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1、 毕业设计报告(论文) 报告(论文)题目： 现代三维坐标测量 技术新理念 作者所在系部： 机械工程系 作者所在专业： 机械设计及其自动化 作者所在班级： 作 者 姓 名 ： 作 者 学 号 ： 20 指导教师姓名： 0/6/10 北华 教务处制 本科生毕业设计（论文）原创性及知识产权声明本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）现代三维坐标测量技术新理念是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本设计（论文）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。因本毕业设计（论文）引起的
2、法律结果完全由本人承担。本毕业设计（论文）成果归北华航天工业学院所有。本人遵循北华航天工业学院有关毕业设计（论文）的相关规定，提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本。本人同意北华航天工业学院有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以营利为目的的前提下，可以公布非涉密毕业设计（论文）的部分或全部内容。特此声明毕业设计（论文）作者： 指导教师： 20 北华航天工业学院毕业论文摘 要本篇主要介绍了三坐标测量机的发展历程及典型应用和类别，包括专长于测量大尺寸工件的龙门式测量机、在此基础上新发展起来的柔性制造系统（例如关节
3、臂式测量机）及新兴技术参与的坐标测量技术（雷达技术、激光技术及GPS技术等）。重点介绍了激光跟踪仪的原理、应用及最新发展起来的室内GPS技术。传统的三坐标测量机随着科学技术的日臻完善测量精度提高了，但对测量环境有较高要求，并且测量空间受到限制、不能对空间动态点进行跟踪测量。因而应用范围也受到限制。随着生产需求的提高，大尺寸空间坐标测量系统获得了越来越广泛的应用。它要求量程大、精度高、不适于接触测量、机动灵活等，是传统坐标测量技术无法完成的，这些都对控制产品质量起到了至关重要的作用。因此激光跟踪测量系统和室内GPS测量技术应运而生。前者具有实时跟踪测量、精度高、效率高、安装简易、操作方便等特点，
4、适合大尺寸工件配装测量。以雷达原理为基础，激光测量为主要手段，扩大了坐标测量的应用范围，可对工件进行跟踪测量，真正实现自动化生产。而室内GPS测量技术，是对多个激光跟踪仪的综合应用，可对多个测量点同时测量，全程监控。在论文的撰述中，主要是通过充分利用网络资源及图书馆文献，对现代三坐标测量技术进行归纳和总结，最终预测现代三坐标测量的发展趋势，提出三坐标测量技术新理念。关键词：三坐标测量机 跟踪测量 激光跟踪仪 激光雷达 iGPS 空间坐标测量AbstractThis paper mainly introduces about the Coordinate Measuring Machines d
5、evelopment history and some classical types,especially those expertise in the measurement of large workpieces Gantry measuring machine and flexible manufacturing system such as the articulated arm Measuring Machine,which is the latest development.What is more,it also concerns the Gantry Measuring Ma
6、chine and the Laser Radar which is based on the laser technology and the Radar Technology.This paper focuses on the principle of the Laser Tracker,as well as its applyment.At the last,it mentions the Indoor GPS Technology.With the development of science and technology,Traditional Coordinate Measurin
7、g Machines can measure the workpiece precisely, but it requries high environmental factors.In addition,because of the testrictions of the guides,it can not track a dynamic point in the space.So,the range of CMMs is restricted.With the increased production requirements,Large-Scale coordinate measurin
8、g systems (LSCMS) are demanded more and more widely in modern industry.it requites large mesruring zone,high accuracy,non-contact,flexibility and dynamic measurement,which are traditional coordinate measuring technology can not be completed.But they play a key role in assuring manufacturing quality.
