柳州五菱汽车工业有限公司 广西柳州 545000
摘 要：现代社会的发展离不开制造领域的进步，随着现阶段制作工艺的不断进步与发展，对于制作精度的要求也愈发提高。所以相关领域对于高精度测量仪器的需求也愈发旺盛。三坐标测量机作为当下性能较为优异的测量设备，在诸多领域中均有理想的应用价值。笔者结合多年工作经验，深入分析三坐标测量机及其检测方法，以期为相关人员提供借鉴与参考。
关键词：三坐标测量机；精度；检测方法
前 言
三坐标测量机是一线测量人员在大量的实际测量和获取数据的过程中通过总结相关经验而研制出的一种测量工具。这种测量工具从研发至今已经凭借其优越的性能在相关领域活跃了几十年之久。近年来，科学技术不断发展，相关研究人员对测量方法进行了大量的研究，对三坐标测量机的性能进行了一定的改善。在大型机械制造业和航海业、航天工程等领域内，物体在三维空间内表现出的轮廓以及物件的形位测量试最基础的测量任务之一。从目前的实际情况来看，对物体三维轮廓的测量方法主要有三种：一是借助导轨式三坐标机来完成测量，二是通过激光进行点扫描和线扫描来完成三坐标轮廓测量、三是激光散斑物体轮廓高精度显徹全场测量。这三种方法各有特点，分别适应于不同的情景。在这三种常见办法中，最后一种的测量精度最高，但是测量范围较小。三坐标测量机的多功能测量台是一种高精度测量台。可同时装夹两只測量表或传感器对工件进行多参数测量。三坐标测量机广泛的应用于机械零件加工，模具制造等个方面。该测量仪器的最主要功能是对物体的尺寸和各项数据进行快速的测量，这些数据对于操作者来说是十分重要的关系到后续生产的信息。该测量方法明显区别于传统的手动测量。它将物体放置于一个三坐标测量空间内，获取各点的三维坐标，在进行计算得出各个重要的尺寸数据。CLY系列单臂三为测量仪是一款具有较大测量范围的高精度测量设备，在设计时充分考虑了使用者对冲压件、仪表板件、塑料件、中型模具件的测量要求。由于采用开放式测量，从而保证了在现场、在模具制造和仿型、在部件检测和设计室里都可以方便的使用。
1 三坐标测量机的基本工作原理
三坐标测量机的基本测量原理并不复杂，简单来讲就是将物体放置在一个测量空间内，这个测量空间是被仪器所允许的空间。随后，机器将自动测算出物体表面各个关键点的三维坐标，并通过这些坐标来进行计算和模拟。在三维空间中，往往通过三个轴的坐标来描述点的位置，而获取足够多的点之后就可以进行相应的模拟和计算。计算的内容往往包括物体的相对位置，物体的形状、物体的大小等。这些数据对于后续生产过程中对物体进行加工数十分重要的，因此有必要提高测量的精准性。三坐标测量机就是能够快速准确完成上述工作的测量仪器。
2 三坐标测量机的结构类型
三坐标测量机有多种结构类型，每一种结构类型都是为了适应某些形状和大小的物体而设置的。从现在测量一线的情况来看，常用的结构类型包括以下几种：桥式、龙门式、水平悬臂式、关节臂式。具体形状参照下图1所示
每一种类型的测量机都有其对应的优缺点,具体来说：桥式的开敞性比较好，视野开阔，上下零件方便。测量效率高，精度高，是目前使用最广泛的一种结构形式。但是难以应付体型过大的物体的测量工作。而龙门式测量机则是专为中型以上到超大型之间的物件测量而研制的。这种结构的测量机在航空航天等重工业中应用面较广泛。而悬臂式测量机开敞性较好，缺点也十分明显，即精确度低，不能用于有高精度要求的物体测量。水平式测量机的有效范围大，可以由两台机器共同组成双臂测量机，尤其适合汽车工业钣金件甚至整车机构的测量。关节臂式测量机具有非常好的灵活性。
3 三坐标测量机的组成
三坐标测量机一般由若干个部件组成。包括测头系统（探头、吸盘、探针、读数头、光栅尺等）、硬件控制系统（控制柜、电气驱动系统）、软件系统（计算机系统、数据处理软件系统）及其它机械部件（花岗岩台面、三轴导轨、 减震垫、支撑基架等）所组成，如图2所示。
3.1 测头系统
测量头是三坐标测量机在测量工件时的关键部件，并很大程度影响着测量精度的高低。测量头有两种工作形式，分为接触式和非接触式。接触式测头在测量时直接接触工件，测头发送并回收测量信号；而非接触式测头时不需要实际接触工件。目前常用的测头为接触式测头，其应用范围广、种类多样，测量方便灵活。下图展示的是测头的几种主要形式：
