三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMM)是一種以精密機(jī)械為基礎(chǔ)，綜合應(yīng)用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、光柵與激光干涉技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的檢測(cè)儀器。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的主要功能是：
    (1)可實(shí)現(xiàn)空間坐標(biāo)點(diǎn)的測(cè)量，數(shù)控機(jī)床廠可方便地測(cè)量各種零件的三維輪廓尺寸、位置精度等。測(cè)量精確可靠，萬(wàn)能性強(qiáng)。
    (2)由于計(jì)算機(jī)的引入，可方便地進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算與程序控制，并具有很高的智能化程度。因此，它不僅可方便地進(jìn)行空間三維尺寸的測(cè)量，還可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)檢測(cè)。在模具制造工業(yè)中，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)充分顯示了在測(cè)量方面的萬(wàn)能性、測(cè)量對(duì)象的多樣性。
    (一)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的分類(lèi)與構(gòu)成
    三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)按其工作方式可分為點(diǎn)位測(cè)量方式和連續(xù)掃描測(cè)量方式。點(diǎn)位測(cè)量方式是由測(cè)量機(jī)采集零件表面上一系列有意義的空間點(diǎn)，通過(guò)數(shù)學(xué)處理，求出這些點(diǎn)所組成的特定幾何元素的形狀和位置。連續(xù)掃描測(cè)量方式是對(duì)曲線、曲面輪廓進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，多為大、中型測(cè)量機(jī)。
    根據(jù)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的結(jié)構(gòu)形式及三個(gè)方向測(cè)量軸的相互配置位置的不同，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)可分為懸臂式、橋式、龍門(mén)式、立柱式、坐標(biāo)鏜床式等，如圖1—48所示。它們各有特點(diǎn)及相應(yīng)的適用范圍如下：
    (1)懸臂式的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)控機(jī)床廠工作面開(kāi)闊、裝卸工件方便、便于測(cè)量，但懸臂易于變形，且變形量隨測(cè)量軸丁軸的位置變化，因此丁軸測(cè)量范圍受限。
    (2)橋式測(cè)量機(jī)結(jié)構(gòu)剛性好，x、y、z方向的行程大，一般為大型機(jī)。
    (3)龍門(mén)式的特點(diǎn)是龍門(mén)架剛度大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，精度較高。由于龍門(mén)或工作臺(tái)可以移動(dòng)，使裝卸工件方便，但考慮龍門(mén)移動(dòng)或工作臺(tái)移動(dòng)的慣性，龍門(mén)式測(cè)量機(jī)一般為小型機(jī)。
    (4)立柱式適合于大型工件的測(cè)量。
    (5)坐標(biāo)鏜床式的結(jié)構(gòu)與鏜床基本相同，結(jié)構(gòu)剛性好，測(cè)量精度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適用于小型工件。
    三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)按測(cè)量范圍可分為大型、中型和小型。按其精度可分兩類(lèi)：①精密型，一般放在有恒溫條件的計(jì)量室，用于精密測(cè)量，分辨率一般為0．5～21lm；②生產(chǎn)型，數(shù)控機(jī)床廠一般放在生產(chǎn)車(chē)間，用于生產(chǎn)過(guò)程檢測(cè)，并可進(jìn)行末道工序的精加工，分辨率為5Flm或10憐m。
    三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的規(guī)格品種很多，但基本組成大致一樣，主要由測(cè)量機(jī)主體、測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。
    1．三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的主體
    三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的主體的運(yùn)動(dòng)部件包括沿x軸移動(dòng)的主滑架、沿丁向移動(dòng)的副滑架、沿z向移動(dòng)的z軸，以及底座、測(cè)量工作臺(tái)。測(cè)量機(jī)的工作臺(tái)多為花崗巖制造，具有穩(wěn)定、抗彎曲、抗振動(dòng)、不易變形等優(yōu)點(diǎn)。
    2．三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量系統(tǒng)
