第九章三坐标测量机 第一节概述 一、三坐标测量机的产生 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ERRANTI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CM,不过这一时期的COW尚处于初 级阶段。进入20世纪8O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CM的发展速度加快。现代CW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，CM己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。 图91三坐标测量机的组成 1一工作台2一移动桥架3一中央滑架4一Z轴5一测头6一电子系统 二、三坐标测量机的组成及工作原理 9.1
9- 1 第九章 三坐标测量机 第一节 概述 一、三坐标测量机的产生 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。 图 9-1 三坐标测量机的组成 1—工作台 2—移动桥架 3—中央滑架 4—Z 轴 5—测头 6—电子系统 二、三坐标测量机的组成及工作原理 4 3 6 1 5 X 2 Y Z
(一)CMM的组成 三坐标测量机是典型的机电一体化设备，它由机械系统和电子系统两大部分组成。 (1)机械系统：一般由三个正交的直线运动轴构成。如图9-1所示结构中，X向导轨 系统装在工作台上，移动桥架横梁是Y向导轨系统，Z向导轨系统装在中央滑架内。三个方 向轴上均装有光栅尺用以度量各轴位移值。人工驱动的手轮及机动、数控驱动的电机一般都 在各轴附近。用来触测被检测零件表面的测头装在乙轴端部。 (2)电子系统：一般由光栅计数系统、测头信号接口和计算机等组成，用于获得被测 坐标点数据，并对数据进行处理。 (二)CMM的工作原理 三坐标测量机是基于坐标测量的通用化数字测量设备。它首先将各被测几何元素的测量 转化为对这些几何元素上一些点集坐标位置的测量，在测得这些点的坐标位置后，再根据这 些点的空间坐标值，经过数学运算求出其尺寸和形位误差。如图9-2所示，要测量工件上 圆柱孔的直径，可以在垂直于孔轴线的截面I内，触测内孔壁上三个点（点1、2、3），则 根据这三点的坐标值就可计算出孔的直径及圆心坐标0：如果在该截面内触测更多的点（点 1,2,…,,为测点数)，则可根据最小二乘法或最小条件法计算出该截面圆的圆度误差： 如果对多个垂直于孔轴线的截面圆(，山，…，m为测量的截面圆数)进行测量，则根 据测得点的坐标值可计算出孔的圆柱度误差以及各截面圆的圆心坐标，再根据各圆心坐标值 又可计算出孔轴线位置：如果再在孔端面A上触测三点，则可计算出孔轴线对端面的位置度 误差。由此可见，C的这一工作原理使得其具有很大的通用性与柔性。从原理上说，它可 以测量任何工件的任何几何元素的任何参数。 图92坐标测量原理 三、三坐标测量机的分类 (一)按CM的技术水平分类 1.数字显示及打印型 9.2
9- 2 （一）CMM 的组成 三坐标测量机是典型的机电一体化设备，它由机械系统和电子系统两大部分组成。 （1）机械系统：一般由三个正交的直线运动轴构成。如图 9-1 所示结构中，X 向导轨 系统装在工作台上，移动桥架横梁是 Y 向导轨系统，Z 向导轨系统装在中央滑架内。三个方 向轴上均装有光栅尺用以度量各轴位移值。人工驱动的手轮及机动、数控驱动的电机一般都 在各轴附近。用来触测被检测零件表面的测头装在 Z 轴端部。 （2）电子系统：一般由光栅计数系统、测头信号接口和计算机等组成，用于获得被测 坐标点数据，并对数据进行处理。 （二）CMM 的工作原理 三坐标测量机是基于坐标测量的通用化数字测量设备。它首先将各被测几何元素的测量 转化为对这些几何元素上一些点集坐标位置的测量，在测得这些点的坐标位置后，再根据这 些点的空间坐标值，经过数学运算求出其尺寸和形位误差。如图 9-2 所示，要测量工件上一 圆柱孔的直径，可以在垂直于孔轴线的截面 I 内，触测内孔壁上三个点（点 1、2、3），则 根据这三点的坐标值就可计算出孔的直径及圆心坐标 OI；如果在该截面内触测更多的点（点 1，2，…，n，n 为测点数），则可根据最小二乘法或最小条件法计算出该截面圆的圆度误差； 如果对多个垂直于孔轴线的截面圆（I，II，…，m，m 为测量的截面圆数）进行测量，则根 据测得点的坐标值可计算出孔的圆柱度误差以及各截面圆的圆心坐标，再根据各圆心坐标值 又可计算出孔轴线位置；如果再在孔端面 A 上触测三点，则可计算出孔轴线对端面的位置度 误差。由此可见，CMM 的这一工作原理使得其具有很大的通用性与柔性。从原理上说，它可 以测量任何工件的任何几何元素的任何参数。 图 9-2 坐标测量原理 三、三坐标测量机的分类 （一）按 CMM 的技术水平分类 1．数字显示及打印型 2 1 Z Y X 3 O I A OI
