淺析三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用知識(shí)
三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量系統(tǒng)由標(biāo)尺系統(tǒng)和測(cè)頭系統(tǒng)構(gòu)成，它們是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的關(guān)鍵組成部分，決定著CMM三坐標(biāo)測(cè)量儀測(cè)量精度的高低。在三坐標(biāo)測(cè)量儀的測(cè)量系統(tǒng)中，主要包括標(biāo)尺系統(tǒng)與測(cè)頭系統(tǒng)。
一、標(biāo)尺系統(tǒng)
標(biāo)尺系統(tǒng)是用來度量各軸的坐標(biāo)數(shù)值的，目前三次元測(cè)量機(jī)上使用的標(biāo)尺系統(tǒng)種類很多，它們與在各種機(jī)床和儀器上使用的標(biāo)尺系統(tǒng)大致相同，按其性質(zhì)可以分為機(jī)械式標(biāo)尺系統(tǒng)（如精密絲杠加微分鼓輪，精密齒條及齒輪，滾動(dòng)直尺）、光學(xué)式標(biāo)尺系統(tǒng)（如光學(xué)讀數(shù)刻線尺，光學(xué)編碼器，光柵，激光干涉儀）和電氣式標(biāo)尺系統(tǒng)（如感應(yīng)同步器，磁柵）。根據(jù)對(duì)國內(nèi)外生產(chǎn)CMM三坐標(biāo)測(cè)量儀所使用的標(biāo)尺系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析可知，使用最多的是光柵，其次是感應(yīng)同步器和光學(xué)編碼器。有些高精度CMM三次元測(cè)量機(jī)的標(biāo)尺系統(tǒng)采用了激光干涉儀。
二、測(cè)頭系統(tǒng)
?。ㄒ唬y(cè)頭
三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是用測(cè)頭來拾取信號(hào)的，因而測(cè)頭的性能直接影響測(cè)量精度和測(cè)量效率，沒有的測(cè)頭就無法充分發(fā)揮測(cè)量機(jī)的功能。在三次元測(cè)量儀上使用的測(cè)頭，按結(jié)構(gòu)原理可分為機(jī)械式、光學(xué)式和電氣式等；而按測(cè)量方法又可分為接觸式和非接觸式兩類。
1.機(jī)械接觸式測(cè)頭
機(jī)械接觸式測(cè)頭為剛性測(cè)頭，根據(jù)其觸測(cè)部位的形狀，可以分為圓錐形測(cè)頭、圓柱形測(cè)頭、球形測(cè)頭、半圓形測(cè)頭、點(diǎn)測(cè)頭、V型塊測(cè)頭等。這類測(cè)頭的形狀簡單，制造容易，但是三次元影像測(cè)量儀測(cè)量力的大小取決于操作者的經(jīng)驗(yàn)和技能，因此測(cè)量精度差、效率低。目前除少數(shù)手動(dòng)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)還采用此種測(cè)頭外，絕大多數(shù)三次元測(cè)量機(jī)已不再使用這類測(cè)頭。
2.電氣接觸式測(cè)頭
電氣接觸式測(cè)頭目前已為絕大部分三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)所采用，按其工作原理可分為動(dòng)態(tài)測(cè)頭和靜態(tài)測(cè)頭。
?。?）動(dòng)態(tài)測(cè)頭
測(cè)桿安裝在芯體上，而芯體則通過三個(gè)沿圓周1200分布的鋼球安放在三對(duì)觸點(diǎn)上，當(dāng)測(cè)桿沒有受到測(cè)量力時(shí)，芯體上的鋼球與三對(duì)觸點(diǎn)均保持接觸，當(dāng)測(cè)桿的球狀端部與工件接觸時(shí)，不論受到X、Y、Z哪個(gè)方向的接觸力，至少會(huì)引起一個(gè)鋼球與觸點(diǎn)脫離接觸，從而引起電路的斷開，產(chǎn)生階躍信號(hào)，直接或通過計(jì)算機(jī)控制采樣電路，將沿三個(gè)軸方向的坐標(biāo)數(shù)據(jù)送至存儲(chǔ)器，供數(shù)據(jù)處理用。
