（1）仪器简介

三坐标测量机（Coordinate Measuring Machining，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（见图3.15）。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10个国家的30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，而且可通过与数控机床交换信息，实现对加工的控制，并且还可根据测量数据，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3.15　三坐标测量机

（2）三坐标测量机的组成及工作原理

1）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

机械系统一般由3个正交的直线运动轴构成。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。3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，如图3.16所示。

图3.16　三坐标测量机机械系统组成图

②电子系统

它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。

2）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。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，它可测量任何工件的任何几何元素的任何参数。

（3）三坐标测量机的分类

1）按CMM的技术水平分类

①数字显示及打印型

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，目前已基本被淘汰。

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。

2）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500～2 000mm，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2 000mm，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。

3）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1×10-6L（L为最大量程，单位为mm），空间最大测量不确定度小于（2～3）×10-6L，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1×10-4L左右，空间最大测量不确定度为（2～3）×10-4L，中等精度CMM的单轴最大测量不确定度约为1×10-5L，空间最大测量不确定度为（2～3）×10-5L。这类CMM一般放在生产车间内，用于生产过程检测。

4）按CMM的结构形式分类

①移动桥架型

移动桥架型为最常用的三坐标测量仪的结构，轴为主轴在垂直方向移动，厢形架导引主轴沿水平梁在方向移动，此水平梁垂直轴且被两支柱支承于两端，梁与支柱形成“桥架”，桥架沿着两个在水平面上垂直于轴的导槽在轴方向移动。因为梁的两端被支柱支承，所以可得到最小的挠度，并且比悬臂型有较高的精度。

②床式桥架型

床式桥架型的轴为主轴在垂直方向移动，厢形架导引主轴沿着垂直轴的梁而移动，而梁沿着两水平导轨在轴方向移动，导轨位于支柱的上表面，而支柱固定在机械本体上。此型与移动桥架型一样，梁的两端被支承，因此梁的挠度为最少。此型比悬臂型的精度好，因为只有梁在轴方向移动，所以惯性比全部桥架移动时为小，手动操作时比移动桥架型较容易。

③柱式桥架型

柱式桥架型与床式桥架形式比较时，柱式桥架型其架是直接固定在地板上又称门形，比床式桥架型有较大且更好的刚性，大部分用在较大型的三坐标测量仪上。各轴都以马达驱动，测量范围很大，操作者可在桥架内工作。

④固定桥架型

固定桥架型的轴为主轴在垂直方向移动，厢形架导引主轴沿着垂直轴的水平横梁上作方向移动。桥架（支柱）被固定在机器本体上，测量台沿着水平平面的导轨作轴方向的移动，且垂直于轴。每轴皆由马达来驱动，可确保位置精度，此机型不适合手动操作。

⑤L形桥架型

L形桥架型，这个设计乃是为了使桥架在轴移动时有最小的惯性而作的改变。它与移动桥架型相比较，移动组件的惯性较少，因此操作较容易，但刚性较差。

⑥轴移动悬臂型

单支柱移动型的轴为主轴在垂直方向移动，支柱整体沿着水平面的导槽在轴上移动，且垂直轴，而轴连接于支柱上。测量台沿着水平面的导槽在轴上移动，且垂直轴和轴。此型测量台面、支柱等具很好的刚性，因此变形少，且各轴的线性刻度尺与测量轴较接近，以符合阿贝定理。

⑦单支柱移动型

轴移动悬臂型，Z轴为主轴在垂直方向移动，厢形架导引主轴沿着垂直轴的水平悬臂梁在Y轴方向移动，悬臂梁沿着在水平面的导槽在X轴方向移动，且垂直于Y轴和Z轴。此型为三边开放，容易装拆工件，且工件可伸出台面，即可容纳较大工件，但因悬臂会造成精度不高。此型早期很盛行，现在已不普遍。

⑧单支柱测量台移动型

单支柱测量台移动型的轴为主轴在垂直方向移动，支柱上附有轴导槽，支柱被固定在测量仪本体上。测量时，测量台在水平面上沿着轴和轴方向作移动。

⑨水平臂测量台移动型

水平臂测量台移动型的厢形架支承水平臂沿着垂直的支柱在垂直（轴）的方向移动。探头装在水平方向的悬臂上，支柱沿着水平面的导槽在轴方向移动，且垂直轴，测量台沿着水平面的导槽在轴方向移动，且垂直于轴和轴。这是水平悬臂型的改良设计，为了消除水平臂在轴方向，因伸出或缩回所产生的挠度。

⑩水平臂测量台固定型

其构造与测量台移动型相似。此型测量台固定，轴均在导槽内移动。测量时，支柱在轴的导槽移动，而轴滑动台面在垂直轴方向移动。

水平臂移动型

水平臂移动型的轴悬臂在水平方向移动，支承水平臂的厢形架沿着支柱在轴方向移动，而支柱垂直轴。支柱沿着水平面的导槽在轴方向移动，且垂直轴和轴，故不适合高精度的测量。除非水平臂在伸出或回收时，对因质量而造成的误差有所补偿。大多数情况应用在车辆检验工作。