这类CMM主要用于几何尺寸测量，可显示并打印出测得点的坐标数据，但要获得所需的 几何尺寸形位误差，还需进行人工运算，其技术水平较低，目前己基本被陶汰。 2.带有计算机进行数据处理型 这类C技术水平略高，目前应用较多。其测量仍为手动或机动，但用计算机处理测量 数据，可完成诸如工件安装倾斜的自动校正计算、坐标变换、孔心距计算、偏差值计算等数 据处理工作。 3.计算机数字控制型 这类CM技术水平较高，可像数控机床一样，按照编制好的程序自动测量 (二)按CW的测量范围分类 1.小型坐标测量机 这类CMM在其最长一个坐标轴方向（一般为X轴方向）上的测量范围小于500m,主要 用于小型精密模具、工具和刀具等的测量。 2.中型坐标测量机 这类CMM在其最长一个坐标抽方向上的测量范围为500~-2000m,是应用最多的机型， 主要用于箱体、模具类零件的测量 3.大型坐标测量机 这类CM在其最长一个坐标轴方向上的测量范围大于2000m,主要用于汽车与发动机 外壳、航空发动机叶片等大型零件的测量。 (三)按C的精度分类 1.精密型COW 其单轴最大测量不确定度小于1×101(L为最大量程，单位为m),空间最大测量不 确定度小于(2一3)10L,一般放在具有恒温条件的计量室内，用于精密测量。 2.中、低精度CW 低精度CMM的单轴最大测量不确定度大体在1×10L左右，空间最大测量不确定度为 (2~3)×10L,中等精度CMM的单轴最大测量不确定度约为1×10L,空间最大测量不 确定度为(2一3)×10L。这类C侧一般放在生产车间内，用于生产过程检测 (四)按C的结构形式分类 按照结构形式，C可分为移动桥式、固定桥式、龙门式、悬臂式、立柱式等，见下节。 第二节三坐标测量机的机械结构 一、结构形式 三坐标测量机是由三个正交的直线运动轴构成的，这三个坐标轴的相互配置位置（即总 体结构形式)对测量机的精度以及对被测工件的适用性影响较大。图93是目前常见的几种 C结构形式，下面对其结构特点和应用范围作简要介绍。 9.3
9- 3 这类 CMM 主要用于几何尺寸测量，可显示并打印出测得点的坐标数据，但要获得所需的 几何尺寸形位误差，还需进行人工运算，其技术水平较低，目前已基本被陶汰。 2．带有计算机进行数据处理型 这类 CMM 技术水平略高，目前应用较多。其测量仍为手动或机动，但用计算机处理测量 数据，可完成诸如工件安装倾斜的自动校正计算、坐标变换、孔心距计算、偏差值计算等数 据处理工作。 3．计算机数字控制型 这类 CMM 技术水平较高，可像数控机床一样，按照编制好的程序自动测量。 （二）按 CMM 的测量范围分类 1．小型坐标测量机 这类 CMM 在其最长一个坐标轴方向（一般为 X 轴方向）上的测量范围小于 500mm，主要 用于小型精密模具、工具和刀具等的测量。 2．中型坐标测量机 这类 CMM 在其最长一个坐标轴方向上的测量范围为 500～2000mm，是应用最多的机型， 主要用于箱体、模具类零件的测量。 3．大型坐标测量机 这类 CMM 在其最长一个坐标轴方向上的测量范围大于 2000mm，主要用于汽车与发动机 外壳、航空发动机叶片等大型零件的测量。 （三）按 CMM 的精度分类 1．精密型 CMM 其单轴最大测量不确定度小于 1×10－6 L（L 为最大量程，单位为 mm），空间最大测量不 确定度小于（2～3）×10－6 L，一般放在具有恒温条件的计量室内，用于精密测量。 2．中、低精度 CMM 低精度 CMM 的单轴最大测量不确定度大体在 1×10－4 L 左右，空间最大测量不确定度为 （2～3）×10－4 L，中等精度 CMM 的单轴最大测量不确定度约为 1×10－5 L，空间最大测量不 确定度为（2～3）×10－5 L。这类 CMM 一般放在生产车间内，用于生产过程检测。 （四）按 CMM 的结构形式分类 按照结构形式，CMM 可分为移动桥式、固定桥式、龙门式、悬臂式、立柱式等，见下节。 第二节 三坐标测量机的机械结构 一、结构形式 三坐标测量机是由三个正交的直线运动轴构成的，这三个坐标轴的相互配置位置（即总 体结构形式）对测量机的精度以及对被测工件的适用性影响较大。图 9-3 是目前常见的几种 CMM 结构形式，下面对其结构特点和应用范围作简要介绍
