1. 测 头

探测系统是由测头及其附件组成的系统，测头是测量机探测时发送信号的装置，它可以输出开关信号，亦可以输出与探针偏转角度成正比的比例信号，它是坐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；不同零件需要选择不同功能的测头进行测量。图15.4 所示为三种不同功能的测头。

图15.4　三种功能不同的测头

2. 测头分类

1）触发测头与扫描测头

触发测头（Trigger probe）又称为开关测头，测头的主要任务是探测零件并发出锁存信号，实时地锁存被测表面坐标点的三维坐标值。

扫描测头（Scanning Probe）又称为比例测头或模拟测头，此类测头有的不仅能作触发测头使用，更重要的是能输出与探针的偏转成比例的信号（模拟电压或数字信号），由计算机同时读入探针偏转及测量机的三维坐标信号（作触发测头时则锁存探测点的三维坐标值），以保证实时地得到被探测点的三维坐标。

由于取点时没有机械的往复运动，因此采点率大大提高，扫描测头用于离散点测量时，由于探针的三维运动可以确定该点所在表面的法矢方向，因此更适于曲面的测量。

2）接触式测头与非接触式测头

接触式测头（Contact Probe）是需要与待测表面发生实体接触的探测系统。

非接触式测头（Non-Contact Probe）是不需要与待测表面发生实体接触的探测系统，例如光学探测系统。

3. 触发式测头的原理

1）接触式触发测头的基本结构

图15.5 所示为TP20 机械测头，它属于接触式触发测头。TP20 机械测头包括3 个电子接触器，当测杆接触物体使测杆偏斜时，至少有一个接触器断开，此时机器的x、y、z 光栅被读出。这组数值表示此时的测杆球心位置。

2）触发测头工作时的基本动作

图15.6 所示为测头处于回位状态。探针接触被测物体并与物体接触的力通过测头内部的弹簧力平衡，探针产生弯曲；探针绕测头内部支点转动，造成一个或两个接点断开，在断开前测头发出触发信号；然后机器回退，测头复位。

图15.5　TP20 机械测头

图15.6　测头回位状态

3）触发测头工作时的电气原理

触发测头通过触点形成电气回路。当测头与零件接触时，测力增加，接触面积减小，电阻增加；当电阻到达阈值时，测头发出触发信号。图15.7 所示为触发测头工作时的电气原理。

图15.7　触发测头工作时的电气原理

4. 矢量和余弦误差

1）矢 量

矢量可以被看作一个单位长的直线，并指向矢量方向。相对于三个轴的方向矢量，I 方向在x 轴，J 方向在y 轴，K 方向在z 轴。矢量I、J、K 值介于1 和－1 之间，分别表示与x、y、z 夹角的余弦。

2）矢量方向

矢量用一条末端带箭头的直线表示，箭头表示了它的方向。x、y、z 表示三坐标测量机的坐标位置，矢量I、J、K 表示了三坐标测量机三轴正确的测量方向。

在三坐标测量中，矢量精确指明测头垂直触测被测特征的方向，即测头触测后的回退方向。

3）余弦误差

矢量的另一个很重要的作用是软件利用矢量方向进行测头补偿。DCC 模式下，当测量一点后机器沿着与被测点矢量方向相反的方向进行触测，如果触测方向不正确，将引起一个“余弦误差”。图15.8 所示为测头正确的触测方向，图15.9 所示为测头错误的触测方向。

图15.8　正确的触测方向

图15.9　错误的触测方向

5. 坐标系

在DCC 三坐标测量机上测量工件区别于传统测量的另一个主要特点是测量效率高。效率高源于两个方面：一是具有数据自动处理程序；二是对待测工件易于安装定位，通过测量软件系统对任意放置的工件建立零件坐标系，进行坐标转换，实现自动找正。

精确的测量工作中，正确地建坐标系，与具有精确的测量机及校验好的测头一样重要。由于我们的工件图纸都是有设计基准的，所有尺寸都是与设计基准相关的，因此要得到一个正确的检测报告，就必须建立零件坐标系。同时，在批量工件的检测过程中，只需建立好零件坐标系即可运行程序，从而更快捷有效。(www.daowen.com)

