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儀器簡(jiǎn)介
三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x是指在一個(gè)六面體的空間范圍內(nèi)，能夠表現(xiàn)幾何形狀、長(zhǎng)度及圓周分度等測(cè)量能力的儀器，又稱為三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)或三坐標(biāo)量床。三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x又可定義“一種具有可作三個(gè)方向移動(dòng)的探測(cè)器，可在三個(gè)相互垂直的導(dǎo)軌上移動(dòng)，此探測(cè)器以接觸或非接觸等方式傳遞訊號(hào)，三個(gè)軸的位移測(cè)量系統(tǒng)（如光柵尺）經(jīng)數(shù)據(jù)處理器或計(jì)算機(jī)等計(jì)算出工件的各點(diǎn)（x，y，z）及各項(xiàng)功能測(cè)量的儀器”。三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的測(cè)量功能應(yīng)包括尺寸精度、定位精度、幾何精度及輪廓精度等 [1]  。
機(jī)型介紹
結(jié)構(gòu)型式：三軸花崗巖、四面全環(huán)抱的德式活動(dòng)橋式結(jié)構(gòu)
傳動(dòng)方式：直流伺服系統(tǒng) + 預(yù)載荷高精度空氣軸承
長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)：RENISHAW開放式光柵尺，分辨率為0.1μm
測(cè)頭系統(tǒng)：雷尼紹控制器、雷尼紹測(cè)頭、雷尼紹測(cè)針
機(jī) 臺(tái)：高精度（00級(jí)）花崗巖平臺(tái)
使用環(huán)境：溫度(20±2)℃，濕度40%-70% ，溫度梯度1℃/m，溫度變化 1℃/h
空氣壓力：0.4 MPa - 0.6 Mpa
空氣流量：25 L/min
長(zhǎng)度精度MPEe： ≤2.1+L/350 (μm)
探測(cè)球精度MPEp： ≤2.1μm

按三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)可分為如下幾類：
1.移動(dòng)橋架型(Movingbridgetype)
移動(dòng)橋架型，為常用的三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)，軸為主軸在垂直方向移動(dòng)，廂形架導(dǎo)引主軸沿水平梁在方向移動(dòng)，此水平梁垂直軸且被兩支柱支撐于兩端，梁與支柱形成“橋架”，橋架沿著兩個(gè)在水平面上垂直和軸的導(dǎo)槽在軸方向移動(dòng)。因?yàn)榱旱膬啥吮恢е危钥傻玫叫〉膿隙龋冶葢冶坌陀休^高的精度。
2.床式橋架型(Bridgebedtype)
床式橋架型，軸為主軸在垂直方向移動(dòng)，廂形架導(dǎo)引主軸沿著垂直軸的梁而移動(dòng)，而梁沿著兩水平導(dǎo)軌在軸方向移動(dòng)，導(dǎo)軌位于支柱的上表面，而支柱固定在機(jī)械本體上。此型與移動(dòng)橋架型一樣，梁的兩端被支撐，因此梁的撓度為少。此型比懸臂型的精度好，因?yàn)橹挥辛涸谳S方向移動(dòng)，所以慣性比全部橋架移動(dòng)時(shí)為小，手動(dòng)操作時(shí)比移動(dòng)橋架型較容易。
3.柱式橋架型(Gantrytype)
柱式橋架型，與床式橋架型式比較時(shí)，柱式橋架型其架是直接固定在地板上又稱為門型，比床式橋架型有較大且更好的剛性，大部分用在較大型的三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x上。各軸都以馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，測(cè)量范圍很大，操作者可以在橋架內(nèi)工作。
4.固定橋架型(Fixedbridgetype)