(h) 图93三坐标测量机的结构形式 (a)移动桥式)固定桥式(c)中心门移动式(@)龙门式(e)悬臂式 ()单柱移动式(g)单柱周定式()横臂立柱式()横臂工作台移动式 图9-3为移动桥式结构，它是目前应用最广泛的一种结构形式，其结构简单，敞开性 好，工件安装在固定工作台上，承载能力强。但这种结构的X向驱动位于桥框一侧，桥框移 动时易产生绕Z轴偏摆，而该结构的X向标尺也位于桥框一侧，在Y向存在较大的阿贝臂 这种偏摆会引起较大的阿贝误差，因而该结构主要用于中等精度的中小机型。 图9-3b为固定桥式结构，其桥框固定不动，X向标尺和驱动机构可安装在工作台下方 中部，阿贝臂及工作台绕2轴偏摆小，其主要部件的运动稳定性好，运动误差小，适用于高 9.4
9- 4 图 9-3 三坐标测量机的结构形式 (a) 移动桥式 (b)固定桥式 (c)中心门移动式 (d) 龙门式 (e)悬臂式 (f) 单柱移动式 (g) 单柱固定式 (h) 横臂立柱式 (i) 横臂工作台移动式 图 9-3a 为移动桥式结构，它是目前应用最广泛的一种结构形式，其结构简单，敞开性 好，工件安装在固定工作台上，承载能力强。但这种结构的 X 向驱动位于桥框一侧，桥框移 动时易产生绕 Z 轴偏摆，而该结构的 X 向标尺也位于桥框一侧，在 Y 向存在较大的阿贝臂， 这种偏摆会引起较大的阿贝误差，因而该结构主要用于中等精度的中小机型。 图 9-3b 为固定桥式结构，其桥框固定不动，X 向标尺和驱动机构可安装在工作台下方 中部，阿贝臂及工作台绕 Z 轴偏摆小，其主要部件的运动稳定性好，运动误差小，适用于高 (a) (g) (c) (h) (d) (e) (i) (f) (b) X Z Y X Z Y X Z Y X Z Y X Z Y X Z Y X Z Y X Z Y X Z Y
精度测量，但工作台负载能力小，结构散开性不好，主要用于高精度的中小机型。 图9-3C为中心门移动式结构，结构比较复杂，敞开性一般，兼具移动桥式结构承载能 力强和固定桥式结构精度高的优点，适用于高精度、中型尺寸以下机型。 图9-3为龙门式结构，它与移动桥式结构的主要区别是它的移动部分只是横梁，移动 部分质量小，整个结构刚性好，三个坐标测量范围较大时也可保证测量精度，适用于大机型， 缺点是立柱限制了工件装卸，单侧驱动时仍会带来较大的阿贝误差，而双侧驱动方式在技术 上较为复杂，只有Y向跨距很大、对桔度要求较高的大型测量机才采用。 图9-3为悬臂式结构，结构简单，具有很好的散开性，但当滑架在悬臂上作Y向运动 时，会使悬臂的变形发生变化，故测量精度不高，一般用于测量精度要求不太高的小型测量 机。 图9-3为单柱移动式结构，也称为仪器台式结构，它是在工具显微镜的结构基础上发 展起来的。其优点是操作方便、测量精度高，但结构复杂，测量范围小，适用于高精度的小 型数控机型。 图93g为单柱固定式结构，它是在坐标镗的基础上发展起来的。其结构牢靠、敞开性 较好，但工件的重量对工作台运动有影响，同时两维平动工作台行程不可能太大，因此仅用 于测量精度中等的中小型测量机。 图93h为横臂立柱式结构，也称为水平臂式结构，在汽车工业中有广泛应用。其结构 简单、微开性好，尺寸也可以较大，但因横臂前后伸出时会产生较大变形，故测量精度不高， 用于中、大型机型。 图9-31为横臂工作台移动式结构，其散开性较好，横臂部件质量较小，但工作台承载 有限，在两个方向上运动范围较小，适用于中等精度的中小机型。 二、工作台 早期的三坐标测量机的工作合一般是由铸铁或铸钢制成的，但近年来，各生产厂家己广 泛采用花岗岩来制造工作台，这是因为花岗岩变形小、稳定性好、耐磨损、不生锈，且价格 低廉、易于加工。有些测量机装有可升降的工作台，以扩大Z轴的测量范围，还有些测量机 备有旋转工作台，以扩大测量功能。 三、导轨 导轨是测量机的导向装置，直接影响测量机的精度，因而要求其具有较高的直线性精度。 在三坐标测量机上使用的导轨有滑动导轨、滚动导轨和气浮导轨，但常用的为滑动导轨和气 浮导轨，滚动导轨应用较少，因为滚动导轨的耐磨性较差，刚度也较滑动导轨低。在早期的 三坐标测量机中，许多机型采用的是滑动导轨。滑动导轨精度高，承载能力强，但摩擦阻力 大，易磨损，低速运行时易产生爬行，也不易在高速下运行，有逐步被气浮导轨取代的趋势。 目前，多数三坐标测量机已采用空气静压导轨（又称为气浮导轨、气热导轨），它具有许多 9.5
