三坐标测量机

三坐标测量机（Coordinate Measuring Machining，简称CMM）是20世纪60年代发展起来的一种新型高效的精密测量仪器。它的出现，一方面是由于自动机床、数控机床高效率加工以及越来越多复杂形状零件加工需要有快速可靠的测量设备与之配套；另一方面是由于电子技术、计算机技术、数字控制技术以及精密加工技术的发展为三坐标测量机的产生提供了技术基础。1960年，英国FERRANTI公司研制成功世界上第一台三坐标测量机，到20世纪60年代末，已有近十个国家的三十多家公司在生产CMM，不过这一时期的CMM尚处于初级阶段。进入20世纪80年代后，以ZEISS、LEITZ、DEA、LK、三丰、SIP、FERRANTI、MOORE等为代表的众多公司不断推出新产品，使得CMM的发展速度加快。现代CMM不仅能在计算机控制下完成各种复杂测量，而且可以通过与数控机床交换信息，实现对加工的控制，并且还可以根据测量数据，实现反求工程。目前，CMM已广泛用于机械制造业、汽车工业、电子工业、航空航天工业和国防工业等各部门，成为现代工业检测和质量控制不可缺少的万能测量设备。

三坐标测量机的组成：

三坐标测量机种类繁多、形式各异、性能多样，所测对象和放置环境条件也不尽相同，但大体上皆由若干具有一定功能的部分组合而成。作为一种测量仪器，三坐标测量机主要是比较被测量与标准量，并将比较结果用数值表示出来。三坐标测量机需要3个方向的标准器（标尺），利用导轨实现沿相应方向的运动，还需要三维测头对被测量进行探测和瞄准。此外，测量机还具有数据处理和自动检测等功能，需由相应的电气控制系统与计算机软硬件实现。

三坐标测量机可分为主机、测头、电气系统三大部分。

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。

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。

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。

高精度的车身检具--三坐标测量机

车身检测是汽车工业中关于零部件检测的重要部分，该项检测直接关系着整车的外观和质量。三坐标测量机普遍具有高精度、高速度、很好的柔性、很强的数据处理和适应现场环境的能力，尤其是丰富的、不断扩展的软件功能，目前愈来愈多的应用于汽车车身检测中。

车身检测的特点

汽车车身在加工和工艺装配的过程中，由于各种主客观因素都会存在各种各样的误差，除了操作者本身的技能和经验等主观因素的影响外，还有一些由于检测方法本身所造成的影响。有两种比较典型的情况：一、车身及其组成的各种零部件大多为钣金件，工件的刚性一般较差，且车身表面上的各种孔和相对尺寸受地球引力的影响而处于变形状态，若使用传统的测量方式和夹具方法往往对这种自然变形无法测量和评价，即使测量和评价，也会出现较大的偏差。其二、汽车车身装配件是多工种加工件组装的系统，很难避免在单件检测时存在偏差。

鉴于上述原因，对车身检测的要求主要有：定位合理；孔的检测包含两项内容：孔径大小，孔的位置；外形检查：由于该类零件轮廓普遍呈自由曲面、不规则等特征，需要根据具体情况采取多种方式；以划线方式检查工件的轮廓，情况与检查孔相似；待测零件需要夹紧。

传统检具一般只针对一项参数检验，多为手工操作，工作效率不高。另外，传统的检具及检测用夹具存在诸多的不足，不具备监控生产线上运行情况的能力，所以在车身等大型焊接件的检测及测量应用中，传统检具已渐渐失去主导地位，取而代之的是高精度的三坐标测量机。

三坐标测量机在车身检测中的应用

三坐标测量机是通过探头系统与工件的相对移动，来探测工件表面点三维坐标的测量系统。除测量机主体部分外，系统还包括输送、装夹等辅助环节，并必须在测量软件的配合下才能完成要求的测量任务。

三坐标测量机普遍具有高精度、高速度、很好的柔性、很强的数据处理和适应现场环境的能力，尤其是丰富的、不断扩展的软件功能，这一切使CMM在车身质量控制中发挥了愈来愈大的作用。尤其在今天的轿车生产车间里，三坐标测量机已使用在生产线上，而不是使用在远离现场的测量间内。在冲压件生产车间中，采用三坐标测量机检测的比例已过一半，一些大型的复杂工件受检比例更高。焊接件并不是每种都需要进行检验的，但在必须受控的那些车身总成中，利用三坐标测量机进行检查的比例甚至达到三分之二。用于生产过程中检测的三坐标测量系统事实上已成为工艺过程的一个组成部分。