9、Therefore Laser Tracker System and Indoor Global Positioning System emerged.The is fit for large workpiece measuring with features of high precision,hige efficiency,real-time tracking,quick installation and easy operating.With the base of laser,Laser Tracker System enlarged the range of coordinate m
10、easuring and move in the workshop arbitrarily,achieving automating manufacture.As well as the Laser Tracker System,the Indoor Global Positioning System is comprehensive of the Laser Tracker,which can measuting the pointsn simultaneously in order to monitor the producting entirely.Throw all the writi
11、ng of the paper,I fully use the network resources and the library documents.Summarize the morden coordinate measuring technology and forecast the technology.Above all the resources,refine new philosophies finally.Keywords: Coordinate Measuring Machine Dynamic tracking Laser Traker SystemIndoor GPS L
12、aser Radar Space coordinateII北华航天工业学院毕业论文目 录摘 要IAbstractII现代三坐标测量技术新理念1第1章 绪论11.1 坐标测量机的发展11.2 三坐标测量的重要性21.3 三坐标测量机发展现状31.3.1 国外概况41.3.2 国内概况41.4研究内容5第2章 三坐标测量机及其原理62.1 三坐标测量技术的基本原理62.2 三坐标测量机92.2.1 三坐标测量机结构92.2.2 三坐标测量机的结构类型112.2.3 三坐标测量机原理122.2.4 材料152.3 光学标尺系统152.4 坐标测量机的误差源和校准182.4.1坐标测量机的误差源182
13、.4.2 坐标测量机的校准192.5 三坐标测量技术的应用192.5.1 三坐标测量工艺的应用192.5.2 CAD辅助三坐标测量技术的应用202.6 本章小结20第3章 大尺寸坐标测量机213.1 高精度超高精度三坐标测量机213.2 大尺寸龙门式和水平臂式坐标测量机223.2.1 龙门式坐标测量机223.2.2水平臂式坐标测量机233.3 便携式关节臂式坐标测量机233.4 大尺寸坐标测量机的特点263.5 本章小结26第4章 数字近景摄影测量274.1 数字近景摄影测量274.1.1 数字近景摄影测量原理274.1.2数字近景摄影测量特点284.1.3数字近景摄影测量的应用294.2 光
14、笔测量仪294.2.1 光笔测量仪组成294.2.2 光笔测量仪的工作原理304.2.3 光笔测量仪的特点和应用304.3 NaviSCAN集大尺寸测量与扫描于一身314.4 小结32第5章 激光跟踪仪335.1激光跟踪仪的组成335.2激光跟踪仪的工作原理345.2.1 激光跟踪仪测量原理355.2.3猫眼反射镜365.3 激光跟踪仪误差源及校准375.3.1 激光跟踪仪角度测量精度的因素375.3.2 影响距离测量的精度的因素405.4 便携式最新发展Leica激光跟踪仪415.4.1光标靶设计425.4.2 Leica激光跟踪仪特点和应用425.5 工业经纬仪445.6 激光全站仪455