9- 5 精度测量，但工作台负载能力小，结构敞开性不好，主要用于高精度的中小机型。 图 9-3c 为中心门移动式结构，结构比较复杂，敞开性一般，兼具移动桥式结构承载能 力强和固定桥式结构精度高的优点，适用于高精度、中型尺寸以下机型。 图 9-3d 为龙门式结构，它与移动桥式结构的主要区别是它的移动部分只是横梁，移动 部分质量小，整个结构刚性好，三个坐标测量范围较大时也可保证测量精度，适用于大机型， 缺点是立柱限制了工件装卸，单侧驱动时仍会带来较大的阿贝误差，而双侧驱动方式在技术 上较为复杂，只有 Y 向跨距很大、对精度要求较高的大型测量机才采用。 图 9-3e 为悬臂式结构，结构简单，具有很好的敞开性，但当滑架在悬臂上作 Y 向运动 时，会使悬臂的变形发生变化，故测量精度不高，一般用于测量精度要求不太高的小型测量 机。 图 9-3f 为单柱移动式结构，也称为仪器台式结构，它是在工具显微镜的结构基础上发 展起来的。其优点是操作方便、测量精度高，但结构复杂，测量范围小，适用于高精度的小 型数控机型。 图 9-3g 为单柱固定式结构，它是在坐标镗的基础上发展起来的。其结构牢靠、敞开性 较好，但工件的重量对工作台运动有影响，同时两维平动工作台行程不可能太大，因此仅用 于测量精度中等的中小型测量机。 图 9-3h 为横臂立柱式结构，也称为水平臂式结构，在汽车工业中有广泛应用。其结构 简单、敞开性好，尺寸也可以较大，但因横臂前后伸出时会产生较大变形，故测量精度不高， 用于中、大型机型。 图 9-3i 为横臂工作台移动式结构，其敞开性较好，横臂部件质量较小，但工作台承载 有限，在两个方向上运动范围较小，适用于中等精度的中小机型。 二、工作台 早期的三坐标测量机的工作台一般是由铸铁或铸钢制成的，但近年来，各生产厂家已广 泛采用花岗岩来制造工作台，这是因为花岗岩变形小、稳定性好、耐磨损、不生锈，且价格 低廉、易于加工。有些测量机装有可升降的工作台，以扩大 Z 轴的测量范围，还有些测量机 备有旋转工作台，以扩大测量功能。 三、导轨 导轨是测量机的导向装置，直接影响测量机的精度，因而要求其具有较高的直线性精度。 在三坐标测量机上使用的导轨有滑动导轨、滚动导轨和气浮导轨，但常用的为滑动导轨和气 浮导轨，滚动导轨应用较少，因为滚动导轨的耐磨性较差，刚度也较滑动导轨低。在早期的 三坐标测量机中，许多机型采用的是滑动导轨。滑动导轨精度高，承载能力强，但摩擦阻力 大，易磨损，低速运行时易产生爬行，也不易在高速下运行，有逐步被气浮导轨取代的趋势。 目前，多数三坐标测量机已采用空气静压导轨（又称为气浮导轨、气垫导轨），它具有许多
优点，如制造简单、精度高、摩擦力极小、工作平稳等， 图9-4给出的是一移动桥式结构CW气浮导轨的结构示意图，其结构中有六个气垫2（水 平面四个，侧面两个)，使得整个桥架浮起。滚轮3受压缩弹簧4的压力作用而与导向块5 紧贴，由弹簧力保证气垫在工作状态下与导轨导向面之间的间隙。当桥架6移动时，若产生 扭动，则使气垫与导轨面之间的间隙量发生变化，其压力也随之变化，从而造成瞬时的不平 衡状态，但在弹簧力的作用下会重新达到平衡，使之稳定地保持10μm的间隙量，以保证桥 架的运动精度。气浮导轨的进气压力一般为3一6个大气压，要求有稳压装置。 A-A 图94三坐标测量机气浮导轨的结构 1一工作台2一气垫3一滚轮4一压缩弹黄5一导向块6一桥架 气浮技术的发展使三坐标测量机在加工周期和精度方面均有很大的突破。目前不少生产 厂在寻找高强度轻型材料作为导轨材料，有些生产厂已选用陶瓷或高膜量型的碳素纤维作为 移动桥架和横梁上运动部件的材料。另外，为了加速热传导，减少热变形，ZEISS公司采用 带涂层的抗时效合金来制造导轨，使其时效变形极小且使其各部分的温度更加趋于均匀 致，从而使整机的测量精度得到了提高，而对环境温度的要求却又可以放宽些。 第三节三坐标测量机的测量系统 三坐标测量机的测量系统由标尺系统和测头系统构成，它们是三坐标测量机的关键组成 部分，决定者CM测量精度的高低。 一、标尺系统 标尺系统是用来度量各轴的坐标数值的，目前三坐标测量机上使用的标尺系统种类很 多，它们与在各种机床和仪器上使用的标尺系统大致相同，按其性质可以分为机械式标尺系 统（如精密丝杠加微分鼓轮，精密齿条及齿轮，滚动直尺）入、光学式标尺系统（如光学读数 刻线尺，光学编码器，光栅，激光干涉仪)和电气式标尺系统（如感应同步器，磁栅）。根 9.6
