悬臂式三坐标测量机（CMM）在数控机床应用的特性

三坐标测量机(CMM)是一种以精密机械为基础，综合应用电子技术、计算机技术、光栅与激光干涉技术等先进技术的检测仪器。三坐标测量机的主要功能是：

1)可实现空间坐标点的测量，数控机床厂可方便地测量各种零件的三维轮廓尺寸、位置精度等。测量精确可靠，万能性强。

2)由于计算机的引入，可方便地进行数字运算与程序控制，并具有很高的智能化程度。因此，它不仅可方便地进行空间三维尺寸的测量，还可实现主动测量和自动检测。在模具制造工业中，三坐标测量机充分显示了在测量方面的万能性、测量对象的多样性。

三坐标测量机的分类与构成

三坐标测量机按其工作方式可分为点位测量方式和连续扫描测量方式。点位测量方式是由测量机采集零件表面上一系列有意义的空间点，通过数学处理，求出这些点所组成的特定几何元素的形状和位置。连续扫描测量方式是对曲线、曲面轮廓进行连续测量，多为大、中型测量机。

根据三坐标测量机的结构形式及三个方向测量轴的相互配置位置的不同，三坐标测量机可分为悬臂式、桥式、龙门式、立柱式、坐标镗床式。它们各有特点及相应的适用范围如下：

1．悬臂式的特点是结构紧凑、数控机床厂工作面开阔、装卸工件方便、便于测量，但悬臂易于变形，且变形量随测量轴丁轴的位置变化，因此丁轴测量范围受限。

2．桥式测量机结构刚性好，x、y、z方向的行程大，一般为大型机。

3．龙门式的特点是龙门架刚度大，结构稳定性好，精度较高。由于龙门或工作台可以移动，使装卸工件方便，但考虑龙门移动或工作台移动的惯性，龙门式测量机一般为小型机。

4．立柱式适合于大型工件的测量。

5．坐标镗床式的结构与镗床基本相同，结构刚性好，测量精度高，但结构复杂，适用于小型工件。

三坐标测量机按测量范围可分为大型、中型和小型。按其精度可分两类：①精密型，一般放在有恒温条件的计量室，用于精密测量，分辨率一般为0.5~21lm；②生产型，数控机床厂一般放在生产车间，用于生产过程检测，并可进行末道工序的精加工。

三坐标测量机的规格品种很多，但基本组成大致一样，主要由测量机主体、测量系统、控制系统和数据处理系统组成。

1．三坐标测量机的主体

三坐标测量机的主体的运动部件包括沿x轴移动的主滑架、沿丁向移动的副滑架、沿z向移动的z轴，以及底座、测量工作台。测量机的工作台多为花岗岩制造，具有稳定、抗弯曲、抗振动、不易变形等优点。

2．三坐标测量机的测量系统

三坐标测量机的测量系统包括测头和标准器。三坐标测量机的测头用来实现对工件的测量，是直接影响测量机测量精度、操作的自动化程度和检测效率的重要部件。

三坐标测量机的测头可分接触式和非接触式两类。数控机床厂在接触式测量头中又分机械式测头和电气式测头。此外，生产型测量机还可配有专用测头式切削工具，如专用铣削头和气动钻头等。

机械接触式测头为具有各种形状(如锥形、球形)的刚性测头、带千分表的测头以及划针式工具。机械接触式测头主要用于手动测量，由于手动测量的测量力不易控制，测量力的变化会降低瞄准精度，因此只适用于一般精度的测量。

电气接触式测头的触端与被测件接触后可作偏移，传感器输出模拟位移量信号。这种测头既可以用于瞄准(过零发信)，也可以用于测微(测给定坐标值的偏差)，因此电气接触式测头主要分为电触式开关测头和三向测微电感测头，其中电触式开关测头应用较广泛。

非接触式测头主要由光学系统构成，如投影屏式显微镜、电视扫描头，适用于软、薄、脆的工件测量。

三坐标测量机的测量方法

一般点位测量有三种测量方法：直接测量、数控机床厂程序测量和自学习测量。

1．直接测量方法(即手动测量)。

操 作员将决定的顺序利用键盘输入指令，系统逐步执行的操作方式，测量时根据被测零件的形状调用相应的测量指令，以手动或数控方式采样，其中数控方式是把测头 拉到接近测量部位，系统根据给定的点数自动采点。测量机通过接口将测量点坐标值送入计算机进行处理，并将结果输出显示或打印。