固定橋架型，軸為主軸在垂直方向移動(dòng)，廂形架導(dǎo)引主軸沿著垂直軸的水平橫梁上做方向移動(dòng)。橋架(支柱)被固定在機(jī)器本體上，測(cè)量臺(tái)沿著水平平面的導(dǎo)軌作軸方向的移動(dòng)，且垂直于和軸。每軸皆由馬達(dá)來驅(qū)動(dòng)，可確保位置精度，此機(jī)型不適合手動(dòng)操作。
5.L形橋架型(L-Shpaedbridgetype)
L形橋架型，這個(gè)設(shè)計(jì)乃是為了使橋架在軸移動(dòng)時(shí)有小的慣性而作的改變。它與移動(dòng)橋架型相比較，移動(dòng)組件的慣性較少，因此操作較容易，但剛性較差。
6.軸移動(dòng)懸臂型(Fixedtablecantileverarmtype)
軸移動(dòng)懸臂型，軸為主軸在垂直方向移動(dòng)，廂形架導(dǎo)引主軸沿著垂直軸的水平懸臂梁在軸方向移動(dòng)，懸臂梁沿著在水平面的導(dǎo)槽在軸方向移動(dòng)，且垂直于軸和軸。此型為三邊開放，容易裝拆工件，且工件可以伸面即可容納較大工件，但因懸臂會(huì)造成精度不高。
7.單支柱移動(dòng)型(Movingtablecantileverarmtype)
單支柱移動(dòng)型，軸為主軸在垂直方向移動(dòng)，支柱整體沿著水平面的導(dǎo)槽在軸上移動(dòng)，且垂直軸，而軸連接于支柱上。測(cè)量臺(tái)沿著水平面的導(dǎo)槽在軸上移動(dòng)，且垂直軸和軸。此型測(cè)量臺(tái)面、支柱等具很好的剛性，因此變形少，且各軸的線性刻度尺與測(cè)量軸較接近，以符合阿貝定理。
8.單支柱測(cè)量臺(tái)移動(dòng)型(Singlecolumnxytabletype)
單支柱測(cè)量臺(tái)移動(dòng)型，軸為主軸在垂直方向移動(dòng)，支柱上附有軸導(dǎo)槽，支柱被固定在測(cè)量?jī)x本體上。測(cè)量時(shí)，測(cè)量臺(tái)在水平面上沿著軸和軸方向作移動(dòng)。
9.水平臂測(cè)量臺(tái)移動(dòng)型(Movingtablehorizontalarmtype)
水平臂測(cè)量臺(tái)移動(dòng)型，廂形架支撐水平臂沿著垂直的支柱在垂直(軸)的方向移動(dòng)。探頭裝在水平方向的懸臂上，支柱沿著水平面的導(dǎo)槽在軸方向移動(dòng)，且垂直軸，測(cè)量臺(tái)沿著水平面的導(dǎo)槽在軸方向移動(dòng)，且垂直于軸和軸。這是水平懸臂型的改良設(shè)計(jì)，為了消除水平臂在軸方向，因伸出或縮回所產(chǎn)生的撓度。
10.水平臂測(cè)量臺(tái)固定型(Fixedtablehorizontalarmtype)
水平臂測(cè)量臺(tái)固定型，其構(gòu)造與測(cè)量臺(tái)移動(dòng)型相似。此型測(cè)量臺(tái)固定，、軸均在導(dǎo)槽內(nèi)移動(dòng)，測(cè)量時(shí)支柱在軸的導(dǎo)槽移動(dòng)，而軸滑動(dòng)臺(tái)面在垂直軸方向移動(dòng)。
11.水平臂移動(dòng)型(Movingramhorizotalarmtype)
水平臂移動(dòng)型，軸懸臂在水平方向移動(dòng)，支撐水平臂的廂形架沿著支柱在軸方向移動(dòng)，而支柱垂直軸。支柱沿著水平面的導(dǎo)槽在軸方向移動(dòng)，且垂直軸和軸，故不適合高精度的測(cè)量。除非水平臂在伸出或回收時(shí)，對(duì)因重量而造成的誤差有所補(bǔ)償。大多數(shù)情況應(yīng)用在車輛檢驗(yàn)工作。
12.閉環(huán)橋架型(Ringbridgetype)
閉環(huán)橋架型，由于它的驅(qū)動(dòng)方式在工作臺(tái)中心，可減少因橋架移動(dòng)所造成沖擊，為所有三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x中穩(wěn)定的一種

使用方法
三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMM)的測(cè)量方式通常可分為接觸式測(cè)量、非接觸式測(cè)量和接觸與非接觸并用式測(cè)量。
