檢測方法無法實現。

綜合上述，三坐標測量儀的出現，標志計量儀器從古典的手動方式向現代化自動測試技術過渡的一個里程碑。三坐標測量儀對三維測量技術有重要的作用。實現對基本幾何元素的高效率、高精度測量與評定，解決了復雜形狀表面輪廓尺寸的測量，例如箱體零件的孔徑與孔位、葉片與齒輪、汽車與飛機等外廓尺寸檢測；提高了三維測量的測量精度，目前高精度坐標測量機的單軸精度，每米長度內可達1微米，三維空間精度可達1-2微米。對于車間檢測用的三坐標測量機，每米測量精度單軸也達3-4微米。

隨著三坐標測量儀的精度不斷提升，自動化程序不斷發展，三維測量技術不斷進步，大大提高測量效率，尤其是電子計算機的引入，不但便于數據處理，而且可以完成CNC功能控制，可使測量時間大大縮短。三坐標測量儀與數控機床和加工中心配套組成生產加工線，促進自動生產線的發展。

2.三坐標測量儀的組成及工作原理

三坐標測量儀是典型的機電一體化設備，它由機械系統和電子系統兩大系統部分組成。機械系統一般由3個正交的直線運動軸構成，橫向X導軌系統裝在工作臺上，移動橋架橫梁是Y向導軌系統，豎直Z向導軌系統裝在中央滑架內，3個方向軸上均裝有光柵尺用于測量各軸位移值。人工驅動的手輪及機動、數控驅動的電動機一般都在各軸附近，用來觸測被檢測零件表面的測頭Z軸的端部。電子系統一般由光柵計數系統、測頭信號接口和計算機等組成，由于獲得被測坐標點數據，并對數據進行處理。

三坐標測量儀是基于坐標測量的通用化數字測量設備。它首先將各被測幾何元素的測量轉化為這些幾何元素上一些點坐標位置的測量，在測得這些點的坐標位置后，再根據這些點的空間坐標值，經過數字運算求出其尺寸和幾何誤差。如要測量工件上一圓柱孔的直徑，可以在垂直于孔軸線的截面內，觸測內孔壁上3個點，再根據這三個點的坐標值就可計算出孔的直徑及圓心坐標；如果在該截面內觸測更多的點，則可根據最小二乘法或最小條件計算出該截面圓的圓度誤差；如果對多個垂直于孔軸線的截面圓進行測量，則可根據測得點的坐標值可計算出孔的圓柱度誤差以及各截面圓的圓心坐標，又可以計算出孔軸線位置；如果再在孔端面上觸測三點，可計算出孔軸線對端面位置度誤差。由此可見，三坐標測量儀的這一測量原理使其具有很大的通用性與柔性。從原理上說，它可以測量工件上任何幾何元素的幾何參數。

3.三坐標測量儀的測量及控制系統

三坐標測量儀測量系統由標尺系統和測頭系統構成，它們是三坐標測量儀關鍵組成部分，決定著三坐標測量儀測量精度的高低。標尺系統是用來度量各軸的坐標值的，目前三坐標測量儀上使用的標尺系統種類很多，它們與在各機床和儀器上使用的標尺系統大致相同，按其性質可分機械式標尺系統、光學式標尺系統和電氣式標尺系統。根據國內外生產三坐標測量儀所使用的標尺系統統計分析，使用最多的是光柵，其次是感應同步器和光學編碼器。有些高精度三坐標測量儀的標尺系統采用激光干涉儀。三坐標測量儀是用測頭來拾取信號的，因而測頭的性能直接影響測量精度和測量效率，沒有先進的測頭就無法充分發揮測量儀器的功能。為了擴大測頭功能，提高測量效率以及探測各種零件的不同部位，常需為測頭配置各種附件，如測端、探針、連接器、測頭回轉附件等。

控制系統是三坐標測量儀的關鍵組成部分之一，其主要功能：讀取空間坐標值，控制測量瞄準系統對測頭信號進行實時響應與處理，控制機械系統實現測量所必須的運動，實現監控坐標測量儀的狀態以保障整個系統的安全性和可靠性等。

現代的三坐標測量儀都配備有計算機，由計算機來采集數據，通過運算輸出所需的測量結果，更好滿足用戶需要，大大降低用戶投入成本，提高工作效率。