9- 6 优点，如制造简单、精度高、摩擦力极小、工作平稳等。 图 9-4 给出的是一移动桥式结构 CMM 气浮导轨的结构示意图，其结构中有六个气垫 2（水 平面四个，侧面两个），使得整个桥架浮起。滚轮 3 受压缩弹簧 4 的压力作用而与导向块 5 紧贴，由弹簧力保证气垫在工作状态下与导轨导向面之间的间隙。当桥架 6 移动时，若产生 扭动，则使气垫与导轨面之间的间隙量发生变化，其压力也随之变化，从而造成瞬时的不平 衡状态，但在弹簧力的作用下会重新达到平衡，使之稳定地保持 10μm 的间隙量，以保证桥 架的运动精度。气浮导轨的进气压力一般为 3～6 个大气压，要求有稳压装置。 图 9-4 三坐标测量机气浮导轨的结构 1—工作台 2—气垫 3— 滚轮 4— 压缩弹簧 5—导向块 6—桥架 气浮技术的发展使三坐标测量机在加工周期和精度方面均有很大的突破。目前不少生产 厂在寻找高强度轻型材料作为导轨材料，有些生产厂已选用陶瓷或高膜量型的碳素纤维作为 移动桥架和横梁上运动部件的材料。另外，为了加速热传导，减少热变形，ZEISS 公司采用 带涂层的抗时效合金来制造导轨，使其时效变形极小且使其各部分的温度更加趋于均匀一 致，从而使整机的测量精度得到了提高，而对环境温度的要求却又可以放宽些。 第三节 三坐标测量机的测量系统 三坐标测量机的测量系统由标尺系统和测头系统构成，它们是三坐标测量机的关键组成 部分，决定着 CMM 测量精度的高低。 一、标尺系统 标尺系统是用来度量各轴的坐标数值的，目前三坐标测量机上使用的标尺系统种类很 多，它们与在各种机床和仪器上使用的标尺系统大致相同，按其性质可以分为机械式标尺系 统（如精密丝杠加微分鼓轮，精密齿条及齿轮，滚动直尺）、光学式标尺系统（如光学读数 刻线尺，光学编码器，光栅，激光干涉仪）和电气式标尺系统（如感应同步器，磁栅）。根 1 2 3 4 5 6 A-A A A
据对国内外生产CW所使用的标尺系统的统计分析可知，使用最多的是光栅，其次是感应同 步器和光学编码器。有些高精度CW的标尺系统采用了激光干涉仪。 二、测头系统 (一)测头 三坐标测量机是用测头来拾取信号的，因而测头的性能直接影响测量精度和测量效率， 没有先进的测头就无法充分发挥测量机的功能。在三坐标测量机上使用的测头，按结构原理 可分为机械式、光学式和电气式等：而按测量方法又可分为接触式和非接触式两类。 1.机械接触式测头 机械接触式测头为刚性测头，根据其触测部位的形状，可以分为圆雏形测头、圆柱形测 头、球形测头、半圆形测头、点测头、V型块测头等（如图9-5所示）。这类测头的形状简 单，制造容易，但是测量力的大小取决于操作者的经验和技能，因此测量精度差、效率低。 目前除少数手动测量机还采用此种测头外，绝大多数测量机己不再使用这类测头。 图95机械接触式测头 (a)圆锥形测头)圆柱形测头(@)球形测头(@①半圆形测头(@)点测头(0v型块测头 2.电气接触式测头 电气接触式测头目前已为绝大部分坐标测量机所采用，按其工作原理可分为动态测头和 静态测头。 (1)动态测头 常用动态测头的结构如图9-6所示。测杆安装在芯体上，而芯体则通过三个沿圆周120 分布的钢球安放在三对触点上，当测杆没有受到测量力时，芯体上的钢球与三对触点均保持 接触，当测杆的球状端部与工件接触时，不论受到X、Y、Z哪个方向的接触力，至少会引起 一个钢球与触点脱离接触，从而引起电路的断开，产生阶跃信号，直接或通过计算机控制采 样电路，将沿三个轴方向的坐标数据送至存储器，供数据处理用。 可见，测头是在触测工件表面的运动过程中，瞬间进行测量采样的，故称为动态测头。 也称为触发式测头。动态测头结构简单、成本低，可用于高速测量，但精度稍低，而且动态 9.7
9- 7 据对国内外生产 CMM 所使用的标尺系统的统计分析可知，使用最多的是光栅，其次是感应同 步器和光学编码器。有些高精度 CMM 的标尺系统采用了激光干涉仪。 二、测头系统 （一）测头 三坐标测量机是用测头来拾取信号的，因而测头的性能直接影响测量精度和测量效率， 没有先进的测头就无法充分发挥测量机的功能。在三坐标测量机上使用的测头，按结构原理 可分为机械式、光学式和电气式等；而按测量方法又可分为接触式和非接触式两类。 1．机械接触式测头 机械接触式测头为刚性测头，根据其触测部位的形状，可以分为圆锥形测头、圆柱形测 头、球形测头、半圆形测头、点测头、V 型块测头等（如图 9-5 所示）。