其中，接觸測(cè)量方式常用于機(jī)加工產(chǎn)品、壓制成型產(chǎn)品、金屬膜等的測(cè)量。為了分析工件加工數(shù)據(jù)，或?yàn)槟嫦蚬こ烫峁┕ぜ夹畔ⅲ?jīng)常需要用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)被測(cè)工件表面進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)掃描。以三坐標(biāo)的FOUNCTION-PRO型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)為例，介紹三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的幾種常用掃描方法及其操作步驟。
三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的掃描操作是應(yīng)用PC DMIS程序在被測(cè)物體表面的特定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)采集，該區(qū)域可以是一條線、一個(gè)面片、零件的一個(gè)截面、零件的曲線或距邊緣一定距離的周線等。掃描類型與測(cè)量模式、測(cè)頭類型以及是否有CAD文件等有關(guān)，控制屏幕上的“掃描”(Scan)選項(xiàng)由狀態(tài)按鈕(手動(dòng)/DCC)決定。若采用DCC方式測(cè)量，又有CAD文件，則可供選用的掃描方式有“開線”(Open Linear)、“閉線”(Closed Linear)、“面片”(Patch)、“截面”(Section)和“周線”(Perimeter)掃描；若采用DCC方式測(cè)量，而只有線框型CAD文件，則可選用“開線”(Open Linear)、“閉線”(Closed Linear)和“面片”(Patch)掃描方式；若采用手動(dòng)測(cè)量模式，則只能使用基本的“手動(dòng)觸發(fā)掃描”(Manul TTP Scan)方式；若采用手動(dòng)測(cè)量方式并使用剛性測(cè)頭，則可用選項(xiàng)為“固定間隔”(Fixed Delta)、“變化間隔”(Variable Delta)、“時(shí)間間隔”(Time Delta)和“主體軸向掃描”(Body Axis Scan)方式。
下面詳細(xì)介紹在DCC狀態(tài)下，進(jìn)入“功能”(Utility)菜單選取“掃描”(Scan)選項(xiàng)后可供選擇的五種掃描方式。

面片掃描(Patch Scan)
面片掃描方式允許掃描一個(gè)區(qū)域而不再是掃描線。應(yīng)用該掃描方式至少需要四個(gè)邊界點(diǎn)信息，即開始點(diǎn)、方向點(diǎn)、掃描長(zhǎng)度和掃描寬度。PC DMIS可根據(jù)基本(或缺省)信息給出的邊界點(diǎn)1、2、3確定三角形面片，掃描方向則由D的坐標(biāo)值決定；若增加了第四或第五個(gè)邊界點(diǎn)，則面片可以為四方形或五邊形。
采用面片掃描方式時(shí)，在復(fù)選框中選擇“閉線掃描”，表示掃描一個(gè)封閉元素(如圓柱、圓錐、槽等)，然后輸入起始點(diǎn)、終止點(diǎn)和方向點(diǎn)。終止點(diǎn)位置表示掃描被測(cè)元素時(shí)向上或向下移動(dòng)的距離；用起始點(diǎn)、方向點(diǎn)和起始矢量可定義截平面矢量(通常該矢量平行于被測(cè)元素)。現(xiàn)以創(chuàng)建四邊形面片為例，介紹面片掃描的幾種定義方式：
(1)鍵入坐標(biāo)值方式
雙擊邊界點(diǎn)“1”，輸入起始點(diǎn)坐標(biāo)值X、Y、Z；雙擊邊界方向點(diǎn)“D”，輸入掃描方向點(diǎn)坐標(biāo)值；雙擊邊界點(diǎn)“2”，輸入確定方向的掃描寬度；雙擊邊界點(diǎn)“3”，輸入確定第二方向的掃描寬度；點(diǎn)擊“3”，然后按“添加”按鈕，對(duì)話框給出第四個(gè)邊界點(diǎn)；雙擊邊界點(diǎn)“4”，輸入終止點(diǎn)坐標(biāo)值；選擇掃描所需的步長(zhǎng)(各點(diǎn)間的步距)和步長(zhǎng)(1、2兩點(diǎn)間的步長(zhǎng))值后，點(diǎn)擊“創(chuàng)建”。(2)觸測(cè)方式