15、.6.1 全站仪构成465.6.2 Leica TDRA6000激光全站仪475.7 小结49第6章 室内定位技术506.1 GPS系统组成506.1.1空间部分506.1.2 地面监控系统516.1.3 用户设备部分526.2 室内GPS526.3 小结54第7章 激光雷达557.1 激光雷达系统构成557.2 激光雷达原理557.3 激光雷达的特点567.4 激光雷达的应用577.5 小结58第8章 现代坐标测量新理念598.1 现代坐标测量技术的发展趋势598.2 现代坐标测量新理念60致 谢62参考文献63现代三坐标测量技术新理念第1章 绪论1.1 坐标测量机的发展自古以来，人们就用到
16、了几何量测量的标难量值及器具，人们惊异的发现，古代人在建造长城、金字塔时所用的工具及测量方法都已经达到了很先进的水平；埃及的建筑工人只有简单的铅垂线、木制打尺和直尺，但他们的测量可精确到毫米。金字塔是由上千个只有极少建筑常识的工人完成的，而它的尺寸、边线差异不超过平均长度的0.05这意味着在横跨230m的区间内，只有0.1mm的偏差。手指的宽度、脚的长度、步幅的距离、犁沟的长度，在古代，都被创造性地用于几何量测量。古埃及人定义手指、手掌、手、肘作为长度单位；罗马人将脚和步长定义为长度单位，也就是我们现在所说的英尺。发明了关于测量温度和压力的方法，公布了关于度量衡的法定标准，推出了各种长度和内径
17、、外径测量仪器，所有这些科学技术的发展构成了我们今天坐标计量技术的基础。随着工业现代化进程的发展，伴随着众多制造业如汽车业等大规模生产的需要，尤其是国防军工的需要，要求零件的高度互换性，对尺寸、位置、形状公差的要求，推动了几何量计量的发展。在加工设备提高功效、自动化更强的基础上，要求计量检测手段应当高速、柔性化、通用化，而固定的、专用的或手动的工量具大大限制了大批量制造和复杂零件加工业的发展；平板加高度尺加卡尺的检验模式已完全不适用现代柔性制造和更多复杂形状工件的测量需要，所有这些促进和推动了现代坐标测量技术的发展。测量机的发展可划分为三代：第一代：世界上第一台测量机是英国的FERRANTI公
18、司于1959年研制成功，当时的测量方式是测头接触工件后，靠脚踏板来记录当前坐标值，然后使用计算器来计算元素间的位置关系。1964年，瑞士SIP公司开始使用软件来计算两点间的距离，开始了利用软件进行测量数据计算的时代。70年代初，德国ZEISS公司使用计算机辅助工件坐标系代替机械对准，从此测量机具备了对工件基本几何元素尺寸、形位公差的检测功能。第二代：随着计算机的飞速发展，测量机技术进入了CNC控制机时代，完成了复杂机械零件的测量和空间自由曲线曲面的测量，测量模式增加和完善了自学习功能，改善了人机界面，使用专门测量语言，提高了测量程序的开发效率。第三代：从90年代开始，随着工业制造行业向集成化、
19、柔性化和信息化发展，产品的设计、制造和检测趋向一体化，这就对作为检测设备的三坐标测量机提出了更高的要求，从而提出了第三代测量机的概念。其特点是：（1）具有与外界设备通讯的功能；（2）具有与CAD系统直接对话的标准数据协议格式；（3）硬件电路趋于集成化，并以计算机扩展卡的形式，成为计算机的大型外部设备【1】。随着科技的进步，三坐标测量机的通用性更强，精度提高，并逐渐向便携式发展。主要有一下几种类型：（1）桥式测量机，可满足现代制造企业生产的90%工件的检测需要。可广泛应用于车间现场、质量控制、设计、工艺等部门；（2）龙门式测量机因其开敞式龙门结构，从而减少工件的上/下料时间，同时允许操作者在操作