这类测头的形状简 单，制造容易，但是测量力的大小取决于操作者的经验和技能，因此测量精度差、效率低。 目前除少数手动测量机还采用此种测头外，绝大多数测量机已不再使用这类测头。 图 9-5 机械接触式测头 (a) 圆锥形测头 (b) 圆柱形测头 (c) 球形测头 (d) 半圆形测头 (e) 点测头 (f) V 型块测头 2．电气接触式测头 电气接触式测头目前已为绝大部分坐标测量机所采用，按其工作原理可分为动态测头和 静态测头。 （1）动态测头 常用动态测头的结构如图 9-6 所示。测杆安装在芯体上，而芯体则通过三个沿圆周 1200 分布的钢球安放在三对触点上，当测杆没有受到测量力时，芯体上的钢球与三对触点均保持 接触，当测杆的球状端部与工件接触时，不论受到 X、Y、Z 哪个方向的接触力，至少会引起 一个钢球与触点脱离接触，从而引起电路的断开，产生阶跃信号，直接或通过计算机控制采 样电路，将沿三个轴方向的坐标数据送至存储器，供数据处理用。 可见，测头是在触测工件表面的运动过程中，瞬间进行测量采样的，故称为动态测头， 也称为触发式测头。动态测头结构简单、成本低，可用于高速测量，但精度稍低，而且动态 (a) (b) (c) (d) (e) (f)
测头不能以接触状态停留在工件表面，因而只能对工件表面作离散的逐点测量，不能作连续 的扫描测量。目前，绝大多数生产厂选用英国RENISHAW公司生产的触发式测头。 8品品 图9-6电气式动态测头 1一弹簧2一芯体3一测杆4一钢球5一触点 (2)静态测头 静态测头除具备触发式测头的触发采样功能外，还相当于一台超小型三坐标测量机。测 头中有三维几何量传感器，在测头与工件表面接触时，在X、Y、Z三个方向均有相应的位移 量输出，从而驱动同服系统进行自动调整，使测头停在规定的位移量上，在测头接近静止的 状态下采集三维坐标数据，故称为静态测头。静态测头沿工件表面移动时，可始终保持接触 状态，进行扫描测量，因而也称为扫描测头。其主要特点是精度高，可以作连续扫描，但制 造技术难度大，采样速度慢，价格昂贵，适合于高精度测量机使用。目前由LEIT亿、ZISS 和KERRY等厂家生产的静态测头均采用电感式位移传感器，此时也将静态测头称为三向电感 测头。图9-7为ZEISS公司生产的双片簧层叠式三维电感测头的结构。 测头采用三层片簧导轨形式，三个方向共有三层，每层由两个片簧悬吊。转接座17借 助两个X向片簧16构成的平行四边形机构可作X向运动。该平行四边形机构固定在由Y向 片簧1构成的平行四边形机构的下方，借助片簧1，转接座可作Y向运动。Y向平行四边形 机构固定在由Z向片簧3构成的平行四边形机构的下方，依靠它的片簧，转接座可作乙向运 动。为了增强片簧的刚度和稳定性，片簧中间为金属夹板。为保证测量灵敏、精确，片簧不 能太厚，一般取0.1m。由于Z向导轨是水平安装，故用三组弹簧2、14、15加以平衡。可 调弹簧14的上方有一螺纹调节机构，通过平衡力调节微电机10转动平衡力调节螺杆1山， 使平衡力调节螺母套13产生升降米自动调整平衡力的大小。为了减小Z向弹簧片受剪切力 而产生变位，设置了弹簧2和15，分别用于平衡测头Y向和X向部件的自重。 在每一层导轨中各设置有三个部件：①锁紧机构：如图9b所示，在其定位块24上有 一凹槽，与锁紧杠杆22上的锁紧钢球23精确配合，以确定导轨的“零位”。在需打开时， 可让电机20反转一角度，则此时该向导轨处于自由状态。需锁紧时，再使电机正转一角度 9.8
9- 8 测头不能以接触状态停留在工件表面，因而只能对工件表面作离散的逐点测量，不能作连续 的扫描测量。目前，绝大多数生产厂选用英国 RENISHAW 公司生产的触发式测头。 图 9-6 电气式动态测头 1—弹簧 2—芯体 3—测杆 4—钢球 5—触点 （2）静态测头 静态测头除具备触发式测头的触发采样功能外，还相当于一台超小型三坐标测量机。测 头中有三维几何量传感器，在测头与工件表面接触时，在 X、Y、Z 三个方向均有相应的位移 量输出，从而驱动伺服系统进行自动调整，使测头停在规定的位移量上，在测头接近静止的 状态下采集三维坐标数据，故称为静态测头。静态测头沿工件表面移动时，可始终保持接触 状态，进行扫描测量，因而也称为扫描测头。其主要特点是精度高，可以作连续扫描，但制 造技术难度大，采样速度慢，价格昂贵，适合于高精度测量机使用。目前由 LEITZ、ZEISS 和 KERRY 等厂家生产的静态测头均采用电感式位移传感器，此时也将静态测头称为三向电感 测头。图 9-7 为 ZEISS 公司生产的双片簧层叠式三维电感测头的结构。 