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三坐标测量机认知实验 一、三坐标测量的基础知识 1、测头 探测系统是由测头及其附件组成的系统，测头是测量机探测时发送信号的装置，它可以输出开头信号，亦可以输出与探针偏转角度成正比的比例信号，它是坐标测量机的关键部件，测头精度的高低很大程度决定了测量机的测量重复性及精度；不同零件需要选择不同功能的测头进行测量。图1所示为三种不同功能的测头。 扫描测头 触发测头 激光测头 图1 三种功能不同的测头 2、测头分类 （1）触发测头与扫描测头 触发测头（Trigger probe）:又称为开关测头，测头的主要任务是探测零件并发出锁存信号，实时的锁存被测表面坐标点的三维坐标值。 扫描测头（Scanning Probe）:又称为比例测头或模拟测头，此类测头有的不仅能作触发测头使用，更重要的是能输出与探针的偏转成比例的信号（模拟电压或数字信号），由计算机同时读入探针偏转及测量机的三维坐标信号（作触发测头时则锁存探测点的三维坐标值），以保证实时的得到被探测点的三维坐标。 由于取点时没有机械的往复运动，因此采点率大大提高，扫描测头用于离散点测量时，由于探针的三维运动可以确定该点所在表面的法矢方向，因此更适于曲面的测量。 （2）接触式测头与非接触式测头 接触式测头（Contact Probe）:需与待测表面发生实体接触的探测系统。 非接触式测头（Non-Contact Probe）:不需与待测表面化发生实体接触的探测系统；例如光学探测系统。 3、触发式测头的原理 （1）接触式触发测头的基本结构 图2所示为TP20机械测头，它属于接触式触发测头。 TP20机械测头包括3个电子接触器，当测杆接触物体使测杆偏斜时，至少有一个接触器断开，此时机器的X、Y、Z光栅被读出。这组数值表示此时的测杆球心位置。 （2）触发测头工作时的基本动作 图3所示为测头处于回位状态。探针接触被测物体并与物体接触的力通过测头内部的弹簧力平衡，探针产生弯曲；探针绕测头内部支点转动，造成一个或两个接点断开，在断开前测头发出触发信号；然后机器回退，测头复位。 （3）触发测头工作时的电气原理 触发测头通过触点形成电气回路；当测头与零件接触时测力增加，接触面积减小，电阻增加，当电阻到达阈值时，测头发出触发信号。图4所示为触发测头工作时的电气原理。 图2 TP20机械测头 图3 测头回位状态 图4 触发测头工作时的电气原理 4、矢量和余弦误差 （1）矢量 矢量可以被看做一个单位长的直线，并指向矢量方向。相对于三个轴的方向矢量。I方向在X轴，J方向在Y轴，K方向在Z轴。矢量I、J、K值介于1和-1之间，分别表示与X、Y、Z夹角的余弦。 （2）矢量方向 矢量用一条末端带箭头的直线表示，箭头表示了它的方向。X、Y、Z表示三坐标测量机的坐标位置，矢量I、J、K表示了三坐标测量机三轴正确的测量方向。 在三坐标测量中矢量精确指明测头垂直触测被测特征的方向，即测头触测后的回退方向。 （3）余弦误差 矢量的另一个很重要的作用是软件利用矢量方向进行测头补尝。DCC模式下，当测量一点后机器沿着与被测点矢量方向相反的方向进行触测，如果触测方向不正确，将引起一个“余弦误差”。图5所示为测头正确的触测方向，图6所示为测头错误的触测方向。 5、坐标系 在DCC三坐标测量机上测量工件区别于传统的测量另一个主要特点是测量效率高。效率高源于两个方面：一是具有数据自动处理程序；二是对待测工件易于安装定位，通过测量软件系统对任意放置的工件建立零件坐标系，进行坐标转换，实现自动找正。 精确的测量工作中，正确地建坐标系，与具有精确的测量机，校验好的测头一样重要。由于我们的工件图纸都是有设计基准的，所有尺寸都是与设计基准相关的，要得到一个正确的检测报告，就必须建立零件坐标系，同时，在批量工件的检测过程中，只需建立好零件坐标系即可运行程序，从而更快捷有效。 图5 正确的触测方向 图6 错误的触测方向 （1）坐标系类型 综合各类测量机，常使用三种类型坐标系：直角坐标系、柱坐标系和球坐标系。这三种坐标系用于不同的测量目的和对象。对于圆柱类型零件、球类零件和凸轮零件，采用极坐标系和球坐标系进行测量。由于直角坐标系可用线性转换矩阵实现坐标变换，故在三坐标测量机中大都以直角坐标系作为坐标系转换基础。 直角坐标系：指由三条数轴相交于原点且相互垂直建立的坐标系，又称笛卡尔直角坐标系。 柱坐标系：柱坐标系又称半极坐标系，它是由平面极坐标系与空间直角坐标系中的部分建立起来的。 球坐标系：