闭环桥架型

闭环桥架型由于它的驱动方式在工作台中心，可减少因桥架移动所造成的冲击，为所有三坐标测量仪的一种。

（4）三坐标测量机的机械结构

1）结构形式

三坐标测量机是由3个正交的直线运动轴构成的，这3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。

2）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。

3）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。

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。

（5）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。

1）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。

2）测头系统(www.daowen.com)

①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。

A.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，可分为圆锥形测头、圆柱形测头、球形测头、半圆形测头、点测头及V形块测头等。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。

B.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。

a.动态测头

测杆安装在芯体上，而芯体则通过3个沿圆周120°分布的钢球安放在3对触点上，当测杆没有受到测量力时，芯体上的钢球与3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3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。

b.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。测头中有三维几何测量传感器，在测头与工件表面接触时，在X，Y，Z这3个坐标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，因而也称扫描测头。其主要特点是精度高，可作连续扫描，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。

c.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：由于不存在测量力，因而适合于测量各种软的和薄的工件；由于是非接触测量，可对工件表面进行快速扫描测量；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；可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、体视式三维测头及接触式光栅测头等。

②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。

A.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。

B.探针

探针是指可更换的测杆。在有些情况下，为了便于测量，需选用不同的探针。探针对测量能力和测量精度有较大影响，在选用时应注意：

a.在满足测量要求的前提下，探针应尽量短。

b.探针直径必须小于测端直径，在不发生干涉条件下，应尽量选大直径探针。

c.在需要长探针时，可选用硬质合金探针，以提高刚度。若需要特别长的探针，可选用质量较轻的陶瓷探针。

3）连接器

为了将探针连接到测头上、测头连接到回转体上或测量机主轴上，需采用各种连接器。常用的有星形探针连接器、连接轴、星形测头座等。

4）回转附件

对于有些工件表面的检测，如一些倾斜表面、整体叶轮叶片表面等，仅用与工作台垂直的探针探测将无法完成要求的测量。这时，就需要借助一定的回转附件，使探针或整个测头回转一定角度再进行测量，从而扩大测头的功能。

（6）三坐标测量机的控制系统

1）控制系统的功能

控制系统是三坐标测量机的关键组成部分之一。其主要功能是：读取空间坐标值，控制测量瞄准系统对测头信号进行实时响应与处理，控制机械系统实现测量所必需的运动，实时监控坐标测量机的状态以保障整个系统的安全性与可靠性等。

2）控制系统的结构

按自动化程度分类，坐标测量机分为手动型、机动型和CNC型。早期的坐标测量机以手动型和机动型为主，其测量是由操作者直接手动或通过操纵杆完成各个点的采样，然后在计算机中进行数据处理。随着计算机技术及数控技术的发展，CNC型控制系统变得日益普及，它是通过程序来控制坐标测量机自动进给和进行数据采样，同时在计算机中完成数据处理。

①手动型与机动型控制系统

这类控制系统结构简单、操作方便、价格低廉，在车间中应用较广。这两类坐标测量机的标尺系统通常为光栅，测头一般采用触发式测头。其工作过程是：每当触发式测头接触工件时，测头发出触发信号，通过测头控制接口向CPU发出一个中断信号，CPU则执行相应的中断服务程序，实时地读出计数接口单元的数值，计算出相应的空间长度，形成采样坐标值X，Y和Z，并将其送入采样数据缓冲区，供后续的数据处理使用。

②CNC型控制系统

CNC型控制系统的测量进给是计算机控制的。它可通过程序对测量机各轴的运动进行控制以及对测量机运行状态进行实时监测，从而实现自动测量。另外，它也可通过操纵杆进行手工测量。CNC型控制系统又可分为集中控制与分布控制两类。

A.集中控制

集中控制由一个主CPU实现监测与坐标值的采样，完成主计算机命令的接收、解释与执行、状态信息及数据的回送与实时显示、控制命令的键盘输入及安全监测等任务。它的运动控制是由一个独立模块完成的，该模块是一个相对独立的计算机系统，完成单轴的伺服控制、三轴联动以及运动状态的监测。从功能上看，运动控制CPU既要完成数字调节器的运算，又要进行插补运算，运算量大，其实时性与测量进给速度取决于CPU的速度。

B.分布式控制

分布式控制是指系统中使用多个CPU，每个CPU完成特定的控制，同时这些CPU协调工作，共同完成测量任务，因而速度快，提高了控制系统的实时性。另外，分布式控制的特点是多CPU并行处理，由于它是单元式的，故维修方便，便于扩充。如要增加一个转台只需在系统中再扩充一个单轴控制单元，并定义它在总线上的地址和增加相应的软件就可以了。