2．程序测量方法。

将测量一个零件所需要的全部操作按照其执行顺序编程，以文件形式存入磁盘，测量时按运行程序控制测量机自动测量。该方法适用于成批零件的重复测量。

零件测量程序的结构一般包括以下内容：

1）程序初始化。如指定文件名、存储器置零、对不同于缺省条件的某些条件给出有关选择指令。

2）测头管理和零件管理。如测头定义或再校正、数控机床厂临时零点定义、数学找正、建立永久原点等。

3）测量的循环。①定位，使测头在进入下一采样点前，先进入定位点(使测头接近采样点时可避免碰撞工件的位置)；②采样处理，包括预备指令和操作指令，如测孔指令前先给出采样点数、孔的轴线理论坐标及直径等参数的指令；③测量值的处理；④关闭文件，结束整个测量过程。

3．自学习测量方法。

操作者对第一个零件执行直接测量方式的正常测量循环中，借助适当命令使系统自动产生相应的零件测量程序，对其余零件测量时重复调用。该方法与手工编程相比，省时且不易出错。但要求操作员熟练掌握直接测量技巧，注意操作的目的是获得零件测量程序，严格掌握操作的正确性。

自 学习测量过程中，系统可以两种方式进行自学习：对于系统不需要对其进行任何计算的指令，如测头定义、参考坐标系的选择等指令，系统采用直接记录方式。数控 机床厂许可记录方式用于测量计算的有关指令，只有在操作者确认无误时才记录，如测头校正、零件校正等指令。当测量循环完成或在执行程序的过程中发现操作错 误时，可中断零件程序的生成，进入编辑状态修改，然后再从断点启动。

三坐标测量机的应用

1．多种几何量的测量。测量前必须根据被测件的形状特点选择测头，并进行测头的定义和校验，并对被测件的安装位置进行找正。

1)触 头的定义和校验。在测量过程中，当触头接触零件时，计算机将存人测头中心坐标，而不是零件接触点的实际坐标，因而触头的定义包括触头半径和测杆的长度造成 的中心偏置，以及多触头测量时各个触头定义代码。测量触头的校验还包括使计算机记录各触头沿测量机不同方向测同一测点时的长度差别，以便实际测量时系统能 自动补偿。触头的定义和校验可直接调用测头管理程序、参考点标定和测头校正程序来进行，将各触头分别测量固定在工作台上已标定的标准球或标准块，计算机即 将各测头测量时的坐标值计算出各触头的实际球径和相互位置尺寸，并将这些数据存储于寄存器作为以后测量时的补偿值。经过校验的不同触头测同一点，数控机床 厂可得到同样的测量结果。

2)零件的找正。指在测量机上用数学方法为工件的测量建立新的坐标基准。测量时，工件任意放置在工作台上，其基准线或基准面与测量机的坐标轴(x、y、z轴的移动方向)不需要精确找正，为了消除这种基准不重合对测量精度的影响，用计算机对其进行坐标转换，根据新基准计算校正测量结果。因此，这种零件找正的方法称为数学找正。

零件找正的主要步骤有：

①根据采用的三维找正或二维找正方法，确定初始参考坐标系；

②运行找正程序；

③选定第一坐标轴；

④调用相应子程序进行测量并存储结果；

⑤选第二坐标轴；

⑥调用相应子程序进行测量并存储结果。

对于三维找正中的第三轴，系统自动根据右手坐标准则确定。

工件测量坐标系设定后，即可调用测量指令进行测量。

2．实物程序编制。对于在数控机床上加工的形状复杂的零件，当其形状难于建立数学模型使程序编制困难时，常常可以借助于测量机。通过对木质、塑料、数控机床厂黏土或石膏制的模型或实物的测量，得到加工面几何形状的各项参数，经过实物程序软件系统的处理，输出所需结果。

例如，高速数字化扫描机实际上是一台连续扫描测量方式的坐标测量机，主要用于对模具未知曲面进行扫描测量，可将测得的数据存人计算机，根据模具制造需要，实现：

①对扫描模型进行阴、阳模转换，生成需要的CNC加工程序；

②借助绘图设备和绘图软件得到复杂零件的设计图样，即生成各种CAD数据。

3．轻型加工。生产型三坐标测量机除用于零件的测量外，还可用于划线、打冲眼、钻孔、微量铣削及末道工序精加工等轻型加工，在模具制造中可用于模具的安装、装配。

三 坐标划线机即立柱式三坐标测量机，数控机床厂主要用于金属加工中的精密划线和外形轮廓的检测，特别适用于大型工件制造、模具制造、汽车和造船制造业及铸件 加工等。它与生产型三坐标测量机在结构和精度上有较大区别，属于生产适用型三坐标机，可承受检测环境较恶劣的划线和计量测试技术工作。

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