光栅系统是测量机的测长基准。光栅是刻有细密等距离刻线的金属或玻璃，读数头使用光学的方法读取这些刻线计算长度。为了便于计算由于温度变化造成光栅长度变化带来的误差，采用光栅一端固定，另一端放开，使其自由伸缩。另外在光栅尺座预置有温度传感器，便于有温度补偿功能的系统进行自动温度补偿。
3.2 硬件控制系统
测量机的硬件控制系统是十分重要的一个组成部分，它需要与计算机软件建立相互连接，实现数据的传递。而这种连接主要是通过控制柜来实现的。操作盒是测量者在操作机器进行测量时的控制平台，可以实现控制机器的运动、对轴承速度进行设置等功能。
3.3 软件系统
在测量工作中，操作人员在选择测量仪器时，往往最在意机器的准确性和稳定性，其次速度快、功能强大、容易使用等也是十分重要的方面。具有以上特征的测量仪器除了有良好的硬件系统之外，还需要有优良的软件系统。使用软件系统可以对测量数据进行计算和处理，将CAD数据转换为测量程序，从而获得准确无误的检测方案。测量机软件系统是否完善且具备强大的功能已经成为决定性的因素。因此，软件系统也有着十分重要的地位。
3.4 其它机械部件
工作台（一般采用花岗石），用于摆放零件支撑桥架。工作台放置零件时，一般要根据零件的形状和检测要求，选择适合的夹具或支撑。要求零件固定要可靠，不使零件受外力变形或其位置发生变化。导轨是气浮块运动的轨道，是测量机的基准之一。压缩空气中的油和水及空气中的灰尘会污染导轨，造成导轨道直线度误差变大，使测量机的系统误差增大，影响测量精度。小型测量机采用支架支撑测量机工作台，中、大型测量机一般采用千斤顶支撑工作台。都采用三点支撑，在一个支撑的一侧，有两个辅助支撑，只起保险作用。每个支撑都有一个海绵的减震垫，能够吸收振幅较小的震动。
4 三坐标测量机的具体测量步骤
测量步骤大致上可以分为三个阶段：前期准备、进行测量、数据处理。
在测量之前首先进行测量要求分析是十分有必要的，主要分析被测零件的测量内容、工件基准、装夹位置、装夹方式等。
在使用测量机进行测量工作之前，首先要进行的一步工作就是将测头进行校准。测头校准是有其现实意义是，因为同一台测量机要完成不同 的测量任务就需要配备不同的测头，不同的测头其相关技术参数信息（如直径、角度等）是不尽相同的，在测量时不同的侧头参数其设置的补偿是不同的。因此测头校准工作是有必要的。
测量坐标系的建立是整个测量过程中最重要的步骤之一，其一般方法如下：首先选择一个合适的平面作为测量的基准面，这个基准面的作用是确定空间坐标系中的”Z”方向。再在此基础上测量一条直线作为X或者Y轴，最后一步是确定坐标原点。以上的建立顺序是有明确的先后顺序要求的，不可随意改变。X、Y、Z轴的确定使用“右手定则”。在实际的操作中，要严格按照上述方法完成坐标系的建立，只有坐标系建立是标准无误的，才能确保后续测量过程的准确性。
工件测量的主要检测项目是基本元素。“基本元素”是一个几何学上 的概念，指的是那些只用测量一些特征点就能够得到结果的基本元素。例如一些常见的规则几何体：环、球、半球、圆柱、椎体......具体来说，对于一个圆而言，只需要对圆上三个点进行测量就可以计算出圆的半径和圆心的位置，从而确定员的大小和位置。
在对基本元素进行测量后，通过构造而并非是直接测量得到的几何特征进行形位公差分析。最后，根据需要进行检测结果的输出以及报告的制作。
结 语
随着我国工业化进程的不断深入，越来越多的行业都有对工件进行精确测量的需求。三坐标测量机以其优越的性能自出现以来就始终活跃在广泛的测量一线。要想测量机能够精确 的完成各种测量任务就必须要使其各个系统和组成部分都处于正常工作状态，并要求操作员能够进行适当的调整。因此，在应用中更好地掌握并不断地加深理解其工作原理和性能，将对提高并拓展三坐标测量技术将发挥重大的作用。
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作者简介：罗兰敏（1973-），男，壮族，技师，大学本科，主要从事工艺工装检具工作。
李超（1987-），男，汉族，助理工程师，大学本科，主要从事质量监测工作。
论文作者:罗兰敏, 李超
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第07期
论文发表时间:2019/9/3
标签：测量论文; 测量机论文; 三坐标论文; 物体论文; 工件论文; 工作论文; 零件论文; 《科学与技术》2019年第07期论文;