3）测量进给控制

手动型以外的坐标测量机是通过操纵杆或CNC程序对伺服电机进行速度控制，以此来控制测头和测量工作台按设定的轨迹作相对运动，从而实现对工件的测量。三坐标测量机的测量进给与数控机床的加工进给基本相同，但其对运动精度、运动平稳性及响应速度的要求更高。三坐标测量机的运动控制包括单轴伺服控制和多轴联动控制。单轴伺服控制较为简单，各轴的运动控制由各自的单轴伺服控制器完成。但当要求测头在三维空间按预定的轨迹相对于工件运动时，则需要CPU控制三轴按一定的算法联动来实现测头的空间运动，这样的控制由上述单轴伺服控制及插补器共同完成。在三坐标测量机控制系统中，插补器由CPU程序控制来实现。根据设定的轨迹，CPU不断地向三轴伺服控制系统提供坐标轴的位置命令，单轴伺服控制系统则不断地跟踪，从而使测头一步一步地从起始点向终点运动。

4）控制系统的通信

控制系统的通信包括内通信和外通信。内通信是指主计算机与控制系统两者之间相互传送命令、参数、状态与数据等，这些是通过联接主计算机与控制系统的通信总线实现的。外通信则是指当CMM作为FMS系统或CIMS系统中的组成部分时，控制系统与其他设备之间的通信。目前，用于坐标测量机通信的主要有串行RS-232标准与并行IEEE-488标准。

（7）三坐标测量机的软件系统

现代三坐标测量机都配备有计算机，由计算机来采集数据，通过运算输出所需的测量结果。其软件系统功能的强弱直接影响到测量机的功能。因此，各坐标测量机生产厂家都非常重视软件系统的研究与开发，在这方面投入的人力和财力的比例在不断增加。下面对在三坐标测量机中使用的软件作简要介绍。

1）编程软件

为了使三坐标测量机能实现自动测量，需要事前编制好相应的测量程序。而这些测量程序的编制有以下4种方式：

①图示及窗口编程方式

图示及窗口编程是最简单的方式，它是通过图形菜单选择被测元素，建立坐标系，并通过“窗口”提示选择操作过程及输入参数，编制测量程序。该方式仅适用于比较简单的单项几何元素测量的程序编制。

②自学习编程方式

这种编程方式是在CNC测量机上，由操作者引导测量过程，并键入相应指令，直到完成测量，而由计算机自动记录下操作者手动操作的过程及相关信息，并自动生成相应的测量程序，若要重复测量同种零件，只需调用该测量程序，便可自动完成以前记录的全部测量过程。该方式适合于批量检测，也属于比较简单的编程方式。

③脱机编程

这种方式是采用三坐标测量机生产厂家提供的专用测量机语言在其他通用计算机上预先编制好测量程序，它与坐标测量机的开启无关。编制好程序后，再到测量机上试运行，若发现错误则进行修改。其优点是能解决很复杂的测量工作，缺点是容易出错。

④自动编程

在计算机集成制造系统中，通常由CAD/CAM系统自动生成测量程序。三坐标测量机一方面读取由CAD系统生成的设计图纸数据文件，自动构造虚拟工件，另一方面接受由CAM加工出的实际工件，并根据虚拟工件自动生成测量路径，实现无人自动测量。这一过程中的测量程序是完全由系统自动生成的。

2）测量软件包

测量软件包可含有许多种类的数据处理程序，以满足各种工程需要。一般将三坐标测量机的测量软件包分为通用测量软件包和专用测量软件包。通用测量软件包主要是指针对点、线、面、圆、圆柱、圆锥、球等基本几何元素及其形位误差、相互关系进行测量的软件包。通常各三坐标测量机都配置有这类软件包。专用测量软件包是指坐标测量机生产厂家为了提高对一些特定测量对象进行测量的测量效率和测量精度而开发的各类测量软件包。如有不少三坐标测量机配备有针对齿轮、凸轮与凸轮轴、螺纹、曲线、曲面等常见零件和表面测量的专用测量软件包。在有的测量机中，还配备有测量汽车车身、发动机叶片等零件的专用测量软件包。

3）系统调试软件

用于调试测量机及其控制系统，一般具有以下软件。

①自检及故障分析软件包：用于检查系统故障并自动显示故障类别。

②误差补偿软件包：用于对三坐标测量机的几何误差进行检测，在三坐标测量机工作时，按检测结果对测量机误差进行修正。

③系统参数识别及控制参数优化软件包：用于CMM控制系统的总调试，并生成具有优化参数的用户运行文件。

④精度测试及验收测量软件包：用于按验收标准测量检具。

4）系统工作软件

测量软件系统必须配置一些属于协调和辅助性质的工作软件，其中有些是必备的，有些用于扩充功能。

①测头管理软件。用于测头校准、测头旋转控制等。

②数控运行软件。用于测头运动控制。

③系统监控软件。用于对系统进行监控（如监控电源、气源等）。

④编译系统软件。用此程序编译，生成运行目标码。

⑤DMIS接口软件。用于翻译DMIS格式文件。

⑥数据文件管理软件。用于各类文件管理。

⑦联网通信软件。用于与其他计算机实现双向或单向通信。