20、室能够靠近被测工件，以保证对大型和超大型工件的测量和对于复杂形状和自有曲面扫描的精度；（3）水平臂式测量机能够完成包括汽车钣金在内的柔性在线测量和过程控制，从而为批量生产提供了现场支持；（4）关节臂测量机是专门用于需要在车间或实验室环境下进行检测、测量和逆向工程的便携式测量机。（5）激光跟踪仪，直径测量范围可达到80米，大型物体（比如飞机）和小型物体都可以实现精度达到微米级的精密测量；还可在短时间内对复杂的构件进行检测和装配，如航空航天和汽车行业的生产线，由于跟踪仪的现场性和实时性特点，因此装配的过程也是检测的过程；另外，飞机和汽车工业的生产线需要定期进行检测，以进行重复性和准确性检测，通过激
21、光跟踪仪这种可移动式的坐标测量设备，缩短了停工期，并可对生产线的工装、夹具和检具进行精密的现场检测。1.2 三坐标测量的重要性三坐标测量机在下述方面对三维测量技术有重要作用：1.解决了大尺寸部件和复杂形状表面轮廓尺寸的测量，例如汽车与飞机长度尺寸与装配精度、箱体零件的孔径与孔位、叶片与齿轮等的外轮廓尺寸检测；2.提高了三维测量的精度，目前高精度的坐标测量机的单轴精度，每米长度内可达1m以内，三维空间精度可达1m2m。对于车间检测用的三坐标测量机，每米测量精度单轴也可达到3m4m；3.由于三坐标测量机可与数控机床和加工中心配套组成生产加工线或柔性制造系统，从而促进了自动化生产线的发展；4.随着三
22、坐标测量机的精度不断提高，自动化程度不断发展，促进了三维测量技术的进步，大大地提高了测量效率。尤其是电子计算机的引入，不但便于数据处理，而且可以完成CNC的控制功能，可缩短测量的时间可达95%以上。三坐标测量机（Coordinate Measuring Machine，简称CMM）发展迅速，尤其是近40年来高新技术的发展，促使三坐标测量机逐渐发展成高效率的新型精密测量仪器。它是对三维尺寸进行测量的设备，能测量复杂形状的工件，如箱体、模具、凸轮、发动机零件、汽轮机叶片等空间曲面，此外还可用于划线、定中心孔、光刻集成电路等，并可以对连续曲面进行扫描及制备数控机床的加工程序等，解决二坐标万能测量显微
23、镜等不能解决的问题，广泛用于机械制造、仪器制造、汽车工业、电子工业、航空和航天工业等。三坐标测量机不仅能用于计量室的产品检验，而且也是整个生产系统进行前置反馈控制的重要环节，它可以对下一批零件的加工工艺、加工参数进行修正，对产品质量进行管理和误差诊断，实现大系统的闭环控制，以保证加工质量。由于它的通用性强、测量范围广、精度高、效率高、性能好、能与柔性制造系统相连接，已成为一类大型精密仪器，故有：“测量中心”之称。1.3 三坐标测量机发展现状由于零件加工尺寸精度要求的不断提高，坐标测量机(CMM)在机械工业中的地位也显得越来越重要，它综合应用了电子、计算机和光栅等技术，近年来有了很大发展。随着新
24、型结构、最新材料及计算机的广泛应用，增强了CMM的应用功能，提高了它的测量精度，使其更易于操作，适用性更强。 从其发展趋势看，多功能型测量机的总体趋势是通过导轨副的陶瓷化来实现高精度化，通过新的扫描与探测技术来实现高速化；手动测量机则偏重于便于操作的特点，通过采用铝制溜板来实现轻质化，从而适应高速运动的需要，使操作方便、迅速、高效的进行。随着自动化加工技术的不断发展，高精度高速度的在线测量成为必要，CMM 作为高效精密检测仪器必须由计量室搬向车间，以满足现代化生产的需要。 因此必须提高CMM 的精度和可靠性，降低其对操作环境的敏感性，以提供精确可靠的检测结果。根据国际专业咨询公司统计，三坐标测
25、量机的销售增长率在7%25%左右。发达国家拥有量较高。但增长率逐年下降，大约为7%10%；发展中国家拥有量较低，但增长率不断提高。大约为15%25%。目前，国内外三坐标测量机正迅速发展，世界上生产测量机的厂商已超过50家，品种规格也已达300种以上。1.3.1 国外概况 国外三坐标测量机生产厂家较多，系列品种很多，大多数都有划线功能。著名的国外生产厂家有德国的蔡司（Zeiss）和莱茨（Leitz）、意大利的DEA、美国的布朗-夏普（Brown & Sharpe）、日本的三丰（Mitutoyo）等公司。总体来说，国外机器有以下特点：(1)绝大多数机器总体布局为悬臂式，空间敞开性好，便于安装大的零