测头采用三层片簧导轨形式，三个方向共有三层，每层由两个片簧悬吊。转接座 17 借 助两个 X 向片簧 16 构成的平行四边形机构可作 X 向运动。该平行四边形机构固定在由 Y 向 片簧 1 构成的平行四边形机构的下方，借助片簧 1，转接座可作 Y 向运动。Y 向平行四边形 机构固定在由 Z 向片簧 3 构成的平行四边形机构的下方，依靠它的片簧，转接座可作 Z 向运 动。为了增强片簧的刚度和稳定性，片簧中间为金属夹板。为保证测量灵敏、精确，片簧不 能太厚，一般取 0.1mm。由于 Z 向导轨是水平安装，故用三组弹簧 2、14、15 加以平衡。可 调弹簧 14 的上方有一螺纹调节机构，通过平衡力调节微电机 10 转动平衡力调节螺杆 11， 使平衡力调节螺母套 13 产生升降来自动调整平衡力的大小。为了减小 Z 向弹簧片受剪切力 而产生变位，设置了弹簧 2 和 15，分别用于平衡测头 Y 向和 X 向部件的自重。 在每一层导轨中各设置有三个部件：①锁紧机构：如图 9-7b 所示，在其定位块 24 上有 一凹槽，与锁紧杠杆 22 上的锁紧钢球 23 精确配合，以确定导轨的“零位”。在需打开时， 可让电机 20 反转一角度，则此时该向导轨处于自由状态。需锁紧时，再使电机正转一角度 1 2 5 3 4
即可。②位移传感器：用以测量位移量的大小，如图97c所示，在两层导轨上，一面周定 磁芯27，另一面固定线圈26和线圈支架25。③阻尼机构：用以减小高分辨率测量时外界振 动的影响。如图97所示，在作相对运动的上阻尼支架28和下阻尼支架31上各固定阻尼 片29和30，在两阻尼片间形成毛细间隙，中间放入粘性硅油，使两层导轨在运动时，产生 阻尼力，避免由于片簧机构过于灵敏而产生振荡。 该测头加力机构工作原理如图9-7所示，其中X向加力机构和Y向加力机构相同（图 中只表示出了X向)。X向加力机构是利用电磁铁6推动杠杆5，使其绕十字片簧8的回转中 心转动而推动中间传力杆7围绕波纹管4组成的多向回转中心旋转，由于中间传力杆与转接 座17用片簧相连，因而推动测头在X方向“预偏置”。Z向加力机构是利用电磁铁9产生的， 当电磁铁作用时，在Z向产生的上升或下降会通过顶杆12推动被悬挂的Z向的活动导轨板， 从而推动测头在方向“预偏置” 8 10 19 ☑22 23 11 -24 -25 26 -15 28 3 31 -18 (d) a 图9.7加力式三向电感测头 (a)总体结构()镇紧机构(c)位移传感器(@)阻尼机构 1一Y向片簧2一平衡弹簧3一Z向片簧4一波纹管5一杠杆6一电磁铁7一中间传力村 8一十字片簧9一电磁铁10一平衡力调节微电机11一平衡力调节螺杆12一顶杆 13一平衡力调节螺母套14一平衡弹簧15一平衡弹簧16一X向片簧17一转接座18一测杆 19一拔销20一电机21一弹簧22一杠杆23一锁紧钢球24一定位块25一线图支架 26一线圈27一磁芯28-上阻尼支架29一阻尼片30一阻尼片31一下阻尼支架 9.9
9- 9 即可。②位移传感器：用以测量位移量的大小，如图 9-7c 所示，在两层导轨上，一面固定 磁芯 27，另一面固定线圈 26 和线圈支架 25。③阻尼机构：用以减小高分辨率测量时外界振 动的影响。如图 9-7d 所示，在作相对运动的上阻尼支架 28 和下阻尼支架 31 上各固定阻尼 片 29 和 30，在两阻尼片间形成毛细间隙，中间放入粘性硅油，使两层导轨在运动时，产生 阻尼力，避免由于片簧机构过于灵敏而产生振荡。 该测头加力机构工作原理如图 9-7a 所示，其中 X 向加力机构和 Y 向加力机构相同（图 中只表示出了 X 向）。X 向加力机构是利用电磁铁 6 推动杠杆 5，使其绕十字片簧 8 的回转中 心转动而推动中间传力杆 7 围绕波纹管 4 组成的多向回转中心旋转，由于中间传力杆与转接 座 17 用片簧相连，因而推动测头在 X 方向“预偏置”。Z 向加力机构是利用电磁铁 9 产生的， 当电磁铁作用时，在 Z 向产生的上升或下降会通过顶杆 12 推动被悬挂的 Z 向的活动导轨板， 从而推动测头在 Z 方向“预偏置”。 图 9-7 加力式三向电感测头 (a)总体结构 (b)锁紧机构 (c)位移传感器 (d)阻尼机构 1—Y 向片簧 2—平衡弹簧 3—Z 向片簧 4—波纹管 5—杠杆 6—电磁铁 7—中间传力杆 8—十字片簧 9—电磁铁 10—平衡力调节微电机 11—平衡力调节螺杆 12—顶杆 13—平衡力调节螺母套 14—平衡弹簧 15—平衡弹簧 16—X 向片簧 17—转接座 18—测杆 19—拔销 20—电机 21—弹簧 22—杠杆 23—锁紧钢球 24—定位块 25—线圈支架 26—线圈 27—磁芯 28—上阻尼支架 29—阻尼片 30—阻尼片 31—下阻尼支架 1 2 3 14 4 5 7 8 9 13 15 16 17 18 6 10 11 12 30 31 29 28 22 25 26 27 23 20 21 19 24 (d) (c) (b) (a) Z X
