淺析三坐標測量機測量系統(tǒng)的應(yīng)用知識
2025年04月12日 09:19:13
來源：南通智泰精密儀器有限公司 >> 進入該公司展臺
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三坐標測量機的測量系統(tǒng)由標尺系統(tǒng)和測頭系統(tǒng)構(gòu)成，它們是三坐標測量機的關(guān)鍵組成部分，決定著CMM三坐標測量儀測量精度的高低。在三坐標測量儀的測量系統(tǒng)中，主要包括標尺系統(tǒng)與測頭系統(tǒng)。
一、標尺系統(tǒng)
標尺系統(tǒng)是用來度量各軸的坐標數(shù)值的，目前三次元測量機上使用的標尺系統(tǒng)種類很多，它們與在各種機床和儀器上使用的標尺系統(tǒng)大致相同，按其性質(zhì)可以分為機械式標尺系統(tǒng)（如精密絲杠加微分鼓輪，精密齒條及齒輪，滾動直尺）、光學式標尺系統(tǒng)（如光學讀數(shù)刻線尺，光學編碼器，光柵，激光干涉儀）和電氣式標尺系統(tǒng)（如感應(yīng)同步器，磁柵）。根據(jù)對國內(nèi)外生產(chǎn)CMM三坐標測量儀所使用的標尺系統(tǒng)的統(tǒng)計分析可知，使用最多的是光柵，其次是感應(yīng)同步器和光學編碼器。有些高精度CMM三次元測量機的標尺系統(tǒng)采用了激光干涉儀。
二、測頭系統(tǒng)
?。ㄒ唬y頭
三坐標測量機是用測頭來拾取信號的，因而測頭的性能直接影響測量精度和測量效率，沒有的測頭就無法充分發(fā)揮測量機的功能。在三次元測量儀上使用的測頭，按結(jié)構(gòu)原理可分為機械式、光學式和電氣式等；而按測量方法又可分為接觸式和非接觸式兩類。
1.機械接觸式測頭
機械接觸式測頭為剛性測頭，根據(jù)其觸測部位的形狀，可以分為圓錐形測頭、圓柱形測頭、球形測頭、半圓形測頭、點測頭、V型塊測頭等。這類測頭的形狀簡單，制造容易，但是三次元影像測量儀測量力的大小取決于操作者的經(jīng)驗和技能，因此測量精度差、效率低。目前除少數(shù)手動三坐標測量機還采用此種測頭外，絕大多數(shù)三次元測量機已不再使用這類測頭。
2.電氣接觸式測頭
電氣接觸式測頭目前已為絕大部分三坐標測量機所采用，按其工作原理可分為動態(tài)測頭和靜態(tài)測頭。
?。?）動態(tài)測頭
測桿安裝在芯體上，而芯體則通過三個沿圓周1200分布的鋼球安放在三對觸點上，當測桿沒有受到測量力時，芯體上的鋼球與三對觸點均保持接觸，當測桿的球狀端部與工件接觸時，不論受到X、Y、Z哪個方向的接觸力，至少會引起一個鋼球與觸點脫離接觸，從而引起電路的斷開，產(chǎn)生階躍信號，直接或通過計算機控制采樣電路，將沿三個軸方向的坐標數(shù)據(jù)送至存儲器，供數(shù)據(jù)處理用。
?。?）靜態(tài)測頭
三坐標的靜態(tài)測頭除具備觸發(fā)式測頭的觸發(fā)采樣功能外，還相當于一臺超小型三坐標測量機。測頭中有三維幾何量傳感器，在測頭與工件表面接觸時，在X、Y、Z三個方向均有相應(yīng)的位移量輸出，從而驅(qū)動伺服系統(tǒng)進行自動調(diào)整，使測頭停在規(guī)定的位移量上，在測頭接近靜止的狀態(tài)下采集三維坐標數(shù)據(jù)，故稱為靜態(tài)測頭。靜態(tài)測頭沿工件表面移動時，可始終保持接觸狀態(tài)，進行掃描測量，因而也稱為掃描測頭。其主要特點是精度高，可以作連續(xù)掃描，但制造技術(shù)難度大，采樣速度慢，價格昂貴，適合于高精度測量機使用。
（3）光學測頭
在多數(shù)情況下，三次元測量儀的光學測頭與被測物體沒有機械接觸，這種非接觸式測量具有一些突出優(yōu)點，主要體現(xiàn)在：
1）由于不存在測量力，因而適合于測量各種軟的和薄的工件；
2）由于是非接觸測量，可以對工件表面進行快速掃描測量；
3）多數(shù)光學測頭具有比較大的量程，這是一般接觸式測頭難以達到的；
4）可以探測工件上一般機械測頭難以探測到的部位。
近年來，光學測頭發(fā)展較快，目前在三次元測量機上應(yīng)用的光學測頭的種類也較多，如三角法測頭、激光聚集測頭、光纖測頭、體視式三維測頭、接觸式光柵測頭等。
（二）測頭附件
為了擴大測頭功能、提高三次元的測量效率以及探測各種零件的不同部位，常需為測頭配置各種附件，如測端、探針、連接器、測頭回轉(zhuǎn)附件等。
1.測端
對于接觸式測頭，測端是與三坐標被測工件表面直接接觸的部分。對于不同形狀的表面需要采用不同的測端。
2.探針
探針是指可更換的測桿。在有些情況下，為了便于測量，需選用不同的探針。探針對三坐標測量機的測量能力和測量精度有較大影響，在選用時應(yīng)注意：
1）在滿足測量要求的前提下，探針應(yīng)盡量短；
2）探針直徑必須小于測端直徑，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，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頭上、測頭連接到回轉(zhuǎn)體上或三次元測量機主軸上，需采用各種連接器。常用的有星形探針連接器、連接軸、星形測頭座等。
4.回轉(zhuǎn)附件
對于有些工件表面的檢測，比如一些傾斜表面、整體葉輪葉片表面等，僅用與三坐標測量機的工作臺垂直的探針探測將無法完成要求的測量，這時就需要借助一定的回轉(zhuǎn)附件，使探針或整個測頭回轉(zhuǎn)一定角度再進行測量，從而擴大測頭的功能。
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