26、件或整车；(2)采用AutoCAD和有限元法进行优化设计，结构较合理，造型优美；(3)专项开发力量强，专用软件和附件较多，能满足更多用户的特殊需要；(4)移动构件多数用合金铝材，移动质量尽可能小，做到高刚性、低惯性；(5)配有21项误差补偿软件，可以廉价地提高极其精度；(6)配有32位DSP连续轨迹控制系统，它是一种性能优于CPU的数据信号处理器，是超大规模集成电路。它除了有较高的运算和控制功能外，还有内部存储的许多可供开发的高级语言程序；(7)绝大多数机器采用Renishaw公司（英国）的电测头，功能齐全，质量可靠；(8)配有功能齐全的控制测量软件、专用和误差修正软件；(9)机器的性能高度稳
27、定可靠，使用寿命长；(10)系列品种齐全，“三化”即标准化、通用化、系列化程度高。1.3.2 国内概况国内三坐标测量机研制工作始于70年代中期，并由我所率先推出第一台商品化CMM，78年在西飞172厂，哈飞公司先后投入使用，80年代中国开始引进国外先进技术，并对国外技术消化吸收，到目前为止，国内测量机生产基地有：北京303研究所、成都工具研究所、北京机电研究院、西安爱德华、北京立科。其中303研究所一直处于同行业领头位置。国内引进较多的是Zeiss、Brown&Sharpe、Leitz、DEA(Digitl Electronic Autom)等公司的产品。而国内的生产单位也已经有了很大发展。我
28、国自20世纪70年代开始引进、研制三坐标测量以来，也有了很大发展。我国具有年产几百台各种型号三坐标测量机的能力。国内三坐标测量机近十年来发展也较快，但同国外相比还有一定差距，主要有一下几个方面：系列品种较少，“三化”程度低；新产品开发周期长，主要原因是元件和材料配套难；机加工周期长等；产品的稳定性较差，特别是电控系统，可靠性较差，故障率较高，寿命相对低。此外，软件功能相对少些，特别是专用软件更少，与计算机工作站和数控机床联网问题，仅有极少数测量机刚刚起步，有待进一步开发研究。1.4研究内容本论文主要阐述现代三坐标测量机的原理及其分类，并较为详细介绍各技术中坐标测量仪的代表性的型号，以及对现代坐
29、标测量方法（激光跟踪、室内GPS、激光雷达等）归纳、总结，得出其发展趋势并提出坐标测量新理念。第2章 三坐标测量机及其原理2.1 三坐标测量技术的基本原理三坐标测量机基于坐标测量原理。三坐标测量机的发展与其他事物一样，是由简单到复杂逐步形成的。早期出现的测长机可在一个坐标方向上进行工件长度的测量，即是单坐标测量机，仅完成一维测量。后来出现的万能工具显微镜具有X与Y两个坐标方向移动的工作台，可测量平面上个点的坐标位置，即为二维测量，也可称为二坐标测量机。而三坐标测量需要X、Y、Z方向的运动导轨，可测量空间范围内各测点的坐标位置。因此，从理论上讲，三坐标测量可对空间位置处的点、线、面及相互位置进行
30、测量。坐标测量技术的原理：任何形状都是由空间点组成的，所有的几何量测量都可以归结为空间点的测量，因此精确进行空间点坐标的采集，是评定任何几何形状的基础。坐标测量机的基本原理是将被测零件放入它允许的测量空间，精确地测出被测零件表面的点在空间三个坐标位置的数值，将这些点的坐标数值经过计算机数据处理，拟合形成测量元素，如圆、球、圆柱、圆锥、曲面等，经过数学计算的方法得出其形状、位置公差及其他几何量数据。显然，对任何复杂的几何表面与形状，只要测量机的测头能够瞄准（或感受）到的地方（接触法与非接触法均可），就可测出它们的几何尺寸和相互位置关系，并借助于计算机完成数据处理。这种三坐标测量方法几乎是万能的。