三坐标测量机的种类和特点：

目前，世界上为汽车行业车身检测提供专业检测方案的最知名厂家当属意大利DEA公司，并在推动汽车车身研究和“白车身”的尺寸检测方面作出了突出贡献。针对汽车车身检测的应用特点，DEA开发了适应汽车检测每个环节的各种设计，加之以针对钣金件特征而设定的软件功能，能够为车身的开发、试制、部件/分总成/总成检测、在线检测以及质量控制提供保障。

常用的三坐标测量机主要有水平臂测量机、活动桥式测量机和固定龙门型测量机。其中水平臂测量机又分双水平臂和单水平臂两种，主要用于对车身和大型钣金件的测量，也可测中小件。活动桥式测量机精度较高，主要用于对形状复杂的薄壁工件，特别适用于在生产现场对中小型冲压件和焊接件进行在线测量。固定龙门型测量机的精度高于水平臂测量机，主要用于如航空、汽车等细长件的测量。

1)  水平臂式测量机

可以配置手腕测座CW43L，这种测头增加了两个回转坐标，并可以使用加长杆，最长可达800mm，这种形式的结构能使测头易于进入工件的各个被测部位，包括车身骨架的内部区域或各种钣金件的底部甚至底部内侧，最多时控制系统可以操作10个坐标的双臂，同时可从两侧对工件进行检测，适用的工件如：车身、侧围等。根据测量任务的需要，承载平台上可设置测头库，即可在检验一个复杂的工件过程中通过更换测头，一次完成任务。

2)  双水平臂测量机

如Bravo双水平臂测量机的特点为：水平臂复合陶瓷材料高刚性结构；Reni Shaw PH10 或 DEA CW43L手腕测座都可以安装在测量轴上等。所有的测量轴可机动；轴向的运动由控制系统和测量软件进行管理；X和Y轴的移动部件在空气轴承上运动，Z轴配置由机械导轨及空气轴承组成的混合运动系统；所有各轴由直流电机驱动Y及Z轴采用带传动，X轴采用齿轮齿条传动；气动控制的机械安全制动装置实现中心滑架的自动锁紧；光学光栅尺读数头编译系统；可利用其宽范围的附件及选项配置机器应对特殊的应用需求；开敞的水平臂结构便于工件的装卸操作；随动罩使得更容易更安全地接近测量区域，并和外罩、防尘罩一起提供完全的内部保护；在手动模式下，操作者通过操纵杆单元实现系统的控制；一组风扇防止在测量机本体自身内部发生温度层化；通过软件对机器几何误差进行自动补偿；Bravo NT既可安装于地表以下也可安装于地面上，配有温度传感器使控制系统能够检测并动态地补偿温度梯度引起的测量系统的变形。

3)  活动桥式测量机

如Brown & Sharpe集团的Global测量机。其特点包括：独特的TRICISIONTM式（精密三角梁）横梁设计，提供良好的刚性质量比，轻合金桥架较传统设计刚性提高25％，X向导轨重心降低50％从而保证了平稳、精确的运动；移动桥上轴承跨距更宽，降低了由于桥架自转而引起的误差，从而保证了整机空间精度更高，降低了重复性误差，提高了加速和减速性能，使测量效率更高；获得专利的、经过精密加工的整体燕尾型导轨，提高了机器的精度和重复性。非接触式光栅尺避免了摩擦，装配时一端固定，另一端可随温度变化而调整，光栅热膨胀系数获得PTB认证。

Global Image是一种集单点探测和模拟扫描技术为一体的高性能检测设备，同时可配制接触式和非接触扫描测。基于新一代高稳定性控制系统，与温度和精度补偿系统进行结合与优化，加上先进的算法，实现了高速、高精度模拟开环以及闭环扫描。获有专利的快速探测模式中的指向、点击和扫描技术，可把扫描测头当作触发式测头使用，而不会损失速度和精度。

检测用柔性夹具

传统夹具做法是每次在测量零件以前，首先根据测量要求，制定各种定位及夹紧方案，接着就要制作一些夹具，然后按照既定方案，在三坐标测量机的工作台面上，把这些定位及夹紧装置搭建起来，在此基础上建立测量坐标系后方可测量。这种传统的做法存在交货周期长、缺乏灵活性、更改费用高、储存费用大等缺点。