?。?）靜態(tài)測(cè)頭
三坐標(biāo)的靜態(tài)測(cè)頭除具備觸發(fā)式測(cè)頭的觸發(fā)采樣功能外，還相當(dāng)于一臺(tái)超小型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。測(cè)頭中有三維幾何量傳感器，在測(cè)頭與工件表面接觸時(shí)，在X、Y、Z三個(gè)方向均有相應(yīng)的位移量輸出，從而驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，使測(cè)頭停在規(guī)定的位移量上，在測(cè)頭接近靜止的狀態(tài)下采集三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，故稱為靜態(tài)測(cè)頭。靜態(tài)測(cè)頭沿工件表面移動(dòng)時(shí)，可始終保持接觸狀態(tài)，進(jìn)行掃描測(cè)量，因而也稱為掃描測(cè)頭。其主要特點(diǎn)是精度高，可以作連續(xù)掃描，但制造技術(shù)難度大，采樣速度慢，價(jià)格昂貴，適合于高精度測(cè)量機(jī)使用。
（3）光學(xué)測(cè)頭
在多數(shù)情況下，三次元測(cè)量儀的光學(xué)測(cè)頭與被測(cè)物體沒有機(jī)械接觸，這種非接觸式測(cè)量具有一些突出優(yōu)點(diǎn)，主要體現(xiàn)在：
1）由于不存在測(cè)量力，因而適合于測(cè)量各種軟的和薄的工件；
2）由于是非接觸測(cè)量，可以對(duì)工件表面進(jìn)行快速掃描測(cè)量；
3）多數(shù)光學(xué)測(cè)頭具有比較大的量程，這是一般接觸式測(cè)頭難以達(dá)到的；
4）可以探測(cè)工件上一般機(jī)械測(cè)頭難以探測(cè)到的部位。
近年來，光學(xué)測(cè)頭發(fā)展較快，目前在三次元測(cè)量機(jī)上應(yīng)用的光學(xué)測(cè)頭的種類也較多，如三角法測(cè)頭、激光聚集測(cè)頭、光纖測(cè)頭、體視式三維測(cè)頭、接觸式光柵測(cè)頭等。
?。ǘy(cè)頭附件
為了擴(kuò)大測(cè)頭功能、提高三次元的測(cè)量效率以及探測(cè)各種零件的不同部位，常需為測(cè)頭配置各種附件，如測(cè)端、探針、連接器、測(cè)頭回轉(zhuǎn)附件等。
1.測(cè)端
對(duì)于接觸式測(cè)頭，測(cè)端是與三坐標(biāo)被測(cè)工件表面直接接觸的部分。對(duì)于不同形狀的表面需要采用不同的測(cè)端。
2.探針
探針是指可更換的測(cè)桿。在有些情況下，為了便于測(cè)量，需選用不同的探針。探針對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量能力和測(cè)量精度有較大影響，在選用時(shí)應(yīng)注意：
1）在滿足測(cè)量要求的前提下，探針應(yīng)盡量短；
2）探針直徑必須小于測(cè)端直徑，在不發(fā)生干涉條件下，應(yīng)盡量選大直徑探針；
3）在需要長探針時(shí)，可選用硬質(zhì)合金探針，以提高剛度。若需要特別長的探針，可選用質(zhì)量較輕的陶瓷探針。
3.連接器
為了將探針連接到測(cè)頭上、測(cè)頭連接到回轉(zhuǎn)體上或三次元測(cè)量機(jī)主軸上，需采用各種連接器。常用的有星形探針連接器、連接軸、星形測(cè)頭座等。
4.回轉(zhuǎn)附件
對(duì)于有些工件表面的檢測(cè)，比如一些傾斜表面、整體葉輪葉片表面等，僅用與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的工作臺(tái)垂直的探針探測(cè)將無法完成要求的測(cè)量，這時(shí)就需要借助一定的回轉(zhuǎn)附件，使探針或整個(gè)測(cè)頭回轉(zhuǎn)一定角度再進(jìn)行測(cè)量，從而擴(kuò)大測(cè)頭的功能。
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