31、在测量技术上，光栅尺及以后的容栅、磁栅、激光干涉仪的出现，革命性地把尺寸信息数字化，不但可以进行数字显示，而且为几何量测量的计算机处理，进而用于控制打下基础。 世界上第一台现代意义上的三坐标测量机：1956年世界上出现了由英国Ferra的公司开发的首台用光栅作为长度基准并用数字显示的现代意义上的三坐标测量机，如图2-1所示。图2-1 世界上第一台现代意义上的三坐标测量机1962年，作为FI灯(菲亚特)汽车公司质量控制工程师的Fraorinco Sartorio先生，在意大利都灵市创建了DEA，成为世界上第一家专业制造坐标测量设备的公司，同时在公司的命名上还富有前瞻性地预见到数字技术的广泛应用，
32、并继而在推动大型零部件精密测量方面发挥着重要作用。 1963年10月，DEA公司的第一台行程为25001600600mm的龙门式测量机ALPHA(也是世界上第一台龙门式测量机，如图2-2所示)，出现在米兰的欧洲机床展览会上，从而开创了坐标测量技术的新领域，并使得几何量质量控制技术成为工业生产的重要因素。图2-2 世界上第一台龙门式测量机在随后的年代里，DEA相继推出其手动和数控测量机，并率先采用气浮技术，配备了各种触发、扫描测头、非接触光学测头，开发了具有强大CAD功能的通用测量软件；先后推出系列桥式测量机和大型水平臂、龙门式测量机，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
33、，并成为当时世界上技术最先进、规模最大的测量机供应商之一。 世界上第一个触发式测头：虽然第一台测量机已应用了数显技术，但在测量零件时仍用硬测头接触零件，然后用脚踏开关来锁存坐标读数，测量圆孔位置则要用圆锥形硬测头，测量尺寸时则用球形硬测头，这些都使得操作复杂，特别是从不同方位测量大型复杂零件时更是如此。测头补偿困难、受人为因素影响较大、测量精度不高、精度只能达到0.025mm，硬测头还限制了数控技数在测量机上的应用。同时，随着数控坐标测量系统的推动，各种自动的测头探针更换位置，自动上下料机构相继出现，使得测量系统能够很好的整合在现代化工业生产中，发挥着主要作用。 软件在测量机上的应用日趋重要：
34、鉴于几何物体都是一些空间点的集合，坐标测量机归根到底，只是获取空间点的坐标值的仪器设备，只有用软件对这许多点进行处理、计算才节目给出测量对象的位置、尺寸、形状，而且也可以进行测头、温度、几何量误差的补偿。软件的第一功能是进行数据处理；另一方面，数控测量机的软件不仅用于数据处理，还和控制系统结合在一起，指挥和控制测量机的运行。坐标测量技术与软件技术的日益紧密结合，使得测量机的用途日益强大，从单纯质量保证过程中的测量设备转化为设计、工艺、制造和检测环节中不可缺少的重要设备。尤其是伴随着数字技术和CAD技术的广泛发展和应用，测量软件成为测量机与其他设备和CAD系统沟通的桥梁。测量机不再是消极的判定的
35、角色，而能够广泛用作逆向设计、生产监测、信息统计、反馈信息等多种用途。 便携式测量系统的采用：便携式测量系统解决一些大尺寸零部件的测量要求，同时适合在现场的工作测量。这类产品，主要包括了激光跟踪仪和关节臂式测量机为核心而延展出的多种产品和应用，有效地解决了汽车以及航空航天领域各种部件装配、生产工具校验和各种大大小小工件。传统的测量方法劳动强度大、效率低、测量方式原始、精度难以保证。专用量规制造成本高，使用麻烦，即使是熟练的测量人员也难以获得稳定的、精确的测量结果。另一种方法是采用坐标镗床测量，即在镗床上利用它的三坐标机构，在轴上安装测微仪，对工件进行三维测量。而设备各轴所用的标尺或计量用丝杠，