现代化大规模、多品种汽车生产要求的柔性夹具系统可用于任何测量机（悬臂或垂直臂）；而且它不需要与检测设备有特殊的电气和软件的联结。这类夹具系统维护方便，使用简单。

常用的柔性夹具系统有两类，第一类是可编程的圆柱提升型，第二类是机械式模块拼合型。在第一类中又有全自动和手动之分，而第二类也还有不同结构形式。 全自动柔性装夹系统

图2  FIVE全自动柔性装夹系统

以DEA生产的FIVE全自动柔性装夹系统（如图2）为例，其主体部分是一组圆柱体，内充压缩空气，若打开气阀，底部即形成气垫，圆柱体能在平台上轻快地移动，且高度可变，提升高度最大一种是500mm；顶端配以标准化的支撑，用以承载工件。在非工作状态下，这些圆柱体整齐地置于坐标测量机平台的后部。该系统在运行时，借助FIVE完善的软件和自动操作功能将圆柱体一个一个地移至平台上的某个预先设定位置；当圆柱体按确定的X、Y、Z坐标停在平台上的设定点后，测头旁侧的机械手开始向上，即沿Z轴移动，把圆柱体内的活塞提升到规定的高度；通过执行事先编制的程序，X、Y、Z坐标就在坐标测量机的测量空间建立了起来。只要针对不同的工件编制相应的程序，FIVE系统就能满足各种工件的支撑、装夹要求，显示了极大的灵活性，即柔性。

手动柔性装夹系统

FIVE自动系统也有明显的不足，一是用户投资偏大，二是尽管操作过程为全自动，但工作效率并不高。近年来推出手动柔性装夹系统，类似于FIVE 系统，根据被测工件的不同情况先编制相应的程序，测量机的测头逐次进入到指定点，操作人员则一次次把圆柱体人工移动到测头下，再手动提升到对准测量头上的指定位置，然后装上模块化支撑夹头，这种系统比全自动的夹具系统工作效率高，经济性也好。

上下料等辅助系统

上下料系统包括传送带、地轨车及动力部分等。在测量机的前后安装上下料系统，参照与装配线的位置，上下料可在任一侧进行。这样，把停机时间、即空运行时间减至最少，提高了工作效率。当一个待测薄壁件在测量工位被检测时，下一个薄壁件被装在上料工位处的承载平台上，而在测量循环完成后，该件就被自动移出测量区域，装着新工件的第二个平台被移入。根据测量任务的需要，承载平台上还可设置测头库，既可在检验一个复杂的工件过程中通过更换测头，一次完成任务。

通用测量软件和专用测量软件

基本测量软件是坐标测量机必备的最小配置软件。它负责完成整个测量系统的管理，包括探针校正、坐标系的建立与转换、输入输出管理、基本几何要素的尺寸与形位公差评价以及元素构成基本功能。（形位公差包括：直线度、平面度、圆度、圆柱度、线轮廓度、面轮廓度、平行度、垂直度、倾斜度、位置度、同轴（心）度、对称度、圆跳动、全跳动）

专用测量软件是针对某种具有特定用途的零部件测量问题而开发的软件，如：齿轮、螺纹、自由曲线和自由曲面等。一般还有一些附属软件模块，如：统计分析、误差检测、补偿、CAD等。

图3  PC-DMIS测量软件

先进的计量和检测软件可为计量需要提供完美的的解决方案，是高效正确完成检测功能的关键因素。如PC-DMIS测量软件(如图3) 操作界面简洁，可以指导使用者进行零件编程、参数设置和工件检测；同时，其一体化的图形功能，能够将检测数据生成可视化的图形报告；还可以移植传统的测量软件，并提供捆绑方案如MM4、TUTOR等软件。此外还包括各种钣金件和塑料玻璃和管件的全套测量程序，以及自动寻找测量元素、实时三维测头补偿、自动补偿变形工件的表面位置和方向等；对钣金件和变形大的工件的孔搜寻功能，即控制测量机在理论孔中心附近区域寻找几种有效的几何形状，具备了智能化的特征。该软件还具备强大的CAD图形功能，允许用户采用三维CAD数据，脱机或者联机生成工件检测程序，同时完成图形化工件模型和探测路径的模拟，生成计算机数模完成逆向工程。

三坐标测量机的几种常用扫描方法

三坐标测量机(CMM)的测量方式通常可分为接触式测量、非接触式测量和接触与非接触并用式测量。其中，接触测量方式常用于机加工产品、压制成型产品、金属膜等的测量。为了分析工件加工数据，或为逆向工程提供工件原始信息，经常需要用三坐标测量机对被测工件表面进行数据点扫描。本文以美国Brown & Sharpe公司Micro excel Pfx454型三坐标测量机为例，介绍三坐标测量机的几种常用扫描方法及其操作步骤。