1）坐标系类型

综合各类测量机，常使用三种类型的坐标系，即直角坐标系、柱坐标系和球坐标系。这三种坐标系用于不同的测量目的和对象。对于圆柱类零件、球类零件和凸轮零件，采用极坐标系和球坐标系进行测量。由于直角坐标系可用线性转换矩阵实现坐标变换，故在三坐标测量机中大都以直角坐标系作为坐标系转换基础。

直角坐标系是由三条数轴相交于原点且相互垂直建立的坐标系，又称笛卡尔直角坐标系。

柱坐标系又称为半极坐标系，它是由平面极坐标系与空间直角坐标系中的部分建立起来的。

球坐标系是一种三维坐标。设P（x，y，z）为空间内一点，则点P 也可以用这样三个有次序的数r，φ，θ 来确定，其中r 为原点O 与点P 间的距离，θ 为有向线段与z 轴正向所夹的角，φ 为从正z 轴来看自x 轴按逆时针方向转到有向线段的角，这里M 为点P 在xOy 面上的投影。这样的三个数r，φ，θ 叫作点P 的球面坐标 。

2）测量机坐标轴

测量机的空间范围可用一个立方体表示。立方体的每条边是测量机的一个轴向。三条边的交点为机器的原点（通常指测头所在的位置）。

3）坐标值

每个轴被分成许多相同的分割来表示测量单位。测量空间的任意一点可被期间的唯一一组x、y、z 值来定义。

4）校正坐标系

校正坐标系是建立零件坐标系的过程，通过数学计算，将机器坐标系和零件坐标系联系起来。零件的坐标系校正，一般分三个步骤且分步进行：

（1）零件找正：找正元素控制了工作平面的方向。平面应当选择垂直于零件轴线的平面而不是垂直于坐标轴的平面，通常技术图纸会指明零件的基准面，如果没有指明，应测量表面比较好的平面且测量点尽可能均匀分布。测量一个平面至少需要三个测量点。

（2）旋转轴：旋转元素需垂直于已找正的元素，这控制着轴线相对于工作平面的旋转定位。旋转轴可以是经过精加工的面或是两个孔组成的一条直线。

（3）原点：定义坐标系x、y、z 零点的元素。原点可以是经过精加工的面上的点或一个孔的中心点。

5）建立直角坐标系

三坐标测量机最常用的建立坐标系的方法是3-2-1 法，如图15.10 所示。

图15.10　3-2-1 法建立坐标系

① 在零件上平面测量3 个点（点1、2、3）拟合一平面找正。

② 在零件前端面上测量2 个点（点4、5）拟合一直线旋转轴。

③ 在零件左端面测量1 个点（点6）设定原点。

6. 工作平面

工作平面用来指示二维元素计算的平面。在测量时，元素计算和探头补偿中使用工作平面。

Rational DMIS 在“工作平面”选项里可以选择所需的面作为当前的工作平面。“最近的CRD 平面”这个窗口接受从元素数据区拖放平面元素，这种情况下平面元素用来做计算和探头补偿。

（1）探头补偿需要工作平面的元素有点元素和边界点元素。

（2）计算需要工作平面的元素有直线元素、圆元素、弧元素、椭圆元素、键槽元素和曲线元素。

（3）对于其他所有元素，工作平面选择窗口会自动隐藏起来。

7. 基本几何元素（见表15.1）

表15.1　基本几何元素

8. 元素的尺寸公差与形位公差

尺寸公差是最大极限尺寸减最小极限尺寸之差，或上偏差减下偏差之差，它是尺寸的允许变动量。尺寸公差是一个没有符号的绝对值。

形位公差：加工后的零件不仅有尺寸误差，构成零件几何特征的点、线、面的实际形状或相互位置与理想几何体规定的形状和相互位置还不可避免地存在差异，这种形状上的差异就是形状误差，而相互位置的差异就是位置误差，统称为形位误差。

9. 公差标准项目符号

表15.2 为国家标准规定的各项公差标准的名称、符号和基准要求等。详细的公差标准参考GB/T1182—1996 或相关公差书籍。

表15.2　公差标准项目符号

续表