36、也可作为三坐标测量机各轴的长度基准。因此早期的坐标测量机制造商往往是一些机床制造厂家，通过移植他们在镗铣床方面的经验，进行坐标测量机的设计和制造，解决了他们所面临的随着加工更加自动化而带来的更快速、更灵活的零件检验需要。这些传统的测量方法既费时又费力，还可能达不到精度要求。但当时用实物基准的比较办法限制了长度量这一信息的数字化，因而亦限制了计算机在长度等几何量测量中的应用。这些传统的测量方法既费力又费时，亦不易达到精度要求。除此之外，为了测量复杂的轮廓或型面，常常设计专用测量装置或专用仪器。其原理是从理论上形成需要的复杂运动（如转子发动机缸体需要形成次摆线运动，齿轮需要形成渐开线运动），再装上
37、测微仪去与实际工件的轮廓进行比较测量，描绘出实际轮廓曲线。这种测量装置的专用性强、成本高，如果机构不精确，产生的误差大，尽管此类专用仪器仍在发展，但由于通用性差，不适宜做通用型的三维检测之用。因为任何形状都是由空间点组成，所有的几何量测量都可以归结为空间几何点的测量，因此精确进行空间点坐标的采集，是评定任何几何形状的基础。表2-1传统测量技术与坐标测量技术的比较传统测量技术坐标测量技术对工件要进行人工的精确及时的调整不需对工件进行特殊调整专用测量仪和多工位测量仪很难适应测量任务的改变简单地调用所对应的软件完成测量任务与实体标准或运动学标准进行测量比较与数学的或数字模型进行测量比较尺寸形状和位置
38、测量在不同的仪器上进行不相干的测量尺寸、形状和位置的评定在一次安装中即可完成手工记录测量数据产生完整的数字信息，完成报告输出、统计分析和CAD设计当前，除了正在研制高精度、快速检测的三坐标测量机外，还在拓宽软件程序与自动化检测的功能，开发研制新型计量软件，以适应各种各样被测工件的要求。2.2 三坐标测量机测量机一般由主机、电气系统、软件系统及探测系统所组成。主机包括了其上附属的装置如光栅、电机等；电气系统包括电控柜及计算机；测量软件形式很多，如通用软件、统计分析软件等，由于误差补偿技术的发展以及算法和控制软件的改进，测量机精度在很大精度上依赖于软件；探测系统是由测头及其附件组成的系统，测头是坐
39、标测量机的关键部件，测头精度的高低很大程度决定了测量机的测量重复性及精度。2.2.1 三坐标测量机结构三坐标测量机的组成图2-3为一台桥式三坐标测量机的示意图，它主要由以下几部分组成3：(1)主机：包括底座、工作台、立柱、导轨、驱动系统、测量系统等几个关键部分(2)测头系统：由用来瞄准或触测被测要素的触头和信号传递部分组成。(3)控制系统：控制测量操作和步骤。(4)计算机及其软件：实施测量控制及其测量数据的处理。(5)终端设备：包括显示屏幕，打印机，绘图仪等，用于测量结果的输出。(6)圆工作台：用于建立第四坐标，简化测量程序。图2-3 三坐标测量机1底座；2工作台；3立柱；4、5、6导轨；7测
40、头；8驱动开关；9键盘；10计算机；11打印机；12绘图仪；13脚开关三坐标测量机的结构形式可归纳为七大类：由平板测量原理发展起来的悬臂式、桥式和龙门式；由镗床发展起来的立柱式和卧镗式，这两类测量机一般称为万能测量机（Universal Measuring Machine，简称UMM）；由测量显微镜演变而成的仪器台式；最后一种是极坐标式，是由极坐标原理发展起来的。1、基座和结构三坐标测量机的机座（床身和底座）和机架（立柱），不仅起着支撑和联接各种零部件的作用，同时还确定这些零部件的相互位置，以保证仪器的精度。它的特点是：尺寸较大。是整台仪器的基础支撑件，结构较复杂，以固定桥式为例，其结构如图：
41、图2-4 桥式三坐标测量机结构图 桥框2是固定不动的，它直接与机座5连接；而工作台1可沿机座5上的导轨7移动。图中3为滑架，4为主轴。这种结构的主要优点是X方向的标尺6与驱动机构可以设置在工作台下方中部；从中间驱动，绕Z轴偏摆小，整个测量机的结构刚度好，容易保证较高的精度。精密型的测量机大多数采用这种结构。虽然这种结构有缺点：工作台移动，要求被测工件质量不宜太大。若测量机在X方向的量程为Lx，则工作台的尺寸不应小于Lx，工作台又要移动Lx，因而机座占据的总的空间长度不小于2Lx。2、滚动导轨在精密计量仪器中，导轨（特别是直线导轨）是主机部分最重要的部件之一。导轨部件由运动支撑和支撑导轨（导轨体