三坐标测量机的扫描操作是应用PC DMIS程序在被测物体表面的特定区域内进行数据点采集，该区域可以是一条线、一个面片、零件的一个截面、零件的曲线或距边缘一定距离的周线等。扫描类型与测量模式、测头类型以及是否有CAD文件等有关，控制屏幕上的“扫描”（Scan）选项由状态按钮（手动/DCC）决定。若采用DCC方式测量，又有CAD文件，则可供选用的扫描方式有“开线”（Open Linear）、“闭线”（Closed Linear）、“面片”（Patch）、“截面”（Section）和“周线”（Perimeter）扫描；若采用DCC方式测量，而只有线框型CAD文件，则可选用“开线”（Open Linear）、“闭线”（Closed Linear）和“面片”（Patch）扫描方式；若采用手动测量模式，则只能使用基本的“手动触发扫描”（Manuel TTP Scan）方式；若采用手动测量方式并使用刚性测头，则可用选项为“固定间隔”（Fixed Delta）、“变化间隔”（Variable Delta）、“时间间隔”（Time Delta）和“主体轴向扫描”（Body Axis Scan）方式。

下面详细介绍在DCC状态下，进入“功能”（Utility）菜单选取“扫描”（Scan）选项后可供选择的五种扫描方式。

1.开线扫描（Open Linear Scan）

开线扫描是最基本的扫描方式。测头从起始点开始，沿一定方向并按预定步长进行扫描，直至终止点。开线扫描可分为有、无CAD模型两种情况。

（1） 无CAD模型

如被测工件无CAD模型，首先输入边界点（Boundary Points）的名义值。打开对话框中的“边界点”选项后，先点击“1”，输入扫描起始点数据；然后双击“D”，输入方向点（表示扫描方向的坐标点）的新的X、Y、Z坐标值；最后双击“2”，输入扫描终点数据。

第二项输入步长。在“扫描”对话框（Scan Dialog）中“方向1技术”（Direction 1 Tech）栏中的“最大”（Max Inc）栏中输入一个新步长值。

最后检查设定的方向矢量是否正确，该矢量定义了扫描开始后第一测量点表面的法矢、截面以及扫描结束前最后一点的表面法矢。当所有数据输入完成后点击“创建”。

（2）有CAD模型

如被测工件有CAD模型，开始扫描时用鼠标左键点击CAD模型的相应表面，PC DMIS程序将在CAD模型上生成一点并加标志“1”表示为扫描起始点；然后点击下一点定义扫描方向；最后点击终点（或边界点）并标志为“2”。在“1”和“2”之间连线。对于每一所选点，PC DMIS已在对话框中输入相应坐标值及矢量。确定步长及其它选项（如安全平面、单点等）后，点击“测量”，然后点击“创建”。

2.闭线扫描（Closed Linear Scan）

闭线扫描方式允许扫描内表面或外表面，它只需“起点”和“方向点”两个值（PC DMIS程序将起点也作为终点）。

（1）数据输入操作

双击边界点“1”，在编辑对话框中输入位置；双击方向点“D”，输入坐标值；选择扫描类型（“线性”或“变量”），输入步长，定义触测类型（“矢量”、“表面”或“边缘”）；双击“初始矢量”，输入第“1”点的矢量，检查截面矢量；键入其它选项后，点击“创建”。

也可使用坐标测量机操作盘触测被测工件表面的第一测点，然后触测方向点，PC DMIS程序将把测量值自动放入对话框，并自动计算初始矢量。选择扫描控制方式、测点类型及其它选项后，点击“创建”。

（2）有CAD模型的闭线扫描

如被测工件有CAD模型，测量前确认“闭线扫描”；首先点击表面起始点，在CAD模型上生成符号“1”（点击时表面和边界点被加亮，以便选择正确的表面）；然后点击扫描方向点；PC DMIS将在对话框中给出所选位置点相应的坐标及矢量；选择扫描控制方式、步长及其它选项后，点击“创建”。

3.面片扫描（Patch Scan）

面片扫描方式允许扫描一个区域而不再是扫描线。应用该扫描方式至少需要四个边界点信息，即开始点、方向点、扫描长度和扫描宽度。PC DMIS可根据基本（或缺省）信息给出的边界点1、2、3确定三角形面片，扫描方向则由D的坐标值决定；若增加了第四或第五个边界点，则面片可以为四方形或五边形。
    采用面片扫描方式时，在复选框中选择“闭线扫描”，表示扫描一个封闭元素（如圆柱、圆锥、槽等），然后输入起始点、终止点和方向点。终止点位置表示扫描被测元素时向上或向下移动的距离；用起始点、方向点和起始矢量可定义截平面矢量（通常该矢量平行于被测元素）。现以创建四边形面片为例，介绍面片扫描的几种定义方式：