    三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量系統(tǒng)包括測(cè)頭和標(biāo)準(zhǔn)器。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)頭用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的測(cè)量，是直接影響測(cè)量機(jī)測(cè)量精度、操作的自動(dòng)化程度和檢測(cè)效率的重要部件。
    三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)頭可分接觸式和非接觸式兩類(lèi)。數(shù)控機(jī)床廠在接觸式測(cè)量頭中又分機(jī)械式測(cè)頭和電氣式測(cè)頭。此外，生產(chǎn)型測(cè)量機(jī)還可配有專(zhuān)用測(cè)頭式切削工具，如專(zhuān)用銑削頭和氣動(dòng)鉆頭等。
    機(jī)械接觸式測(cè)頭為具有各種形狀(如錐形、球形)的剛性測(cè)頭、帶千分表的測(cè)頭以及劃針式工具。機(jī)械接觸式測(cè)頭主要用于手動(dòng)測(cè)量，由于手動(dòng)測(cè)量的測(cè)量力不易控制，測(cè)量力的變化會(huì)降低瞄準(zhǔn)精度，因此只適用于一般精度的測(cè)量。
    電氣接觸式測(cè)頭的觸端與被測(cè)件接觸后可作偏移，傳感器輸出模擬位移量信號(hào)。這種測(cè)頭既可以用于瞄準(zhǔn)(過(guò)零發(fā)信)，也可以用于測(cè)微(測(cè)給定坐標(biāo)值的偏差)，因此電氣接觸式測(cè)頭主要分為電觸式開(kāi)關(guān)測(cè)頭和三向測(cè)微電感測(cè)頭，其中電觸式開(kāi)關(guān)測(cè)頭應(yīng)用較廣泛。
    非接觸式測(cè)頭主要由光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成，如投影屏式顯微鏡、電視掃描頭，適用于軟、薄、脆的工件測(cè)量。
    (二)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量方法
    一般點(diǎn)位測(cè)量有三種測(cè)量方法：直接測(cè)量、數(shù)控機(jī)床廠程序測(cè)量和自學(xué)習(xí)測(cè)量。
    (1)直接測(cè)量方法(即手動(dòng)測(cè)量)。操作員將決定的順序利用鍵盤(pán)輸入指令，系統(tǒng)逐步執(zhí)
行的操作方式，測(cè)量時(shí)根據(jù)被測(cè)零件的形狀調(diào)用相應(yīng)的測(cè)量指令，以手動(dòng)或數(shù)控方式采樣，其
中數(shù)控方式是把測(cè)頭拉到接近測(cè)量部位，系統(tǒng)根據(jù)給定的點(diǎn)數(shù)自動(dòng)采點(diǎn)。測(cè)量機(jī)通過(guò)接口將測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)值送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，并將結(jié)果輸出顯示或打印。
    (2)程序測(cè)量方法。將測(cè)量一個(gè)零件所需要的全部操作按照其執(zhí)行順序編程，以文件形式存入磁盤(pán)，測(cè)量時(shí)按運(yùn)行程序控制測(cè)量機(jī)自動(dòng)測(cè)量。該方法適用于成批零件的重復(fù)測(cè)量。
    零件測(cè)量程序的結(jié)構(gòu)一般包括以下內(nèi)容：
    1)程序初始化。如指定文件名、存儲(chǔ)器置零、對(duì)不同于缺省條件的某些條件給出有關(guān)選擇指令。
    2)測(cè)頭管理和零件管理。如測(cè)頭定義或再校正、數(shù)控機(jī)床廠臨時(shí)零點(diǎn)定義、數(shù)學(xué)找正、建立永久原點(diǎn)等。
    3)測(cè)量的循環(huán)。①定位，使測(cè)頭在進(jìn)入下一采樣點(diǎn)前，先進(jìn)入定位點(diǎn)(使測(cè)頭接近采樣點(diǎn)時(shí)可避免碰撞工件的位置)；②采樣處理，包括預(yù)備指令和操作指令，如測(cè)孔指令前先給出采樣點(diǎn)數(shù)、孔的軸線理論坐標(biāo)及直徑等參數(shù)的指令；③測(cè)量值的處理；④關(guān)閉文件結(jié)束整個(gè)測(cè)量過(guò)程。
    (3)自學(xué)習(xí)測(cè)量方法。操作者對(duì)第一個(gè)零件執(zhí)行直接測(cè)量方式的正常測(cè)量循環(huán)中，借助適當(dāng)命令使系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)生相應(yīng)的零件測(cè)量程序，對(duì)其余零件測(cè)量時(shí)重復(fù)調(diào)用。該方法與手I編程相比，省時(shí)且不易出錯(cuò)。但要求操作員熟練掌握直接測(cè)量技巧，注意操作的目的是獲得零件測(cè)量程序，嚴(yán)格掌握操作的正確性。
    自學(xué)習(xí)測(cè)量過(guò)程中，系統(tǒng)可以兩種方式進(jìn)行自學(xué)習(xí)：對(duì)于系統(tǒng)不需要對(duì)其進(jìn)行任何計(jì)算的指令，如測(cè)頭定義、參考坐標(biāo)系的選擇等指令，系統(tǒng)采用直接記錄方式。數(shù)控機(jī)床廠許可記錄方式用于測(cè)量計(jì)算的有關(guān)指令，只有在操作者確認(rèn)無(wú)誤時(shí)才記錄，如測(cè)頭校正、零件校正等指令。當(dāng)測(cè)量循環(huán)完成或在執(zhí)行程序的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)操作錯(cuò)誤時(shí)，可中斷零件程序的生成，進(jìn)入編輯狀態(tài)修改，然后再?gòu)臄帱c(diǎn)啟動(dòng)。