42、）组成。导轨部件的功能不仅能可靠的承受外加载荷，更主要的是能保证运动件的定位及运动精度，以及与有关部件的相互位置精度。滚动导轨的优点是在工作台低速运动是不易产生爬行、摩擦小、运动灵敏等。在导轨安装时，还要求根据实际情况以及变形量进行刮研处理4。3、测量头机械接触式测量头，又称硬测头。它没有传感系统，只是干个纯机械式接触头。图2-5列出了一些典型的机械测头包括圆锥测头、圆柱测头、球形测头等5。球形测头用途最广，如测量点位、直径、型面、高度、槽宽。它是一种通用性测头，在使用时，可将测头半径输入到计算机，计算机可以自动修正测头半径的数值，从而得出被测数值的大小。图2-5 机械接触式测量头2.2.2
43、三坐标测量机的结构类型 根据三坐标测量机的测量范围、精度指标、功能特点和结构类型等特征可以将其分成各种不同的种类和机型。根据测量范围和精度，可以把三坐标测量机分成生产型和计量型两大类：生产型三坐标测量机指的是测量范围大，具有一般精度的机器，这些机器的最大特点是测量效率高，适合在生产中使用；计量型三坐标测量机一般是指测量范围较小而测量精度很高的机器，它适合于在计量室中使用。根据功能的完善程度，三坐标测量机又可分为数字显示及打印型、计算机数字处理型和计算机数字控制型。显然，后两种应用了现代计算机技术，即通常所说的现代三坐标测量机。三坐标测量机的X，Y，Z三轴互相垂直配置，总体布局依各轴的放置方式不
44、同而异，因此，布局形式有多种。图2-6列出了三坐标测量机几种常见的结构型式。图2-6 三坐标测量机的布局类型(1)悬臂式。这种类型的坐标测量机测量空间开阔，工件容易安装，操作方便，允许大型工件放人测量空间。但由于悬臂式结构容易引起轴的弯曲，影响导轨的运动精度，因此，悬臂式适应于中小型坐标测量机，图2-6中的(a)，(b)为悬臂式坐标测量机的示意图。(2)桥式。桥式刚性好，X，Y，Z的行程均可增大，Y轴的移动距离有的可达10m，大型测量机多采用这种形式。见图2-6的(c)，(d)。(3)龙门式。龙门式的结构牢固可靠，系统刚度大，Y向导轨做在很重的基座上，结构简单，多为精密测量机及中型测量机所采用
45、。见图2-6的(e)，(f)。(4)镗床式。镗床式又是立式和卧式两种。这种坐标测量机是在坐标镗床或卧式镗床的基础上发展的，因而特别适合对镗削加工的孔系进行测量。在可旋转测杆的端部换装上刀具，还可进行高精度的镗铣加工。镗床式结构复杂，刚性大，测量精度高，所以其造价也高。见图图2-6的(g)，(h)。2.2.3 三坐标测量机原理坐标测量机的三个运动轴X，Y，Z及分别安装于其上的3把测量尺(如光栅尺)，在整个测量空间建立起一个笛卡尔直角坐标系(如图2-7 (a)中的XMYMZM)，通常称这个坐标系为机器坐标系。一切测量运动都在这个坐标系中进行。故在测量空间的被测工件上各要素的被测部位由测头进行瞄准，
46、测头的运动位置由3把测量尺记录，并由3个相应的读数头读出具体坐标值，然后将测量信号反馈到计算机进行贮存，计算机及其相应软件将对测量数据进行计算、处理和输出。图2-7 机器坐标系与工件坐标系三坐标测量机是集精密测量技术、光机电一体化技术、计算机技术于一体的高科技测量设备。和数控机床一样，其工作过程由事先编制好的程序控制，各坐标轴的运动也和数控机床一样，由数控装置发出移动脉冲，经位置伺服进给系统驱动移动部件运动，位置检测装置（旋转变压器、感应同步器、角度编码器、光栅尺、磁栅尺等）检测移动部件实际位置。当测量头接触工件测量表面时产生信号，读取各坐标轴位置寄存值，经数据处理后得到测量结果。CMM将测量结果与事先输入的制造允差进行比较，并把信号回送到FMS单元计算机或CMM计算机。CMM计算机通常与FMS单元计算机联网，上载和下载测量数据和CMM零件测量程序。实际上三坐标测量机的采点有点像数控机床的加工，只不过数控机床是刀具在三个数控轴线的驱动下完成空间运动，并在零件表面生成所需要的形面。而三坐标测量机