（1）键入坐标值方式

双击边界点“1”，输入起始点坐标值X、Y、Z；双击边界方向点“D”，输入扫描方向点坐标值；双击边界点“2”，输入确定第一方向的扫描宽度；双击边界点“3”，输入确定第二方向的扫描宽度；点击“3”，然后按“添加”按钮，对话框给出第四个边界点；双击边界点“4”，输入终止点坐标值；选择扫描所需的步长（各点间的步距）和最大步长（1、2两点间的步长）值后，点击“创建”。

（2）触测方式

选定“面片扫描”方式，用坐标测量机操作盘在所需起始点位置触测第一点，该点坐标值将显示在“边界点”对话框的“#1”项内；然后触测第二点，该点代表扫描第一方向的终止点，其坐标值将显示在对话框的“D”项内；然后触测第三点，该点代表扫描面片宽度，其坐标值将显示在对话框的“#3”项内；点击“3”，选择“添加”，可在清单上添加第四点；触测终止点，将关闭对话框。最后定义扫描行距和步长两个方向数据；选择扫描触测类型及所需选项后，点击“创建”。

（3）CAD曲面模型方式

该扫描方式只适用于有CAD曲面模型的工件。首先选定“面片扫描”方式，左键点击CAD工作表面；加亮“边界点”对话框中的“1”，左键点击曲面上的扫描起始点；然后加亮“D”，点击曲面定义方向点；点击曲面定义扫描宽度（#2）；点击曲面定义扫描上宽度（#3）；点击“3”，选择“添加”，添加附加点“4”，加亮“4”，点击定义扫描终止点，关闭对话框。定义两个方向的步长及选择所需选项后，点击“创建”。

4.截面扫描（Section Scan）

截面扫描方式仅适用于有CAD曲面模型的工件，它允许对工件的某一截面进行扫描，扫描截面既可沿X、Y、Z轴方向，也可与坐标轴成一定角度。通过定义步长可进行多个截面扫描。可在对话框中设置截面扫描的边界点。按“剖切CAD”转换按钮，可在CAD曲面模型内寻找任何孔，并可采用与开线扫描类似方式定义其边界线，PC DMIS程序将使扫描路径自动避开CAD曲面模型中的孔。按用户定义表面剖切CAD的方法为：进入“边界点”选项；进入“CAD元素选择”框；选择表面；在不清除“CAD元素选择”框的情况下，选择“剖切CAD”选项。此时PC DMIS程序将切割所选表面寻找孔。若CAD曲面模型中无定义孔，就没有必要选“剖切CAD”选项，此时PC DMIS将按定义的起始、终止边界点进行扫描。对于有多个曲面的复杂CAD图形，可对不同曲面分组剖切，*#将剖切限制在局部CAD曲面模型上。

5.边界扫描（Perimeter Scan）

边界扫描方式仅适用于有CAD曲面模型的工件。该扫描方式采用CAD数学模型计算扫描路径，该路径与边界或外轮廓偏置一定距离（由用户选定）。创建边界扫描时，首先选定“边界扫描”选项；若为内边界扫描，则在对话框中选择“内边界扫描”；选择工作曲面时，启动“选择”复选框，每选一个曲面则加亮一个，选定所有期望曲面后，退出复选框；点击表面确定扫描起始点；在同一表面上点击确定扫描方向点；点击表面确定扫描终止点，若不给出终止点，则起始点即为终止点；在“扫描构造”编辑框内输入相应值（包括“增值”、“CAD公差”等）；选择“计算边界”选项，计算扫描边界；确认偏差值正确后，按“产生测点”按钮，PC DMIS程序将自动计算执行扫描的理论值；点击“创建”。

6.应用要点

（1）应根据被测工件的具体特点及建模要求合理选用适当的扫描测量方式，以达到提高数据采集精度和测量效率的目的。

（2）为便于测量操作和测头移动，应合理规划被测工件装夹位置；为保证造型精度，装夹工件时应尽量使测头能一次完成全部被测对象的扫描测量。

（3）扫描测量点的选取应包括工件轮廓几何信息的关键点，在曲率变化较明显的部位应适当增加测量点。