選定“面片掃描”方式，用坐標(biāo)測(cè)量機(jī)草作盤在所需起始點(diǎn)位置觸測(cè)點(diǎn)，該點(diǎn)坐標(biāo)值將顯示在“邊界點(diǎn)”對(duì)話框的“#1”項(xiàng)內(nèi)；然后觸測(cè)第二點(diǎn)，該點(diǎn)代表掃描方向的終止點(diǎn)，其坐標(biāo)值將顯示在對(duì)話框的“D”項(xiàng)內(nèi)；然后觸測(cè)第三點(diǎn)，該點(diǎn)代表掃描面片寬度，其坐標(biāo)值將顯示在對(duì)話框的“#3”項(xiàng)內(nèi)；點(diǎn)擊“3”，選擇“添加”，可在清單上添加第四點(diǎn)；觸測(cè)終止點(diǎn)，將關(guān)閉對(duì)話框。定義掃描行距和步長(zhǎng)兩個(gè)方向數(shù)據(jù)；選擇掃描觸測(cè)類型及所需選項(xiàng)后，點(diǎn)擊“創(chuàng)建”。
(3)CAD曲面模型方式
該掃描方式只適用于有CAD曲面模型的工件。先選定“面片掃描”方式，左鍵點(diǎn)擊CAD工作表面；加亮“邊界點(diǎn)”對(duì)話框中的“1”，左鍵點(diǎn)擊曲面上的掃描起始點(diǎn)；然后加亮“D”，點(diǎn)擊曲面定義方向點(diǎn)；點(diǎn)擊曲面定義掃描寬度(#2)；點(diǎn)擊曲面定義掃描上寬度(#3)；點(diǎn)擊“3”，選擇“添加”，添加附加點(diǎn)“4”，加亮“4”，點(diǎn)擊定義掃描終止點(diǎn)，關(guān)閉對(duì)話框。定義兩個(gè)方向的步長(zhǎng)及選擇所需選項(xiàng)后，點(diǎn)擊“創(chuàng)建”。
重定位整合
1 、應(yīng)用背景
在產(chǎn)品的測(cè)繪過程中，往往不能在同一坐標(biāo)系將產(chǎn)品的幾何數(shù)據(jù)一次測(cè)出。其原因一是產(chǎn)品尺寸超出測(cè)量機(jī)的行程，二是測(cè)量探頭不能觸及產(chǎn)品的，三是在工件拆下后發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失，需要補(bǔ)測(cè)。這時(shí)就需要在不同的定位狀態(tài)（即不同的坐標(biāo)系）下測(cè)量產(chǎn)品的各個(gè)部分，稱為產(chǎn)品的重定位測(cè)量。而在造型時(shí)則應(yīng)將這些不同坐標(biāo)系下的重定位數(shù)據(jù)變換到同一坐標(biāo)系中，這個(gè)過程稱為重定位數(shù)據(jù)的整合。
對(duì)于復(fù)雜或較大的模型，測(cè)量過程中常需要多次定位測(cè)量，終的測(cè)量數(shù)據(jù)就必需依據(jù)一定的轉(zhuǎn)換路徑進(jìn)行多次重定位整合，把各次定位中測(cè)得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一個(gè)公共定位基準(zhǔn)下的測(cè)量數(shù)據(jù)。
2 、重定位整合原理
工件移動(dòng)（重定位）后的測(cè)量數(shù)據(jù)與移動(dòng)前的測(cè)量數(shù)據(jù)存在著移動(dòng)錯(cuò)位，如果我們?cè)诠ぜ洗_定一個(gè)在重定位前后都能測(cè)到的形體（稱為重定位基準(zhǔn)），那么只要在測(cè)量結(jié)束后，通過一系列變換使重定位后對(duì)該形體的測(cè)量結(jié)果與重定位前的測(cè)量結(jié)果重合，即可將重定位后的測(cè)量數(shù)據(jù)整合到重合前的數(shù)據(jù)中。重定位基準(zhǔn)在重定位整合中起到了紐帶的作用.
PID控制是：比例，積分，微分控制的縮寫。
P參數(shù)：決定系統(tǒng)對(duì)位置誤差的整個(gè)響應(yīng)過程。數(shù)值越低，系統(tǒng)越穩(wěn)定，不產(chǎn)生振蕩，但剛性差，到位誤差大；數(shù)值越高，剛性越好，到位誤差小，但系統(tǒng)可能產(chǎn)生振蕩。
I 參數(shù)：控制由于摩擦力和負(fù)載引起的靜態(tài)到位誤差。數(shù)值越低，到位時(shí)間越長(zhǎng)；數(shù)值越高，可能在理論位置上下振蕩。
D參數(shù)：此參數(shù)通過阻止誤差變化過沖給系統(tǒng)提供阻尼和穩(wěn)定性。數(shù)值越低，使系統(tǒng)對(duì)位置誤差響應(yīng)快；數(shù)值越高，系統(tǒng)響應(yīng)越慢。
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