三坐标测量仪基础知识介绍

1.基础理论

1.1 什么是坐标测量机
由三个运动导轨，按笛卡儿坐标系组成的具有测量功能的测量仪器，称为坐标测量机，并且由计算机来分析处理数据（也可由计算机控制，实现全自动测量），是一种复杂程度很高的计量设备。

1.2 坐标测量机的原理是什么
几何量测量是以点的坐标位置为基础的，它分为一维、二维和三维测量。坐标测量机是一种几何量测量仪器，它的基本原理是将被测零件放入它容许的测量空间，精密地测出被测零件在X、Y、Z三个坐标位置的数值，根据这些点的数值经过计算机数据处理，拟合形成测量元素，如圆、球、圆柱、圆锥、曲面等，经过数学计算得出形状、位置公差及其他几何量数据。

1.3 坐标测量机的特点及主要用途是什么
从理论上讲，坐标测量机的特点是高精度（达到µm级）、高效率（数十、数百倍于传统测量手段）、万能性（可代替多种长度计量仪器）。因而多用于产品测绘，复杂型面检测，工夹具测量，研制过程中间测量，CNC机床或柔性生产线在线测量等方面。
一台坐标测量机综合应用了电子技术、计算机技术、数控技术、光栅测量技术（激光技术）、精密机械（包括新工艺、新材料和气浮技术）以及各种类型的测头系统等,能完成多种复杂零件的测量，还可以与计算机辅助设计连用，与加工设备连用等，用于产品的检验（形位测量、复杂型面的测量、工夹具模具测量、与CNC机床或柔性生产线在线测量），因此坐标测量技术已经在工业质量保证中找到了自己的特定地位。使用坐标测量机可以解决困难的测量问题，提高工作效率，并且节省专用夹具的制造，贮存，维修等工作。尤其在现代工业向高度自动化发展的今天，将CAD/CAM技术应用于测量机一一加工中心联机系统，测量机一－计算机工作站一一数控机床（生产线）的联机系统将得到进一步的推广，在新产品开发和计算机管理的自动生产线上，测量机的使用将越来越多越来越广。

1.4 坐标测量机的主要结构有哪几种形式，各有何优缺点
从结构形式上分，主要分为桥式、悬臂式、水平臂和龙门式（也称门架式）。
桥式坐标测量机是使用最多的一种机器，使用于中等测量空间，精度高。随着测量机自动化程度的提高，在小尺寸测量中用得很广。桥式坐标测量机分固定桥式和活动桥式两种：
活动桥式测量机：采用的最多的一种结构型式。它拥有固定的工作台支撑测量工件和
活动桥。其优点为结构刚性好，承重能力大；缺点为单边驱动时扭摆大，光栅偏置时阿贝误差较大。活动桥式结构可完成中型到大型零件的测量任务，测量准确度较高。相对悬臂式而言，测量的开敞性不好。
固定桥式测量机：高精度测量机通常采用这种结构。固定桥式测量机的优点是结构稳定，整机刚性强，中央驱动偏摆小，光栅在工作台的中央，阿贝误差小，X、Y方向运动的相互独立，相互影响小；缺点是测量对象伴随工作台运动运行速度低，承载能力较少。
悬臂式测量机：这种结构刚性好，操作方便，测量精度高，是小测量空间的测量机的典型形式。
水平臂式测量机：是大测量范围、低精度坐标测量机的典型形式。但其操作性能很好，由于其移动质量小，因而非常快速。在称为“测量机器人”中经常是这种形式的测量机。
龙门式测量机：是超大型机器，水平轴最大可到数十米，由于其刚性要比水平臂式好得多，因而对大尺寸而言具有足够的精度。

1.5 坐标测量机同传统测量技术相比优势在什么地方
传统测量技术
对工件要进行人工的精确及时的调整
专用测量仪和多工位测量仪很难适应测量任务的改变
与实体标准或运动学标准进行测量比较
尺寸形状和位置测量在不同的仪器上进行不相干的测量

坐标测量技术
不需对工件进行特殊调整
简单地调用所对应的软件，即能完成测量任务
与数学的或数字模型进行测量比较
尺寸、形状和位置的评定在一次安装
表1.1 坐标测量机同传统测量技术的比较

1.6 几个与测量有关的术语
阿贝误差：是指测量导轨系统中的误差，由导轨移动时的角度误差引起的，它使导轨上测量标尺与测量线上测头运行之间产生相对位移，且与“阿贝偏移”和导轨的角度误差成正比。
阿贝偏移：坐标测量机的测量系统与被测工件测量线上的点之间的垂直距离之值。
余弦误差：在移动方向上的测量误差，由线位移测量系统和测量的量规之间的角度偏差所引起的
分辨率：表示测量仪器对于被测量的最小变化反应的能力特性的大小
误差：尺寸测量结果减去尺寸测量的真值之间的偏差
测量线：在坐标测量机的工作区域，进行测量的线
测量点：工件表面的某点以坐标测量机的坐标值的形式作为测量的一部分记录下来
随机误差：在实际相同条件下多次测量同一物理量值时，其绝对值或符号以不可预测的方式变化的误差
重复性：在下列条件下，连续进行同样测量的结果之间的接近程度
同样的测量方法
同样的操作者
同样的位置
同样的使用条件
在短时间内的重复操作
系统误差：在同样条件下，大量的同尺寸测量，其绝对值和符号保持不变；或当条件变化时，以确定的规律变化的误差
不确定度：由误差极限所确定的测量结果的离散特性
长度测量的不确定度：坐标测量机测定的在参考测量标准平行平面上两相对点之间的距离的不确定度
空间测量的不确定度：坐标测量机在进行复合运动时，整个测量系统的系统误差和偶然误差合成而引起的不确定度

1.7 坐标测量机的标准与验收检验
在过去几十年里，已经有许多国家的验收办法、规范和标准被采用，主要包括：
JJG 799 – 92 中华人民共和国三坐标测量机检定规程（试行）
VDI/VDE 2617 德国工程师协会关于坐标测量机的检验规范
CMMA 坐标测量机生产商协会关于坐标测量机的检验规范
BS1 BS6808 英国标准研究院关于坐标测量机性能检验的方法
B89 美国国家标准研究院发布的坐标测量机性能评定的推荐标准
JIS B 7440-1987 日本关于坐标测量机精度检测的工业标准
ISO10360 – 2 国际标准化组织发布的坐标测量机性能评定
GB/T 16857.2 - 1997 中华人民共和国国家标准：关于坐标计量学第二部分：坐标
(eqv ISO 10360-2:1994) 测量机的性能评定
上述标准中规定的坐标测量机检验方法，主要是控制测量机自身的误差源，以及对坐标测量机长度测量的总不确定度和探测系统进行检验