    (三)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的應(yīng)用
    (1)多種幾何量的測(cè)量。測(cè)量前必須根據(jù)被測(cè)件的形狀特點(diǎn)選擇測(cè)頭并進(jìn)行測(cè)頭的定義和校驗(yàn)，并對(duì)被測(cè)件的安裝位置進(jìn)行找正。
    1)觸頭的定義和校驗(yàn)。在測(cè)量過(guò)程中，當(dāng)觸頭接觸零件時(shí)，計(jì)算機(jī)將存人測(cè)頭中心坐標(biāo)，而不是零件接觸點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)，因而觸頭的定義包括觸頭半徑和測(cè)桿的長(zhǎng)度造成的中心偏置，以及多觸頭測(cè)量時(shí)各個(gè)觸頭定義代碼。測(cè)量觸頭的校驗(yàn)還包括使計(jì)算機(jī)記錄各觸頭沿測(cè)量機(jī)不同方向測(cè)同一測(cè)點(diǎn)時(shí)的長(zhǎng)度差別，以便實(shí)際測(cè)量時(shí)系統(tǒng)能自動(dòng)補(bǔ)償。觸頭的定義和校驗(yàn)可直接調(diào)用測(cè)頭管理程序、參考點(diǎn)標(biāo)定和測(cè)頭校正程序來(lái)進(jìn)行，將各觸頭分別測(cè)量固定在工作臺(tái)上已標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)球或杯準(zhǔn)塊，計(jì)算機(jī)即將各測(cè)頭測(cè)量時(shí)的坐標(biāo)值計(jì)算出各觸頭的實(shí)際球徑和相互位置尺寸，并將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于寄存器作為以后測(cè)量時(shí)的補(bǔ)償值。經(jīng)過(guò)校驗(yàn)的不同觸頭測(cè)同一點(diǎn)，數(shù)控機(jī)床廠可得到同樣的測(cè)量結(jié)果。
    2)零件的找正。指在測(cè)量機(jī)上用數(shù)學(xué)方法為工件的測(cè)量建立新的坐標(biāo)基準(zhǔn)。測(cè)量時(shí)，工件任意放置在工作臺(tái)上，其基準(zhǔn)線或基準(zhǔn)面與測(cè)量機(jī)的坐標(biāo)軸(x、y、z軸的移動(dòng)方向)不需要精確找正，為了消除這種基準(zhǔn)不重合對(duì)測(cè)量精度的影響，用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，根據(jù)新基準(zhǔn)計(jì)算校正測(cè)量結(jié)果。因此，這種零件找正的方法稱(chēng)為數(shù)學(xué)找正。
零件找正的主要步驟有：①根據(jù)采用的三維找正或二維找正方法，確定初始參考坐標(biāo)系；②運(yùn)行找正程序；③選定第一坐標(biāo)軸；④調(diào)用相應(yīng)子程序進(jìn)行測(cè)量并存儲(chǔ)結(jié)果；⑤選第二坐標(biāo)軸；⑥調(diào)用相應(yīng)子程序進(jìn)行測(cè)量并存儲(chǔ)結(jié)果。對(duì)于三維找正中的第三軸，系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)右手坐標(biāo)準(zhǔn)則確定。
    工件測(cè)量坐標(biāo)系設(shè)定后，即可調(diào)用測(cè)量指令進(jìn)行測(cè)量。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量被測(cè)工件的形狀、位置、中心和尺寸等方面的應(yīng)用舉例。
    (2)實(shí)物程序編制。對(duì)于在數(shù)控機(jī)床上加工的形狀復(fù)雜的零件，當(dāng)其形狀難于建立數(shù)學(xué)模型使程序編制困難時(shí)，常常可以借助于測(cè)量機(jī)。通過(guò)對(duì)木質(zhì)、塑料、數(shù)控機(jī)床廠黏土或石膏制的模型或?qū)嵨锏臏y(cè)量，得到加工面幾何形狀的各項(xiàng)參數(shù)，經(jīng)過(guò)實(shí)物程序軟件系統(tǒng)的處理，輸出所需結(jié)果。
    例如，高速數(shù)字化掃描機(jī)實(shí)際上是一臺(tái)連續(xù)掃描測(cè)量方式的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，主要用于對(duì)模具未知曲面進(jìn)行掃描測(cè)量，可將測(cè)得的數(shù)據(jù)存人計(jì)算機(jī)，根據(jù)模具制造需要，實(shí)現(xiàn)：①對(duì)掃描模型進(jìn)行陰、陽(yáng)模轉(zhuǎn)換，生成需要的CNC加工程序；②借助繪圖設(shè)備和繪圖軟件得到復(fù)雜零件的設(shè)計(jì)圖樣，即生成各種CAD數(shù)據(jù)。
    (3)輕型加工。生產(chǎn)型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)除用于零件的測(cè)量外，還可用于劃線、打沖眼、鉆孑L、微量銑削及末道工序精加工等輕型加工，在模具制造中可用于模具的安裝、裝配。
    三坐標(biāo)劃線機(jī)即立柱式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，數(shù)控機(jī)床廠主要用于金屬加工中的精密劃線和外形輪廓的檢測(cè)，特別適用于大型工件制造、模具制造、汽車(chē)和造船制造業(yè)及鑄件加工等。它與生產(chǎn)型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在結(jié)構(gòu)和精度上有較大區(qū)別，屬于生產(chǎn)適用型三坐標(biāo)機(jī)，可承受檢測(cè)環(huán)境較惡劣的劃線和計(jì)量測(cè)試技術(shù)工作。