(3)光学测头 在多数情况下，光学测头与被测物体没有机械接触，这种非接触式测量具有一些突出优 点，主要体现在：1)由于不存在测量力，因而适合于测量各种软的和薄的工件：2)由于是 非接触测量，可以对工件表面进行快速扫描测量：3)多数光学测头具有比较大的量程，这 是一般接触式测头难以达到的：4)可以探测工件上一般机械测头难以探测到的部位。近年 来，光学测头发展较快，目前在坐标测量机上应用的光学测头的种类也较多，如三角法测头、 激光聚集测头、光纤测头、体视式三维测头、接触式光栅测头等。下面简要介绍一下三角法 测头的工作原理。 如图9-8所示，由激光器2发出的光，经聚光镜3形成很细的平行光束，照射到被测工 件4上（工件表面反射回来的光可能是镜面反射光，也可能是漫反射光，三角法测头是利用 漫反射光进行探测的)，其漫反射回来的光经成像镜5在光电检测器1上成像。照明光轴与 成像光轴间有一夹角，称为三角成像角。当被测表面处于不同位置时，漫反射光斑按照一定 三角关系成像于光电检测器件的不同位置，从而探测出被测表面的位置。这种测头的突出优 点是工作距离大，在离工件表面很远的地方（如40m~I0O加m)也可对工件进行测量，且测 头的测量范围也较大（如士5m一士10m)。不过三角法测头的测量精度不是很高，其测量不 确定度大致在几十至几百微米左右。 图98激光非接触式测头工作原理 1一光电检测器2一激光器3一聚光镜一工件5一成像镜 (二)测头附件 为了扩大测头功能、提高测量效率以及探测各种零件的不同部位，常需为测头配置各种 附件，如测端、探针、连接器、测头回转附件等。 1.测端 对于接触式测头，测端是与被测工件表面直接接触的部分。对于不同形状的表面需要采 用不同的测端。图9-9为一些常见的测端形状。 图9-9阳为球形测端，是最常用的测端。它具有制造简单、便于从各个方向触测工件表 面、接触变形小等优点。 图9-9北为盘形测端，用于测量狭槽的深度和直径。 9.10
9- 10 （3）光学测头 在多数情况下，光学测头与被测物体没有机械接触，这种非接触式测量具有一些突出优 点，主要体现在：1）由于不存在测量力，因而适合于测量各种软的和薄的工件；2）由于是 非接触测量，可以对工件表面进行快速扫描测量；3）多数光学测头具有比较大的量程，这 是一般接触式测头难以达到的；4）可以探测工件上一般机械测头难以探测到的部位。近年 来，光学测头发展较快，目前在坐标测量机上应用的光学测头的种类也较多，如三角法测头、 激光聚集测头、光纤测头、体视式三维测头、接触式光栅测头等。下面简要介绍一下三角法 测头的工作原理。 如图 9-8 所示，由激光器 2 发出的光，经聚光镜 3 形成很细的平行光束，照射到被测工 件 4 上（工件表面反射回来的光可能是镜面反射光，也可能是漫反射光，三角法测头是利用 漫反射光进行探测的），其漫反射回来的光经成像镜 5 在光电检测器 1 上成像。照明光轴与 成像光轴间有一夹角，称为三角成像角。当被测表面处于不同位置时，漫反射光斑按照一定 三角关系成像于光电检测器件的不同位置，从而探测出被测表面的位置。这种测头的突出优 点是工作距离大，在离工件表面很远的地方（如 40mm～100mm）也可对工件进行测量，且测 头的测量范围也较大（如±5mm～±10mm）。不过三角法测头的测量精度不是很高，其测量不 确定度大致在几十至几百微米左右。 图 9-8 激光非接触式测头工作原理 1—光电检测器 2—激光器 3—聚光镜 4—工件 5—成像镜 （二）测头附件 为了扩大测头功能、提高测量效率以及探测各种零件的不同部位，常需为测头配置各种 附件，如测端、探针、连接器、测头回转附件等。 1．测端 对于接触式测头，测端是与被测工件表面直接接触的部分。对于不同形状的表面需要采 用不同的测端。图 9-9 为一些常见的测端形状。 图 9-9a 为球形测端，是最常用的测端。它具有制造简单、便于从各个方向触测工件表 面、接触变形小等优点。 图 9-9b 为盘形测端，用于测量狭槽的深度和直径。 5 2 3 1 4